塑性变形理论.docx
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1、图2-1应力应变曲线部分变形得以恢复,另一部分则成为永久变形。卸载阶段b-g呈线性关系。这说明了塑第2章 金属塑性变形的物性方程物性方程又称本构方程,是b-关系的数学表达形式。弹性变形阶段有广义Hooke 定律,而塑性变形则较为复杂。在单向受力状态下,可由实验测定。-曲线来确定塑性 本构关系。但在复杂受力情况下实验测定困难,因此只能在一定的实验结果基础上,通过 假设、推理,建立塑性本构方程。为了建立塑性本构方程,首先需弄清楚塑性变形的开始 条件一一屈服,以及进入塑性变形后的加载路径等问题。 2.1金属塑性变形过程和力学特点2.1.1变形过程与特点以单向拉伸为例说明塑性变形过程与特 点,如图2-
2、1所示。金属变形分为弹性、均匀 塑性变形、破裂三个阶段。塑性力学视为 弹塑性变形的分界点。当bb以后,变形视作塑性阶段。 b-g是非线性关系。当应力达到b b之后, 变形转为不均匀塑性变形,呈不稳定状态。bb 点的力学条件为db = 0或dP=0o经短暂的不 稳定变形,试样以断裂告终。若在均匀塑性变形阶段出现卸载现象,一 性变形时,弹性变形依然存在。弹塑性共存与加载卸载过程不同的b-g关系是塑性变形 的两个基本特征。由于加载、卸载规律不同,导致b-g关系不唯一。只有知道变形历史,才能得到一 一对应的b-g关系,即塑性变形与变形历史或路径有关。这是第3个重要特征。事实上,bb,以后的点都可以看成
3、是重新加载时的屈服点。以g点为例,若卸载 则b-g关系为弹性:卸载后再加载,只要bb,,这一现象为硬化或强化,是塑性变形的第4个显著特点。在简单压缩下,忽略摩擦影响,得到的压缩b与拉伸b基本相同。但是若将拉伸屈ss服后的试样经卸载并反向加载至屈服,反向屈服一般低于初始屈服。同理,先压后拉也有 类似现象。这种正向变形强化导致后继反向变形软化的现象称作Bauschinger效应。这是 金属微观组织变化所致。一般塑性理论分析不考虑Bauschinger效应。Bridgman等人在不同的静水压力容器中做单向拉伸试验。结果表明:静水压力只引起 物体的体积弹性变形,在静水压力不很大的情况下(与屈服极限同数
4、量级)所得拉伸曲线 与简单拉伸几乎一致,说明静水压力对塑性变形的影响可以忽略。2.1.2基本假设(1) 材料为均匀连续,且各向同性。(2) 体积变化为弹性的。塑性变形时体积不变。(3) 静水压力不影响塑性变形,只引起体积弹性变化。(4) 不考虑时间因素,认为变形为准静态。(5) 不考虑Banschinger效应。2.2塑性条件方程塑性条件是塑性变形的起始力学条件。2.2.1屈服准则单向拉伸时,材料由弹性状态进入塑性状态时的应力值称为屈服应力或屈服极限,它 是初始弹塑性状态的分界点。复杂应力状态下的屈服怎样表示? 一般说来,它可以用下列 式表示:f (气上订,t, T ,S)=0其中b.为应力张
5、量, .为应变张量,t为时间,T为变形温度,S为变形材料的组织 (Structure)特性。对于同一种材料,在不考虑时间效应及接近常温的情形下,t与T对塑性状态没多大影响。另外,当材料初始屈服以前是处于弹性状态,。与七有一一对应关 系。因此屈服条件可以表示成为Uf (b ) = 0 或 f (I ,I ,I ) = 0或 f (b ,b ,b ) = 0ij123123若以b.空间来描述,则f(b i)=0表示一个包围原点的曲面,称作屈服曲面。当应力点气 位于此曲面之内时,即f(b.)b2 b3约定时,则有:b 1 -b 3 = 2k(2. 3)在主应力空间中,式(2. 2)是一个正六棱柱;在
6、兀平面上,Tresca条件是一正六边 形(见图2-2)。(a)主应力空间的屈服表面(b)n平面上的屈服轨迹图2-2屈服准则的图示k值由实验确定。若做单向拉伸试验,b广气,b2 =b3=。,则由式(2. 3)有 k =b s/2。若做纯剪试验,则有b 1 =T s,b2 = 0,b3s=-T s,则可得k =T s。比较后,若 Tresca屈服条件正确,则应有:b = 2t = 2k(2. 4)对多数材料,此关系只能近似成立。在材料力学中,Tresca屈服准则对应第三强度理论。在一般应力状态下,应用Tresca准则较为繁琐。只有当主应力已知的前提下,使用 Tresca屈服准则较为方便。2. 2.
7、 3 Von Mises 屈服准则Tresca屈服准则不考虑中间主应力的影响;另外当应力处在两个屈服面的交线上时, 数学处理将遇到一些困难;在主应力未知时,Tresca准则计算十分复杂。因此Von Mises 在1913年研究了实验结果后,提出了某一屈服准则,即当:尸2 = C(2. 5)时材料就进入屈服,其中 C为常数。由于I2与T占,Q以及材料的弹性形状改变能 厂 1U D = 2G12有关,因此具有不同的物理意义。常数C由实验来定。单拉时,*=b,,b 2 =b 3 = 0代入式(2.5)有C =。2/3 ; 薄壁管纯扭时,b 1 =-b = k,b2 = 0,代入式(2.5),有C =
8、 k2,所以Von Mists塑性 条件可表示成:132b =b, =3k(2. 6)对于多数材料,实验结果接近上式。在主应力空间中,Von Mises屈服准则为一圆柱柱面。在兀平面上,Von Mises屈服准 则为一个圆。若用单拉实验确定常数,两种屈服准则此时重合,则Tresca六边形将内接接近于Mises 圆,并有:b = b ,对Misest = b /2,对Tresca(2*若用纯剪实验确定常数,两种屈服准则此时也重合,则Tresca六边形将外接于Mises 圆,并有:b =J3k对Von Mises(2 )t = k 对 T resca在材料力学中,Von Mises屈服条件为第四强
9、度理论。2. 2. 4两种屈服条件的实验验证以上两种屈服条件最主要的差别在于中间主应力是否有影响。以下介绍的两个实验结 果均表明Von Mises条件比Tresca条件更接近于实际。Lode在1925年分别对铁、铜和镍薄壁圆筒进行拉伸与内压力联合作用。用Lode参数 Hb来反映中间主应力的影响,即:O(L 3)一* P(2. 9)bb -b其变化范围为-1 b2 按二四L图2-4屈服条件验证一拉扭试验从图2-3可以看到,在平面应变状态下,即 =。时,两种屈服条件相差最大,为Q%。2. 2. 5硬化材料的屈服条件从单向拉伸曲线可以看到,进入塑性变形以后的应力都可以视作屈服点,称作后继屈 服点,而
10、且其值总是大于初始屈服点b 。对于三维应力空间,初始屈服条件为一曲面。 对于硬化材料,是否也可类推出后继屈服面?该曲面形状如何?大小如何?实验表明,硬 化材料确实存在后继屈服曲面,也称加载曲面。但其形状、大小不容易用实验方法完全确 定,尤其是随着塑性变形的增长,材料变形的各向异性效应愈益显著,问题变得更为复杂。 因此,为了便于应用,不得不对强化条件进行若干简化假设,其中最简单的模型为等向强化模型。该模型要点为:后继屈服曲面或加载曲面在应力空间中作形状相似地扩大,且中 心位置不变。在兀平面上,加载曲面变为曲线,它与初始屈服曲线相似。等向强化模型忽 略了由于塑性变形引起的各向异性。在变形不是很大,
11、应力偏量之间相互比例改变不大时, 结果比较符合实际。因此,Tresca准则的加载曲面是一系列的同心六棱柱面,Von Mises 准则的加载曲面是一系列的同心圆柱面。若初始屈服曲面为f9.,。)= 0,则等向强化的加载曲面应为f9.qt)= 0,其 中b =b(8 p )为流动应力。就是将初始屈服条件中的常数。用变数,来置换即可。当塑性变形很大时,特别是应力有反复变化时,等向强化模型与实验结果不相符合。 这时可采用随动强化模型。2. 3塑性变形的应力应变关系2. 3. 1加载与卸载准则2(中性变载) dCre=O(加载)(卸载)图2-5 n平面上的加载准则从单拉实验可以看到,进入塑性变形以后,
12、加载则有新的塑性变形产生;卸载的b -8关系 为弹性关系,那么复杂应力状态下的加载与卸载 怎样表示?可以从等效应力、加载曲面方面加以 阐述(图2-5)。若b db 0,应力点保持在加载曲面上 e e变动,称作加载。此时有新的塑性变形发生, b -8关系为塑性的。对于理想塑性材料,这一 条不成立;若b db 0,应力点向加载曲面 内侧变动,称作卸载:不会产生新的塑性变形,b-8关系为弹性关系;若b db = 0,应力点在原有屈服曲面上变动,对于强化材料而 言为中性变载,没有新的塑花变形,b-8关系为弹性关系。对于理想塑性材料仍为加载 过程。如果以f (b .) = 0表示屈服曲面,则可以把上述加
13、载与卸载准则因屈服曲面形式来 表示。f(b ) 0/强化材料加载,理想材料不成立(2. 10)df f (%) = 0,df = f db. =0/强化材料变载,理想材料加载6ff(b.) = 0,df =db. 0卸载/当应力点处在f = 0及f = 0二个屈服曲面“交线”处时,应有: lmf = 0, f = 0, max=0,fm= 0,max世刀6f异d苛Jk ijij )强化材料加载,理想材料不成立_ db , - db如 ij dbij Iijij=0,fm= 0,max强化材料变载,理想材料加载db ,dbdbij dbij Iijijt )。然后卸去附加应力(卸载),直到应力状
14、态又回复到b 0,设相应的时刻221ij为t = t。由于弹性变形可逆,所以在上述循环过程中,弹性应变能的变化为零。塑性应 3变只在加载过程(匕 12 0(2. 19)tijijij1上式为Drucker公设的数学表达式,又是最大塑性功耗原理。Drucker又证明了若式(2.19)成立则材料为稳定的。若式(2. 19)成立,则可以证明加载曲面必须是外凸的(包括平的),而且应变增量de p ij 方向与加载曲面的外法线方向相重合,这样有:8f dep = d人了(2. 20)ij8bijd人为一正比例系数,f为屈服函数。比较式(2. 18)与式(2.20)必然得出G寸。一般通 过G=f的可建立任
15、意屈服准则下的塑性本构关系,称为与加载曲面相关连的流动法则。将 Mises屈服条件代入式(2. 18),就可得出Levy-Mises增量理论。2. 4变形抗力曲线与加工硬化在b e关系中含有系数d人,要确定d人,必须知道be关系曲线,即等效应力 应变曲线。变形抗力是指材料在一定温度、速度和变形程度条件下,保持原有状态而抵抗塑性变 形的能力。它是一个与应力状态有关的量。不同的应力状态,有不同的变形抗力,如单拉、 单压下的变形抗力的。T (也称流动应力),平面应变压缩下的变形抗力为Kf纯剪状态下 的剪切变形抗力的k等,其中K = 2k =兰a 。实际变形抗力还与接触条件有关。fv3 T2. 4.
16、1变形抗力曲线与等效应力应变曲线不同的应力状态,会有不同的变形抗力曲线。单拉曲线已在前面叙述过,在此对单压、 平面应变压缩、双向等拉与扭转试验曲线加以介绍。1. 单向压缩单向拉伸试验的塑性应变总是有限,不能满足需要。为此采用单向压缩试验测定抗力 曲线。单压时应尽量减少接触界面上的摩擦。测定单压。-曲线时,试样的直径/高度一般为1。在压缩试样二端面开凹槽以存贮 润滑剂,使试验过程接近均匀压缩。每次压缩量为试样高度的10%。记录载荷和测量高度, 然后加润滑剂再压。若出现明显鼓形,将试样进行车削,消除侧鼓,并使直径/高度仍为1。 这样一直压缩至要求的变形程度为止。利用数据可绘制。-曲线,如图2-8(
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