材料強(qiáng)度
關(guān)注創(chuàng)建者：牛到上天了 創(chuàng)建時(shí)間：2019-01-22
材料強(qiáng)度的視頻教程
復(fù)合材料雷擊損傷——基于abaqus的雷擊過程及剩余強(qiáng)度仿真
課程大綱： 1.雷電弧模型2.電熱耦合模型3.復(fù)合材料熱解模型4.復(fù)合材料剩余強(qiáng)度分析模型 通過本課程學(xué)習(xí)，大家可以了解復(fù)合材料雷擊仿真的基本要素，理解雷擊作用下復(fù)合材料失效機(jī)理，掌握復(fù)合材料雷擊過程模擬仿真能力。
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復(fù)合材料LaRC05強(qiáng)度準(zhǔn)則在Abaqus中的應(yīng)用
ABAQUS的子程序UDMGINI可結(jié)合XFEM，計(jì)算三維模型的裂紋萌生和擴(kuò)展，只需以“ABQ_LARC05_DMGINI”開始命名材料名稱即可對(duì) XFEM 模型進(jìn)行復(fù)合材料破壞模式分析，并模擬裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。
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材料強(qiáng)度的實(shí)例教程
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p1-70).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p71-140).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p141-210).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p211-280).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p281-350).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p351-420).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p421-490).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p491-560).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p561-630).PDF
固體力學(xué)和材料強(qiáng)度__(p631-671).PDF
展開 材料力學(xué)低碳鋼拉伸試驗(yàn)中，材料的變形分為四個(gè)階段：彈性階段、屈服流動(dòng)階段、強(qiáng)化階段和徑縮斷裂階段，如圖1，其中當(dāng)材料經(jīng)過d點(diǎn)后，材料很快發(fā)生斷裂，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σb即為強(qiáng)度極限。但這只是實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象，它與材料的理論斷裂值還有很大的區(qū)別。
假設(shè)材料的斷裂是由于原子間距被拉的太遠(yuǎn)，超過了極限從而發(fā)生的斷裂。我們知道，原子之間的力與原子間的距離存在一定的關(guān)系，當(dāng)原子靠的特別近的時(shí)候，原子間存在排斥力，當(dāng)原子離的比較遠(yuǎn)的時(shí)候，原子間存在相互吸引力，在某一距離下，原子間的作用力為0，即平衡位置。
現(xiàn)在我們來考慮原子間的力與應(yīng)力的關(guān)系，根據(jù)應(yīng)力的定義
顯然，曲線上的最大值σm即代表原子間的最大結(jié)合力——理論斷裂強(qiáng)度，即在理論上認(rèn)為材料應(yīng)力超過σm時(shí)將被拉斷。作為一級(jí)近似，該曲線可用正弦曲線表示。
而實(shí)際上，對(duì)于純鐵的抗拉強(qiáng)度是只有170～270MPa左右，我們熟知的Q235鋼，其抗拉極限為375～460MPa，Q345鋼的抗拉強(qiáng)度約是490-620MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的理論斷裂強(qiáng)度。主要原因在于公式(11)表示的是理想材料的斷裂強(qiáng)度，也就是說材料中沒有任何的缺陷。但這是不可能的，材料在冶金、鑄造、加工等過程中難免會(huì)產(chǎn)生一些初始缺陷，造成應(yīng)力集中從而大大降低了材料的強(qiáng)度缺陷。
下載地址：晶體材料強(qiáng)度與斷裂微觀理論
展開 如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)各種工程結(jié)構(gòu)中所用材料的強(qiáng)度是保證各種工程結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。500多年來，力學(xué)等多學(xué)科的科學(xué)工作者持續(xù)不斷地開展了大量有價(jià)值的研究工作。然而，到目前為止，由于問題的復(fù)雜性，所建立的強(qiáng)度模型和預(yù)報(bào)理論主要還是基于前人所建立的公設(shè)和大量數(shù)據(jù)所歸納的經(jīng)驗(yàn)公式。因此，許多學(xué)者也把材料破壞的預(yù)報(bào)問題歸納為固體力學(xué)的終極問題之一。
最新的一項(xiàng)研究嘗試了把材料強(qiáng)度的預(yù)報(bào)問題納入理性的非平衡態(tài)熱力學(xué)的框架。相關(guān)的研究論文題為：“
The intrinsic nature of materials failure and the global non-equilibrium energy criterion
”，發(fā)表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy （《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版）2020年第12期，由中山大學(xué)王彪教授撰寫。文章把所研究的受載材料樣本當(dāng)成是熱力學(xué)體系，隨著加載進(jìn)行，材料微結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生損傷演化，通過建立演化過程中每一個(gè)平衡態(tài)的穩(wěn)定性條件進(jìn)而建立材料破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則。
研究發(fā)現(xiàn)了一些與前人認(rèn)知不同的材料強(qiáng)度的本質(zhì)特性，如材料的破壞狀態(tài)類似于臨界想象，是一種全局的性質(zhì)，局域準(zhǔn)則和研究方法可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。對(duì)于含有裂紋的材料，該強(qiáng)度理論同斷裂力學(xué)中的應(yīng)變能釋放率準(zhǔn)則和J積分等預(yù)報(bào)結(jié)果是一致的。該項(xiàng)工作的另一個(gè)核心貢獻(xiàn)在于利用本征應(yīng)變的概念?；?em>材料中存在的各種不同類型的缺陷，進(jìn)而導(dǎo)出了材料體系在外載作用下，含有微結(jié)構(gòu)演化破壞過程的自由能表達(dá)式。作為例子，文中把該理論用于多種材料強(qiáng)度問題的預(yù)報(bào)，并得到了有限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證（如下圖所示）。
展開 表面加工狀態(tài)的影響
機(jī)加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當(dāng)于微小缺口，在材料表面造成應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，對(duì)于鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%~20%甚至更多。材料的強(qiáng)度越高，則對(duì)表面光潔度越敏感。
4. 加載經(jīng)歷的影響
實(shí)際上沒有任何零件是在絕對(duì)恒定的應(yīng)力幅條件下工作，材料實(shí)際工作中的超載和次載都會(huì)對(duì)材料的疲勞極限產(chǎn)生影響，試驗(yàn)表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現(xiàn)象。
所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運(yùn)行達(dá)到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短。
圖1 損傷線
事實(shí)上，在一定條件下，少量次數(shù)的超載不僅不會(huì)對(duì)材料造成損傷，由于形變強(qiáng)化、裂紋尖端鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用，還會(huì)對(duì)材料造成強(qiáng)化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應(yīng)對(duì)超載損傷的概念進(jìn)行一些補(bǔ)充和修正。
所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應(yīng)力水平下運(yùn)行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現(xiàn)象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關(guān)，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長(zhǎng)些，鍛煉應(yīng)力要高些方能見效。
5. 化學(xué)成分的影響
材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強(qiáng)度的合金元素，均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。比較而言，碳是影響材料強(qiáng)度的最主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
6. 熱處理和顯微組織的影響
不同的熱處理狀態(tài)會(huì)得到不同的顯微組織，因此，熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，實(shí)質(zhì)上就是顯微組織的影響。
展開 表面加工狀態(tài)的影響
機(jī)加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當(dāng)于微小缺口，在材料表面造成應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，對(duì)于鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%－20%甚至更多。材料的強(qiáng)度越高，則對(duì)表面光潔度越敏感。
加載經(jīng)歷的影響
實(shí)際上沒有任何零件是在絕對(duì)恒定的應(yīng)力幅條件下工作，材料實(shí)際工作中的超載和次載都會(huì)對(duì)材料的疲勞極限產(chǎn)生影響，試驗(yàn)表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現(xiàn)象。
所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運(yùn)行達(dá)到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短，如圖1所示。
圖1 過載損傷屆
事實(shí)上，在一定條件下，少量次數(shù)的超載不僅不會(huì)對(duì)材料造成損傷，由于形變強(qiáng)化、裂紋尖端鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用，還會(huì)對(duì)材料造成強(qiáng)化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應(yīng)對(duì)超載損傷的概念進(jìn)行一些補(bǔ)充和修正。
所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應(yīng)力水平下運(yùn)行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現(xiàn)象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關(guān)，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長(zhǎng)些，鍛煉應(yīng)力要高些方能見效。
化學(xué)成分的影響
材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強(qiáng)度的合金元素，均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。比較而言，碳是影響材料強(qiáng)度的最主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
熱處理和顯微組織的影響
不同的熱處理狀態(tài)會(huì)得到不同的顯微組織，因此，熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，實(shí)質(zhì)上就是顯微組織的影響。同一成份的材料，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強(qiáng)度，但由于組織的不同，疲勞強(qiáng)度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。
在相同的強(qiáng)度水平時(shí)，片狀珠光體的疲勞強(qiáng)度明顯要低于粒狀珠光體。
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材料強(qiáng)度的最新內(nèi)容
具體做法是：將損壞區(qū)域挖成一個(gè)規(guī)則的幾何形狀（如矩形或燕尾形），然后加工一個(gè)同樣形狀、由高強(qiáng)度材料（如淬火鋼或球墨鑄鐵）制成的鑲塊，采用過盈配合或螺栓加膠粘的方式嵌入，比較后再對(duì)鑲補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行銑削和刮研，使其與周圍軌道面齊平并達(dá)到精度要求。
該模型的核心思想是將復(fù)雜的金屬材料行為進(jìn)行“解耦”，認(rèn)為材料的強(qiáng)度主要受到三個(gè)獨(dú)立因素的疊加影響：應(yīng)變硬化、應(yīng)變率（變形速度）強(qiáng)化和熱軟化。簡(jiǎn)單來說，它認(rèn)為金屬材料在變形時(shí)有三個(gè)特點(diǎn)：一是隨著變形量增大材料會(huì)越變?cè)接?；二是變形發(fā)生得越快材料也會(huì)變得越硬；三是當(dāng)變形產(chǎn)生的熱量讓材料溫度升高時(shí)，材料就會(huì)變軟。
屈服強(qiáng)度是材料從彈性變形進(jìn)入塑性變形的臨界點(diǎn)。拉伸過程中，材料在屈服點(diǎn)之前僅產(chǎn)生彈性變形；過了屈服點(diǎn)則進(jìn)入塑性階段，產(chǎn)生永久不可恢復(fù)的變形。塑料材料由于韌性較差，拉伸試驗(yàn)中基本沒有明顯的屈服階段，工程設(shè)計(jì)中常以產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限。
抗拉強(qiáng)度是材料應(yīng)力值的極限點(diǎn)，超過此值材料即被判定破壞失效。
成本：由于高強(qiáng)度材料和更復(fù)雜的工藝，“試驗(yàn)平臺(tái)”的制造成本通常高于同尺寸的普通鑄鐵平臺(tái)-7。
總結(jié)：一句話區(qū)分
簡(jiǎn)單來說，普通鑄鐵平臺(tái)是“量具”（用來量東西平不平），而鑄鐵試驗(yàn)平臺(tái)是“夾具+地基”（用來固定設(shè)備、承受振動(dòng)）。
選型建議：
如果你是精和密檢測(cè)（如測(cè)零件平面度），請(qǐng)選擇普通鑄鐵平臺(tái)中的“檢驗(yàn)平臺(tái)”（0級(jí)或1級(jí)）。
機(jī)械工程：標(biāo)定型鋼、復(fù)合材料構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度與變形特性，服務(wù)設(shè)備支架、輕量化結(jié)構(gòu)研發(fā)。
科研試驗(yàn)：獲取純彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，研究材料破壞、屈曲及疲勞特性。
仿真教學(xué)：結(jié)合 ANSYS 等軟件，對(duì)比不同邊界條件下的應(yīng)力分布，驗(yàn)證有限元仿真精度，是力學(xué)經(jīng)典教學(xué)案例。
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國(guó)產(chǎn)提升閥的性價(jià)比如何？1個(gè)月前
然而我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，初始采購價(jià)格僅僅是總擁有成本（TCO）的冰山一角，提升閥往往工作在高頻切換、高壓或存在污染物的復(fù)雜環(huán)境中，這對(duì)閥體的材料強(qiáng)度、密封件的耐久性、電磁鐵的穩(wěn)定性以及內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)都提出了極高的要求，如果為了節(jié)省初期投入而選擇了一款材質(zhì)普通、工藝粗糙的閥門，短期內(nèi)似乎降低了預(yù)算，但隨之而來的可能是頻繁的泄漏、控制精度下降導(dǎo)致的良品率降低，甚至是因閥門意外失效引發(fā)的昂貴非計(jì)劃停機(jī)事故
工程價(jià)值
建立材料剛度、強(qiáng)度及疲勞性能在熱氧老化、臭氧侵蝕及動(dòng)態(tài)循環(huán)下的演化模型，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在長(zhǎng)期服役中的性能衰減規(guī)律。
本征強(qiáng)度與可靠性
探索材料的性能邊界與統(tǒng)計(jì)分布特性。
核心測(cè)試
本征強(qiáng)度測(cè)試、可靠性測(cè)試（強(qiáng)度極限與固有缺陷尺寸統(tǒng)計(jì)）。
在我們的研究與合作伙伴實(shí)踐中，以下測(cè)試方法被證明是打通從“設(shè)計(jì)理念”到“失效預(yù)測(cè)”認(rèn)知閉環(huán)的關(guān)鍵：
建立材料力學(xué)“基線”：
基礎(chǔ)力學(xué)性能測(cè)試
單軸拉伸測(cè)試用于獲取材料最基本的彈性模量、拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，是評(píng)估材料剛性、強(qiáng)度與延展性的基礎(chǔ)。
平面剪切與簡(jiǎn)單剪切測(cè)試用于量化材料在剪切力作用下的模量與強(qiáng)度，對(duì)于評(píng)估光學(xué)膠在界面錯(cuò)動(dòng)或?qū)娱g應(yīng)力下的可靠性至關(guān)重要。
裂紋是三大缺陷中危害嚴(yán)重的一種，分為熱裂和冷裂兩類，多由冷卻凝固收縮受阻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過鑄鐵材料強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。裂紋可分為表面裂紋和內(nèi)部裂紋，表面裂紋肉眼可見，呈線性或網(wǎng)狀，內(nèi)部裂紋則需通過專業(yè)檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。裂紋一旦產(chǎn)生，會(huì)快速擴(kuò)展，破壞平臺(tái)的結(jié)構(gòu)完整性。
既然講到強(qiáng)度理論，喵星人就帶大家回憶一下材料力學(xué)四大強(qiáng)度理論：
3.應(yīng)力張量
如果你關(guān)心具體方向上的應(yīng)力分量，可以選擇S11、S22、S12等張量分量。具體方向與單元類型相關(guān)，細(xì)節(jié)可參考我之前的文章《喵星人教你看懂不同類型單元的應(yīng)力方向》。
