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材料力學(xué)基本假設(shè)的材料學(xué)意義

來源：天氏庫力發(fā)布日期 2019-11-26 瀏覽：

材料力學(xué)研究對象是工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機(jī)器零件在外載荷作用下的變形規(guī)律和破壞失效規(guī)律，指導(dǎo)選材、設(shè)計、加工、組裝、服役和維護(hù)保養(yǎng)等等操作以及失效分析，研究范圍主要是構(gòu)件服役要求，包括：強(qiáng)度要求，即在規(guī)定載荷作用下的構(gòu)件不應(yīng)破壞；剛度要求，即在載荷作用下，構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力；穩(wěn)定性要求，即構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。為了滿足力學(xué)性能要求，相對于力學(xué)計算基礎(chǔ)的理想剛體材料，對構(gòu)件材料提出以下變形固體的材料力學(xué)的基本假設(shè)：

材料力學(xué)基本假設(shè)的材料學(xué)意義

1.材料的變形假設(shè)，即構(gòu)件變形限制于材料的小彈性變形范圍內(nèi)，這樣可以安全地進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計；

2.材料連續(xù)性假設(shè)，即認(rèn)為組成材料的物質(zhì)不留空隙地充滿了材料的體積；

3.材料均勻性假設(shè)，即認(rèn)為材料內(nèi)部物質(zhì)分布均勻具有相同的力學(xué)性能；

4.材料各向同性假設(shè)，即認(rèn)為材料內(nèi)部任和方向的力學(xué)性能都是相同的。

因為金屬材料的物理狀態(tài)和工程實際的服役使用條件與理想的力學(xué)狀態(tài)有偏差，提出這些假設(shè)，可以在一定的邊界范圍內(nèi)近似應(yīng)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)定律對材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行各種力學(xué)分析，滿足構(gòu)件的強(qiáng)度要求。

先看第一條，變形假設(shè)要求構(gòu)件材料承載時變形很小，即限定小彈性變形范圍以保證材料卸載后構(gòu)件恢復(fù)原狀，不能因為變形而卡死機(jī)器或增加摩擦消耗額外功率。這樣可以方便地應(yīng)用虎克定律進(jìn)行名義計算，或進(jìn)一步應(yīng)用有限元方法進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)分析，實現(xiàn)合理的強(qiáng)度設(shè)計。通常機(jī)器中的變形量小到肉眼不能觀察出來，但是相反的一個例子是客機(jī)飛行時機(jī)翼的上下擺動是可以明顯觀察到的，因為有足夠的機(jī)翼擺動空間而不影響其他構(gòu)件的運作同時變形仍舊處于彈性變形范圍內(nèi)，所以還是允許的。

提出反面的實例可能幫助對假設(shè)條件2的理解，一個實例是灰鑄鐵，片狀石墨因為強(qiáng)度接近于〇，實際上可視為空隙從而割裂了材料基體，承受拉伸載荷、彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷或復(fù)合載荷時，構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力分布無法按照構(gòu)件的名義幾何尺寸進(jìn)行強(qiáng)度計算和設(shè)計；鑄件因為存在較多的冶金缺陷如疏松、殘余縮孔等等，在強(qiáng)度設(shè)計時必須要留足允差；重要的構(gòu)件采用鍛軋材料制作，因為經(jīng)過熱壓力塑性變形加工，前述冶金缺陷可以壓實而去除，保證材料連續(xù)性假設(shè)。

在滿足條件2的情況下，常用的合金材料通常為單相的固溶體狀態(tài)和多相復(fù)合狀態(tài)如鋼中基體相鐵素體和強(qiáng)化相滲碳體組成正火狀態(tài)的顯微組織，前者基本是可以認(rèn)為滿足條件3的假設(shè)，但是多相合金意味物質(zhì)分布不均勻、相應(yīng)的體積部分具有不同的力學(xué)性能。一般地，強(qiáng)化相以顆粒狀（球狀）分布的影響偏離條件3的程度最小，片狀分布其次，如果以殼狀或斷續(xù)殼狀包圍基體相的形態(tài)存在時，對力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑韌性的破壞影響最大。通過熱處理操作可以改變強(qiáng)化相的分布形態(tài)，減小偏離條件3要求的均勻化程度。

對于材料各向同性的要求，一般均可以滿足。雖然單個晶粒的力學(xué)性能表現(xiàn)出各向不同性，但是因為常用材料為多晶材料，各個晶粒在空間隨機(jī)分布，構(gòu)件不同方向的力學(xué)性能呈統(tǒng)計均勻，大小相等，材料學(xué)中稱為偽各向同性。如果構(gòu)件是由單晶構(gòu)成的，則設(shè)計時須按照最大承載方向與結(jié)合力最大的晶向一致，以充分發(fā)掘利用材料的性能，譬如先進(jìn)的汽輪機(jī)葉片是由單晶體制成，采用合理的凝固結(jié)晶工藝，葉片長度方向可以保證于葉片最大受力一致，最大限度利用合金材料強(qiáng)度潛力。