做机械设计,为什么我们需要知道特定材料的屈服强度?

通常,材料表现出弹性或塑性行为。弹性行为是指材料恢复其原始形状时,当作用在其上的外力消失时,例如橡皮筋。塑性行为是指当施加外力时,材料永久或以不可逆的方式改变其形状。
某些材料在达到一定水平的外力或应力时会表现出弹性。当力超过阈值时,材料开始变形,就像塑料一样。材料从弹性转变为塑性的点称为屈服,而导致该屈服的应力称为屈服应力或屈服强度。
屈服强度或屈服应力是材料开始塑性变形的应力。通常以兆帕斯卡(MPa)为单位。

为什么我们需要知道特定材料的屈服强度?

屈服强度是设计组件时要考虑的重要材料属性。该材料必须能够在设计正常使用期间承受力,并且不会发生塑性变形。因此,材料的屈服强度规定了变形前可以施加的最大载荷。它还有助于选择材料整形技术(轧制,锻造和压制)和切割技术(加工和剪切)。

应力应变曲线

导致一种材料变形的一定量的应力可能不会导致另一种材料变形。结果,不同的材料具有不同的屈服强度。

韧性材料与脆性材料的屈服强度

有趣的是,韧性材料和脆性材料如何响应应力而变化。
延性材料(例如结构钢,陶瓷,聚合物和一些金属)在一定的施加应力下具有弹性。随着应力增加,超过屈服点,它们开始发生塑性变形并开始变形。
相反,脆性材料,如混凝土,玻璃和铸铁,根本不表现出塑性变形。它们没有特定的屈服点,变形发生在“弹性”区域。

影响屈服强度的因素

有两个主要因素起作用:

变形率或应变率

发生应变的温度

通常,屈服强度随应变率的增加而增加,而随温度升高而降低。
注意:高温合金(实施例铬镍铁合金)表现出这种现象称为屈服强度的异常,其中,屈服强度随温度增加而增加。这使得它们特别适用于需要高温下高强度的应用,例如涡轮发动机。

有没有办法提高材料的屈服强度?

如果对于您的项目而言完美的材料没有所需的屈服强度怎么办?可以通过多种方式改变材料的自然屈服强度。
通常使用以下方法来提高晶体材料的屈服强度–

加工硬化 –在此过程中,晶体结构中引入了位错或不规则性。结果,在材料变形之前需要对它施加更多的应力,从而增加其屈服强度。

固溶强化 –在这里,材料通过将低浓度的溶质原子融合到晶格结构的间隙中而形成合金。这阻止了位错的运动,同时提高了材料的屈服强度。

颗粒/沉淀物强化 –将沉淀物或颗粒添加到材料中,充当晶格中的固定点。然后,位错会剪切颗粒或引起弯曲或振铃。这增加了使材料变形所需的力。

晶界强化 –随着材料中晶粒尺寸的减小,位错趋向于在晶界累积。然后,需要更多的能量使位错移动到相邻的晶粒,从而提高了屈服强度。

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