材料力学重点及其公式
材料力学的任务（1）强度要求；（2）刚度要求；（3）稳定性要求。
变形固体的基本假设（1）连续性假设；（2）均匀性假设；（3）各向同性假设；（4）小变形假设。
外力分类：表面力、体积力；静载荷、动载荷。
内力：构件在外力的作用下，内部相互作用力的变化量，即构件内部各部分之间的因外力作用而引起的附加相互作用力
截面法：（1）欲求构件某一截面上的内力时，可沿该截面把构件切开成两部分，弃去任一部分，保留另一部分研究（2）在保留部分的截面上加上内力，以代替弃去部分对保留部分的作用。（3）根据平衡条件，列平衡方程，求解截面上和内力。 应力：p =lim ∆P =dP 正应力、切应力。
dA ∆A →0∆A 变形与应变：线应变、切应变。
杆件变形的基本形式（1）拉伸或压缩；（2）剪切；（3）扭转；（4）弯曲；（5）组合变形。 静载荷：载荷从零开始平缓地增加到最终值，然后不再变化的载荷。 动载荷：载荷和速度随时间急剧变化的载荷为动载荷。 失效原因：脆性材料在其强度极限极限应力理想情形。
σb 破坏，塑性材料在其屈服极限σs 时失效。二者统称为
[σ]=σs [σ]=σb
塑性材料、脆性材料的许用应力分别为：
n 3，n b ，强度条件：
σmax =
⎛N ⎫N max
⎪≤[σ]≤[σ]⎝A ⎭max A ，等截面杆
轴向拉伸或压缩时的变形：杆件在轴向方向的伸长为：∆l =l 1-l ，沿轴线方向的应变和横
∆b b 1-b N P ∆l '
ε===。横向应变为：截面上的应力分别为：ε=，σ=，横向应
A A l b b
变与轴向应变的关系为：ε' =-με。
胡克定律：当应力低于材料的比例极限时，应力与应变成正比，即σ=E ε，这就是胡克定律。E 为弹性模量。将应力与应变的表达式带入得：∆l =
Nl EA
静不定：对于杆件的轴力，当未知力数目多于平衡方程的数目，仅利用静力平衡方程无法解出全部未知力。
d φ
。物理关系——胡克定dx
d φd φd φ2
=G ρ2dA 圆轴扭转时律τρ=G γρ=G ρ。力学关系T =⎰ρτρdA =⎰ρG ⎰A A dx dx dx A
圆轴扭转时的应力变形几何关系—圆轴扭转的平面假设γρ=ρ的应力：τmax =
T T T
R =；圆轴扭转的强度条件：τmax =≤[τ]，可以进行强度校核I p W t W t
、截面设计和确定许可载荷。 圆轴扭转时的变形：ϕ=
T T Tl
dx =dx ϕ=；等直杆： ⎰l GI p ⎰l GI p
GI p
T d ϕT
'=max ≤[ϕ'] =，ϕmax
dx GI p GI p
dM (x )dQ (x )
=Q (x )；=q (x ) ；
dx dx
圆轴扭转时的刚度条件：ϕ'=
弯曲内力与分布载荷q 之间的微分关系
d 2M (x )dQ (x )==q (x )
dx dx 2
Q 、M 图与外力间的关系
a ）梁在某一段内无载荷作用，剪力图为一水平直线，弯矩图为一斜直线。 b ）梁在某一段内作用均匀载荷，剪力图为一斜直线，弯矩图为一抛物线。 c ）在梁的某一截面。
dM (x )=Q (x )=0，剪力等于零，弯矩有一最大值或最小值。
dx
d ）由集中力作用截面的左侧和右侧，剪力Q 有一突然变化，弯矩图的斜率也发生突然变化形成一个转折点。
梁的正应力和剪应力强度条件σmax =
M max
≤[σ]，τmax ≤[τ] W
提高弯曲强度的措施：梁的合理受力(降低最大弯矩M max ，合理放置支座，合理布置载荷，合理设计截面形状
塑性材料：[σt ]=[σc ]，上、下对称，抗弯更好，抗扭差。脆性材料：[σt ]
等强度梁：截面沿杆长变化，恰使每个截面上的正应力都等于许用应力，这样的变截面梁称为等强度梁。
用叠加法求弯曲变形：当梁上有几个载荷共同作用时，可以分别计算梁在每个载荷单独作用时的变形，然后进行叠加，即可求得梁在几个载荷共同作用时的总变形。 简单超静定梁求解步骤： （1）判断静不定度；
（2）建立基本系统（解除静不定结构的内部和外部多余约束后所得到的静定结构）； （3）建立相当系统（作用有原静不定梁载荷与多余约束反力的基本系统）； （4）求解静不定问题。
二向应力状态分析—解析法 （1）任意斜截面上的应力σα=
σx +σy
2
+
σx -σy
2
cos 2α-τxy sin 2α；
τα=
σx -σy
2
sin 2α+τxy cos 2α
（2）极值应力正应力：tg 2α0=-
2τxy
σx -σy
，
σx -σy 2σmax ⎫σx +σy
2
=±() +τxy ⎬σmin ⎭22
σx -σy 2σx -σy τmax ⎫2
) +τxy 切应力：tg 2α1=， ⎬=±(
τ22τxy min ⎭
（3）主应力所在的平面与剪应力极值所在的平面之间的关系
α与α1之间的关系为：2α1=2α0+
与主平面的夹角为45°
π
2
, α1=α0+
π
4
，即：最大和最小剪应力所在的平面
扭转与弯曲的组合（1）外力向杆件截面形心简化（2）画内力图确定危险截面（3）确定危险点并建立强度条件
按第三强度理论，强度条件为：σ1-σ3≤[σ]或
2+42≤[σ]，对于圆轴，W t =2W
M 2+T 2
≤[σ]。按第四强度理论，强度条件为：，其强度条件为：
W
1
(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2≤[σ]，经化简得出：232≤[σ]，对于圆2
轴，其强度条件为：
M 2+0. 75T 2
W
≤[σ]。
π2E
欧拉公式适用范围（1）大柔度压杆（欧拉公式）：即当λ≥λ1，其中λ1=时，
σP
π2E a -σs
σcr =2（2）中等柔度压杆（经验公式）：即当λ2≤λ≤λ1，其中λ2=时，
b λ
：即当λ
提高压杆稳定性的措施：选择合理的截面形状，改变压杆的约束条件，合理选择材料
F
≤σs 。 A
P cr
，[P ]为许可压力，n st 为工作安全系数n st
外力偶矩计算公式（P 功率，n 转速）
弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式
轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式应力为正）
（杆件横截面轴力F N ，横截面面积A ，拉
轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x 轴正方向逆时针转至外法线
的方位角为正）
纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l ，拉伸后试样标距l1；拉伸前试样直径d ，拉伸后试样直径d1）
纵向线应变和横向线应变
泊松比
胡克定律
受多个力作用的杆件纵向变形计算公式
承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式
轴向拉压杆的强度计算公式
许用应力
，脆性材料，塑性材料
延伸率
截面收缩率
剪切胡克定律（切变模量G ，切应变g ）
拉压弹性模量E 、泊松比和切变模量G 之间关系式
圆截面对圆心的极惯性矩（a ）实心圆
（b ）空心圆
圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T ，所求点到圆心距离r ）
圆截面周边各点处最大切应力计算公式
扭转截面系数，（a ）实心圆（b ）空心圆
薄壁圆管（壁厚δ≤ R 0 /10 ，R 0为圆管的平均半径）扭转切应力计算公式
圆轴扭转角与扭矩T 、杆长l 、扭转刚度GH p 的关系式
同一材料制成的圆轴各段内的扭矩不同或各段的直径不同（如阶梯轴）时
或
等直圆轴强度条件塑性材料
；脆性材料
扭转圆轴的刚度条件或
受内压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计算公式
,
平面应力状态下斜截面应力的一般公式
,
平面应力状态的三个主应力
,
,
主平面方位的计算公式
面内最大切应力
受扭圆轴表面某点的三个主应力
三向应力状态最大与最小正应力
, ，
，
三向应力状态最大切应力
广义胡克定律
四种强度理论的相当应力
一种常见的应力状态的强度条件
，
组合图形的形心坐标计算公式，
任意截面图形对一点的极惯性矩与以该点为原点的任意两正交坐标轴的惯性矩之和的关系式
截面图形对轴z 和轴y 的惯性半径
,
平行移轴公式（形心轴z c 与平行轴z 1的距离为a ，图形面积为A ）
纯弯曲梁的正应力计算公式
横力弯曲最大正应力计算公式
矩形、圆形、空心圆形的弯曲截面系数，，
几种常见截面的最大弯曲切应力计算公式（为中性轴一侧的横截面对中性轴z 的静矩
，b 为横截面在中性轴处的宽度）
矩形截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
工字形截面梁腹板上的弯曲切应力近似公式
轧制工字钢梁最大弯曲切应力计算公式
圆形截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
圆环形薄壁截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
弯曲正应力强度条件
几种常见截面梁的弯曲切应力强度条件
弯曲梁危险点上既有正应力σ又有切应力τ作用时的强度条件
或
，
梁的挠曲线近似微分方程
梁的转角方程
梁的挠曲线方程
轴向荷载与横向均布荷载联合作用时杆件截面底部边缘和顶部边缘处的正应力计算公式
偏心拉伸（压缩）
弯扭组合变形时圆截面杆按第三和第四强度理论建立的强度条件表达式
，
圆截面杆横截面上有两个弯矩
圆截面杆横截面上有两个弯矩
和
和
同时作用时，合成弯矩为
同时作用时强度计算公式
弯拉扭或弯压扭组合作用时强度计算公式
剪切实用计算的强度条件
挤压实用计算的强度条件 等截面细长压杆在四种杆端约束情况下的临界力计算公式
压杆的约束条件：（a ）两端铰支μ=l
（b ）一端固定、一端自由μ=2 （c ）一端固定、一端铰支μ=0.7 （d ）两端固定μ=0.5
压杆的长细比或柔度计算公式， 细长压杆临界应力的欧拉公式
11
欧拉公式的适用范围 压杆稳定性计算的安全系数法压杆稳定性计算的折减系数法
关系需查表求得
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材料力学重点及其公式
材料力学的任务（1）强度要求；（2）刚度要求；（3）稳定性要求。
变形固体的基本假设（1）连续性假设；（2）均匀性假设；（3）各向同性假设；（4）小变形假设。
外力分类：表面力、体积力；静载荷、动载荷。
内力：构件在外力的作用下，内部相互作用力的变化量，即构件内部各部分之间的因外力作用而引起的附加相互作用力
截面法：（1）欲求构件某一截面上的内力时，可沿该截面把构件切开成两部分，弃去任一部分，保留另一部分研究（2）在保留部分的截面上加上内力，以代替弃去部分对保留部分的作用。（3）根据平衡条件，列平衡方程，求解截面上和内力。 应力：p =lim ∆P =dP 正应力、切应力。
dA ∆A →0∆A 变形与应变：线应变、切应变。
杆件变形的基本形式（1）拉伸或压缩；（2）剪切；（3）扭转；（4）弯曲；（5）组合变形。 静载荷：载荷从零开始平缓地增加到最终值，然后不再变化的载荷。 动载荷：载荷和速度随时间急剧变化的载荷为动载荷。 失效原因：脆性材料在其强度极限极限应力理想情形。
σb 破坏，塑性材料在其屈服极限σs 时失效。二者统称为
[σ]=σs [σ]=σb
塑性材料、脆性材料的许用应力分别为：
n 3，n b ，强度条件：
σmax =
⎛N ⎫N max
⎪≤[σ]≤[σ]⎝A ⎭max A ，等截面杆
轴向拉伸或压缩时的变形：杆件在轴向方向的伸长为：∆l =l 1-l ，沿轴线方向的应变和横
∆b b 1-b N P ∆l '
ε===。横向应变为：截面上的应力分别为：ε=，σ=，横向应
A A l b b
变与轴向应变的关系为：ε' =-με。
胡克定律：当应力低于材料的比例极限时，应力与应变成正比，即σ=E ε，这就是胡克定律。E 为弹性模量。将应力与应变的表达式带入得：∆l =
Nl EA
静不定：对于杆件的轴力，当未知力数目多于平衡方程的数目，仅利用静力平衡方程无法解出全部未知力。
d φ
。物理关系——胡克定dx
d φd φd φ2
=G ρ2dA 圆轴扭转时律τρ=G γρ=G ρ。力学关系T =⎰ρτρdA =⎰ρG ⎰A A dx dx dx A
圆轴扭转时的应力变形几何关系—圆轴扭转的平面假设γρ=ρ的应力：τmax =
T T T
R =；圆轴扭转的强度条件：τmax =≤[τ]，可以进行强度校核I p W t W t
、截面设计和确定许可载荷。 圆轴扭转时的变形：ϕ=
T T Tl
dx =dx ϕ=；等直杆： ⎰l GI p ⎰l GI p
GI p
T d ϕT
'=max ≤[ϕ'] =，ϕmax
dx GI p GI p
dM (x )dQ (x )
=Q (x )；=q (x ) ；
dx dx
圆轴扭转时的刚度条件：ϕ'=
弯曲内力与分布载荷q 之间的微分关系
d 2M (x )dQ (x )==q (x )
dx dx 2
Q 、M 图与外力间的关系
a ）梁在某一段内无载荷作用，剪力图为一水平直线，弯矩图为一斜直线。 b ）梁在某一段内作用均匀载荷，剪力图为一斜直线，弯矩图为一抛物线。 c ）在梁的某一截面。
dM (x )=Q (x )=0，剪力等于零，弯矩有一最大值或最小值。
dx
d ）由集中力作用截面的左侧和右侧，剪力Q 有一突然变化，弯矩图的斜率也发生突然变化形成一个转折点。
梁的正应力和剪应力强度条件σmax =
M max
≤[σ]，τmax ≤[τ] W
提高弯曲强度的措施：梁的合理受力(降低最大弯矩M max ，合理放置支座，合理布置载荷，合理设计截面形状
塑性材料：[σt ]=[σc ]，上、下对称，抗弯更好，抗扭差。脆性材料：[σt ]
等强度梁：截面沿杆长变化，恰使每个截面上的正应力都等于许用应力，这样的变截面梁称为等强度梁。
用叠加法求弯曲变形：当梁上有几个载荷共同作用时，可以分别计算梁在每个载荷单独作用时的变形，然后进行叠加，即可求得梁在几个载荷共同作用时的总变形。 简单超静定梁求解步骤： （1）判断静不定度；
（2）建立基本系统（解除静不定结构的内部和外部多余约束后所得到的静定结构）； （3）建立相当系统（作用有原静不定梁载荷与多余约束反力的基本系统）； （4）求解静不定问题。
二向应力状态分析—解析法 （1）任意斜截面上的应力σα=
σx +σy
2
+
σx -σy
2
cos 2α-τxy sin 2α；
τα=
σx -σy
2
sin 2α+τxy cos 2α
（2）极值应力正应力：tg 2α0=-
2τxy
σx -σy
，
σx -σy 2σmax ⎫σx +σy
2
=±() +τxy ⎬σmin ⎭22
σx -σy 2σx -σy τmax ⎫2
) +τxy 切应力：tg 2α1=， ⎬=±(
τ22τxy min ⎭
（3）主应力所在的平面与剪应力极值所在的平面之间的关系
α与α1之间的关系为：2α1=2α0+
与主平面的夹角为45°
π
2
, α1=α0+
π
4
，即：最大和最小剪应力所在的平面
扭转与弯曲的组合（1）外力向杆件截面形心简化（2）画内力图确定危险截面（3）确定危险点并建立强度条件
按第三强度理论，强度条件为：σ1-σ3≤[σ]或
2+42≤[σ]，对于圆轴，W t =2W
M 2+T 2
≤[σ]。按第四强度理论，强度条件为：，其强度条件为：
W
1
(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2≤[σ]，经化简得出：232≤[σ]，对于圆2
轴，其强度条件为：
M 2+0. 75T 2
W
≤[σ]。
π2E
欧拉公式适用范围（1）大柔度压杆（欧拉公式）：即当λ≥λ1，其中λ1=时，
σP
π2E a -σs
σcr =2（2）中等柔度压杆（经验公式）：即当λ2≤λ≤λ1，其中λ2=时，
b λ
：即当λ
提高压杆稳定性的措施：选择合理的截面形状，改变压杆的约束条件，合理选择材料
F
≤σs 。 A
P cr
，[P ]为许可压力，n st 为工作安全系数n st
外力偶矩计算公式（P 功率，n 转速）
弯矩、剪力和荷载集度之间的关系式
轴向拉压杆横截面上正应力的计算公式应力为正）
（杆件横截面轴力F N ，横截面面积A ，拉
轴向拉压杆斜截面上的正应力与切应力计算公式（夹角a 从x 轴正方向逆时针转至外法线
的方位角为正）
纵向变形和横向变形（拉伸前试样标距l ，拉伸后试样标距l1；拉伸前试样直径d ，拉伸后试样直径d1）
纵向线应变和横向线应变
泊松比
胡克定律
受多个力作用的杆件纵向变形计算公式
承受轴向分布力或变截面的杆件，纵向变形计算公式
轴向拉压杆的强度计算公式
许用应力
，脆性材料，塑性材料
延伸率
截面收缩率
剪切胡克定律（切变模量G ，切应变g ）
拉压弹性模量E 、泊松比和切变模量G 之间关系式
圆截面对圆心的极惯性矩（a ）实心圆
（b ）空心圆
圆轴扭转时横截面上任一点切应力计算公式（扭矩T ，所求点到圆心距离r ）
圆截面周边各点处最大切应力计算公式
扭转截面系数，（a ）实心圆（b ）空心圆
薄壁圆管（壁厚δ≤ R 0 /10 ，R 0为圆管的平均半径）扭转切应力计算公式
圆轴扭转角与扭矩T 、杆长l 、扭转刚度GH p 的关系式
同一材料制成的圆轴各段内的扭矩不同或各段的直径不同（如阶梯轴）时
或
等直圆轴强度条件塑性材料
；脆性材料
扭转圆轴的刚度条件或
受内压圆筒形薄壁容器横截面和纵截面上的应力计算公式
,
平面应力状态下斜截面应力的一般公式
,
平面应力状态的三个主应力
,
,
主平面方位的计算公式
面内最大切应力
受扭圆轴表面某点的三个主应力
三向应力状态最大与最小正应力
, ，
，
三向应力状态最大切应力
广义胡克定律
四种强度理论的相当应力
一种常见的应力状态的强度条件
，
组合图形的形心坐标计算公式，
任意截面图形对一点的极惯性矩与以该点为原点的任意两正交坐标轴的惯性矩之和的关系式
截面图形对轴z 和轴y 的惯性半径
,
平行移轴公式（形心轴z c 与平行轴z 1的距离为a ，图形面积为A ）
纯弯曲梁的正应力计算公式
横力弯曲最大正应力计算公式
矩形、圆形、空心圆形的弯曲截面系数，，
几种常见截面的最大弯曲切应力计算公式（为中性轴一侧的横截面对中性轴z 的静矩
，b 为横截面在中性轴处的宽度）
矩形截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
工字形截面梁腹板上的弯曲切应力近似公式
轧制工字钢梁最大弯曲切应力计算公式
圆形截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
圆环形薄壁截面梁最大弯曲切应力发生在中性轴处
弯曲正应力强度条件
几种常见截面梁的弯曲切应力强度条件
弯曲梁危险点上既有正应力σ又有切应力τ作用时的强度条件
或
，
梁的挠曲线近似微分方程
梁的转角方程
梁的挠曲线方程
轴向荷载与横向均布荷载联合作用时杆件截面底部边缘和顶部边缘处的正应力计算公式
偏心拉伸（压缩）
弯扭组合变形时圆截面杆按第三和第四强度理论建立的强度条件表达式
，
圆截面杆横截面上有两个弯矩
圆截面杆横截面上有两个弯矩
和
和
同时作用时，合成弯矩为
同时作用时强度计算公式
弯拉扭或弯压扭组合作用时强度计算公式
剪切实用计算的强度条件
挤压实用计算的强度条件 等截面细长压杆在四种杆端约束情况下的临界力计算公式
压杆的约束条件：（a ）两端铰支μ=l
（b ）一端固定、一端自由μ=2 （c ）一端固定、一端铰支μ=0.7 （d ）两端固定μ=0.5
压杆的长细比或柔度计算公式， 细长压杆临界应力的欧拉公式
11
欧拉公式的适用范围 压杆稳定性计算的安全系数法压杆稳定性计算的折减系数法
关系需查表求得
12