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弹塑性力学
第七章 塑性力学的基本方程与解法
一、非弹性本构关系的实验基础
拿一根工程上最常用的低碳钢的试件,在拉伸试验机上就可得到如图 7.1 所示的
应力应变曲线。图中A 为比例极限,当变形状态未超过A 点时材料处于线弹性状态;
B 为弹性极限,AB 段的变形虽然还是弹性的,即卸载时能按原来的加载曲线返回,但
应力应变之间不再是线性关系。C,D 分别为上、下屈服极限,超过 C 点后材料进入
塑性变形状态,卸载时不再按原来的加载曲线返回,而且当载荷完全卸除后还有残余
变形。由 C 到D 是突然发生的,由于材料屈服引起应力突然下降,而应变继续增加。
由D 到H 是一接近水平的线段,称为塑性流动段。对同一种材料D 点的测量值比较稳
定,而 C 点受试件截面尺寸、加载速率等影响较大。如果载荷在使材料屈服之后还继
续增加,则进入图中曲线右部的强化段。即虽然材料已经屈服,但只有当应力继续增
加时,应变才能继续增大。在图中 b 点之后,试件产生颈缩现象,最后试件被拉断。
如果在塑性流动段的D ′点,或强化段的H ′点卸载,将能观测到沿着与 OA 平行的直线
返回,当载荷为零是到达O ′点或O ′′点,即产生残余变形。
图7.1 低碳钢单向拉伸应力应变曲线
有些高强度的合金钢并没有象低碳钢那样的屈服段,其单向拉伸的应力应变曲线
如图 7.2 所示。这种情况下屈服极限规定用产生 0.2%塑性应变所对应的应力来表示,
σ
记为 。
0.2
图7.2 高强度合金钢单向拉伸应力应变曲线
⎯ 1 ⎯
第七章 塑性力学的基本方程与解法
如果以超过屈服极限的载荷循环加载,所得试验结果则象图7.3 所示。在实验中还
发现,对于某些材料(图 7.4 ),如果在加载(拉伸)屈服后完全卸载到 O ′′点,然后接
着反向加载(压缩),则其反向屈服点对应的应力绝对值σ 不仅小于σ ,而且小于初′′ ′
s s
始屈服应力的绝对值σ 。这是德国的包辛格(Bauschinger, J. )最早发现的,称为包辛′
格效应。
图7.3 循环加载曲线示意图 图7.4 包辛格效应
当材料进入塑性状态后,如果不是单调加载,则应力和应变之间不仅不是单值函
数的关系,而且当时的应变不仅和当时的应力有关,还和整个加载的历史有关。同
样,当时的应力不仅和当时的应变有关,而且也和整个变形的历史有关。这就增加了
问题的复杂性。材料的特性不能简单的用应力应变关系来描述,而要用比较复杂的本
构关系,即应力和整个变形历史的关系来描述。
此外,在实际工程问题中经常遇到的材料非线性问题往往不是单向应力状态,即
不是一维问题。要对三维问题单靠实验来确定应力张量和应变张量之间的关系几乎是
不可能的。因此,在建立非线性本构关系时,除去不能脱离实验基础之外,还必须有
基本理论的指导。
二、刚塑性与弹塑性本构模型
简化模型
对于低碳钢一类材料,如果承载后产生的变形状态一直达到塑性流动段,为了简
化起见,略去应力应变曲线中的上、下屈服极限等细节,可得到由线弹性段和塑性流
动水平线段组成的简化模型,称为理想弹塑性模型(图7.5a ):
⎧σ Eε 当 ε=≤εs
⎨ (1)
当
σ ε σ ε ε
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