工程中常用材料属性

工程中常用材料属性

金属材料是我们工程中最常用到的，不同的材料具有有不同的材料属性，那么表征材料属性的各种参数都有什么意义呢？

应力应变曲线解析

要介绍金属材料的属性，就不得不提到应力应变曲线。什么是应力应变曲线呢？其意义又是什么呢？

• 图中为低碳钢的应力应变曲线，曲线的横坐标是应变，纵坐标是外加的应力。
• 曲线的形状反应材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程。
• 一般地讲，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变，简称形变。
• [弹性模量E]的一般定义是：单向应力状态下应力除以该方向的应变。
• 材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为[弹性模量]。
• [弹性模量]是描述物质弹性的一个物理量，是一个统称，表示方法可以是[杨氏模量]、[剪切模量]、[体积模量]等。

注意：

• 物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。
• 应力是矢量，沿截面法向的分量称为正应力，沿切向的分量称为切应力。
• 应力的计算需要用到截面积，以低碳钢的拉伸试验为例，在低碳钢拉伸过程中，截面积是不断变化的，而应力应变曲线的获取是在假设横截面积不变的情况下进行的，因此得到的应力并不是真实的应力，我们也称应力应变曲线中的应力为工程应力。

材料属性解析

以最常用的金属材料Q345为例，其属性如下：

• [泊松比]是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
• [张力强度]就是应力应变曲线中的[强度极限]。
• [屈服强度]就是应力应变曲线中的[屈服极限]。

前面提到应力应变曲线中的应力计算未考虑横截面的变化，因此工程应力与真实应力有所差异，横截面的变化对[屈服极限]的影响相对较小，我们可以认为材料的[真实屈服强度]就近似等于应力应变曲线下的[屈服极限]，但横截面的变化对[强度极限]的影响很大，真实状态下[强度极限]我们称之为[有效应力]或[真实有效应力]。

那么[有效应力]又该如何求取呢？

• [有效应力]的大小跟[工程应力]和[延伸率]有关系。
• [有效塑性应变]和[延伸率]、[有效应力]及[弹性模量]有关。
• 此处的[工程应力]指的就是Q345属性中的[强度极限]。
• [延伸率]是指试样拉伸断裂后，总伸长ΔL与原始标距长度L的百分比。

工程上常将延伸率≥5%的材料称为塑性材料，如常温静载下的低碳钢、铝、铜等；而把延伸率≤5%的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷灯。延伸率的大小受很多因素的影响，可通过实验获取，数值的计算可通过Excel表格来完成。

对于[工程应力]这个词，会用到好多次，但是表示的却不是同一个意思，不理解的可以看以下分类：

• 不考虑横截面变化，算出来的应力应变曲线中所有的应力都可以称为工程应力，与之对应的真实情况下的应力称为真实应力。
• 具体到某一种材料时，比如Q345的[工程应力]为470MPa，这里指的是工程应力中的最大值，即应力应变曲线中的[强度极限]。

注意：

• 上表中的[工程应力]和[屈服点]等数据也可依据经验自行改动，毕竟在工程应用中情况错综复杂，[500种常见工程材料属性]中数据仅仅是作为参考之用。
• [500种常见工程材料属性]会在后面提到，可在篇尾分享链接中查看。

工程应用

我们在进行有限元分析时，如果计算过程不超出材料的弹性阶段，那我们只需要设置材料的密度、弹性模量和泊松比即可；如果计算过程超出了材料的弹性阶段，即涉及到材料的塑性部分，有时也叫做考虑材料的非线性，通常我们还需要添加材料的屈服强度、真实有效应力和有效塑性应变来表征材料属性。

不同厂家的材料或者同厂家的不同批次材料，甚至同厂家同批次的材料，其具体的材料属性也不尽相同，有时甚至差异巨大，以Q345为例，我接触过的一些试验数据通常屈服强度都在400往上，真实情况下影响因素也比较多，参数表中的数据仅供参考。

螺栓预紧力

螺栓属于机械零件，由头部和带有外螺纹的螺杆两部分组成，需与螺母配合,用于紧固连接两个带有通孔的零件，这种连接形式称螺栓连接。

我们在仿真过程中如何描述螺栓呢？以bolt_M24_Class10p9为例，都包含了哪些信息呢？

• Class10p9表示材料；
• M24表示螺栓的公称直径；

螺栓的性能等级有3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10个等级，其中8.8级以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理(促火、回火)，通称为高强度螺栓,其余通称为普通螺栓。

性能等级10.9级高强度螺栓其含义是什么呢？

• 其材料经过热处理后,
• 螺栓材质公称抗拉强度达1000MF级;
• 螺栓材质的屈强比值为0.9;
• 螺栓材质的公称屈服屈服强度达1000*0.9=900MPa；
• 在重要场所使用螺栓,设计时应对螺栓的屈服强度和剪切强度进行校核计算。

在仿真过程中，有些结构中存在螺栓连接，时常需要对螺栓施加预紧力，而预紧力又该如何计算呢？

关于螺栓参数的计算可参照图中公式，图中涉及的螺栓参数如下：

• 公称直径：英文名称为nominal diameter，也称平均外径(mean outside diameter)。采用公称直径有利于实现零部件的标准化，也方便于设计、制造、修配和管理，降低制造成本。
• 螺距：沿螺旋线方向量得的，相邻两螺纹之间的距离。
• 有效直径de
• 有效面积Ae
• 螺栓等级N
• 轴向最大承载力F
• 螺栓屈服承载力Fs
• 拧紧力矩T
• 预紧力Fn

图中的计算公式中的(N-0.9)不理解的可以参考上文中螺栓10.9级的含义；表中整理了常用的公称直径和螺距，仅供参考

加工表面系数的选取可以参照上表，数据已整理到螺栓参数计算.xlsx中，数据仅供参考

螺栓的拧紧力矩该如何选择呢？

• [螺栓拧紧力矩]的大小与螺栓等级、公称直径有关；
• 螺栓拧紧力矩的具体数值可参照螺栓拧紧力矩国家标准，常用的已整理到螺栓参数计算.xlsx中，该表格可在篇尾分享链接中查阅
• 以上是关于螺栓预紧力等一些参数的计算方法，网络上也可以直接查到一些螺栓参数的对照表；

Abaqus单位制

Abaqus中是没有固定的单位制的，用户需要为各个量选用相匹配的单位，使最后计算结果的单位与所采用的单位制相对应，Abaqus的常用单位制如下

以下是一个实例中的材料，在Abaqus中分别采用两种单位制，具体如下

• 采用SI(m)单位制

Density
7800
*Elastic
2.1e11，0.3
*Plastic
4.2e8，0
8.3e8，0.15

• 采用SI(mm)单位制

Density
7.8e-9
*Elastic
210000，0.3
*Plastic
420，0
830，0.15

本人更倾向于SI(mm)国际单位制