材料的「屈服强度」是什么?

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低碳钢受拉时的应力应-变图(表示应力和应变关系的曲线图叫应力-应变图):

图1:应力-应变图

从图中可以分为四个阶段:

▪弹性阶段Ob:
在Ob阶段内材料的变形属于弹性变形,满足胡克定律σ=Eε
σp为比例极限,σe为弹性极限,b点是弹性阶段最高点。

▪屈服阶段bc
当应力值超过b点后,试件的荷载基本不变而变形急剧增加,这种现象称为屈服。σs为屈服极限,c点为屈服极限。

▪强化阶段ce
过了屈服阶段后,材料又恢复了抵抗变形的能力,要继续增加应力才能使试件继续变形,这种现象称为材料的强化。σb为强度极限,e点是强化阶段的最高点。

▪颈缩阶段ef
加载应力过了e点后,试件某一段内的横截面面积出现显著收缩直至被拉断,这种现象称为颈缩。


屈服现象不明显的材料的应力-应变图:

图2:应力-应变图

对于有屈服现象明显的材料(如低碳钢,应力-应变图如图1),其屈服强度就是屈服点的应力值;

对于屈服现象不明显的材料(如高碳钢,应力-应变图如图2),规定其屈服强度为产生0.2%残余形变的应力值,又称条件屈服极限。



定义:

屈服强度(yield strength)是金属材料发生屈服现象时的屈服极限。

对于无明显屈服现象出现的金属材料,规定以产生0.2%残余变形的应力值作为其屈服强度,又称条件屈服极限。

常用符号σs,是材料屈服的临界应力值。


意义:

建筑学建筑钢材以 屈服强度 作为设计应力的依据,进行承载力计算,屈服强度是材料力学领域一项重要指标

屈服强度通常用作固体材料力学机械性质的评价指标,是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生塑性变形,应变急剧增大,使材料失效,不能正常使用。


注意事项:

传统的强度设计方法,对塑性材料,以屈服强度为标准,规定许用应力[σ]=σys/n,安全系数n因场合不同可从1.1到2或更大,对脆性材料,以抗拉强度为标准,规定许用应力[σ]=σb/n,安全系数n一般取6。

需要注意的是,按照传统的强度设计方法,必然会导致片面追求材料的高屈服强度,但是随着材料屈服强度的提高,材料的抗脆断强度在降低,材料的脆断危险性增加了。

屈服强度不仅有直接的使用意义,在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高,对应力腐蚀和氢脆就敏感;材料屈服强度低,冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此,屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。



图释:

图3:应力-应变图详解
当应力超过弹性极限后,进入屈服阶段后,变形增加较快,此时除了产生弹性变形外,还产生部分塑性变形。当应力超过到b点后,塑性应变急剧增加,应力出现微小波动,出现屈服现象。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。
由于下屈服点的数值较为稳定,因此以它作为材料抗力的指标,称为屈服强度。
▪.屈服点yield point(σs)
试件在试验过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力。
▪.上屈服点upper yield point(σsu)
试件发生屈服而力首次下降前的最大应力。
▪.下屈服点lower yield point(σsL)
当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。
所谓屈服,是指达到一定的变形应力之后,金属开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过渡,它标志着宏观塑性变形的开始。


参考资料:

1,刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社.2017

2,屈服强度-百度百科


相关阅读:

中州书生:传送门-工程建筑

屈服强度是用于表示物质在不引起其塑性变形的情况下可以产生的最大应力的指示,以N /m²或帕斯卡为单位。

屈服强度是材料永久变形的应力点,提供了该材料弹性极限的有用近似值。在达到屈服点之前,材料将发生弹性变形,但是在去除施加的应力后,它将始终恢复到其原始形状。一旦超过屈服点,所经历的变形的一小部分将变得永久且不可逆。当受到应力时,材料会经历可恢复的变形。

材料的屈服强度使用拉伸试验确定。测试结果绘制在应力-应变曲线上。应力-应变曲线偏离比例的点的应力为材料的屈服强度。从应力-应变曲线很难定义某些材料的精确屈服点。这是因为这些材料没有显示出陡峭的曲线。而是产量的开始发生在一定范围内。因此,实际应用屈服强度作为屈服强度的表示。

在设计和制造组件时,了解材料的屈服强度至关重要,因为它代表了该物质的最大载荷极限。因此,屈服强度在许多材料(例如压制,轧制或锻造)的生产过程中非常重要。

屈服强度通常随温度降低而随应变率增加。对于前者,如果不是这种情况,则称该物质表现出“屈服强度/屈服应力异常”,这在超级合金中经常见到。

属于此类的材料通常是高温下要求高强度的应用的首选。

材料的屈服强度在遭受意外冲击载荷(例如地震)的建筑物的建造中尤为重要。在这些压力下,物质的可塑性区域变得至关重要,因为它吸收的大部分能量主要由可塑性区域贡献。当材料足以承受较长时间的不可预见的力和载荷的能力时,将允许更长的时间实施安全措施。

一些常用工程材料的屈服强度和抗拉强度