应用应力状态的概念,可以分析材料的“损坏”原因。
(1)材料的失效形式和应力状态 材料的失效形式大致分为三种:
1)脆断。例如铸铁拉伸、扭转时,几乎没有塑性变形就被拉断。
2)剪断。例如铸铁在压缩和硬铝在拉伸时,大约沿45°方向剪断。
3)屈服。例如低碳钢拉伸、扭转和压缩时,都有很大的塑性变形。
在这三种失效形式中,从构件强度设计观点看,第1种和第3种是主要的,第2种是次要的。因在剪断之前也会出现塑性变形,如铸铁受压就是这样,所以我们着重讨论第1种、第3种。
不同的材料,在受力相同的情况下可能有不同的失效形式。塑性材料一般会出现塑性变形,而脆性材料一般会出现脆性断裂,这是大家所熟知的。但特别要说明的是,即使同一种材料,在不同的受力状况下也会有不同的失效形式。例如铸铁,在拉伸、扭转时都是脆断,但受压时却出现塑性变形。光滑试样与缺口试样的拉伸行为也各不相同。可见材料的失效形式不是一成不变的,但是变化又是有条件的,即受应力状态的影响。此外还有温度、加载速率也起作用。
对于同一种材料有两种不同的失效形式这一事实,可作如下解释:
一种材料具有两种不同的抵抗能力,一是对屈服的抗力,二是对脆断的抗力。许多试验说明,屈服主要是由剪应力引起的。例如低碳钢受拉屈服时,试件表面出现45°滑移带,就是剪应力作用的结果;而脆断主要是因为拉应力过大的原因,例如铸铁在拉伸、扭转时沿着最大拉应力面裂开。所以说,材料对屈服的抗力,实际上是它屈服时抵抗各斜面上剪应力的能力;而对脆断的抗力,却是它脆断时抵抗拉应力的能力。材料的这两种抗力中,总是一种较强,一种较弱。像铸铁这类材料,抗拉能力低而抗剪能力高,故常发生脆断。但像低碳钢这类塑性材料则反之,因此通常都出现塑性变形。
然而这种情况并不是绝对的。在单向压缩的应力状态下,从应力圆(图2-7)可知,任何斜面上都没有工作的拉应力而只有剪应力和压应力,材料就没有被拉断的条件。所以铸铁的抗拉能力虽然低,也不会发生拉断,而只会由于工作的剪应力(特别是45°斜面上的最大剪应力)超过了材料屈服时的抗剪能力,使铸铁屈服,最后剪断。若在三向等压的条件下,任何斜面上都无拉应力,最大剪应力也等于零。因而材料能承受住极高的压应力。若单元体的任何斜面上都没有工作剪应力(或剪应力很小),而只有拉应力。像三向等拉伸那样,材料就没有使它屈服的条件。因此即使是抗剪能力很差,屈服极限很低的塑性材料,都不会发生塑性变形,而只会被拉断。(https://www.xing528.com)

图2-7 单向应力状态下的应力圆
由此可见,在常温、静荷情况下,材料的失效形式一方面决定于材料本身的两种抗力的强弱,另一方面又与应力状态密切相关。
表2-4 五种强度理论及其应用范围

(续)

(2)强度理论 对于在不同的应力状态下,如何表示材料的抗力,人们提出种种假设,这就是强度理论,常见的五种见表2-4。
有了这些假设,便可根据简单试验(如拉伸试验)所测得的材料抗力,去分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。
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