各种材料因强度不足引起的失效现象是不同的,事实上,尽管失效现象比较复杂,但经过归纳,强度不足引起的失效现象主要还是屈服和断裂两种类型。同时,衡量受力和变形程度的量又有应力、应变和应变能密度等。
这类假说认为,材料之所以按某种方式(断裂或屈服)失效,是应力、应变或应变能密度等因素中某一因素引起的。亦即,造成失效的原因和应力状态无关;这类假说称之为强度理论。
材料破坏的两种类型:
①屈服失效
材料由于出现显著的塑性变形而丧失其正常的工作能力。
②断裂失效
脆性断裂:无明显的变形下突然断裂;
韧性断裂:产生大量塑性变形后断裂。
定义:最大拉应力理论认为最大拉应力是引起断裂的主要因素。
无论材料处于什么应力状态,只要最大拉应力达到与材料性质有关的某一极限值,则材料就发生断裂。既然最大拉引力与材料的应力状态无关,于是就可以用单向应力状态确定这一极限值;单向拉伸只有σ1(σ2=σ3=0),而当σ1达到强度极限σb时,发生断裂。
最大拉应力理论强度条件:
σ1<[σ]
脆性材料的扭转破坏,也是沿拉应力最大的斜面发生断裂,这些都与最大拉应力理论相符。
最大伸长线应变理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。无论材料处于什么应力状态,只要最大伸长线应变ε1达到与材料性质有关的某一极限值,则材料就发生断裂。ε1的极限值既然与材料的应力状态无关,就可以用单向应力状态确定这一极限值。
设单向拉伸直到断裂仍可用胡克定律计算应变,则拉伸时伸长线应变的极限值应为εu=σb/E.按照这一理论,任意应力状态下,只要ε1达到极限σb/E,材料就发生断裂。
最大伸长线应变理论强度条件:
σ1-μ(σ2+σ3)≤[σ]
实验表明:此理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合,如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。
最大切应力理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素。即认为无论什么应力状态,只要最大切应力达到与材料性质有关的某一极限值,材料就发生屈服。
最大切应力理论强度条件:
σ1-σ3≤[σ]
实验表明:此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释;并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。
局限性:
1、未考虑σ2的影响,试验证实最大影响达15%。
2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。
畸变能密度理论认为畸变能密度是引起服的主要因素。即认为天论什么应力状态,只要畸变能密度νd达到与材料性质有关的某一极限值,材料就发生屈服。
畸变能密度理论强度条件:
实验表明:对塑性材料,此理论比第三强度理论更符合试验结果,在工程中得到了广泛应用。
强度理论的一般选用原则
脆性材料一般使用第一或第二强度理论;塑性材料一般使用第三或第四理论。三向受拉应力状态,用第一强度理论;三向受压应力状态,用第三或第四强度理论。在实际工程中,强度理论的选用还要依据该工程领域相关标准规范的规定,同一类产品,不同的标准规范所选用的强度理论也可能不同,例如压力容器的规范中,有选用第一强度理论、第三强度理论、第四强度理论的。