《剪切與擠壓》課件

剪切與擠壓剪切和擠壓是兩種常見(jiàn)的力學(xué)現(xiàn)象，在工程和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。課程導(dǎo)言剪切和擠壓這些概念在工程領(lǐng)域至關(guān)重要，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性有重大影響。力學(xué)基礎(chǔ)我們將深入了解剪切和擠壓的力學(xué)原理，理解應(yīng)力和應(yīng)變的概念。工程應(yīng)用我們將研究剪切和擠壓在實(shí)際工程中的應(yīng)用，涵蓋橋梁、建筑和機(jī)械設(shè)計(jì)。材料特性我們將探討不同材料的剪切和擠壓特性，包括它們的強(qiáng)度、韌性和延展性。剪切與擠壓的定義剪切剪切是指物體受到平行于表面力的作用，導(dǎo)致物體發(fā)生形變的過(guò)程。當(dāng)物體受到剪切力時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，并導(dǎo)致剪切應(yīng)變。擠壓擠壓是指物體受到垂直于表面力的作用，導(dǎo)致物體發(fā)生形變的過(guò)程。當(dāng)物體受到擠壓力時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，并導(dǎo)致擠壓應(yīng)變。剪切的產(chǎn)生原因外力方向剪切力作用方式平行于受力物體表面應(yīng)力類型剪切應(yīng)力變形類型剪切變形剪切應(yīng)變的計(jì)算1定義剪切應(yīng)變是材料在外力作用下，發(fā)生形變時(shí)，其內(nèi)部的剪切應(yīng)力與剪切模量的比值。2公式剪切應(yīng)變=剪切應(yīng)力/剪切模量3單位剪切應(yīng)變的單位通常為無(wú)量綱。剪切應(yīng)變是描述材料在剪切力作用下發(fā)生的形變程度。在工程應(yīng)用中，剪切應(yīng)變的計(jì)算對(duì)于判斷材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。剪切在工程中的應(yīng)用剪切在工程中應(yīng)用廣泛，例如金屬板材加工、沖壓、切斷等。剪切力可用于切割、成形、分離材料，例如汽車制造、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。剪切力在工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，用于各種應(yīng)用，例如飛機(jī)部件、建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、船舶等。剪切力的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，隨著新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，剪切力將在更多工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。擠壓的產(chǎn)生原因當(dāng)物體受到垂直于其表面并指向內(nèi)部的力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生擠壓。這種力會(huì)導(dǎo)致物體內(nèi)部產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，并可能導(dǎo)致物體變形。擠壓的產(chǎn)生原因有很多，包括：1外力作用物體受到外力，如重力、壓力等。2溫度變化溫度變化會(huì)導(dǎo)致物體膨脹或收縮，從而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。3內(nèi)部應(yīng)力物體內(nèi)部可能存在殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致物體變形。擠壓應(yīng)變的計(jì)算1應(yīng)變定義擠壓應(yīng)變是指物體受到擠壓力作用后，其形狀和尺寸發(fā)生變化的程度。2計(jì)算公式擠壓應(yīng)變的計(jì)算公式為：應(yīng)變=形變量/原尺寸3單位擠壓應(yīng)變通常用無(wú)量綱的百分比或千分比表示，例如0.5%或5‰。擠壓在工程中的應(yīng)用擠壓廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，例如金屬成型、建筑施工、機(jī)械加工等。例如，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的強(qiáng)度主要來(lái)自其抗壓能力。在金屬成型中，擠壓工藝可以用于生產(chǎn)各種形狀的金屬制品，例如管材、型材等。此外，擠壓還可以用于制造高精度零件，例如精密軸承。總之，擠壓在工程中的應(yīng)用非常廣泛，它對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效率起著重要作用。剪切與擠壓的區(qū)別受力方向剪切力作用于物體表面，沿著切向方向，使物體產(chǎn)生變形。變形方式剪切變形是指物體在剪切力作用下，其各部分沿平行于力的方向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。常見(jiàn)應(yīng)用剪切力廣泛應(yīng)用于金屬加工，如沖壓、剪切、切削等。擠壓擠壓力垂直作用于物體表面，使物體產(chǎn)生壓縮變形。材料抗剪能力的影響因素1材料強(qiáng)度材料的抗剪強(qiáng)度與材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)。材料強(qiáng)度越高，抗剪能力越強(qiáng)。2材料韌性韌性強(qiáng)的材料在剪切過(guò)程中能夠承受更大的形變，從而提高抗剪能力。韌性差的材料則容易發(fā)生脆性斷裂。3材料硬度材料硬度越高，抗剪能力越強(qiáng)。硬度高的材料更難被剪切變形。4材料的加工工藝?yán)?，材料的熱處理、表面處理和焊接等加工工藝都?huì)影響材料的抗剪能力。材料抗壓能力的影響因素晶體結(jié)構(gòu)材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓能力有很大影響。例如，立方密堆積結(jié)構(gòu)的金屬比面心立方結(jié)構(gòu)的金屬抗壓能力更強(qiáng)。合金元素添加合金元素可以提高材料的抗壓能力。例如，在鋼中添加鎳、鉻等元素可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，從而提高其抗壓能力。晶粒尺寸晶粒尺寸越小，材料的抗壓能力越強(qiáng)。因?yàn)榫Ы鐚?duì)材料的抗壓能力起阻礙作用，晶粒尺寸越小，晶界越多，抗壓能力就越強(qiáng)。溫度溫度升高會(huì)降低材料的強(qiáng)度和硬度，從而降低其抗壓能力。溫度降低會(huì)提高材料的強(qiáng)度和硬度，從而提高其抗壓能力。熱處理對(duì)材料性能的影響11.改變晶粒尺寸熱處理改變材料內(nèi)部的晶粒尺寸，影響材料的強(qiáng)度和韌性。22.改變相組成熱處理改變材料內(nèi)部的相組成，影響材料的硬度和抗腐蝕性。33.改變內(nèi)應(yīng)力熱處理改變材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，影響材料的抗疲勞強(qiáng)度和耐用性。44.改變組織結(jié)構(gòu)熱處理改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，影響材料的塑性、延展性和加工性能。焊接對(duì)材料性能的影響焊接熱影響區(qū)焊接過(guò)程中的高溫會(huì)改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)(HAZ)的機(jī)械性能發(fā)生變化。HAZ通常比母材更硬更脆，更容易出現(xiàn)裂紋。焊接殘余應(yīng)力焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力會(huì)影響材料的強(qiáng)度和韌性。焊接殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致材料在使用過(guò)程中發(fā)生變形或斷裂。表面處理對(duì)材料性能的影響表面硬度表面處理可提高材料的硬度和耐磨性，例如熱處理可以改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的強(qiáng)度和硬度。耐腐蝕性表面處理可以有效地提高材料的耐腐蝕性，例如電鍍、噴涂等表面處理工藝，可以在材料表面形成一層保護(hù)膜，防止腐蝕。表面光潔度表面處理可以改善材料表面的光潔度，例如拋光、電解拋光等工藝，可以使材料表面更加光滑，減少摩擦系數(shù)。應(yīng)力集中對(duì)材料性能的影響應(yīng)力集中應(yīng)力集中是指在材料的局部區(qū)域，應(yīng)力超過(guò)平均應(yīng)力，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。裂紋尖端裂紋尖端是應(yīng)力集中的典型區(qū)域，應(yīng)力集中程度與裂紋尺寸和形狀有關(guān)。疲勞失效應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致材料在反復(fù)載荷下發(fā)生疲勞失效，降低材料的使用壽命。幾何形狀材料的幾何形狀也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，例如孔洞、缺口或尖角。裂紋對(duì)材料性能的影響應(yīng)力集中裂紋存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而降低材料的抗拉強(qiáng)度。斷裂韌性裂紋的存在會(huì)降低材料的斷裂韌性，使材料更容易發(fā)生脆性斷裂。疲勞壽命裂紋會(huì)加速材料的疲勞損傷，縮短材料的疲勞壽命。疲勞對(duì)材料性能的影響1循環(huán)載荷材料在反復(fù)的應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞。2裂紋擴(kuò)展疲勞斷裂通常從材料表面上的微小缺陷開始，并逐漸擴(kuò)展成為裂紋。3材料性能下降疲勞會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、韌性和塑性下降，最終導(dǎo)致材料失效。4疲勞強(qiáng)度材料在一定循環(huán)載荷下能夠承受的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度。顆粒度對(duì)材料性能的影響顆粒度與強(qiáng)度材料中的顆粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度就越高。因?yàn)榧?xì)小顆粒可以有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。顆粒度與韌性顆粒度與材料韌性也密切相關(guān)，較小的顆粒尺寸可以使材料韌性更強(qiáng)。顆粒度與硬度顆粒越細(xì)，材料的硬度也越高。因?yàn)楦〉念w粒提供更多阻力，從而使材料更難變形。顆粒度與塑性細(xì)小的顆粒尺寸通常與更高的抗拉強(qiáng)度相關(guān)，這意味著材料在斷裂前可以承受更大的拉伸力。晶粒尺寸對(duì)材料性能的影響晶粒尺寸與強(qiáng)度晶粒尺寸越小，材料的強(qiáng)度越高。這是因?yàn)樾【Я５木Ы缑娣e更大，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了材料的屈服強(qiáng)度。晶粒尺寸與韌性晶粒尺寸對(duì)材料的韌性也有影響。小晶?？梢宰柚沽鸭y的擴(kuò)展，提高材料的韌性。晶粒尺寸與塑性晶粒尺寸越大，材料的塑性越好。這是因?yàn)榫Ы缱璧K了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，而小晶粒的晶界面積更大，所以材料的塑性會(huì)降低。合金添加對(duì)材料性能的影響提高強(qiáng)度合金元素可以改變金屬的晶體結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和硬度。增強(qiáng)耐腐蝕性合金元素可以形成致密的氧化層，提高材料的耐腐蝕性能。改善加工性能合金元素可以降低材料的熔點(diǎn)，提高材料的延展性，改善其加工性能。提升耐熱性合金元素可以提高材料的耐熱性，使其在高溫環(huán)境下保持良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。常見(jiàn)材料的剪切與擠壓性能鋼材鋼材具有高強(qiáng)度和韌性，廣泛用于建筑、機(jī)械等領(lǐng)域。鋼材的剪切和擠壓性能與其成分、熱處理等因素密切相關(guān)。鋁合金鋁合金輕質(zhì)且耐腐蝕，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。鋁合金的剪切和擠壓性能受合金元素種類和比例的影響。銅合金銅合金具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛用于電子、電氣行業(yè)。銅合金的剪切和擠壓性能受合金元素和加工工藝的影響。工程塑料工程塑料具有優(yōu)良的機(jī)械性能和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于汽車、電子等領(lǐng)域。工程塑料的剪切和擠壓性能與聚合物種類和分子量有關(guān)。鋼材的剪切與擠壓性能剪切強(qiáng)度(MPa)抗壓強(qiáng)度(MPa)鋼材的剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度取決于其成分和處理工藝。一般來(lái)說(shuō)，碳含量越高，強(qiáng)度越大。合金鋼的強(qiáng)度通常高于普通碳鋼，因?yàn)楹辖鹪乜梢蕴岣咪摬牡挠捕群晚g性。鋁合金的剪切與擠壓性能鋁合金具有良好的剪切和擠壓性能，這使得它在航空航天、汽車、建筑和電子等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鋁合金的剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度與合金的成分、熱處理工藝、加工工藝等因素密切相關(guān)。剪切強(qiáng)度(MPa)擠壓強(qiáng)度(MPa)例如，常用的2024、6061和7075鋁合金，它們的剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度均較高，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。銅合金的剪切與擠壓性能銅合金的剪切與擠壓性能取決于合金成分、熱處理工藝和加工方式等因素。銅合金的剪切強(qiáng)度通常比鋼材低，但其抗壓強(qiáng)度較高。這使得銅合金在需要抗壓能力的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，例如模具和軸承。150強(qiáng)度MPa400剪切MPa600抗壓MPa工程塑料的剪切與擠壓性能工程塑料剪切強(qiáng)度擠壓強(qiáng)度聚丙烯（PP）30-45MPa60-80MPa聚乙烯（PE）20-35MPa40-60MPa聚氯乙烯（PVC）40-60MPa70-90MPa聚苯乙烯（PS）30-45MPa50-70MPa陶瓷材料的剪切與擠壓性能特性剪切性能擠壓性能脆性抗剪強(qiáng)度低抗壓強(qiáng)度高硬度受硬度影響受硬度影響溫度高溫下強(qiáng)度降低高溫下強(qiáng)度降低陶瓷材料的剪切強(qiáng)度通常較低，易發(fā)生脆性斷裂。擠壓性能則較好，承受較高壓力的能力強(qiáng)。復(fù)合材料的剪切與擠壓性能復(fù)合材料通常由兩種或多種材料組成，這些材料具有不同的性質(zhì)，并以特定的方式結(jié)合在一起以創(chuàng)造出具有獨(dú)特性能的新材料。復(fù)合材料的剪切和擠壓性能取決于纖維、基體材料和界面之間的相互作用。1強(qiáng)度復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于纖維的強(qiáng)度和纖維與基體的結(jié)合力。2剛度復(fù)合材料的剛度取決于纖維的剛度和纖維與基體的結(jié)合力。3韌性復(fù)合材料的韌性取決于基體的韌性和纖維與基體的結(jié)合力。實(shí)際案例分析與討論在本部分，我們將深入探討剪切與擠壓在實(shí)際工程中的應(yīng)用案例。1飛機(jī)機(jī)翼機(jī)翼承受著巨大的剪切力。2