请问为何钢管比同样截面面积的钢棒“硬”?其他金属也是如此的吗?

2024-11-15 12:39:38
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回答1:

也许发帖的人自己都没意识到,自己提了一个多么大的问题。
从文字描述来看,提问的人首先就误读了“同样截面积”这个词,原文文意里,同样截面积指的应该是钢管横截面的环形面积——很显然,它和“同样截面积”的钢棒(横截面为圆形)的“粗细”是不一样的。钢管的外径显然要大于钢棒的直径,才能保证空心情况下截面积相等。所以,这个作者提的“同样粗细下”和原文说的已经不是同一个东西了。
那么,钢管是不是比同样截面积的钢棒“硬”呢?不好说。
这个不好说首先因为“硬”是一个口语中含义很广的词,对应结构力学里很多个截然不同的概念。比如,讨论材料科学时候的“硬度”通常指的是“局部抵抗硬物压入其表面的能力”,无论莫氏硬度,洛氏硬度,还是布氏硬度,都只和材料本身有关,和试件的形状不相干。衡量硬度的大体方法,通常是用某种硬质材料尝试在材料表面留下划痕或者印痕,这是一个只和材料本身有关的属性。
一般人对刚度和强度比较容易混淆,认为是差不多的东西。其实两者差别很大,刚度指的是物体抵抗变形的能力,而强度指的是物体抵抗外力(而不破坏)的能力。举例来说,普通的窗玻璃是一种刚度很大,但强度很低的物体。弹簧相反,强度很大,但刚度根据需要可以有很大的调节余地。
这问题还是太大,先缩小一下范围。
还是太大,因为金属材料里还有一类脆性材料,比如铸铁,其特点是抗压能力远大于抗拉能力,即使单向受压,最终的破坏形式也不是压溃而是受压引起的剪切破坏,这种材料适用的强度理论和低碳钢,铜,铝都不一样,为简化起见,姑且不讨论这类材料。
以低碳钢为例,它的特点是,单向受压和受拉时,弹性范围差别不太大。通常为方便起见采用同一个许用应力。
以刚度问题为例来说明:
一根钢管或者钢棒,在材料力学里认为是一根梁或者杆,它的受力是多种多样的。比如拉力:
钢棒和钢管,如果截面积相等,长度相等,那么在收到纯压力作用时候,变形情况通常是一致的(注意通常两个字,后面会有特例说明)。
还有扭转:圆形或者环形的抗扭能力和“单位面积乘以离扭转中心距离的平方的积分”正比,简单的说,越远离扭转中心,材料越有较好的利用,在这个范畴下,钢管是比钢棒要硬一些的——依然是“通常情况”。至于非圆非环,比如方形三角形箱形的截面,极惯性矩的算法会比较复杂,可能空心的硬一些,也可能实心的硬一些——一言以蔽之,不好说。
然后是结构力学里最常见的弯曲:
梁受到简单弯曲的时候——意思是,单纯的弯曲,没有拉压,没有大变形,梁足够细长,这时候,梁抵抗弯曲变形的能力是和“单位面积乘以距离截面中和轴距离平方的积分”正比,简单的说,越远离中和轴(对于对称截面,往往就是截面的几何中心)的材料,利用效率越高,在这个范畴下,钢管(如果不加说明,一般特制圆环截面的钢管,全文同)比钢棒要硬一些——记住,还是通常情况。至于非圆非环的截面,算法比扭转要简单一些,通常的原则是尽量把材料堆积在远离中和轴的位置上,比如常见的工字钢,可以提高某个特定方向上的抗弯能力。
再之后是和弯曲经常一起出现的剪切:
纯粹的弯曲梁是极少见的,通常弯矩伴随剪切一起出现(实际上弯曲梁的微分方程里,弯矩就是剪力的积分加上常量),梁抵抗剪切的能力又复杂一些,和“有效剪切面积”有关。有效剪切面积往往要通过经验公式,至于钢管和钢棒或者其他截面积的有效剪切面积——不好说,可能这个大一些,也可能那个大一些,并无一定规律。
然后是抗压:
这个比前几个都复杂。抗压有两种常见的失效模式。比如对于短梁,无法承压的后果是压溃,比如一个短柱子被压成饼,就是典型的压溃。对于细长梁,典型的失效模式则是失稳——比如一根细长的竹篾,从两端压它,它并不会明显变短,而是会弯曲起来,这就是失稳的表现。在失稳模式下,梁抵抗失稳的能力近似于抗弯能力,通常来说,钢管强于钢棒,其他截面形状则要分别讨论。
前面说了那么多“通常情况”,那么还有不通常的情况吗?不少。
比如,之前讨论的前提,是以整个梁作为整体来变形,截面没有太大变化为前提的,实际上,如果板厚过薄,构件最容易发生的是局部破坏或者局部失稳。比如把一个可乐易拉罐树在地上,踩一脚,这个罐子既不会变弯,更不会均匀变短,而是易拉罐壁皱褶起来,这就是局部失稳。
那么其他材料,其他形状,还有抗破坏的能力呢?——不好说,有的和前面介绍的类似,有的又有不同,需要具体情况具体分析。
没错,的确是这样。工程上往往没有类似E=MC^2或者牛顿三定律那么简洁而放之四海而皆准的概括。结构力学是典型的多约束问题。作为一个工程师,需要考虑到各种繁复的可能的破坏失效模式,只要有一个没考虑到,就有可能出重大安全事故。即使在各种计算软件越做越精细的今天,结构安全最后的底线,仍然是工程师缜密的思维和对力学的充分理解。