材料的降伏跟抗拉強度 - Kevin Yu's Blog

所以工程會選擇以剛開始測試時所量測到的斷面積當作基準計算應力， 也就是紅色的線段所代表的應力值， 但是實際上卻會因為拉伸時材料會產生側向收縮，斷 ... 網誌主題分類網頁 Inventor機械設計應用 Inventor應力分析 Inventor動力學模擬 3DCADDownload 自動化設備的一些概念分享 AOI與量測相關 自行車相關 2017/11/19 材料的降伏跟抗拉強度 材料的“降伏”現象其實是根據鋼材的在拉伸實驗中的行為研究描述而來， 主要是鋼材微觀結構上的瑕疵(defect)、差排(dislocation)受力移動的現象， 完美的晶格排列 材料中實際上存在的瑕疵，差排(Dislocation) 這種差排(或瑕疵)的移動是不可復原的，所以會使材料發生永久(塑性)變形，如下圖： 圖片擷取自YoutubeLearnCheme 對鋼材進行拉伸實驗可以得到典型的應力應變曲線如下圖示： 圖片來源：Wiki A是工程應變，B是真實應變 點2是降伏強度 點1是抗拉強度 點3是破裂點 其中數字2就是降伏點(降伏強度)， 數字1就是抗拉強度， 數字3是真正的破壞點。

那多出來的藍色線段是? 在測試的步驟上，要去量測即時的斷面尺寸是有困難的， 尤其是變形搞不好是發生在內部，外觀上根本量不到， 所以工程會選擇以剛開始測試時所量測到的斷面積當作基準計算應力， 也就是紅色的線段所代表的應力值， 但是實際上卻會因為拉伸時材料會產生側向收縮，斷面積會縮小， 若以真實縮小的斷面積去計算應力， 真實應力的值應該會比較大，也就是圖中的藍色線條。

鋼材的降伏情況其實在材料中算是特別的， 當受力超過降伏強度後，材料可承受的力量甚至會變小； 如果施加的力量大小沒變，鋼材甚至還會產生快速的移(滑)動， 也就是所謂的"降伏"現象，如上圖點2以後曲線向下凹陷的部分； 直到微觀結構上的滑動現象被晶粒界面等阻止，如下圖示： 圖片來源：PocketDentistry 抵抗變形的力量才會開始再增加， 期間微觀結構上材料的這種現象又稱為應變硬化(StrainHardening)， 也就是應力應變曲線中點2以後曲線上翹的階段。

隨著斷面積慢慢變小，力量增加，直到點1發生頸縮的現象， 點1是因為幾何上斷面積的縮小(頸縮)現象與材料的可承受應力剛好到一個臨界點， 材料會因為斷面積快速縮小而可承受力量快速下降而發生破壞， 雖然工程應力變小，但是從真實應力來看， 應變硬化的現象其實增強了材料抵抗變形的能力， 只是因為幾何變化(斷面積縮小)的關係造成可以承受的力量變小。

但是鋼材以外的材料很少會有降伏現象的發生， 其他延展性材料例如銅、鋁等合金，應力-應變曲線圖比較多是像以下的圖形: 其他材料因為沒有像鋼材有明顯的降伏現象， 但是因為設計上的需求，習慣以降伏點作為參考的依據， 所以對其他材料就給了以平行線性彈性線段偏移彈性極限(上圖點1)0.2%與應力-應變的曲線交點為降伏點，也就是上圖的點2。

有的設計會取比較保守的偏移0.1%， 當然也有的設計會取比較大膽的偏移0.5%， 就看設計上對抵抗塑性變形的要求有多高。

至於脆性材料，基本上可以說沒有塑性變形的現象： 圖片來源：Wiki 在應用上，一般的機械用零件材料的應力很少會到發生永久變形的階段， 所以設計上主要考慮的是降伏強度， 而且因為設備通常會動，或者是承受振動作用，負載屬於變動的型式， 經驗上會取降伏強度的一半作為抵抗疲勞破壞的設計考量。

但是如果是純靜態的一般結構或消費性用品， 使用降伏強度作為設計強度的考量會太浪費材料，而且增加產品或結構的重量， 所以設計上會改以抗拉強度為考慮。

在Inventor應力分析中，有關安全係數的計算， 就是以vonMises應力除以降伏強度或抗拉強度作計算， 可以在選擇材料時指定要用來計算安全係數的參考值，如下圖示： 參考資料： 鋼鐵材料與焊接實務，內容有很大篇幅在講材料機械性質的測試，值得對強度測試比較不熟的朋友看看。

Yieldstress(YS)istheengineeringwaytodefinetheonsetofplasticdeformationintermsofdislocationmotion.Thetensilestrength(UTS)is(almost)thepointatwhichneckinginitiates,i.e.plasticinstabilitysetsin.Thatmeansthegeometricsofteningdominatesthework-hardeningbeyondUTS.(Youmaybeknowingforonsetofnecking;the'ConsidereCriterion'). Hence,thedifferencebetweenUTSandYS (i.e.,expressedbytheirratio)tellsyouhowmuchthematerialwork-hardens.Ifitislarge,work-hardeningismoreandthematerialismoreductile.Alsothisgivesanindicationfortheresistancetocrackpropagation. RelationshipbetweenYSandUTS: TheratioYS/UTScanberelatedtoYSandonecancalculateUTSbyknowingYS,butitwillhavelowerboundestimatedvalues. Certainlytheyieldstressmeasuredby0.2%offsetstrainmethodis"arbitrary"(answeredbyProf. GermánPrieto/Prof. PavelN.Yakushev).Whiledeterminingyieldstressusingtensiontest, toavoiddynamiceffects,therateofloadapplicationhastobeslow(asansweredbyProf.TarikÖmerOğurtani)suchthatitisquasi-static.Buttherateofloadingmayvarywithdifferentmaterials.Further,thisoffsetstrainof0.2%foryieldstressisbyASTM,whereasinEngland,0.1%and0.5%iscommonlyused.Essentially0.2%offsetmethodofyieldstressgivesreproduciblevaluesthoughitisanapproximatemeasure(andacceptedinengineeringsense)ofthetransitionformelastictoonsetofplasticdeformation.Butformetalsandalloys(e.g. mildsteel)thatdisplaydistinctyieldpointphenomenon(i.e.,upperyieldstress,loweryieldstressandyieldpointelongation)duetodislocation-soluteinteractions,generallyitispreferredtotaketheloweryieldstressvalue,asthisvalueislesssensitivetodynamiceffectsandisalsoconservative. 張貼者： Kevin@Google 於 22:00 以電子郵件傳送這篇文章BlogThis！分享至Twitter分享至Facebook分享到Pinterest 標籤： 材料與機械性質, CAE, Inventor應力分析 沒有留言: 張貼留言 較新的文章 較舊的文章 首頁 訂閱： 張貼留言(Atom) 與部落格作者連絡(私密留言) 名稱 以電子郵件傳送 * 訊息 * 總網頁瀏覽量 搜尋此網誌 標籤 切削原理 心得分享 休閒 自行車 自動化 材料與機械性質 振動學 訊號處理 電腦視覺與光學量測 職場生涯 CAD CAE CFD Inventor InventorNastran Inventor動力學模擬 Inventor應力分析 NastranInCAD 網誌存檔 ►  2021 (16) ►  九月 (1) ►  八月 (2) ►  七月 (1) ►  六月 (3) ►  五月 (1) ►  四月 (5) ►  三月 (1) ►  一月 (2) ►  2020 (32) ►  十一月 (2) ►  十月 (4) ►  九月 (2) ►  八月 (4) ►  七月 (2) ►  五月 (3) ►  四月 (4) ►  三月 (3) ►  二月 (3) ►  一月 (5) ►  2019 (55) ►  十二月 (1) ►  十一月 (8) ►  十月 (6) ►  九月 (4) ►  八月 (5) ►  七月 (1) ►  六月 (4) ►  五月 (6) ►  四月 (6) ►  三月 (3) ►  二月 (7) ►  一月 (4) ►  2018 (112) ►  十二月 (3) ►  十一月 (8) ►  十月 (8) ►  九月 (10) ►  八月 (7) ►  七月 (13) ►  六月 (10) ►  五月 (11) ►  四月 (10) ►  三月 (15) ►  二月 (7) ►  一月 (10) ▼  2017 (125) ►  十二月 (30) ▼  十一月 (16) 其他材料性質 伯努利吸盤的模擬 Inventor應力分析報告產生功能 蒲松比Poisson'Ratio CAE的個人經驗 光譜量測儀器的概念 材料的降伏跟抗拉強度 設備開發機械工程師的訓練 ptgray2.高解析影像 ptgray.1.擷取一致的顏色 工業用機械手臂分享 振動量測在設備上的應用 20171112竹北香港香港新生活飲茶餐廳 手機在振動量測上的應用 使用Excel進行快速傅立葉轉換 材料性質：楊氏係數 ►  十月 (16) ►  九月 (3) ►  八月 (9) ►  七月 (4) ►  六月 (1) ►  五月 (4) ►  四月 (12) ►  三月 (11) ►  二月 (6) ►  一月 (13) ►  2016 (47) ►  十二月 (31) ►  十一月 (16) Translate Wikipedia 搜尋結果