首页/文章/ 详情

干货!!!一文读懂应力应变曲线与仿真应用

1年前浏览4401

    作为一名结构力学工程师,平时接触最多的便是各种材料参数与物理量,在这其中最重要的便是材料的应力-应变曲线,应力-应变曲线给设计师提供了此种材料在各个阶段的不同的材料特性,如杨氏模量、屈服强度、抗拉强度、断裂强度等,使设计师能够判断结构强度是否满足要求。  

    要想理解看懂应力-应变曲线,首先应该明白什么是应力与应变。应力是为了抵抗外部载荷而在材料内部产生的力,力的大小与外部载荷、结构形状有关系;而应变表示的是材料在外部载荷作用下,其伸长量与原长的比值,公式表示如下,需要注意的是,此公式表示的工程应变,并未考虑材料在变形过程中横截面积发生的变化。

    弹性段范围内的应力与应变的关系为:

        E即为材料的杨氏模量,表示材料的刚性,值越大,越不容易发生变形,杨氏模量在仿真中是一个非常重要的材料参数。  

    低碳钢是典型的弹塑性材料,本文以低碳钢的拉伸过程中的应力-应变曲线为例进行讲解。低碳钢的应力应变曲线共分为四个阶段,分别为:弹性阶段、塑性阶段、强化阶段与断裂阶段,也叫颈缩阶段。  

一、弹性阶段  

    低碳钢在拉伸过程中,首先出现的便是ob段直线,这一阶段被称为弹性阶段。实际上,ob阶段包含两个阶段:oaab段。oa段完全符合胡克定律,材料的应力与应变按照比例关系发展,因此被称为比例阶段,a点对应的应力被成为比例极限。过了a点之后,材料的应力应变关系并不完全遵循胡可定律,但在b点之前如果外力卸载,材料发生的变形也是完全可以恢复的,因此ab段被称为弹性阶段,b点对应的应力值被称为弹性极限,这是一个在仿真中很重要的强度指标,在某些仿真中,不允许材料发生塑性变形,应力值超过弹性极限,即认为材料失效。  

    实际上,比例极限和弹性极限相差很小,因此在实际应用中,并不会对两个参数进行区分。

二、屈服阶段  

    拉伸超过b点之后,低碳钢出现一个锯齿状平台,这一阶段的特点为应变增加,应力基本不变,好像材料失去了抵抗变形的能力。此阶段称为屈服阶段,bc段的最高点称为上屈服平台、最低点称为下屈服平台,实际应用中通常使用下屈服平台作为屈服强度使用。如在此阶段进行卸载,材料变形并不会完全恢复,而是沿着与oa平行的直线进行卸载,最终会保留一段变形值,即为塑性变形。屈服强度是结构应力仿真中的又一个重要的强度指标,在某些仿真中,不允许结构件的塑性应变超过总塑性应变的2%,如超过即认为不满足要求。  

三、强化阶段  

    当超过C点之后,材料仿佛又恢复了抵抗变形的能力,随着变形的增加,应力也随之增加,但增加的趋势逐渐趋于平缓并达到最大值,这个最大值被称为抗拉强度或强度极限,此阶段被称为强化阶段。抗拉强度是结构力学仿真中第三个重要的强度指标,超过抗拉强度后,即认为结构件发生断裂。  

四、颈缩阶段  

    在e点之前,材料的变形都是均匀的,过了e点之后,材料在薄弱位置变形急剧增加,横截面积急剧减小,且应力逐渐减小,最终发生断裂。此过程称为颈缩阶段,f点的应力值被称为断裂强度。在仿真应用中,通常不会使用此强度指标作为判断结构安全与否的指标。  

五、塑性指标  

    试件拉断后,弹性变形消失,塑性变形保留下来,工程上用保留下来的塑性变形衡量材料的塑性性能。主要的塑性指标包括伸长率与断裂收缩率。  

其中:L1表示试件拉断后的长度、L表示试件原长;A表示试件原横截面积,A1表示试件拉断后的横截面积。  

    伸长率与断裂收缩率越大,表示塑性性能越好。通常把伸长率5%的材料称为塑性材料,如碳钢、铜、率等;把伸长率5%的材料称为脆性材料,如铸铁、混凝土、石料等。  

六、冷作硬化  

    冷作硬化为应力应变曲线的一个工程应用,是指将金属材料在常温或结晶温度以下进行加工并卸载,使其产生强烈的塑性变形(变形应达到强化阶段),使晶格发生扭曲、晶粒发生滑移、被拉长,这些都会使金属的强度和硬度增加,如下图所示。当低碳钢被拉伸到1位置后进行卸载,当再加载时,材料的变形规律将会按照红色直线进行,因此,材料的屈服强度被提升,变得更加不容易发生塑性变形,但于此同时,材料的塑性性能和韧性也会随之降低。值得注意的是,材料在冷作硬化加工过程中,杨氏模量是不会发生改变的。  

  

        希望今天的内容能够让大家有所收获,如果对您有所帮助,请点个免费的赞,您的支持是笔者创作的最大动力。  


来源:芯片封装设计与制造
断裂材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-20
最近编辑:1年前
陈皮糖
硕士 签名征集中
获赞 55粉丝 16文章 17课程 0
点赞
收藏
未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈