第1章绪论1.1材料力学的基本任务各种机械、设备和结构物在使用时，组成它们的每个构件，都要受到从相邻构件或从其它构件传递来的外力（即载荷）的作用。材料力学是一门研究各种构件的抗力性能的科学，它的主要任务就是从保证所有构件能够正常工作的要求出发，帮助设计者合理地选择构件的适当材料和形状，确定所需要的几何尺寸；判断已有的构件是否能合乎正常地使用，并考虑如何改造它们，使之能够适应新任务的要求。为了使所有构件在各种实际工作的考验中不至于丧失应有的效能，这些构件必须具备下列三项基本条件：1）具有足够的强度就是能够安全地承受所担负的载荷，不至于发生断裂或产生严重的永久变形。例如，冲床的曲轴，在工作冲压力作用下不应折断。又如，储气罐或氧气瓶，在规定压力下不应爆破。可见，所谓强度是指构件在载荷作用下抵抗破坏的能力。2）具有足够的刚度在载荷作用下，构件的最大变形不超过实际使用中所能容许的数值。某些结构的变形，不能超过正常工作允许的限度。以机床的主轴为例，即使它有足够的强度，若变形过大时(图1-1a)，将使轴上的齿轮啮合不良，并引起轴承的不均匀磨损(图l-1b)。因而，所谓刚度是指构件在外力作用下抵抗变形的能力。3）具有足够的稳定性当受力时能够保持原有的平衡形式，不至于突然偏侧而丧失承载能力。有些细长杆，如内燃机中的挺杆、千斤顶中的螺杆等(图1-2a、b)，在压力作用下，有被压弯的可能。为了保证其正常工作．要求这类杆件始终保持直线形式．亦即要求原有的直线平衡形态保持不变。所以，所谓稳定性是指构件保持其原有平衡状态的能力。图1-1图1-2若构件的截面尺寸过小，或截面形状不合理，或材料选用不当，在外力作用下将不能满足上述要求，从而影响机械或工程结构的正常工作。反之，如构件尺寸过大，1材料质量太高，虽满足了上述要求，但构件的承载能力难以充分发挥。这样，既浪费了材料．又增加了成本和重量。材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，为构件设计提供必要的理论基础和计算方法。实际工程问题中，构件都应有足够的强度、刚度和稳定性。但就一个具体构件而言，对上述三项要求往往有所侧重。例如，氧气瓶以强度要求为主，车床主轴以刚度要求为主，而挺杆则以稳定性要求为主。此外，对某些特殊构件，还往往有相反的要求。例如，为了保证机器不致因超载而造成重大事故，当载荷到达某一限度时，要求安全销立即破坏。又如，用于缓冲设备的弹簧、钟表的发条等，力求这些构件具有较大的弹性变形。构件的强度、刚度和稳定性，显然都与材料的力学性能(材料在外力作用下表现出来的变形和破坏等方面的特性)有关。材料的力学性能需要通过实验来测定。材料力学中的一些理论分析方法，大多是在某些假设条件下得到的，是否可靠，还需要通过实验检验其正确性。此外，有些问题尚无理论分析结果，也需借助实验的方法来解决。因此，材料力学是一门理论与实验相结合的学科。构件的强度、刚度、稳定性，主要是由所用材料的抗力性能（即机械性能）、构件的形状、尺寸以及所受载荷的方向、位置等因素决定的。材料力学在辨证唯物论的基础上，运用许多基础科学的知识（如物理、力学、数学等），给人们提供了有关构件的强度、刚度、稳定性的计算方法。它是结合生产实践与实际工程问题，进行理论探讨和实验分析的。通过本学科的教学过程，可以逐步掌握“技术科学”（如材料力学、结构力学、机械原理与零件、电工学等）的特点和学习方法，为进一步学习专业课程打下必备的基础。就构件设计方面来说，除了要求坚固耐用外，还要求经济、轻便，以及满足种种工作任务的要求，如耐高温、高速、高压、腐蚀，便于大量生产、快速施工、综合利用等等。例如：为了保证构件能够安全耐用，应该采用较多的或较好的材料。但是，为了满足经济和轻便的要求，又必须尽量少用材料或改用廉价多产的代用材料。在设法解决这类矛盾和困难问题时，材料力学可以给我们提供许多原则和方法，还能够揭示寻求新的材料，新的构件形式和更精确的分析计算途径。1.2材料力学发展简史及与生产实践的关系材料力学这门学科和其它学科一样，也是在人类劳动和生产的实践中发生、成长和发展起来的。勤劳智慧的劳动人民在远古时代就已经积累了许多有关材料力学的宝贵经验，显示出了卓越的创造能力：无论在房屋建筑、桥梁建造、运输工具和武器的制造等方面，我们的祖先都能够合理地使用及创造材料，并不断地发明新式的结构及使用的工具。比如，在房屋建筑方面，根据殷墟遗迹的考古资料和《周礼考工记》的文字记