材料屬性簡介

2021-03-04 09:35:23 字數 4854 閱讀 5365

建築鋼材以屈服強度作為設計應力的依據。

yield strength,又稱為屈服極限 ,常用符號δs,是材料屈服的臨界應力值。

(1)對於屈服現象明顯的材料,屈服強度就是屈服點的應力(屈服值);

(2)對於屈服現象不明顯的材料,與應力-應變的直線關係的極限偏差達到規定值(通常為0.2%的原始標距)時的應力。通常用作固體材料力學機械性質的評價指標,是材料的實際使用極限。

因為在應力超過材料屈服極限後產生塑性變形,應變增大,使材料失效,不能正常使用。

當應力超過彈性極限後,進入屈服階段後,變形增加較快,此時除了產生彈性變形外,還產生部分塑性變形。當應力達到b點後,塑性應變急劇增加,應力應變出現微小波動,這種現象稱為屈服。這一階段的最大、最小應力分別稱為下屈服點和上屈服點。

由於下屈服點的數值較為穩定,因此以它作為材料抗力的指標,稱為屈服點或屈服強度(rel或rp0.2)。

a.屈服點yield point(σs)

試樣在試驗過程中力不增加(保持恆定)仍能繼續伸長(變形)時的應力。

b.上屈服點upper yield point(σsu)

試樣發生屈服而力首次下降前的最大應力。

c.下屈服點lower yield point(σsl)

當不計初始瞬時效應時屈服階段中的最小應力。

有些鋼材(如高碳鋼)無明顯的屈服現象,通常以發生微量的塑性變形(0.2%)時的應力作為該鋼材的屈服強度,稱為條件屈服強度(yield strength)。

首先解釋一下材料受力變形。材料的變形分為彈性變形(外力撤銷後可以恢復原來形狀)和塑性變形(外力撤銷後不能恢復原來形狀,形狀發生變化,伸長或縮短)

建築鋼材以屈服強度作為設計應力的依據。

所謂屈服,是指達到一定的變形應力之後,金屬開始從彈性狀態非均勻的向彈-塑性狀態過渡,它標誌著巨集觀塑性變形的開始。

(1):銀文屈服:銀紋現象與應力發白。(2):剪下屈服。

屈服強度測定

無明顯屈服現象的金屬材料需測量其規定非比例延伸強度或規定殘餘伸長應力,而有明顯屈服現象的金屬材料,則可以測量其屈服強度、上屈服強度、下屈服強度。一般而言,只測定下屈服強度。

通常測定上屈服強度及下屈服強度的方法有兩種:圖示法和指標法。

試驗時用自動記錄裝置繪製力-夾頭位移圖。要求力軸比例為每mm所代表的應力一般小於10n/mm2,曲線至少要繪製到屈服階段結束點。在曲線上確定屈服平台恆定的力fe、屈服階段中力首次下降前的最大力feh或者不到初始瞬時效應的最小力fel。

屈服強度、上屈服強度、下屈服強度可以按以下公式來計算:

屈服強度計算公式:re=fe/so;fe為屈服時的恆定力。

上屈服強度計算公式:reh=feh/so;feh為屈服階段中力首次下降前的最大力。

下屈服強度計算公式:rel=fel/so;fel為不到初始瞬時效應的最小力fel。

試驗時,當測力度盤的指標首次停止轉動的恆定力或者指標首次迴轉前的最大力或者不到初始瞬時效應的最小力,分別對應著屈服強度、上屈服強度、下屈服強度。

建設工程上常用的屈服標準有三種:

1、比例極限應力-應變曲線上符合線性關係的最高應力,國際上常採用σp表示,超過σp時即認為材料開始屈服。

2、彈性極限試樣載入後再解除安裝,以不出現殘留的永久變形為標準,材料能夠完全彈性恢復的最高應力。國際上通常以rel表示。應力超過rel時即認為材料開始屈服。

3、屈服強度以規定發生一定的殘留變形為標準,如通常以0.2%殘留變形的應力作為屈服強度,符號為rp0.2。

影響屈服強度的內在因素有:結合鍵、組織、結構、原子本性。

如將金屬的屈服強度與陶瓷、高分子材料比較可看出結合鍵的影響是根本性的。從組織結構的影響來看,可以有四種強化機制影響金屬材料的屈服強度,這就是:(1)固溶強化;(2)形變強化;(3)沉澱強化和瀰散強化;(4)晶界和亞晶強化。

沉澱強化和細晶強化是工業合金中提高材料屈服強度的最常用的手段。在這幾種強化機制中,前三種機制在提高材料強度的同時,也降低了塑性,只有細化晶粒和亞晶,既能提高強度又能增加塑性。

影響屈服強度的外在因素有:溫度、應變速率、應力狀態。

隨著溫度的降低與應變速率的增高,材料的屈服強度公升高,尤其是體心立方金屬對溫度和應變速率特別敏感,這導致了鋼的低溫脆化。應力狀態的影響也很重要。雖然屈服強度是反映材料的內在效能的乙個本質指標,但應力狀態不同,屈服強度值也不同。

我們通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。

傳統的強度設計方法,對塑性材料,以屈服強度為標準,規定許用應力[σ]=σys/n,安全係數n因場合不同可從1.1到2或更大,對脆性材料,以抗拉強度為標準,規定許用應力[σ]=σb/n,安全係數n一般取6。

需要注意的是,按照傳統的強度設計方法,必然會導致片面追求材料的高屈服強度,但是隨著材料屈服強度的提高,材料的抗脆斷強度在降低,材料的脆斷危險性增加了。

屈服強度不僅有直接的使用意義,在工程上也是材料的某些力學行為和工藝效能的大致度量。例如材料屈服強度增高,對應力腐蝕和氫脆就敏感;材料屈服強度低,冷加工成型效能和焊接效能就好等等。因此,屈服強度是材料效能中不可缺少的重要指標。

二、彈性模量

微解釋:又稱楊氏模量。彈性材料的一種最重要、最具特徵的力學性質。

是物體彈性t變形難易程度的表徵。用e表示。定義為理想材料有小形變時應力與相應的應變之比。

e以單位面積上承受的力表示,單位為牛/公尺^2。模量的性質依賴於形變的性質。剪下形變時的模量稱為剪下模量,用g表示;壓縮形變時的模量稱為壓縮模量,用k表示。

模量的倒數稱為柔量,用j表示。

一般地講,對彈性體施加乙個外界作用(稱為「應力」)後,彈性體會發生形狀的改變(稱為「應變」),「彈性模量」的一般定義是:應力除以應變。例如:

線應變——對一根細桿施加乙個拉力f,這個拉力除以杆的截面積s,稱為「線應力」,杆的伸長量dl除以原長l,稱為「線應變」。線應力除以線應變就等於楊氏模量e=( f/s)/(dl/l)

剪下應變——對一塊彈性體施加乙個側向的力f(通常是摩擦力),彈性體會由方形變成菱形,這個形變的角度a稱為「剪下應變」,相應的力f除以受力面積s稱為「剪下應力」。剪下應力除以剪下應變就等於剪下模量g=( f/s)/a

體積應變——對彈性體施加乙個整體的壓強p,這個壓強稱為「體積應力」,彈性體的體積減少量(-dv)除以原來的體積v稱為「體積應變」,體積應力除以體積應變就等於體積模量: k=p/(-dv/v)

在不易引起混淆時,一般金屬材料的彈性模量就是指楊氏模量,即正彈性模量。

單位:e(彈性模量)兆帕(mpa)

彈性模量是工程材料重要的效能引數,從巨集觀角度來說,彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度,從微觀角度來說,則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量,如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。因合金成分不同、熱處理狀態不同、冷塑性變形不同等,金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動。

但是總體來說,金屬材料的彈性模量是乙個對組織不敏感的力學效能指標,合金化、熱處理(纖維組織)、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小,溫度、載入速率等外在因素對其影響也不大,所以一般工程應用中都把彈性模量作為常數。

彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標,其值越大,使材料發生一定彈性變形的應力也越大,即材料剛度越大,亦即在一定應力作用下,發生彈性變形越小。彈性模量e是指材料在外力作用下產生單位彈性變形所需要的應力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標,相當於普通彈簧中的剛度。

又稱楊氏模量,彈性材料的一種最重要、最具特徵的力學性質,是物體彈性變形難易程度的表徵,用e表示。定義為理想材料有小形變時應力與相應的應變之比。e以σ單位面積上承受的力表示,單位為n/m^2。

模量的性質依賴於形變的性質。剪下形變時的模量稱為剪下模量,用g表示;壓縮形變時的模量稱為壓縮模量,用k表示。模量的倒數稱為柔量,用j表示。

拉伸試驗中得到的屈服極限σs和強度極限σb,反映了材料對力的作用的承受能力,而延伸率δ或截面收縮率ψ,反映了材料塑性變形的能力。為了表示材料在彈性範圍內抵抗變形的難易程度,在實際工程結構中,材料彈性模量e的意義通常是以零件的剛度體現出來的,這是因為一旦零件按應力設計定型,在彈性變形範圍內的服役過程中,是以其所受負荷而產生的變形量來判斷其剛度的。一般按引起單位應變的負荷為該零件的剛度,例如,在拉壓構件中其剛度為:

式中 a0為零件的橫截面積。

由上式可見,要想提高零件的剛度e a0,亦即要減少零件的彈性變形,可選用高彈性模量的材料和適當加大承載的橫截面積,剛度的重要性在於它決定了零件服役時穩定性,對細長桿件和薄壁構件尤為重要。因此,構件的理論分析和設計計算來說,彈性模量e是經常要用到的乙個重要力學效能指標。

材料的抗彈性變形的乙個量,材料剛度的乙個指標。

彈性模量e=2.06e11pa=206gpa (e11表示10的11次方)

它只與材料的化學成分有關,與溫度有關。與其組織變化無關,與熱處理狀態無關。各種鋼的彈性模量差別很小,金屬合金化對其彈性模量影響也很小。

1兆帕(mpa)=145磅/英吋2(psi)=10.2千克/厘公尺2(kg/cm2)=10巴(bar)=9.8大氣壓(atm)

1磅/英吋2(psi)=0.006895兆帕(mpa)=0.0703千克/厘公尺2(kg/cm2)=0.0689巴(bar)=0.068大氣壓(atm)

1巴(bar)=0.1兆帕(mpa)=14.503磅/英吋2(psi)=1.0197千克/厘公尺2(kg/cm2)=0.987大氣壓(atm)

1大氣壓(atm)=0.101325兆帕(mpa)=14.696磅/英吋2(psi)=1.0333千克/厘公尺2(kg/cm2)=1.0133巴(bar)

三、泊松比

微解釋:材料在單向受拉或受壓時,橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值。

泊松比是材料橫向應變與縱向應變的比值,也叫橫向變形係數,它是反映材料橫向變形的彈性常數。

泊松比由法國科學家泊松(simon denis poisson,1781-1840)最先發現並提出。他在2023年發表的《彈性體平衡和運動研究報告》一文中,用分子間相互作用的理論匯出彈性體的運動方程,發現在彈性介質中可以傳播縱波和橫波,並且從理論上推演出各向同性彈性杆在受到縱向拉伸時,橫向收縮應變與縱向伸長應變之比是一常數,其值為四分之一。

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