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【北测小课堂】材料力学基础知识

2021-10-29
1181 作者: NTEK北测检测集团
本文关键词:
力学测试

在实际应用中,经常会遇到零件的刚性要求,通俗来说就是指在某些条件下,材料不能被破坏,或者最大变形不能超过某个值。那从技术指标上看,是用哪些量来衡量?如何利用这些量来判定的呢?

 材料力学

性能判定的概念

首先,在专业参考书上,对性能判定作了以下定义。为了保证工程结构的正常工作,一般需要满足以下要求:

· 强度要求:在规定载荷作用下的构件不应破坏;

· 刚度要求:构件应有足够抵抗变形的能力;

· 稳定性要求:构件应有足够保持原有平衡形态的能力。

其中,变形的基本形式包括拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等。


材料力学性能

根据变形形式的不同,材料的力学性能也不同。以下以拉伸力学性能为例。

材料力学性能

上图为一般拉伸应力-应变曲线,通常可以通过拉伸测试得到。那么从应力-应变曲线中,可以获取哪些信息呢?

首先,材料拉伸可以分为4个阶段:即弹性阶段--屈服阶段--强化阶段--局部变形阶段。图中ob 为弹性阶段,此阶段遵循胡克定律,即

 

其中,E 为拉伸弹性模量(或杨氏模量),b 点的应力为弹性极限;bc 段为屈服阶段,此阶段失去了抵抗变形的能力,c 点的应力为屈服极限;ce 段为强化阶段,此阶段恢复了抵抗变形的能力,最高点e 点的应力为强度极限;ef 段为局部变形阶段,此阶段横向尺寸会突然急剧减小,直至断裂。

当然,不是所有的材料都有明显的4个阶段,例如有些脆性材料的屈服阶段、强化阶段会很小。所以,对于未知材料需要通过测试来获取这些参数,从而加深对材料的认识。


性能判定原理

在工程实际中,脆性材料在受到一定的力时,变形很小就会断裂;而塑性材料,在断裂前还会出现明显的塑性变形,这些现象都称之为失效。运用CAE进行强度分析,就是判断零件在一定的测试条件下是否会失效。

通过以上内容,我们得知脆性材料断裂时的应力为强度极限σb,塑性材料屈服的应力为屈服极限σs,这两个参数为构件失效时的极限应力。在工程中会根据材料的不同,考虑不同的安全因数。极限应力与安全因数的比值为许用应力[σ]。为了保证构件能正常工作,其工作应力σ 必须小于许用应力[σ]。

 

对于脆性材料:

 

对于塑性材料:

 

弯曲变形 

实际应用中,弯曲变形量是经常需要考察的指标。以下介绍如何运用公式快速计算出:等截面梁结构在不同截面形状、不同支撑条件下的最大弯曲变形。


在材料力学中,通俗上所说的弯曲变形又称挠度,定义为在受力或非均匀温度变化时,杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移,或板壳中面在垂直于中面方向的线位移,其英文为Deflection。

对于长度为l 的悬臂梁,在自由端施加力F,其最大挠度为:

 

其中,EI 为梁的抗弯刚度,E 为材料的弹性模量,I 为截面惯性矩,与截面形状有关。

从上式可以得出:若要减小最大挠度,可以减小力F,或减小梁的长度l,或增加材料的弹性模量E,或增加截面惯性矩I。

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