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工程基础更新:强度vs刚度vs硬度

2021-10-18

理解强度、刚度和硬度的机械特性是机械工程的基础,但这些特性经常会被混淆。这些属性是相关的,但它们之间有非常重要的区别:

 

刚度是构件在受力后恢复其原始形状的趋势的指标。

强度衡量在元素永久变形或断裂之前可以向元素施加多少应力。

硬度衡量材料对表面变形的抵抗力。对于某些金属,如钢,硬度和抗拉强度大致成正比。

 

在这篇文章中,我们对基本原理进行了更新,着眼于在识别机械强度刚度硬度之间的一些常见缺陷,三者之间的技术差异,以及它们在产品开发材料选择中的相关性。

 

常见陷阱:强度vs刚度vs硬度

 

尤其容易混淆强度和刚度之间的差异。如果一种材料硬,那么它必须足够坚固以支撑大的负载对吗?因此,强度和刚度不一样吗?答案是否定的!一种材料可以是坚固而有弹性的,也可以是坚固而坚硬的,但强度和刚度是两个独立的性质。

 

让我们分解一下。

 

由于刚度和强度都与材料的弹性模量(杨氏模量)有关,因此很容易在材料特性参考手册中查找该值,并确定给定材料的强度和刚度。弹性模量测量材料的刚度,但强度是模量的函数。抗拉强度和硬度都是金属抗塑性变形能力的指标。



 

上面的应力-应变曲线(图1)很好地说明了这一点。应力与应变之比是弹性模量刚度,但应力(仅应力)才能定义材料的强度。请记住,强度衡量的是材料在发生永久变形或断裂之前可以承受多少应力,而刚度衡量的是对弹性变形的抵抗力。



 

理解应力和应变的概念

 

应力是由外加载荷产生的内力;它作用于机械或结构部件的横截面。应变是在施加力时发生的物体形状或大小的变化。



 

强度、刚度和硬度的重要定义

 

以下是一些需要牢记的重要定义:

 

屈服强度用于表现出弹性行为的材料。它是材料在发生永久变形之前可以承受的最大拉伸应力。

极限强度是指破坏发生前的最大应力。

断裂强度是与发生完全破坏时的应力对应的值。

刚度是指当施加荷载时,构件抵抗弹性变形的方式。

硬度是对局部表面变形的抵抗力。



 

材料的强度可指屈服强度、极限强度或断裂强度。抗拉强度可以根据硬度计算,这很方便,因为洛氏硬度测试通常简单、便宜且无损。仅在试样上进行小的穿透。对于许多金属,抗拉强度随着硬度的增加而增加

 

示例:强度与刚度

 

光束偏转

 

下图是承受荷载的梁的有限元分析(FEA)。梁对荷载的响应是由内部弯曲和剪切应力引起的偏转。如果内部应力超过梁材料的屈服强度,则需要具有更高杨氏模量值的材料,换句话说,更硬的材料可以抵抗变形,并且更高的屈服强度可以防止永久变形和可能的断裂。



 

直杆上的轴向载荷

 

想象一根金属棒在拉伸状态下,承受一定值的轴向载荷。当金属在100磅力下断裂时,内应力会导致金属原始长度1%的变形。接下来,考虑一些橡胶状棒状聚合物,它们受到相同的力,但变形5%原来的长度,在100磅时断裂。关键点:两种材料的强度相同,但金属比聚合物更硬。



 

热应力

 

热应力也会影响已经受到某种力的部件的变形响应。在这种情况下,由于构件内的温度梯度,热应力在已经施加在构件上的力的应变上产生附加应变。热应力对材料的强度有影响。计算热应力提供了选择适合您的设计的刚度和强度值的洞察力,假设温差不足以改变材料的微观特性!

 

强度和刚度设计的4个最佳实践

 

以下是在整个设计过程中要牢记的4个最佳实践:

 

1.在设计的早期阶段确定重要组件

 

在设计的早期阶段,如构建CAD模型时,确定哪些组件对设计至关重要。确定哪些部件将承受冲击载荷、均匀载荷、集中载荷、恒定载荷等,以便了解部件所需的刚度或强度。如果需要,使用键合图或方框图建模开发复杂动力系统的图形表示,并利用软件对复杂系统建模。

 

2.确定施加到每个组件上的力

 

计算机械部件上的预期应力,以找出可能出现问题的位置或力似乎很大的位置。使用仪器技术测量设计如何响应各种输入,并执行数据分析以预测模型的行为。考虑子系统中的蠕变和疲劳变量,并与系统暴露的环境相关。

 

3.材料选择的最佳实践

 

金属、陶瓷、聚合物和复合材料是具有特定机械性能的材料类型。陶瓷通常是易碎的,这意味着在断裂之前几乎没有任何变形;裂纹可能扩展得非常快,伴随的塑性变形非常小。金属表现出两种形态:韧性和脆性。韧性材料在断裂前会伴随塑性变形,而脆性材料则不会。



 

韧性金属的断裂过程通常分为几个阶段。聚合物的韧性或脆性行为取决于温度。对于原材料,确定哪些制造工艺将为您提供所需的材料特性。材料试验必须符合ASTM标准;查阅工程手册以获得可靠的材料数据。

 

4. 在原型制作之前验证您的设计

 

使用CAD软件进行设计研究,以评估和优化设计的几何图形。采用有限元分析、数值分析;在可行的情况下,进行手工计算,确保结果一致,然后再开始原型设计,以节省时间和金钱。咨询其他工程师进行审查。

 

主要要点

 

在整个设计过程中正确使用和实施刚度、强度和其他机械特性将有助于获得更高质量的产品,因为这些特性描述了材料如何响应施加的载荷。清楚了解产品的预期用途是选择适当材料性能的关键,该材料性能将促进经济高效的设计,同时保持安全标准、结构完整性和实现预期性能。

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