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变形

2020-04-09 21:00

物体在外来因素作用下产生的形状和尺寸的改变。变形是与物体的物理性质密切相关的表观现象,它与位移同属几何范畴,是变形体力学中研究的主要内容之一。为了描述物体的变形,常假想将物体截割为许多很小的立方体,称为单元体。首先分析单元体的变形,然后综合得出物体的整体变形。

杆件的变形通常分为4种基本形式:①轴向变形,杆件受到轴向力作用而产生的轴线长度的改变。②剪切变形,杆件受到一对大小相等、方向相反、垂直于杆轴线,且相距很近的力的作用,而使力作用处相邻横截面产生的相对滑动。③弯曲变形,杆件受到作用在纵向对称面内的垂直于轴线的外力而使轴线曲率发生的改变。④扭转变形,杆件横截面上作用着外力偶而使相邻两横截面发生的相对转动。在复杂外力作用下,杆件的变形常是这些基本变形的某种组合。在材料力学、结构力学中,通常应用叠加原理将组合变形分成几种基本变形的叠加来处理。

物体受力时产生、卸力后即消失的变形称为弹性变形。物体卸力后不能恢复原来的尺寸和形状,残留的变形称为塑性变形或残留变形。塑性变形的实质是材料在剪应力作用下产生的不可逆的相对滑移。

在规范的静拉伸试验中,能承受明显的塑性变形的材料称为塑性材料,否则称为脆性材料。在这种意义下,钢及其合金、铝、塑铁等为塑性材料;石、混凝土、陶瓷、铸铁等为脆性材料。但材料的塑性与脆性、材料表现为屈服后断裂或脆性断裂并不是固定不变的,而是与它所处的工作条件(如变形速度、温度、受力状态等因素)有关。例如,低碳钢在低温快速拉伸或三向均匀拉伸时呈脆性断裂,而处于三向均匀压缩的大理石却可发生明显的塑性变形。此外,塑性材料在一定水平的交变应力作用下也往往表现为脆性断裂;由于裂纹或类裂纹缺陷的存在,塑性材料也会发生低应力脆性断裂。

弹性变形和塑性变形在工程上有重要应用。例如,仪表中的弹性元件和机器中的减震弹簧都是利用材料的弹性;而金属的压延、拉丝、锻造、冲压和切削则是利用材料的塑性。考虑材料塑性的极限状态设计法,能更充分发挥材料的潜力。

很多工程材料还具有蠕滑变形(蠕变或徐变)的特性,即在一定温度和应力下,变形随时间逐渐增长。在一定变形的条件下,结构中的初始弹性变形,逐渐向塑性变形蜕变,相应的弹性应力随之减小,出现应力松弛现象。例如,高温蒸汽导管接头处连接螺栓中装配应力的降低;预应力混凝土中预应力的减弱等。

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