
【化】 plastic failure criterion
model; mold
invalidation; lapse
【計】 out-of-order
【化】 abatement; fail(ure); out of service; out-of-run
【醫】 inactivation
【經】 cease to have effect; lapse
canon; criterion; norm; rule; standard
【計】 guide line
【經】 guideline; reference frame; standard
塑性失效準則是固體力學中判斷材料進入不可逆形變狀态的核心指标,其英文對應"Plastic Failure Criterion"。該準則通過建立數學表達式,量化材料在複雜應力狀态下産生永久塑性變形的臨界條件,對工程結構的安全設計具有決定性作用。
根據ASM International發布的《金屬手冊》,常見塑性失效準則包含:
美國機械工程師協會(ASME)鍋爐及壓力容器規範明确指出,在壓力容器設計中需同時考慮這兩種準則。其中von Mises準則更適用于韌性金屬材料的失效預測,而Tresca準則在保守設計場景應用更廣。
Springer出版的《工程塑性力學》強調,現代工業應用中還需考慮溫度梯度、應變速率等動态因素。例如高溫環境下材料的蠕變效應會使屈服強度下降30%-50%,這已納入ASTM E8/E8M标準試驗方法的修訂内容。
塑性失效準則是工程力學和壓力容器設計中用于判斷材料或結構是否失去承載能力的重要理論依據,其核心觀點是:僅當材料或結構的整個截面完全進入塑性屈服狀态時,才被視為失效。以下從定義、應用背景、理論依據及與其他準則的對比進行詳細說明:
塑性失效準則認為,局部區域的屈服不會立即導緻整體失效。例如,在承受彎曲應力的厚壁容器中,應力沿壁厚呈線性分布,即使表面應力達到材料的屈服強度($sigma_s$),内部材料仍處于彈性狀态,能夠繼續承載。隻有當整個截面全部屈服時,結構才會因塑性變形無法恢複而失效。
壓力容器設計
在厚壁容器(如反應釜、管道)中,薄膜應力(均勻分布)與彎曲應力(線性分布)的差異顯著。塑性失效準則允許局部塑性變形,充分利用材料的延展性,避免過早保守設計。
材料選擇
適用于延展性較好的材料(如低碳鋼),這類材料在屈服後仍能承受更大載荷,直至整體塑性變形。
塑性失效準則常結合以下屈服理論進行量化分析:
Tresca準則(最大剪應力理論)
認為當最大剪應力達到材料屈服強度的一半時發生屈服,表達式為:
$$tau_{text{max}} = frac{sigma_1 - sigma_3}{2} leq frac{sigma_s}{2n}$$
其中$sigma_1$、$sigma_3$為第一、第三主應力,$n$為安全系數。
von Mises準則(畸變能理論)
基于形狀改變能理論,判據為:
$$sigma_{text{von Mises}} = sqrt{frac{(sigma_1-sigma_2) + (sigma_2-sigma_3) + (sigma_3-sigma_1)}{2}} leq frac{sigma_s}{n}$$
該準則更適用于複雜應力狀态。
準則類型 | 失效判斷依據 | 應用場景 |
---|---|---|
彈性失效準則 | 表面應力達到屈服強度即失效 | 保守設計,避免任何塑性變形 |
塑性失效準則 | 全截面屈服時失效 | 延性材料,允許局部塑性變形 |
爆破失效準則 | 材料應變硬化後達到極限壓力時失效 | 高延展性材料的極端載荷分析 |
通過塑性失效準則,工程師可優化結構設計,減少材料浪費。例如,壓力容器設計中,若僅按彈性失效準則設計,壁厚需求較大;而采用塑性失效準則,則能更經濟地利用材料的承載潛力。
如需進一步了解具體計算方法或案例,可參考壓力容器設計手冊或有限元分析中的塑性力學模型。
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