有限元计算中基本概念之屈服强度

有限元计算中基本概念之屈服强度

屈服强度是材料科学和工程领域中的一个核心概念，特别是在有限元计算中，它对于评估金属材料构件的强度至关重要。本文将深入探讨屈服强度的定义、工程标准、影响因素及其在实际工程中的应用意义。

1. 屈服强度的定义

屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是在屈服点的应力（屈服值），如下图所示。

对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复，如下图所示。

有些金属材料没有明显的屈服点，究其原因是多晶体金属塑性变形存在非同时性。多晶体金属变形的一个重要特点是由无数同相晶粒或不同相晶粒构成。由于各晶粒的取向不同，在外力作用下，它们的变形不可能同时开始，而是那些滑移面阳适宜滑动的晶粒最先开始发生塑性变形，因此变形总是从那些比较弱的晶粒率先开始。多晶体金属还存在变形不均一性特点。它不仅体现在同一组成相的不同晶粒之间，也表现在不同组成相的不同晶粒之间。

2. 工程上常用的屈服标准

• 比例极限应力：应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。
• 弹性极限：试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以Rel表示。应力超过Rel时即认为材料开始屈服。
• 屈服强度：以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为Rp0.2。

3. 影响屈服强度的因素

• 内在因素：结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。
• 外在因素：温度、应变速率、应力状态。随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度

4. 屈服强度的工程意义

传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n，安全系数n一般取2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。

屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标.

5. 屈服强度参数在有限元计算中的使用

该参数并不参与有限元计算，只用于评价金属材料构件的强度。如下图所示的ANSYS Workbench自带的结构钢材料，该材料的拉伸屈服强度为250Mpa，这个参数不参与有限元计算。