《塑性變形失效》課件

塑性變形失效課程簡介1學(xué)習(xí)目標(biāo)深入理解塑性變形過程中的關(guān)鍵概念，包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，屈服條件，加工硬化，以及各種失效模式。2課程內(nèi)容涵蓋塑性變形理論基礎(chǔ)，材料的塑性性能，塑性變形失效形式，以及在工程設(shè)計中的應(yīng)用。3教學(xué)方法結(jié)合課堂講解，案例分析，數(shù)值模擬，以及實驗演示，幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識和技能。什么是塑性變形定義塑性變形是指材料在力的作用下發(fā)生永久性形狀變化，且不會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。特點塑性變形后，材料的形狀和尺寸發(fā)生了不可逆的變化，即使去除外力，材料也不會恢復(fù)到原來的形狀。塑性變形的特點可逆性在應(yīng)力去除后，材料可以恢復(fù)到原始形狀。永久性材料在應(yīng)力去除后，會留下永久的變形。應(yīng)變硬化隨著塑性變形的增加，材料的強(qiáng)度會增加。應(yīng)力集中應(yīng)力集中在材料的局部區(qū)域，可能導(dǎo)致失效。塑性變形機(jī)理1晶體滑移晶體內(nèi)部原子沿特定晶面和晶向發(fā)生相對滑動2孿晶晶體內(nèi)部原子沿特定晶面發(fā)生重新排列，形成孿晶3晶界滑動晶界之間發(fā)生相對滑動，造成塑性變形影響塑性變形的主要因素材料性質(zhì)材料的強(qiáng)度、硬度、塑性等性質(zhì)會直接影響塑性變形過程。變形溫度溫度升高會降低材料的屈服強(qiáng)度，提高其塑性，但過高的溫度會造成材料的氧化。變形速度變形速度越快，材料的屈服強(qiáng)度越高，塑性越低。高速變形還會造成材料的熱效應(yīng)。材料屈服條件材料屈服強(qiáng)度是材料開始發(fā)生永久變形的應(yīng)力值。屈服條件是指材料在承受應(yīng)力時發(fā)生塑性變形的條件，通常用屈服強(qiáng)度表示。塑性變形失效是指材料在承受應(yīng)力后發(fā)生永久變形，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的一種現(xiàn)象。塑性變形時的應(yīng)力分布1集中應(yīng)力集中在材料的特定區(qū)域。2梯度應(yīng)力在材料內(nèi)部呈現(xiàn)非均勻分布。3影響應(yīng)力分布對材料的變形和失效模式有重大影響。塑性屈服各向同性條件各向同性材料在不同方向上具有相同的力學(xué)性能，這意味著材料在不同方向上的屈服強(qiáng)度相同。塑性屈服材料在受到外力作用后，發(fā)生永久變形而不恢復(fù)原狀，稱為塑性屈服。塑性變形過程分析1加載階段材料開始受到外力作用，發(fā)生彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。2屈服階段應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，材料開始發(fā)生塑性變形，應(yīng)力不再隨應(yīng)變線性增加。3強(qiáng)化階段隨著塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，材料的強(qiáng)度逐漸提高，需要更大的應(yīng)力才能使變形繼續(xù)進(jìn)行。4頸縮階段當(dāng)材料的強(qiáng)化能力下降到一定程度后，變形將集中在局部區(qū)域，形成頸縮現(xiàn)象。5斷裂階段頸縮區(qū)域的應(yīng)力不斷增加，最終導(dǎo)致材料斷裂，標(biāo)志著塑性變形過程的結(jié)束。理想塑性體的本構(gòu)模型1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系理想塑性體在屈服應(yīng)力后，應(yīng)力保持不變，而應(yīng)變繼續(xù)增加。2不可逆變形當(dāng)應(yīng)力解除后，理想塑性體不會恢復(fù)到原始形狀，變形是不可逆的。3塑性流動理想塑性體在屈服應(yīng)力下可以無限地發(fā)生塑性變形，類似于流體的流動行為。加工硬化對塑性變形的影響強(qiáng)度提升加工硬化使材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，提高材料的承載能力。塑性降低加工硬化會降低材料的塑性，使材料更容易發(fā)生斷裂。尺寸變化加工硬化會引起材料的尺寸變化，需要考慮加工后的尺寸誤差。等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變等效應(yīng)力等效塑性應(yīng)變反映材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的整體強(qiáng)度反映材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的整體變形程度用于判斷材料是否發(fā)生塑性變形用于預(yù)測材料的塑性變形量與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)與材料的塑性指標(biāo)有關(guān)適用于塑性分析的數(shù)學(xué)模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系塑性分析需要描述材料在屈服后的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。塑性流動法則定義塑性變形的方向和大小，描述塑性變形如何隨著應(yīng)力狀態(tài)變化而變化。硬化規(guī)律描述材料在塑性變形過程中屈服極限升高的規(guī)律，反映材料的加工硬化現(xiàn)象。應(yīng)用實例分析一：梁的彎曲1塑性彎曲梁的彎曲變形超過彈性極限，進(jìn)入塑性階段2塑性鉸梁的彎曲變形達(dá)到一定程度，在最大彎矩處產(chǎn)生塑性鉸3極限荷載梁的彎曲變形繼續(xù)發(fā)展，最終達(dá)到極限荷載應(yīng)用實例分析二：平板的拉伸拉伸方向假設(shè)平板在拉伸方向上受到均勻的拉伸力。應(yīng)力分布拉伸力會產(chǎn)生均勻的應(yīng)力分布在平板的橫截面上。塑性變形平板在拉伸力的作用下會發(fā)生塑性變形，厚度會減小，長度會增加。應(yīng)用實例分析三：筒體的內(nèi)壓1壓力容器筒體承受內(nèi)部壓力，例如壓力容器，需要進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析。2計算應(yīng)力利用塑性理論計算筒體壁上的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力。3失效分析評估筒體在內(nèi)壓作用下是否會發(fā)生塑性變形或失效。應(yīng)用實例分析四：球殼的內(nèi)壓1球殼結(jié)構(gòu)球殼在工程中廣泛應(yīng)用，例如壓力容器、儲罐等。2內(nèi)壓載荷球殼承受內(nèi)部氣體或液體壓力，會產(chǎn)生應(yīng)力集中。3塑性變形分析通過塑性理論計算球殼在內(nèi)壓下的變形和失效情況。應(yīng)用實例分析五：軸對稱問題問題描述軸對稱問題是塑性變形分析中常見的一類問題，例如圓柱體受拉伸、彎曲或扭轉(zhuǎn)。解題思路由于幾何形狀和邊界條件的對稱性，可以使用有限元方法進(jìn)行分析，簡化計算過程。應(yīng)用場景軸對稱問題在機(jī)械制造、航空航天、土木工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。塑性變形失效形式斷裂材料在拉伸或彎曲等載荷作用下，超過其強(qiáng)度極限而發(fā)生斷裂。屈服材料在載荷作用下發(fā)生永久變形，即使載荷消失后，也不會恢復(fù)到原來的形狀。失穩(wěn)結(jié)構(gòu)在載荷作用下失去穩(wěn)定性，發(fā)生突然的變形或倒塌。塑性變形失效的判斷準(zhǔn)則應(yīng)力-應(yīng)變曲線:塑性變形過程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會呈現(xiàn)出明顯的特征，例如屈服強(qiáng)度、延伸率和斷裂強(qiáng)度等材料的微觀結(jié)構(gòu):塑性變形會導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，例如晶粒尺寸、晶界特征和位錯密度等表面形貌:塑性變形會留下明顯的表面形貌，例如縮頸、裂紋、凹陷等材料脆性失效的特點1斷裂前無明顯塑性變形脆性材料在斷裂前幾乎沒有明顯的塑性變形，斷裂面通常是平整的。2斷裂強(qiáng)度低脆性材料的斷裂強(qiáng)度通常較低，這意味著它們在承受較小的拉伸應(yīng)力時就可能斷裂。3對沖擊載荷敏感脆性材料對沖擊載荷非常敏感，即使是輕微的沖擊也可能導(dǎo)致斷裂。材料韌性失效的特點斷裂前有明顯塑性變形韌性材料在斷裂前會經(jīng)歷明顯的塑性變形，如頸縮或彎曲，這使得斷裂過程比較緩慢，并伴隨明顯的預(yù)兆，如裂紋擴(kuò)展等。斷裂面粗糙不平韌性斷裂的斷裂面通常呈現(xiàn)出纖維狀或韌窩狀，這是由于材料在斷裂過程中發(fā)生大量的塑性變形所致。斷裂過程需要較大能量韌性材料斷裂需要吸收大量的能量，這使得它們對沖擊載荷具有較高的抵抗能力。疲勞失效的特點循環(huán)載荷疲勞失效通常發(fā)生在材料承受重復(fù)或循環(huán)載荷時。裂紋萌生在循環(huán)載荷的作用下，材料內(nèi)部會產(chǎn)生微小的裂紋，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展。最終斷裂當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，材料會突然斷裂，即使施加的載荷遠(yuǎn)低于材料的靜態(tài)強(qiáng)度。應(yīng)力集中對塑性變形失效的影響應(yīng)力集中應(yīng)力集中是指在結(jié)構(gòu)中由于形狀突變或缺陷導(dǎo)致局部應(yīng)力明顯增大的現(xiàn)象。塑性變形加速應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力水平高于其他區(qū)域，加速了材料的塑性變形，更容易發(fā)生失效。失效風(fēng)險應(yīng)力集中會導(dǎo)致塑性變形失效的風(fēng)險增加，如裂紋擴(kuò)展、斷裂等。結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮塑性變形1安全裕度在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)考慮塑性變形作為安全裕度，以確保結(jié)構(gòu)在極限荷載下能夠承受更大的負(fù)荷。2失效機(jī)制了解塑性變形失效的機(jī)制，可以幫助設(shè)計人員選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式。3優(yōu)化設(shè)計利用塑性變形理論，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和經(jīng)濟(jì)性。數(shù)值模擬在塑性變形中的應(yīng)用有限元分析FEM用于模擬塑性變形過程，提供應(yīng)力、應(yīng)變和位移信息。材料模型準(zhǔn)確