结构分析相关材料知识

1. 金属材料的拉伸应力-应变曲线

工程中遇到的金属材料,例如:钢材、铝材、铜材等通常属于弹塑性材料。对这种材料的试件进行单向拉伸试验时,开始阶段材料的应力-应变关系呈线性变化,当应力到达某一值()时,线性关系结束。这个应力值()称为材料的弹性极限,但这个应力值的确却数值很难测定。为了方便分析和计算,人们将塑性应变到达0.1的应力(英、美)和塑性应变到达0.2的应力(中国、俄罗斯)作为弹塑性的分界点,并将这个应力称为材料的屈服强度,分别用  表示。

如果继续加载,材料的应力-应变关系将变为非线性变化。如果应变增加而应力保持不变,称这种材料为理想塑料材料如图1;如果应力增加,应力与应变关系呈另一种直线变化,则称这种材料为双线性弹塑性材料如图2;如果应力增加,应力与应变关系可用函数 表示,则称这种材料为多线性弹塑性材料如图3。工程中经常遇到的弹塑性材料多为多线性弹塑性材料。

如果再继续加载,当应力到达某一值()时,试件将发生断裂破坏。这个应力值( )称为材料的极限强度。

在结构设计中,如果载荷的作用导致结构中的应力变化在弹性范围内,即应力值 (或 )时,结构计算分析就采用线弹性方法;如果应力变化超出弹性范围,就采用材料非线性方法。

在实际结构设计中,对材料应力的使用,除非特殊情况,一般不允许超过材料的屈服强度。而且考虑到多种因素(材料的缺陷、加工、工艺等)的影响,为保证设计可靠性,还要留出一定的余地(安全系数)。

   

            理想塑性应力-应变关系                    双线性应力-应变关系

 
             图多线性应力-应变关系

金属材料的拉伸应力-应变曲线,是最重要的基础知识之一。作为从事结构设计和结构分析的工程技术人员,掌握金属材料的拉伸应力-应变曲线,是非常必要的。如果连这些基本概念都不懂,可以说就没有资格从事结构设计和结构分析。

2. 金属材料性能数据的测试和使用

    过去的材料手册中,材料的机械性能只给出材料的5大性能指标,既材料的极限强度()、屈服强度()、延伸率()、断面收缩率()和材料的硬度()等。

    当今随着设计技术和分析技术的发展,材料的机械性能只给出材料的5大性能指标,是远远不够了,材料研制部门必须给出较全面的材料的机械性能数据。

    对于新研制的材料,需要使用单位提出材料性能数据的测试项目和要求。从结构设计和结构分析角度,根据需要,对材料研制应该提出如下测试项目和要求:

1)材料的物理性能

1线膨胀系数();

要求:给出室温至某个温度间平均线膨胀系数;用于高温构件的材料还要给出随温度变化的线膨胀系数;正交各向异性材料需按材料三个轴方向给出线膨胀系数。

2)密度():给出质量密度。

2)材料的力学性能

1)室温和不同温度下材料的屈服强度()和拉伸强度极限(

不同温度要求不少于五种温度,要求按基值和标准差给出材料的拉伸强度极限和屈服强度值。正交各向异性材料还需按材料三个轴方向给出这些数值。

2)不同时间不同温度下蠕变和持久强度;

    不同温度要求不少于五种温度,不同时间要求至少给出1030100300小时的蠕变和持久强度值。

3)不同应力集中系数不同温度下材料的疲劳强度;

    不同温度要求不少于五种温度,不同应力集中系数要求给出Kt=13应力集中系数的疲劳强度值。

4)不同温度下材料的弹性性能(E);

    不同温度要求不少于五种温度,正交各向异性材料还需按材料三个轴方向给出这些数值,特别是泊松比,必须给出的数值。

5不少于三种温度每种温度不少于三种应力材料的蠕变曲线;

    温度和应力必须按实际应用范围确定,否则蠕变曲线不能使用。

6)不同温度下材料的拉伸应力-应变曲线;

7)不同温度下材料的循环应力-应变曲线;

8)不同温度下材料的持久应力-寿命曲线;

9)不同温度下材料的高循环疲劳P-S-N曲线;

10)不同温度下材料的低循环疲劳曲线;

对于6)~10)项,不同温度要求至少给出三种温度,并且按同一的存活率和致信度或中值给出曲线。应变疲劳要求给出应变疲劳参数和曲线的数学表达式。

3)材料性能数据的使用:

材料性能数据的使用主要应注意以下几个方面:

1 强度计算必须使用标准材料手册中的数据,允许使用经技术主管部门批准的材料性能数据;

2)强度计算时,材料性能数据要求使用的数据(置信度为99.87%,存活率95%)或最低性能数据;

3)允许应用已有的综合关系式或拟合曲线在所研究的温度范围内插值确定材料的性能数据;

4)使用本部门以外的材料手册中的数据时,需要经过有关领导的批准。

发表于: 2015-12-02 16:27 阅读(357) 评论(0) 收藏 好文推荐

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