詳解四大常用金屬材料強度理論及應(yīng)用場景

由于材料破壞的基本形式可分為脆性斷裂和塑性流動兩類，相應(yīng)地強度理論也可以分為關(guān)于脆性斷裂破壞的強度理論和關(guān)于塑性流動破壞的強度理論兩類．前者如最大拉應(yīng)力理論、最大拉應(yīng)變理論，后者如最大剪應(yīng)力理論和形狀改變比能理論。

1、最大拉應(yīng)力理論

這個理論又稱為第一強度理論。十七世紀(jì)時，工程上使用的材料主要是磚、石、鑄鐵等，材料的破壞形式主要是脆性斷裂．因此出現(xiàn)了最大正應(yīng)力理論，后采修正為最大拉應(yīng)力理論．這個理論認(rèn)為，使材料發(fā)生斷裂破壞的主要因素是最大拉應(yīng)力．亦即，不論材料在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大拉應(yīng)力達到由簡單拉伸試驗所測得的極限應(yīng)力，就會引起材料的斷裂破壞。

試驗表明，對于磚石、鑄鐵等脆性材料，此理論較為適合，如鑄鐵等脆性材料在單向拉伸時斷裂破壞發(fā)生于拉應(yīng)力最大的橫截面上，扭轉(zhuǎn)破壞也發(fā)生在拉應(yīng)力最大的斜截面上．但是，此理論沒有考慮其他兩個主應(yīng)力和對材料破壞的影響，而且對于沒有拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài) （ 如單向壓縮、三向壓縮等 ） 也無法應(yīng)用。

2、最大拉應(yīng)變理論

這個理論又稱為第二強度理論．這一理論是由最大線應(yīng)變理論修正而得到的。這個理論認(rèn)為，使材料發(fā)生斷裂破壞的主要因素是最大拉應(yīng)變．亦即，不論材料在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大拉應(yīng)變達到了簡單拉伸發(fā)生破壞時的極限值時，就會引起材料的斷裂破壞。

這個理論可以較好地解釋巖石等脆性材料在單向壓縮時沿縱向開裂的脆斷現(xiàn)象，但并不為金屬材料的試驗所證實。根據(jù)對塑性材料的強度研究，他和某些實驗相矛盾，另在各方向均勻壓縮時，這個理論也未被證實。實驗表明，該理論只適用于脆性材料。該理論目前ANSYS Workbench咱不直接支持。

3、最大剪應(yīng)力理論

這個理論又稱為第三強度理論，十九世紀(jì)開始，工程上大量使用鋼材，這些材料塑性性能好，其主要破壞形式是塑性流動．這個理論認(rèn)為，使材料發(fā)生流動破壞的主要因素是最大剪應(yīng)力．亦即，不論材料在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大剪應(yīng)力達到了簡單拉伸時的極限值，就會引起材料的流動破壞．這一極限值就是材料在單向位伸出現(xiàn)流動時的最大剪應(yīng)力。因此破壞條件為

這個理論也稱為屈雷斯卡 （H.Tresca） 理論．一些試驗結(jié)果表明，最大剪應(yīng)力理論對于塑性材料是相當(dāng)符合的。在機械工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是這個理論忽略的中間主應(yīng)力的影響，使得在二向應(yīng)力狀態(tài)下計算結(jié)果偏于安全。

4、形狀改變比能理論

這個理論又稱為第四強度理論．它認(rèn)為形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要因素．亦即，不論材料在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)形狀改變比能達到某一極限值時，材料就發(fā)生流動破壞

這個理論也稱為米賽斯 （R ． Von · Mises） 理論，對于鋼材等塑性材料，這個理論與實驗結(jié)果很符合，在二向應(yīng)力狀態(tài)下，比第三強度理論更接近實際，是目前對塑性材料廣泛采用的理論．

以上列舉的四個強度理論，在工程設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)該指出，由于材料的破壞形式不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)．即使同一種材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下也可能有不同的破壞形式．因此，嚴(yán)格地說，應(yīng)根據(jù)材料的破壞形式而不是根據(jù)材料來選擇相應(yīng)的強度理論。

但一般說來，脆性材料在通常的情況下，以鹿性斷裂的形式破壞，所以宜采用第一和第二強度理論，而塑性材料在通常的情況下卻大多產(chǎn)生塑性流動形式的破壞，所以宜采用第三和第四強度理論。

但是，無論是塑性材料或脆性材料，在三向拉應(yīng)力接近相等的情況下，都以脆性斷裂形式破壞，所以應(yīng)采用第一強度理論，而在三向壓應(yīng)力接近相等的情況下，都可引起塑性變形，所以應(yīng)采用第三或第四強度理論。

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