【他山之石】强度是什么?打破砂锅也问不到底~~~

发布于 2021-10-12 21:35

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1.资料简介

17世纪时,德国首先敷设了向居民供饮用水的铸铁管道。据说邻居法国见状,不甘示弱,也开始进行同样的基础设施建设,却常常遇到铁管断裂的现象。增大铸铁管厚度显然可以解决这种断裂问题,但是厚度增大使得成本大大增加,过水面积减小,一味增加厚度实在不是明智之举,可是也没有谁能说得清多少厚度就足够了。法国人于是带着最好的香槟和松露去向德国人请教。
德国人看到法国人这么虔诚,就道出了他们的设计依据。原来,德国的友邦意大利有一位科学家名为伽利略,进行了很多石料和铁丝的拉伸试验,提出了解释脆性材料断裂的理论,认为材料发生断裂是由最大拉应力引起,即最大拉应力达到某一极限值时材料发生断裂。由此该极限应力就作为判断脆性材料是否破坏的依据,应用在铸铁管道设计中。法国人如获至宝,回国按照这种理论进行管道设计,断裂问题果然不再出现。而上文所述“材料断裂”的强度规律也就是后世所称的第一强度理论
没过多久,法国的理论界也开始在强度理论上予以攻关突破,该国的神父兼科学家马里奥特提出了最大伸长线应变理论,认为材料发生断裂是由最大拉应变引起,也就是后来人们所称的第二强度理论。这个理论与混凝土块受压的试验结果更为吻合,因此也被广泛应用。
那个时期,人们主要使用的建筑材料仍是砖、石、铸铁等脆性材料,材料受力多在拉、压的路径下,采用第一和第二强度理论来描述它们的破坏特性都没有出现太大问题。
到了19世纪,钢材的锻造工艺日渐先进,价格逐渐降低,人们开始使用钢材等塑性材料,人们发现这些材料破坏时往往表现为塑性屈服,拉伸时材料沿斜截面发生滑移,与铸铁材料破坏类型有所区别;而采用第一、第二强度理论判断构件是否破坏也不再准确。由此诞生了新的强度理论,即认为无论在什么样的应力状态下,材料发生屈服流动的原因都是单元体内的最大切应力达到了极值,称为第三强度理论,也称屈雷斯卡强度条件。最大切应力理论的精确程度对于那个时期的材料强度计算中已基本满足需求, 直至1904年, 才由胡贝尔(F.Huber)提出了新的形状改变比能理论(第四强度理论),该理论对于塑性材料屈服的预测,比第三强度理论更接近试验结果,使得人类对材料强度问题的研究更进一步。
材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度,材料自身性质决定了其破坏本质。与长度等单纯唯物的概念不同,强度是一个具有深刻唯象意味的概念,如上所见,在不同的时代,不同学者对强度的定义方式也并不一致,从应力临界值、应变临界值,到应力的临界状态等等,强度的定义经历了长久的发展过程。
早期强度理论针对的实际工况中,材料所受应力状态都较为简单,对于同种材料的同种破坏形式,强度多定义为应力或者应变的某一临界值。然而,随着岩土材料应用和研究逐渐发展,人们发现材料所受的应力状态对其强度有很大的影响。由此,材料的强度可能无法再用单一的临界值来描述,而是需以一种临界状态的应力状态组合的形式来定义,由此也诞生了包括莫尔-库伦强度理论在内的种类繁多的强度准则。近代的研究还表明,岩土类材料的强度同时也受到应力加载路径影响,使得其强度状态的描述将更为困难。


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