第一篇：金屬力學(xué)讀書報告

金屬力學(xué)讀書報告

任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用。如起重機上的鋼索，受到懸吊物拉力的作用；柴油機上的連桿，在傳遞動力時，不僅受到拉力的作用，而且還受到?jīng)_擊力的作用；軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機械荷而不超過許可變形或不破壞的能力。這種能力就是材料的力學(xué)性能。金屬表現(xiàn)來的諸如彈性、強度、硬度、塑性和韌性等特征就是用來衡量金屬材料材料在外力作用下表現(xiàn)出力學(xué)性能的指標。

強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號為σ，單位為MPa。工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力，或開始出現(xiàn)塑性變形時的最低應(yīng)力值，用σs表示?？估瓘姸仁侵附饘俨牧显诶Φ淖饔孟?，被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，用σb表示。

對于大多數(shù)機械零件，工作時不允許產(chǎn)生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設(shè)計的依據(jù)；對于因斷裂而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設(shè)計的依據(jù)。

塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。工程中常用的塑性指標有伸長率和斷面收縮率。伸長率指試樣拉斷后的伸長量與原來長度之比的百分率，用符號δ表示。斷面收縮率指試樣拉斷后，斷面縮小的面積與原來截面積之比，用y表示。伸長率和斷面收縮率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進行壓力加工的必要條件，也是保證機械零件工作安全，不發(fā)生突然脆斷的必要條件。

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度是材料的重要力學(xué)性能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。

金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性，用ak表示，單位為J/cm2。沖擊韌性常用一次擺錘沖擊彎曲試驗測定，即把被測材料做成標準沖擊試樣，用擺錘一次沖斷，測出沖斷試樣所消耗的沖擊AK，然后用試樣缺口處單位截面積F上所消耗的沖擊功ak表示沖擊韌性。ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時受到很大的沖擊載荷，因此要用ak值高的材料制造。鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近于零，不能用來制造承受沖擊載荷。

第一章 合金強化

從根本上講，金屬強度來源于原子間結(jié)合力。如果一個理想晶體，在切應(yīng)力作用下沿一定晶面和晶向發(fā)生滑移形變，根據(jù)計算，此時金屬的理論切變強度一般是其切變模量的1/10～1/30。而金屬的實際強度只是這個理論強度的幾十分之一，甚至幾千分之一。造成這樣大差異的原因曾是人們長期關(guān)注的課題。直到1934年，奧羅萬(E.Orowan)、波拉尼M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分別提出晶體位錯的概念；位錯理論的發(fā)展揭示了晶體實際切變強度（和屈服強度）低于理論切變強度的本質(zhì)。在有位錯存在的情況下，切變滑移是通過位錯的運動來實現(xiàn)的，所涉及的是位錯線附近的幾列原子。而對于無位錯的近完整晶體，切變時滑移面上的所有原子將同時滑移，這時需克服的滑移面上下原子之間的鍵合力無疑要大得多。金屬的理論強度與實際強度之間的巨大差別，為金屬的強化提供了可能性和必要性（見形變和斷裂）?？梢哉J為實測的純金屬單晶體在退火狀態(tài)下的臨界分切應(yīng)力表示了金屬的基礎(chǔ)強度，是材料強度的下限值；而估算的金屬的理論強度是經(jīng)過強化之后所能期望達到的強度的上限。

強化金屬的方法有很多，例如冷加工、淬火以及機械熱處理等；但最有效而又穩(wěn)定的方法就是合金化。因為它除了強化金屬以外，往往對其他性能也會有所改進，如提高淬透性、增強抗氧化能力等。一般合金化后，由于改變了組織從而強度有所提高的強化稱為間接強化。合金化后直接提高了基體金屬強度的稱為直接強化。主要有直接強化中的固溶強化和間接強化中的彌散強化。1.1 固溶強化

融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。

其影響因素影響因素主要有以下幾點：

（1）溶質(zhì)原子的原子分數(shù)越高，強化作用也越大，特別是當原子分數(shù)很低時，強化作用更為顯著。

（2）溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸相差越大，強化作用也越大。（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子具有較大的固溶強化效果，且由于間隙原子在體心立方晶體中的點陣畸變屬非對稱性的，故其強化作用大于面心立方晶體的；但間隙原子的固溶度很有限，故實際強化效果也有限。

（4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)目相差越大，固溶強化效果越明顯，即固溶體的屈服強度隨著價電子濃度的增加而提高。

固溶強化的程度主要取決于以下因素：

（1）原始原子和添加原子之間的尺寸差別。尺寸差別越大，原始晶體結(jié)構(gòu)受到的干擾就越大，位錯滑移就越困難。

（2）合金元素的量。加入的合金元素越多，強化效果越大。如果加入過多太大或太小的原子，就會超過溶解度。這就涉及到另一種強化機制，分散相強化。

（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換型原子具有更大的固溶強化效果。

（4）溶質(zhì)原子與基體金屬的價電子數(shù)相差越大，固溶強化作用越顯著。固溶強化后的金屬其屈服強度、拉伸強度和硬度都要強于純金屬。絕大部分情況下，其延展性低于純金屬。導(dǎo)電性比純金屬低很多?？谷渥儯蛘咴诟邷叵碌膹姸葥p失，通過固溶強化可以得到改善。

固溶強化按溶質(zhì)原子在基體中的分布情況可分為均勻強化和非均勻強化。均勻強化是指溶質(zhì)原子混亂分布于基體中時的強化作用。非均勻強化指溶質(zhì)原子優(yōu)先分布于晶體缺陷附近、或作有序排列時的強化。1.1.1 均勻強化

如圖所示，溶質(zhì)原子混亂的分布于基體中，因為位錯線具有一定的彈性，故對同一種分布狀態(tài)，由于不同溶質(zhì)原子與位錯線的相互作用不一樣，位錯線的運動就有（a）（b）兩種，（a）為相互作用強時，位錯線便感到溶質(zhì)原子密集，（b）為相互作用弱時，位錯線便感到溶質(zhì)原子較疏。

從表面上看，因為間隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對稱性差，故應(yīng)屬于（a），置換式的固溶后引起的晶格畸變小，對稱性高，故應(yīng)屬于（b）。但事實上，間隙式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先于缺陷先結(jié)合，所以已不屬于均勻強化的范疇。下面我們還會看到，在均勻強化中，所謂位錯與溶質(zhì)原子相互作用強弱的說法是有局限性的。此外，上述均勻強化的機制顯然也不適用于當溶質(zhì)原子分布的十分密集，以至使位錯線的彈性不能發(fā)揮的地步。這時，由于位錯線附近溶質(zhì)原子對它的作用有正有負，故平均后，其強化作用就為零了。

目前關(guān)于均勻強化有三種理論：Mott-Nabarro理論、Fleischer理論、Feltham理論。

由Mott-Nabarro理論可得

?0?G?b2c5/8(lnc)2

式中，?0——外加切應(yīng)力；

c——溶質(zhì)原子濃度；

?b——固溶原子與基體原子大小差引起的錯配度。

上式在一般濃度范圍內(nèi)c2/3(㏑c)2可近似為1，故?0?G?bc。此即臨界切應(yīng)力與溶質(zhì)原子濃度成正比的關(guān)系。此外，直接用基體同溶質(zhì)的Goldschmidt原子直徑差△D的對數(shù)與

2d τc/dc的對數(shù)作圖，（以銅合金為例），所得結(jié)果如左圖所示?？磥沓齆i以外各合金元素，基本上靠近一斜率為2的直線附近。

Fleischer理論有兩個主要的特點，一為溶質(zhì)原子與基體原子的相互作用中，除了考慮由于大小不同所引起的畸變外，還考慮了由于“軟”“硬”不同，即彈性模量不同而產(chǎn)生的影響；另一為置換原子與位錯的靜水張壓力的相互作用中，除了考慮純?nèi)行偷囊酝猓€考慮了純螺型的。

顯然，此圖要比前面的圖要好得多，兩者之間成很好的直線關(guān)系，其斜率也正好等于3/

2、這說明既考慮溶質(zhì)原子的大小，又考慮其“軟”“硬”的Fleischer理論是比只考慮溶質(zhì)原子大小的Mott-Nabarro理論更符合實驗事實。除此之外，F(xiàn)leischer理論還強調(diào)了合金強化中螺型位錯的特殊作用。

Feltham理論既給出τ

0與濃度

c的關(guān)系，又給出與形變溫度T的關(guān)系。不但如此，由于激活體積是θ的函數(shù)，而θ同時又依賴于合金元素濃度和溫度。正好Basinski等人最近在20多種不同濃度二元固溶合金中，發(fā)現(xiàn)在同一溫度下，它們的激活體積與屈服應(yīng)力都落在同一曲線上。1.1.2 非均勻強化

首先由于合金元素與位錯的強烈相互作用，使得在晶體生長過程中位錯的密度大大提高，造成與純金屬截然不同的基本結(jié)構(gòu)。這往往成為某些合金非強化的部分原因。譬如，銅中加入少量的鎳，銀中加入少量的金等。

此外，就目前所知非均勻強化的類型大致可分為濃度梯度強化，Cottrell氣團強化，Snoek氣團強化，靜電相互作用強化，化學(xué)相互作用強化和有序強化等幾種。

1.1.3 多重因素強化 多重因素強化是指合金中幾種強化機制同時起作用的情況。以Au-Ag單晶為例，計算結(jié)果表明，當T=600K時，發(fā)現(xiàn)所得化學(xué)相互作用強化和短程有序強化對合金強化的貢獻與實驗結(jié)果符合的很好。表明Au-Ag合金單晶的強化機制為在均勻強化的基礎(chǔ)上疊加了化學(xué)相互作用強化和短程有序強化。并且看到在低濃度時，前者起主要作用，在高濃度時，后者起主要作用。類似的多重因素強化作用在Cu-Au固溶體中也存在。1.1.4 固溶合金臨界切應(yīng)力與溫度的關(guān)系

我們得到固溶合金的臨界切應(yīng)力與溫度存在著如圖所示的關(guān)系，可以看出，在A區(qū)低溫部分有著明顯的應(yīng)力下降，并且此下降梯度對間隙式固溶體更為突出；B區(qū)中溫部分出現(xiàn)一“平臺”；C區(qū)高溫部分應(yīng)力又出現(xiàn)第二次下降。

關(guān)于此三區(qū)對應(yīng)的機制，一般認為，低溫區(qū)主要是Cottrell氣團的貢獻，在中溫區(qū)主要是短程有序和Suzuki氣團的強化作用，當溫度接近高溫區(qū)時，由于被破壞的溶質(zhì)原子的平衡分布得以立即恢復(fù)，切應(yīng)力有所降低，或者甚至變得比初始狀態(tài)更為穩(wěn)定，這時為進一步形變，切應(yīng)力應(yīng)有某些提高，從而上述平衡狀態(tài)被重新破壞，如此反復(fù)就得到跳躍式流變。1.2 彌散強化

彌散強化在實際強化金屬時是被廣為應(yīng)用的一種方法，它的特點在于不但效率高，而且熱穩(wěn)定性較好。獲得這種強化的方法有很多，譬如相分解、時效、內(nèi)氧化和粉末冶金等。

為了獲得更普遍的意義，我們將彌散強化基本上分為兩類，一為彌散相產(chǎn)生形變的，簡稱為第一類；另一類為彌散相不行變的，簡稱為第二類。一般共格的彌散相屬于前者；部分共格和非共格的彌散相屬于后者。但彌散相究竟形變與否顯然和它的大小、形狀以及試樣的形變條件等都有關(guān)。1.2.1 彌散強化的機理

彌散強化機構(gòu)的代表理論是位錯理論。在彌散強化材料中，彌散相是位錯線運動的障礙，位錯線需要較大的應(yīng)力才能克服障礙向前移動，所以彌散強化材料的強度高。位錯理論有多種模型用以討論屈服強度、硬化和蠕變。1.2.1.1屈服強度問題（1）奧羅萬機構(gòu)

按照這個機構(gòu)，位錯線不能直接超過第二相粒子，但在外力下位錯線可以環(huán)繞第二相粒子發(fā)生彎曲，最后在第二相粒子周圍留下一個位錯環(huán)而讓位錯通過。位錯線的彎曲將會增加位錯影響區(qū)的晶格畸變能，這就增加了位錯線運動的阻力，使滑移抗力增大。（2）安塞爾—勒尼爾機構(gòu)

安塞爾等人對彌散強化合金的屈服提出了另一個位錯模型。他們把由于位錯塞積引起的彌散第二相粒子斷裂作為屈服的判據(jù)。當粒子上的切應(yīng)力等于彌散粒子的斷裂應(yīng)力時，彌散強化合金便屈服。

G?b?G? 屈服應(yīng)力?2?C式中 G?—第二相粒子的切變模量；

C—比例常數(shù)，可以通過理論計算，通常約為30； ?—彌散粒子間距；

G—基體金屬的切變模量；

b—柏矢矢量。從該方程式可以得出：

（1）屈服應(yīng)力與基體和彌散相的切變模量的平方根的積成正比，也就是說與基體和彌散相的本性有關(guān)；

（2）屈服應(yīng)力與粒子間距的平方根成反比。

（3）柏氏矢量是位錯的重要因素，屈服強度的大小直接與位錯有關(guān)。1.2.1.2 蠕變問題

金屬在恒定應(yīng)力下，除瞬時形變外還要發(fā)生緩慢而持續(xù)的形變，稱為蠕變。對于蠕變，彌散粒子的強化有兩種情況。

（1）彌散相是位錯的障礙，位錯必須通過攀移始能越過障礙

顯然，位錯掃過一定面積所需的時間比純金屬要長，因而蠕變速率降低。設(shè)粒子直徑為d，粒子間距為?，因每次攀移時間正比于d，攀移次數(shù)反比于?，因而蠕變速率與?d成正比。若第二相總量不變，粒子長大總伴隨著粒子間距的增大，d和?是按近比例增長的，因此，在過時效以前，蠕變速率不受粒子長大的影響。

（2）第二相粒子沉淀在位錯上阻礙位錯的滑移和攀移

這種具有彌散相的合金的抗蠕受能力與抗回復(fù)能力有對應(yīng)關(guān)系。普悅斯頓(O．Preston)等人研究內(nèi)氧化法彌散強化銅時，形變燒結(jié)銅合金的回復(fù)溫度幾乎接近熔點，而形變純銅的軟化在低于T熔點的溫度即已完成。麥克林(D．McLean)認為滑移可以在幾個面和幾個方向上進行。實線代表滑到紙面上的位錯，虛線代表運動出紙面的位錯，在粒子之間兩組可以相交而形成結(jié)點。點線表示在第三種平面上的位錯又可與這兩組位錯形成結(jié)點，結(jié)果彌散粒子被這些位錯亂網(wǎng)所聯(lián)結(jié)。由于亂網(wǎng)中位錯密度很高，造成強烈的應(yīng)變硬化；同時，粒子又阻礙這些位錯的滑移與攀移，因而得以保持這種硬化狀態(tài)而不產(chǎn)生回復(fù)。這一過程是提高耐熱強度的關(guān)鍵，因為一般加工硬化狀態(tài)是容易獲得的，但要保持到高溫不回復(fù)則是不容易的。1.2.2 彌散強化材料的性能

彌散相除A12O 3外，發(fā)展了以下化合物：

氧化物：A12O3、ThO2、MgO、SiO2、BeO、CdO、Cr2O3、TiO2、ZrO2以及Y2O3和瀾系稀土氧化物；

金屬間化合物：Ni3A1、Fe 3AI等；

碳化物、硼化物、硅化物、氮化物：WC、Mo2C、TiC、TaC、Cr3C2、B4C、SiC、TiB2、Ni2B、MoSi2、Mg2Si、TiN、BN等。

在應(yīng)用上取得一定效果的有TD-Ni及彌散強化無氧銅。

彌散強化材料固有的低延性，需要予以重視和研究改進，但彌散強化材料在性能上的優(yōu)越性還是主要的。

其主要性能有：（1）再結(jié)晶溫度高，組織穩(wěn)定。（2）屈服強度和抗拉強度高。（3）隨溫度提高硬度下降得少。（4）高溫蠕變性能好。（5）高的傳導(dǎo)性。（6）疲勞強度高。

第二章 屈服現(xiàn)象

人們習慣用屈服應(yīng)力來表征金屬強度的一個參量，并認為它代表范性形變所需的起始應(yīng)力。事實上，我們知道金屬從彈性形變過渡到范性形變時，中間經(jīng)過了比較復(fù)雜的過程。如圖繪出了常見拉伸曲線中的典型屈服現(xiàn)象。其中（a）稱為連續(xù)過渡，不出現(xiàn)突然屈服的現(xiàn)象；（b）和（c）是出現(xiàn)突然屈服的現(xiàn)象，而前者為非均勻屈服，后者則為均勻屈服。

以前人們所謂的屈服應(yīng)力是對連續(xù)過渡而言，一般指的是上圖（a）中的σy或其他認為的標準，對有突然屈服的現(xiàn)象而言（如上圖中的（b）和（c）中標出），σU為上屈服應(yīng)力，σL為下屈服應(yīng)力。在非均勻屈服情況下，拉伸曲線中的平直部分，我們稱之為Luders應(yīng)變或屈服平臺。

屈服問題的本身，除了由于它對金屬由彈性形變過渡到范性形變這一質(zhì)變的純理論性質(zhì)以外，在實際強度問題中，與其他現(xiàn)象的聯(lián)系也是十分密切的。大量事實證明起始范性形變甚至與試樣最后斷裂間都存在著緊密的聯(lián)系。2.1 非均勻屈服

這一現(xiàn)象最早是在ɑ-鐵多晶中發(fā)現(xiàn)的，并且Low和Gensamer證明，經(jīng)濕氫脫碳、氮的試樣，室溫拉伸時沒有屈服現(xiàn)象，滲碳和滲氮之后才有此現(xiàn)象。

目前對于非均勻強化，比較全面的解釋是Cottrell提出的理論。當外應(yīng)力未達到σv之前，已有一些被釘扎的F-R源由于局部應(yīng)力集中的關(guān)系而被激活，從而產(chǎn)生一定數(shù)量的位錯，但由于晶界的阻礙作用而使這些位錯不能跑出晶粒以外，故都沿它們自己的滑移面塞積在晶界前。這樣，在相鄰下一晶粒內(nèi)距上述位錯塞積群的頭部逐產(chǎn)生一較大的應(yīng)力。2.2 均勻屈服

均勻屈服在ɑ-Fe單晶中是常見的，即使經(jīng)脫碳、氮，只要形變溫度夠低也能出現(xiàn)。在多晶中，經(jīng)脫碳、氮后，試樣的屈服也能由非均勻的變成均勻的。

均勻屈服的現(xiàn)象雖早已發(fā)現(xiàn)，但其物理實質(zhì)還是Gilman和Johnston在Lif的研究中闡明的，他們認為均勻屈服與位錯隨形變的快速增值與位錯滑移速度-應(yīng)力的關(guān)系這兩個因素有關(guān)。試樣中起始的可動位錯越小，m值越小，則屈服應(yīng)力下降越明顯。并且這種屈服機制不涉及需要某種外來原因造成的位錯扎釘或塞積，而僅同材料本身的位錯動力學(xué)特點有關(guān)，所以非均勻屈服又稱靜態(tài)屈服，而均勻屈服就稱動態(tài)屈服。2.3 遲屈服現(xiàn)象

所謂遲屈服現(xiàn)象，就是指快速加載超過靜態(tài)上屈服應(yīng)力時，試樣并不立即屈服而要延遲一段時間，此段時間便稱為屈服時間，此現(xiàn)象便稱為屈服現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在很多體心立方金屬中都發(fā)現(xiàn)。

盡管很多人提出了很多假設(shè)、公式和模型，但是遲屈服現(xiàn)象的微觀機制到現(xiàn)在還不是很清楚。2.4 Hall-Petch公式

???0?kd?n

式中，?——晶格摩擦力；

d——晶粒直徑；

k——常數(shù)。

根據(jù)大量實驗事實指數(shù)n以選取1/2為最合適，對于亞晶粒n取1。此Hall-Petch公式不僅適用于上、下屈服應(yīng)力，同時也適用于整個流變范圍以至斷裂。此時常數(shù)σi 和k有所不同。

Hall-Petch公式雖是一相當可靠的經(jīng)驗公式，但是要想利用它得出屈服、流變或斷裂的微觀結(jié)論時，則需要特別謹慎。2.4.1 ?i和k與各因素的關(guān)系

晶格摩擦力σ

固溶iL應(yīng)包括與溫度有關(guān)的一項σiL(T)和與結(jié)構(gòu)(指位錯狀態(tài)、元素和沉淀相等)有關(guān)的一項σiL(st)，因為任一條直線外推到碳、氮含量為零時的值就是σiL(T)。σiL的其余部分即為σiL(st)。

iU和σiL基本上相σi與形變度的關(guān)系比較明確，除對應(yīng)上、下屈服應(yīng)力的σ同外, σi在所有實驗中都隨硬化而增加。但κ與形變度的關(guān)系的看法就比較分歧。一般說來，同樣的碳、氮總含量，不同熱處理或不同碳、氮總含量的試樣，其所得的σi是不一樣的，因為它們直接影響σi(st)。2.4.2 各種因素對屈服應(yīng)力的影響

上屈服應(yīng)力對應(yīng)力集中非常敏感，因此，要想得到真正的上屈服應(yīng)力必須最大限度的消除應(yīng)力集中。下屈服應(yīng)力對其也有影響，只不過沒有上屈服應(yīng)力那么嚴重。

一般形變溫度對α-鐵屈服應(yīng)力的影響可分為三個區(qū)域即低溫(室溫以下)，中溫(室溫到200℃)和高溫(200 ℃以上)Winlock在不同含碳量（0.06%-1.03％)的碳鋼室溫拉伸結(jié)果指出，隨形變速度的增加σU和σL都增加，并與碳含量無關(guān)，不過σU增加稍快些。

有很多工作一再證明，晶粒直徑越小，Δσ就越大。2.5 屈服機制

Cottrell對非均勻屈服機制作如下解釋：首先他強調(diào)位錯被釘扎有強弱兩種之分，并且試樣中局部的應(yīng)力集中還是比較大的，譬如存在微觀第二相以及滑移帶的尖端等。當位錯被釘扎得很牢時，也就是所謂的強釘扎時，可能在起錨前離應(yīng)力集中更近的完整晶體處先產(chǎn)生了位錯，于是所謂的Petch斜率κ就與形變溫度無關(guān)；當位錯被釘扎得不是很牢，也就是所謂的弱釘扎時，那么在同樣的應(yīng)力集中之下，可能被釘扎的位錯先于在完整部分產(chǎn)生位錯而起錨，這樣κ值就與形變溫度有關(guān)了。

Petch從晶格摩擦力σi進行闡述，得到上屈服應(yīng)力的公式：

?U??iU???ilog101?kd?1/2 3Nd式中，N——上屈服時單位體積中形變晶粒數(shù)；

d——晶粒直徑；

?iU——晶格摩擦力；

??i——形變速度增加10倍時?i的增量。

對于非均勻屈服而言，原則上只要能使位錯開始運動難于保持其運動就行，也就是承認非均勻屈服現(xiàn)象同金屬中存在某種對起始滑移的障礙相聯(lián)系。就均勻屈服而言，也只要可動位錯密度和位錯速度—應(yīng)力指數(shù)足夠小即可。但事實上，上述條件能否滿足卻因結(jié)構(gòu)的不同而會有所不同。

屈服過程中的晶格摩擦力有派-納力即晶格摩擦力中與溫度有關(guān)的部分，螺旋位錯上的割階即晶格摩擦力來自螺型位錯上的割階，固溶原子氣團，微觀第二相，交滑移。

第三章 疲勞現(xiàn)象

在生產(chǎn)實踐中，人們很早就發(fā)現(xiàn)，雖然加在機械部件上的應(yīng)力遠小于其斷裂強度(甚至比屈服強度還低)時，但經(jīng)多次循環(huán)后，此機械部件常常也會驟然斷裂。這種金屬在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象就稱為疲勞。

疲勞按應(yīng)力狀態(tài)可分為彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞及復(fù)合疲勞。按環(huán)境和接觸情況可分為大氣疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞、接觸疲勞。按斷裂壽命和應(yīng)力高低可分為高周疲勞（低應(yīng)力疲勞，105次以上循環(huán)）、低周疲勞（高應(yīng)力疲勞，102~105次循環(huán)之間）。3.1 金屬疲勞斷裂過程

盡管疲勞失效的最終結(jié)果是部件的突然斷裂，但實際上它們是一個逐漸失效的過程，從開始出現(xiàn)裂紋到最后破壞斷裂需要經(jīng)過很長的時間。因此，疲勞斷裂的宏觀斷口一般由三個區(qū)域組成，即疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)（裂紋源）、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。

金屬疲勞裂紋大多產(chǎn)生于零件或構(gòu)件表面的薄弱區(qū)。由于材料質(zhì)量、加工缺陷或結(jié)構(gòu)設(shè)計不當?shù)仍颍诹慵蛟嚰木植繀^(qū)域造成應(yīng)力集中，這些區(qū)域偏是疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地。

疲勞裂紋產(chǎn)生后在交變應(yīng)力作用下，繼續(xù)擴展長大，每一次的應(yīng)力循環(huán)都會使裂紋擴大，在疲勞裂紋擴展區(qū)留下一條條的向心弧線，叫做前沿線或疲勞線，這些弧線形成像“貝殼”一樣的花紋，所以又叫做貝殼線或海灘線。

在最后斷裂區(qū)，由于疲勞裂紋不斷擴展，零件或試樣的有效斷面積逐漸減小，因此應(yīng)力不斷增加，當應(yīng)力超過材料的斷裂強度時，則發(fā)生斷裂，形成最后斷裂區(qū)。3.2 疲勞極限

當應(yīng)力低于某值時，材料經(jīng)受無限次循環(huán)應(yīng)力也不發(fā)生疲勞斷裂，此應(yīng)力值即為材料的疲勞極限。

對金屬疲勞壽命的估算可以有三種方法：應(yīng)力-壽命法，即S-N法；應(yīng)變-壽命法，即??N法；斷裂力學(xué)方法。

S-N法主要要求零件有無限壽命或壽命很長，因而應(yīng)用在零件受較低應(yīng)力幅的情況下，零件的破斷周次很高，一般大于105周次，亦即所謂高周疲勞。一般的機械零件如傳動軸、汽車彈簧和齒輪都是屬于此種類型。對于這類零件是以S-N曲線獲得的疲勞極限為基準，在考慮零件的尺寸影響，表面質(zhì)量的影響等，加一安全系數(shù)，便可確定許用應(yīng)力。

實驗證明，金屬材料所受循環(huán)應(yīng)力的最大值?max越大，則疲勞斷裂前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)周次越低，反之越高。根據(jù)循環(huán)應(yīng)力?max和應(yīng)力循環(huán)周次N建立S-N曲線。

3.3 疲勞硬化三階段

Haigh最早根據(jù)疲勞過程中的發(fā)熱現(xiàn)象，將整個疲勞過程分成三個階段。一般來說當外加應(yīng)力小于試樣的疲勞極限時，開始發(fā)熱速度很大，隨后很快降到一定值。若外加應(yīng)力大于試樣的疲勞極限時，則發(fā)熱速度隨著開始的升高而很快下降到某一定值，然后又逐漸升高，到斷裂前，其升高速度便陡增，出現(xiàn)明顯的三個階段。

第一階段實際上是指開始循環(huán)頭數(shù)千周時的起始硬化階段，也有稱為“熱脈沖”的。這種起始硬化，對于確定退火金屬在試驗的其余期間的狀態(tài)極為重要；第二階段中，硬化和發(fā)熱速度都先降到一較穩(wěn)定值，隨著應(yīng)力的增加，硬化和發(fā)熱速度又逐漸增加；第三階段硬化和發(fā)熱速度都增加很快，相當于疲勞斷裂過程。

總的來講，疲勞過程所引起的變化，其效果與淬火或輻照的作用很相似，能產(chǎn)生較多的點缺陷、割階甚至蜷線位錯。唯一不同之處在于它們只限于局部地區(qū)，尤其在相同負載下，表面對疲勞形變的影響比單向形變的敏感。疲勞硬化一般比單向的也大，與溫度的依賴關(guān)系密切，熱穩(wěn)定性也較高。3.4 疲勞過程中組織結(jié)構(gòu)的變化

疲勞與單向拉伸形變靜態(tài)硬化曲線的特點大致相同，但其組織結(jié)構(gòu)的變化卻相差很遠。（1）滑移帶的特點

Ewing和Hamphrey最早用退火純鐵作轉(zhuǎn)動彎曲疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在屈服點以下時，經(jīng)過幾千次循環(huán)后，試樣中少數(shù)晶粒內(nèi)就出現(xiàn)細滑移線。隨著循環(huán)次數(shù)的增多就有更多的滑移線產(chǎn)生，原有滑移線的滑移量也加大。特別是那些新產(chǎn)生的滑移線，多數(shù)處在原有滑移線的附近，形成滑核帶。帶與帶間看不到滑移線，故其分布較靜拉伸時顯得更不均勻。交變應(yīng)力越大，沿移帶就越多，滑移帶的長度和深度也越大。（2）擠出和侵入

擠出和侵入現(xiàn)象已是疲勞形變中的一個普遍現(xiàn)象，不過在純金屬和穩(wěn)定合金中，其高度較低，約為1-2微米。擠出和侵入的現(xiàn)象與金屬層錯能的關(guān)系也是很特殊的，不像硬化與層錯能成正比，而是層錯能越低越容易出現(xiàn)擠出和侵入，譬如很多鋁合金和銅合金的擠出和侵入都較純鋁和純銅的明顯，這樣擠出和侵入的形成機制好像與交滑移無關(guān)。實驗證明擠出扣侵入的出現(xiàn)可能與第二滑移系統(tǒng)的參與有關(guān)。

（3）疲勞后的位錯狀態(tài)

疲勞形變后的位錯狀態(tài)與疲勞應(yīng)力的關(guān)系很大。以鋁為例，Segall等人和Snowden的工作指出，一般高應(yīng)力下的疲勞結(jié)果和單向形變的差不多，都為不同形式的位錯胞。但低應(yīng)力下疲勞時，卻出現(xiàn)平行﹤112﹥方向的長位錯環(huán)，位錯上割階密度也較大，以至出現(xiàn)蜷線位錯，類似淬火處理。加入合金元素后(譬如A1-3％Mg合金)，更有利于位錯偶束的出現(xiàn)。實驗指出應(yīng)變振幅的大小直接關(guān)系到疲勞試樣中的位錯狀態(tài)，當應(yīng)變振幅夠大時，在1/4循環(huán)后就可得到位錯胞結(jié)構(gòu)。

3.5 疲勞與蠕變的交互作用 至今我們討論疲勞或蠕變都是分開來研究的，但在實際情況中，它們往往總是共存的。因此有必要研究疲勞與蠕變的交互作用，可惜有關(guān)這方面的系統(tǒng)工作還不多，目前這方面的研究多數(shù)采用單向循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞蠕變和用顛值應(yīng)力產(chǎn)生的一般蠕變的方法來進行，并稱前者為動態(tài)蠕變，后者為靜態(tài)蠕變。

借用Miner-Robinson指出的累積損傷法則，如累積是線性的，該法則建立在蠕變損傷分數(shù)υα和疲勞損傷分數(shù)υf之和等于1的假定上，如果累積是非線性的，則應(yīng)加入交互作用項 ：

?a?B(?a??f)1/2??f?1

式中，蠕變損傷分數(shù)：?a??i?1N?ti

tr疲勞損傷分數(shù)：?f??i?1NNi NfΔti——在最大拉伸負載下停留的時間； tr——純?nèi)渥償嗔褧r間；

Ni——為疲勞蠕變試驗斷裂的總循環(huán)次數(shù)； Nf——為純疲勞斷裂的循環(huán)次數(shù)； B——交互作用系數(shù)。

當B＝0時表明無疲勞蠕變交互作用；

當B＞0時為正交互作用，即斷裂壽命比線性法則預(yù)期的要低； 當B＜0時為負交互作用，即斷裂壽命比線性法則預(yù)期的要高。

根據(jù)試驗結(jié)果，可以求出交互作用系數(shù)B，然后再把試驗數(shù)據(jù)代入上式，便可估算零件的使用壽命。3.6 影響疲勞的因素

由于至今對金屬疲勞的形變機制還不是很清楚，所以我們更應(yīng)該注意各種因素對疲勞的影響，以弄清它的實質(zhì)。此外，從應(yīng)用的角度出發(fā)，研究一些因素對疲勞的影響也是完全有必要的。

影響疲勞的因素主要有：疲勞振幅，負荷系統(tǒng)，應(yīng)力集中，溫度，頻率，試樣大小及形狀，試樣表面，介質(zhì)，組織結(jié)構(gòu)。3.7 熱疲勞

熱疲勞就其字面上來說，應(yīng)解釋成是由于溫度起伏而引起的熱應(yīng)力所產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。不過就純金屬而言，熱疲勞實質(zhì)上是來自晶體各向異性所導(dǎo)致的熱應(yīng)力的作用，這一點在Boas和Honeycombe早期工作中已得到證實。如果試樣本身存在著溫度梯度(譬如表面與內(nèi)部溫度差別很大)，當然也能產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力以至出現(xiàn)局部范性形變。如果溫度變化又足夠快，幅度又足夠大，很明顯表層膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過其斷裂強度后也會出現(xiàn)裂紋。

金屬對熱疲勞的阻力，不但與熱傳導(dǎo)、比熱等熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且還與彈性常數(shù)、屈服強度等力學(xué)性質(zhì)以及密度、幾何因素等有關(guān)。所以一般脆性材料導(dǎo)熱性差，熱應(yīng)力又不能得到足夠的范性松弛，故熱疲勞致裂的危險最大。

第二篇：彈性力學(xué)讀書報告

一 彈性力學(xué)的作用

1.彈性力學(xué)與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的綜合應(yīng)用，推動了工程問題的解決。彈性力學(xué)又稱為彈性理論，是指被研究的彈性體由于受外力作用或由于溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。

彈性力學(xué)的任務(wù)與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)一樣，是分析各種結(jié)構(gòu)物或其構(gòu)件在彈性階段的應(yīng)力和位移，校核它們是否具有所需的強度和剛度，并尋求或改進它們的計算方法。然而，這三門學(xué)科的研究對象上有所分工，研究方法也有所不同。

彈性力學(xué)具體的研究對象主要為梁、柱、壩體、無限彈性體等實體結(jié)構(gòu)以及板、殼等受力體。在材料力學(xué)課程中，基本上只研究所謂桿狀構(gòu)件，也就是長度遠大于高度和寬度的構(gòu)件。這種構(gòu)件在拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)作用下的應(yīng)力和位移，是材料力學(xué)的主要研究內(nèi)容。在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中，主要是在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上研究桿狀構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)，也就是所謂桿件系統(tǒng)，例如桁架、剛架等。至于非桿狀的結(jié)構(gòu)，例如板和殼以及擋土墻、堤壩、地基等實體結(jié)構(gòu)，則在彈性力學(xué)課程中加以研究。如果要對于桿狀構(gòu)件進行深入的、較精確的分析，也必須用到彈性力學(xué)的知識。

雖然在材料力學(xué)和彈性力學(xué)課程中都研究桿狀構(gòu)件，然而研究的方法卻不完全相同。在材料力學(xué)中研究桿狀構(gòu)件、除從靜力學(xué)、幾何學(xué)、物理學(xué)三方面進行分析以外，大都還要引用一些關(guān)于構(gòu)件的形變狀態(tài)或應(yīng)力分布的假設(shè)，這就大大簡化了數(shù)學(xué)推演，但是，得出的解答有時只是近似的。在彈性力學(xué)中研究桿狀構(gòu)件，一般都不必引用那些假定，因而得出的結(jié)果就比較精確，并且可以用來校核材料力學(xué)中得出的近似解答。

雖然，彈性力學(xué)中通常是不研究桿件系統(tǒng)的，然而近幾十年來，不少人曾經(jīng)致力于彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的綜合應(yīng)用，使得這兩門學(xué)科越來越密切地結(jié)合。彈性力學(xué)吸收了結(jié)構(gòu)力學(xué)中超靜定結(jié)構(gòu)分析方法后，大大擴展了它的應(yīng)用范圍，使得某些比較復(fù)雜的本來無法求解的問題，得到了解答。這些解答雖然在理論上具有一定的近似性，但應(yīng)用在工程上，通常是足夠精確的。在近二十幾年間發(fā)展起來的有限元法，把連續(xù)彈性體劃分成有限個有限大小的單元，然后，用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移法、力法或混合法求解，更加顯示了彈性力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)綜合應(yīng)用的良好效果。

此外，對同一結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件，甚至對同一構(gòu)件的不同部分，分別用彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)或材料力學(xué)進行計算，常?？梢怨?jié)省很多的工作量，并且能得到令人滿意的結(jié)果。

總之，材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)這三門學(xué)科之間的界限不是很明顯，更不是一成不變的。我們不應(yīng)當強調(diào)它們之間的區(qū)別，而應(yīng)當更多地發(fā)揮它們綜合應(yīng)用的威力，才能使它們更好地為我國的社會主義建設(shè)事業(yè)服務(wù)。

2.彈性力學(xué)在工程上的應(yīng)用越來越深入，越來越廣泛。

在工程中出現(xiàn)的問題習慣上有如下的一些提法，如強度、剛度、穩(wěn)定性、應(yīng)力集中，波的傳播、振動、響應(yīng)、熱應(yīng)力等問題，這些都是彈性力學(xué)應(yīng)用研究的對象。強度問題是研究受載荷物體中的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平，研究在怎樣的載荷下不發(fā)生永久變形。剛度問題是研究受載荷物體在怎樣的載荷下應(yīng)變或位移達到規(guī)定允許的限度。穩(wěn)定性問題是研究彈性結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)元件在靜力或動力平衡時發(fā)生不穩(wěn)定情況的條件。應(yīng)力集中問題是研究當物體中有孔口或缺口存在時，在其附近發(fā)生應(yīng)力增高現(xiàn)象。彈性動力學(xué)有波的傳播、振動和響應(yīng)等問題，由于考察的物體大小、形狀，邊界條件及其固有性質(zhì)不同，以及所考察問題的外載荷和時間段的不同，故有上述問題的提法和分類，但本質(zhì)上都和波的傳播有關(guān)。在近代航天、航空、航海、海洋、機械、土木、化工等工程領(lǐng)域中不斷地提出上述各種問題需要解決，在設(shè)計時要求高度的準確性，這都離不開彈性力學(xué)的應(yīng)用，也在促進彈性力學(xué)的發(fā)展。

3.彈性力學(xué)的基礎(chǔ)知識是正確利用有限元的基礎(chǔ)。

目前，有限單元法已經(jīng)在航空、造船、機械、冶金、建筑等工程部門廣泛應(yīng)用，并取得顯著效果，它是一種行之有效的偏微分方程數(shù)值解的計算方法?，F(xiàn)在各行各業(yè)都已經(jīng)擁有了一定數(shù)量的商業(yè)有限元程序。如何使這些程序為更多的人掌握和應(yīng)用，極大限度地發(fā)揮和應(yīng)用這些程序解決工程問題，是非常重要的。但是有限元商業(yè)程序不是一個“傻瓜”式的應(yīng)用程序，它是基于一定的基礎(chǔ)理論知識，如用有限元求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變問題就是基于彈性力學(xué)的知識建立起來的，對彈性力學(xué)知識的掌握和理解程度直接關(guān)系到有限元程序應(yīng)用的效果。

二．彈性力學(xué)在常用坐標系下的基本方程

歸納從靜力平衡，變形幾何，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)齻€方面的條件求得的基本方程有：

2.1直角坐標系中的基本方程： 2.1.1平衡微分方程：

其中，作用于物體體積上的應(yīng)力為： A={，，，}，作用于微元體上的體力三個分量為：。

本式表示了應(yīng)力分量與體力分量之間的關(guān)系，稱為平衡微分方程，又成納維葉（Navier）方程。2.1.2幾何方程： 其中，，，，為6個應(yīng)變分量；

，為3個位移分量。

2.1.3物理方程：

，以上公式就是各向同性材料的廣義Hooke定律，表示了線性彈性應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系。

為橫向變形系數(shù)（泊松比），E為拉壓彈性模量，為剪切彈性模量，且。

2.2極坐標系中的基本方程： 2.2.1平衡微分方程：

圖中所示即為極坐標系下扇形微單元體PACB的應(yīng)力及應(yīng)變分析，得到以下的平衡微分方程：

2.2.2幾何方程：

在極坐標系中，通過對物體內(nèi)一點P的兩個正交線元（PA=dr,PB=）的變形幾何分析，得到相應(yīng)的幾何方程。用

和分別表示線元PA和PB的相對伸長，即正向和切向正應(yīng)變，用表示該兩個正交線元直角的變化，即剪應(yīng)變。用，分別表示P點的徑向和環(huán)向位移。它的平面問題幾何方程如下：

2.2.3本構(gòu)方程: 只需將直角坐標系下本構(gòu)方程的x,y用r, 替換即可得到極坐標系的本構(gòu)方程，如下：

2.2.4邊界條件：

力的邊界條件：這里的外法向方向余弦（l，m）是對局部標架定義的，沿著r和方向的給定面力分量。

位移邊界條件：

表示。

三．彈性力學(xué)解題的主要方法

3.1位移解法

以位移作為基本未知量，將基本方程化為用位移表示的控制方程，邊界條件也化為用位移表示；在給定的邊界條件下求解控制方程，從而求得位移解，然后將位移代入幾何方程求導(dǎo)得到應(yīng)變，再將應(yīng)變代入本構(gòu)方程得到應(yīng)力解。此法的關(guān)鍵在于導(dǎo)出位移表示的控制方程，其方程如下：

通常稱為拉姆（Lame）方程,即位移法求解的控制方程。

位移邊界條件：。

3.2應(yīng)力解法

以應(yīng)力為基本未知量，將基本方程化為用應(yīng)力表示的控制方程，邊界條件也用應(yīng)力表示，在給定的邊界條件下求解控制方程得到應(yīng)力解，將應(yīng)力解代入本構(gòu)方程得到應(yīng)變解，再運用幾何方程積分可以求得位移解。應(yīng)力法的控制方程如下：

（1）平衡方程

（2）相容方程

應(yīng)力法的邊界條件如下：

由上面的公式可以看出：如果問題是常體力，單連通，應(yīng)力邊值問題，由于在控制方程和邊界條件中都不含材料常數(shù)，因此應(yīng)力解與材料無關(guān)。

四．例題

4.1如圖所示單位厚度平板，兩端受均布壓力P作用下，上，下邊界剛性約束，不考慮摩擦，不計體力，用位移法求解板的應(yīng)力和位移。

解：由對稱性及上，下邊界的剛性約束條件可設(shè)： u=u(x),v=0（a）

代入拉姆方程式，第2式稱為恒等式，第1式成為

（b）

解之得: u=ax+b(c)位移邊界條件：由對稱性

已自動滿足。

（d）

將（c）式代入（d）式得： b=0 從而有 u=ax(e)待定系數(shù)a可以由位移表示的應(yīng)力邊界條件確定，為此將(e)式代入邊界條件式得： 右邊界：

第二個方程式為恒等式。

左邊界結(jié)果相同。上，下邊界，(f)，代入(f)式的第1式得

(g)，第一個方程式為恒等式；因為y方向已提位移邊界條件，故第二個方程不能作為邊界條件引入。

將(g)式代回（e）式得位移

再將（h）式及v=0代入以下方程：

（h）

得到應(yīng)力分量：4.2 用應(yīng)力法求解例4.1給出問題的應(yīng)力和位移。

解：根據(jù)邊界上的受力情況，我們試取。

（a）

顯然，對于解(a)式，（1）已滿足左右兩側(cè)的邊界條件及上，下兩側(cè)無摩擦的已知條件；（2）滿足了平衡方程式和相容方程式。本體為混合邊值問題，待定常數(shù)A只能由位移邊界條件（b）式確定。

（b）為此，必須由解（a）式解出相應(yīng)的應(yīng)變和位移。

將（a）式代入本構(gòu)方程式得：

利用幾何方程式得第1,2式積分

代入幾何方程的第3式，并注意到（c）式得第3式，得

所以，其解為 于是

c）

（d）

e）

f）

（（（利用對稱性條件

和

可得

再利用邊界條件（b）式可解得

從而有應(yīng)力和位移解：

（g）

4.3寫出圖中所示懸臂梁上邊界和右端面的邊界條件。

解：上邊界（負面）上面力應(yīng)面力上的負值，故有

。負面上的應(yīng)力等于對 右邊界（正面）上作用有y方向面力合力P，x方向合力為零，面合力矩為M。按上述面力合力和合力矩正負號規(guī)定，力P沿y軸負方向，故面合力為負（=-P，=0）；面按圖示坐標系，正的力偶矩方向為逆時針方向，故題給力偶矩為負（mz=-M）,從而有以下應(yīng)力邊界條件：

第三篇：高等巖石力學(xué)讀書報告

高等巖石力學(xué) 讀書報告

學(xué)院：國土資源工程學(xué)院 專業(yè)：地質(zhì)工程 姓名：曾敏

學(xué)號：

2006201071 高等巖石力學(xué)讀書報告

巖石力學(xué)是研究巖石在外界因素(如荷載、水流、溫度變化等)作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、破壞、穩(wěn)定性及加固的學(xué)科。又稱巖體力學(xué)，它是力學(xué)的一個分支。研究的目的在于解決水利、土木工程等建設(shè)中的巖石工程問題。它是近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是一門應(yīng)用性的基礎(chǔ)學(xué)科。對于巖石力學(xué)的定義有很多種說法，這里推薦一種較廣義、較嚴格的定義：“巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性狀的一門理論科學(xué)，同時也是應(yīng)用科學(xué)；它是力學(xué)的一個分支，研究巖石對于各種物理環(huán)境的力場所產(chǎn)生的效應(yīng)?！边@個定義既概括了巖石力學(xué)所研究的破碎與穩(wěn)定兩個主要方面的內(nèi)容，也概括了巖石受到一切力場作用所引起的各種力學(xué)效應(yīng)。巖石力學(xué)的理論基礎(chǔ)相當廣泛，涉及固體力學(xué)、流體力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、彈塑性理論、工程地質(zhì)和地球物理學(xué)等學(xué)科，并與這些學(xué)科相互滲透。巖石力學(xué)主要理論基礎(chǔ)及與其他學(xué)科的結(jié)合

巖石力學(xué)是一門應(yīng)用性的基礎(chǔ)學(xué)科。它的理論基礎(chǔ)相當廣泛，涉及到很多基礎(chǔ)及應(yīng)用學(xué)科。巖石力學(xué)的力學(xué)分支基礎(chǔ)

1、固體力學(xué)

固體力學(xué)是力學(xué)中形成較早、理論性較強、應(yīng)用較廣的一個分支，它主要研究可變形固體在外界因素(如載荷、溫度、濕度等)作用下，其內(nèi)部各個質(zhì)點所產(chǎn)生的位移、運動、應(yīng)力、應(yīng)變以及破壞等的規(guī)律。在采礦工程中用到的固體力學(xué)主要有：材料力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，彈、塑性力學(xué)，復(fù)合材料力學(xué)，斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)。如把采場上覆巖層看作是梁或板結(jié)構(gòu)用的就是結(jié)構(gòu)力學(xué)理論；采用彈性力學(xué)研究巷道周圍的應(yīng)力分布。

2、流體力學(xué)

流體力學(xué)主要研究流體本身的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規(guī)律。流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。對于地下采礦工程來說，其研究對象就是地下水與瓦斯等礦井氣體。

3、爆炸力學(xué)

爆炸力學(xué)主要研究爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，以及爆炸的力學(xué)效應(yīng)的利用和防護。它從力學(xué)角度研究爆炸能量突然釋放或急劇轉(zhuǎn)化的過程，以及由此產(chǎn)生的強沖擊波(又稱激波)、高速流動、大變形和破壞、拋擲等效應(yīng)。同時爆炸力學(xué)是流體力學(xué)、固體力學(xué)和物理學(xué)、化學(xué)之間的一門交叉學(xué)科。地下開采中的巷道掘進，露天開采中的采剝都要進行爆破。

4、計算力學(xué)

計算力學(xué)是綜合力學(xué)、計算數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)的知識，以計算機為工具研究解決力學(xué)問題的理論、方法，以及編制軟件的學(xué)科。從20世紀50年代以來，它在力學(xué)的各分支學(xué)科和邊緣學(xué)科中得到了很大的發(fā)展，無論是在科學(xué)研究還是工程技術(shù)中均得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在它已成為力學(xué)除理論研究和實驗研究之外的第3種手段。常見的計算力學(xué)方法并已廣泛用到數(shù)值模擬計算中的有：材料非線性有限元法、幾何非線性有限元法、熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力有限元法、彈性動力學(xué)有限元法、邊界元法、離散元法、無網(wǎng)格法、有限差分法、非連續(xù)變形分析等。以計算力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬方法在采礦工程中的研究應(yīng)用也正廣泛地開展起來。巖石力學(xué)與其他學(xué)科的結(jié)合

上述力學(xué)分支構(gòu)成了巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，同時，巖石力學(xué)的發(fā)展也離不開其他學(xué)科的支持。在巖石力學(xué)的發(fā)展過程中，巖石力學(xué)十分關(guān)注其他學(xué)科的最新進展，并不斷地吸收、借鑒它們的方法和手段，極大地豐富了巖石力學(xué)自身的研究應(yīng)用手段。

巖石工程中所研究的巖塊和巖體，作為一種地質(zhì)體，其形成受地質(zhì)作用支配，地質(zhì)系統(tǒng)與工程巖體之間具有相互依存和相互作用關(guān)系。因此，對巖石的成巖和蛻變過程，構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造變形，巖石所賦存的構(gòu)造部位及地質(zhì)環(huán)境等因素的研究構(gòu)成了巖石力學(xué)與工程學(xué)科的重要基礎(chǔ)。

巖石工程的狀態(tài)參數(shù)大多是隨機變量，甚至可能是時間或空間的隨機過程。由于這種狀態(tài)參數(shù)的隨機分布特性，其破壞模式及破壞過程也具有隨機性。因此，對巖石工程進行參數(shù)的概率統(tǒng)計、破壞的隨機過程分析和系統(tǒng)的可靠度分析就顯得尤為重要了。統(tǒng)計學(xué)研究從觀測數(shù)據(jù)(樣本)出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對未來數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進行預(yù)測?，F(xiàn)有機器學(xué)習方法共同的重要理論基礎(chǔ)是統(tǒng)計學(xué)，傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)研究的是樣本數(shù)目趨于無窮大時的漸進理論，現(xiàn)有學(xué)習方法也多是基于此假設(shè)。與傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)相比，統(tǒng)計學(xué)習理論(StatisticalLearning Theory或SLM)是一種專門研究小樣本情況下機器學(xué)習規(guī)律的理論。V．Vapnik等人從上世紀六七十年代開始致力于此方面研究。目前該理論又成為研究熱點，我國馮夏庭、趙洪波等人已將其應(yīng)用到了巖石工程中。

近年來，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，人工智能、遺傳進化算法、數(shù)據(jù)挖掘、灰色理論、非線性力學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等新興學(xué)科的興起，為人們提供了全新的思維方式，這些都為突破巖石力學(xué)的確定性研究方法提供了強有力的理論基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)是一種綜合計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實時計算技術(shù)、人工智能、仿真技術(shù)等多種學(xué)科而發(fā)展起來的計算機領(lǐng)域的最新技術(shù)。它運用計算機表達現(xiàn)實世界的各種過程，通過它可以運用數(shù)學(xué)力學(xué)方法如數(shù)值模擬呈現(xiàn)開挖過程，在施工過程中描述尚未進行的工程，結(jié)合工程實踐預(yù)測巖體變形及穩(wěn)定。巖石力學(xué)的分支

巖石力學(xué)以上述這些力學(xué)分支為基礎(chǔ)并跟其他學(xué)科融合，逐步發(fā)展出以下分支：巖石工程地質(zhì)力學(xué)；巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)；統(tǒng)計巖體力學(xué)；巖石流變力學(xué)；分形巖石力學(xué)；巖石水力學(xué)；強動載作用下的巖石動力學(xué)；非線性巖石力學(xué)；卸荷巖石力學(xué)；軟巖工程力學(xué)；巖石力學(xué)智能分析方法。這些分支目前在采礦工程各個領(lǐng)域中都有具體應(yīng)用。巖石力學(xué)的研究內(nèi)容

巖石力學(xué)的研究內(nèi)容分為基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用兩個方面。但是這些方面只是主要方面，隨著建設(shè)的發(fā)展，還會有新的問題不斷的提出。2.1

基礎(chǔ)理論

1、巖石應(yīng)力，包括巖體內(nèi)應(yīng)力的來源、初始應(yīng)力(構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力等)、二次應(yīng)力、附加應(yīng)力等。初始應(yīng)力由現(xiàn)場量測決定，常用鉆孔應(yīng)力解除法和水壓致裂法，有時也用應(yīng)力恢復(fù)法。二次應(yīng)力和附加應(yīng)力的計算常用固體力學(xué)經(jīng)典公式，復(fù)雜情況下采用數(shù)值方法。

2、巖石強度，包括抗壓、抗拉、抗剪（斷）強度及巖石破壞、斷裂的機理和強度準則。室內(nèi)用壓力機、直剪儀、扭轉(zhuǎn)儀及三軸儀，現(xiàn)場做直剪試驗和三軸試驗，以確定強度參數(shù)（凝聚力和內(nèi)摩擦角）。強度準則大多采用庫倫－納維準則。這個準則假定對破壞面起作用的正應(yīng)力會增加巖石的抗剪強度，其增加量與正（壓）應(yīng)力的大小成正比。其次采用莫爾準則，也可采用格里菲思準則和修正的格里菲思準則。

3、巖石變形，包括單向和三向條件下的變形曲線特性、彈性和塑性變形、流變（應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系）和擴容。巖石流變主要包括蠕變和松弛。在應(yīng)力不等時巖石的變形隨時間不斷增長的現(xiàn)象稱為蠕變。在應(yīng)變不變時巖石中的應(yīng)力隨時間減少的現(xiàn)象稱為松弛。巖石擴容是指在偏應(yīng)力作用下，當應(yīng)力達到某一定值時巖石的體積隨偏應(yīng)力的增大而增大的現(xiàn)象。研究巖石變形在室內(nèi)常用單軸或三軸壓縮方法、流變試驗和動力試驗等，多數(shù)試驗往往結(jié)合強度研究進行。為了測定巖石應(yīng)力達到峰值后的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，必須應(yīng)用伺服控制剛性壓力機。野外試驗有承壓板法、水壓法、鉆孔膨脹計法和動力法等。根據(jù)室內(nèi)外試驗可獲得應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系和應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系以及相應(yīng)的變形參數(shù)，如彈性模量、變形模量、泊松比、彈性抗力系數(shù)、流變常數(shù)等。

4、巖石滲流，包括滲透性、滲流理論、滲流應(yīng)力狀態(tài)和滲流控制等。對大多數(shù)巖石假定巖石中的水流為層流，流速與水力梯度呈線性關(guān)系,遵循達西定律。巖石滲透性用滲透系數(shù)表示,該系數(shù)在室內(nèi)用滲透儀測定，在野外用壓水和抽水試驗測定。滲流理論借流體力學(xué)原理進行研究。穩(wěn)定滲流滿足拉普拉斯方程。多數(shù)巖石內(nèi)的孔隙（裂隙）水壓力可用K.泰爾扎吉有效應(yīng)力定律計算。為了減小大壩底面滲透壓力、提高大壩的穩(wěn)定性，應(yīng)當采取滲流控制措施，如抽水、排水、設(shè)置灌漿帷幕以延長滲流途徑等。

5、巖石動力性狀，研究爆炸、爆破、地震、沖擊等動力作用下巖石的力學(xué)特性、應(yīng)力波在巖石內(nèi)的傳播規(guī)律、地面振動與損害等。動力特性在室內(nèi)用動三軸試驗研究，野外用地球物理性、爆炸沖擊波試驗等技術(shù)進行研究，波的傳播規(guī)律借固體力學(xué)的理論進行研究。2.2

工程應(yīng)用方面主要研究五個方面

1、地上工程建筑物的巖石地基，例如研究高壩、高層建筑、核電站以及輸電線路塔等地基的穩(wěn)定、變形及處理的問題；

2、地表挖掘的巖石工程問題，如水庫邊坡、高壩岸坡、渠道、運河、路塹、露天開采坑等天然和人工邊坡的穩(wěn)定、變形及加固問題；

3、地下洞室，如研究地下電站、水工隧洞、交通隧道、采礦巷道、戰(zhàn)備地道、石油產(chǎn)品庫等的圍巖的穩(wěn)定和變形問題，地下開挖施工以及圍巖的加固（如固結(jié)灌漿、錨噴、預(yù)應(yīng)力錨固等）問題;

4、巖石破碎，如將巖石破碎成各種所要求的規(guī)格，以作為有關(guān)建筑材料（建筑物面石、土壩護石、堆石壩和防波堤石料、混凝土骨料等）；

5、巖石爆破，如用定向爆破筑壩，巷道掘進和采礦等。此外，巖石力學(xué)還應(yīng)用于某些地質(zhì)問題的研究，如分析因開采地下礦體和液體而地表下陷、解釋地球構(gòu)造理論、預(yù)估地震和控制地震等。巖石力學(xué)的研究方法

巖石力學(xué)是一門邊緣學(xué)科，為了能用力學(xué)觀點對自然存在的巖體進行性質(zhì)測定和理論計算，為工程建設(shè)服務(wù)，巖石力學(xué)的研究方法包括科學(xué)實驗、理論分析及工程驗證等幾個環(huán)節(jié)，三者是緊密結(jié)合并且相互促進的。

巖石力學(xué)是一門應(yīng)用性很強的工程學(xué)科，因此在應(yīng)用巖石力學(xué)知識解決具體工程問題的時候，必須與工程設(shè)計與施工保持密切聯(lián)系、相互配合。

按學(xué)科的領(lǐng)域區(qū)分巖石力學(xué)的研究方法可以有以下四個方面： 地質(zhì)研究方法

著重于研究與巖石的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為有關(guān)的巖體。如：

巖層特征的研究。如軟弱成份、可溶鹽類、含水蝕變礦物、不抗風化以及原生結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)研究。軟弱結(jié)構(gòu)面、軟弱面的起伏度結(jié)構(gòu)面的充填物等。環(huán)境因素研究。如地應(yīng)力成因和展布地下水性態(tài)，水平地質(zhì)條件等。物理測試方法

結(jié)構(gòu)探測。采用地球物理方法和技術(shù)來探查各種結(jié)構(gòu)面的力學(xué)行為。環(huán)境物理量測。如地應(yīng)力機制，滲透水系量測等。

巖石物理、力學(xué)性質(zhì)測試。如室內(nèi)巖塊的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)，原位巖體的力學(xué)性質(zhì)，鉆孔測試，變形監(jiān)測以及位移反分析確定巖體和巖性參數(shù)等。力學(xué)分析方法

力學(xué)模型研究。包括彈塑性模型、流變模型、斷裂模型、損傷力學(xué)模型、滲透網(wǎng)絡(luò)模型、拓撲模型等。

數(shù)值分析方法。如有限元法、邊界元法、離散元法、系統(tǒng)分析法和設(shè)計施工風險決策的人工智能專家系統(tǒng)等。

模糊聚類和概率分析。如隨機分析、靈敏度分析、趁勢分析、時間序列分析和灰箱問題等。模抑分析。如光彈應(yīng)力分析，相似材料模型實驗、離心模型實驗等。整體綜合分析方法

就整個工程進行多種方法并以系統(tǒng)工程為基線的綜合分析。

巖石力學(xué)在采礦工程中的發(fā)展趨勢

巖石力學(xué)的發(fā)生與發(fā)展與其它學(xué)科一樣，是與人類的生產(chǎn)活動緊密相關(guān)的。巖石力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了采礦工程中的各個領(lǐng)域，而且其研究理論正不斷創(chuàng)新，研究手段也日新月異。隨著我國礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，在采礦工程中將會遇到條件更復(fù)雜、難度更大的巖石力學(xué)問題，因此，巖石力學(xué)與工程學(xué)科的理論水平和工程能力都有待進一步提高。

地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與礦山巖石力學(xué)和其他學(xué)科相互交叉及滲透是這一學(xué)科領(lǐng)域帶全局性的發(fā)展趨勢之一。巖石力學(xué)由研究單一的固體不連續(xù)材料向多場耦合和多相運動研究發(fā)展。災(zāi)害與公共安全的力學(xué)問題是目前需要特別給予考慮資助的重大科學(xué)問題。由此，巖石力學(xué)在采礦工程中應(yīng)用的發(fā)展趨勢可以歸納如下：

1、多學(xué)科相互交叉和多種手段的綜合集成

巖體工程的不確定性導(dǎo)致來自任何一種來源的知識都難以支持可靠的決策。因此，綜合地質(zhì)、物探、測量、力學(xué)試驗、數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)分析等學(xué)科知識和手段是目前解決該問題的最好途徑。

2、多場耦合、多相運動和多尺度的綜合集成隨著礦井開采深度的日益加大，采礦工程中的巖石力學(xué)問題出現(xiàn)了熱、流、固、化多場并存以及固、氣、水、微粒多相復(fù)合運動的狀況。因此，對多場耦合以及多相運動的研究還有待深入，同時，隨著采礦工程規(guī)模的日益擴大，力學(xué)上均一體的尺寸效應(yīng)進化為大尺度和多尺度問題，因此不可避免地面臨多尺度模型及其耦合，即：宏觀一細觀一微觀的研究及其相互耦合。

3、災(zāi)害的非線性動力過程的預(yù)測和防治研究目前采礦工程中還有如下主要災(zāi)害急需深入、系統(tǒng)地研究：沖擊礦壓；煤與瓦斯突出；煤層頂、底板水防治；大型礦山的坍塌；采動引起的巨型坡體失穩(wěn)和山體滑坡。

過去，工程中遇到的巖石工程問題，多憑經(jīng)驗解決，但工程實踐證明：單憑經(jīng)驗越來越難以適應(yīng)日益發(fā)展的工程規(guī)模及工程的復(fù)雜性。如采深近400m的大型露天礦邊坡角增減1°將影響投資變化可達數(shù)千萬乃至億萬元，而且一旦邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)將造成難以估計的經(jīng)濟和資源損失。這些都對巖石力學(xué)提出了許多新的課題。此外，各類地下工程的設(shè)計和施工中，要求對群硐圍巖穩(wěn)定深入分析研究；在能源建設(shè)中如天然氣和石油的開發(fā)，核電站和核工業(yè)建設(shè)中的核廢料處理等等，也都是難度極大的科研問題。對這些工程的設(shè)計和施工都要求系統(tǒng)地的對巖石的變形性狀、破壞機制以及力學(xué)模型，從而在工程設(shè)計中預(yù)測巖石工程的可靠性和穩(wěn)定性，并使工程具有盡可能的經(jīng)濟性。這些巨大的工程建設(shè)問題，為巖石力學(xué)提出了日益繁重復(fù)雜的任務(wù)，將大大的促進巖石力學(xué)的發(fā)展。參考文獻

[1] 高等巖石力學(xué)，周維垣，水利電力出版社 [2] 巖石力學(xué)簡明教程，李世平，吳振業(yè)等，煤炭工業(yè)出版社

[3] 巖石力學(xué)采礦工程中的研究現(xiàn)狀和趨勢，藍航，煤礦開采，2006（5）[4] 巖石力學(xué)在金屬礦山采礦工程中的應(yīng)用，蔡美峰，金屬礦山，2006（1）[5] 智能巖石力學(xué)的發(fā)展，馮夏庭，中國科學(xué)院院刊，2002（4）

第四篇：彈塑性力學(xué)總結(jié)讀書報告

彈塑性力學(xué)讀書報告

彈塑性力學(xué)是固體力學(xué)的一個重要分支，是研究可變形固體變形規(guī)律的一門學(xué)科。研究可變形固體在荷載（包括外力、溫度變化等作用）作用時，發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變及位移的規(guī)律的學(xué)科。它由彈性理論和塑性理論組成。彈性理論研究理想彈性體在彈性階段的力學(xué)問題，塑性理論研究經(jīng)過抽象處理后的可變形固體在塑性階段的力學(xué)問題。因此，彈塑性力學(xué)就是研究經(jīng)過抽象化的可變形固體，從彈性階段到塑性階段、直至最后破壞的整個過程的力學(xué)問題。彈塑性力學(xué)也是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)和一部分。彈塑性力學(xué)包括：彈塑性靜力學(xué)和彈塑性動力學(xué)。

彈塑性力學(xué)的任務(wù)是分析各種結(jié)構(gòu)物或其構(gòu)件在彈性階段和塑性階段的應(yīng)力和位移，校核它們是否具有所需的強度、剛度和穩(wěn)定性，并尋求或改進它們的計算方法。并且彈塑性力學(xué)是以后有限元分析、解決具體工程問題的理論基礎(chǔ)，這就要求我們掌握其必要的基礎(chǔ)知識和具有一定的計算能力?；舅枷爰袄碚?/p>

1.1科學(xué)的假設(shè)思想

人們研究基礎(chǔ)理論的目的是用基礎(chǔ)理論來指導(dǎo)實踐，而理論則是通過對自然、生活中事物的現(xiàn)象進行概括、抽象、分析、綜合得來，在這個過程中就要從眾多個體事物中尋找規(guī)律，而規(guī)律的得出一般先由假設(shè)得來，彈塑性力學(xué)理論亦是如此。固體受到外力作用時表現(xiàn)出的現(xiàn)象差別根本的原因在于材料本身性質(zhì)差異，這些性質(zhì)包括尺寸、材料的方向性、均勻性、連續(xù)性等，力學(xué)問題的研究離不開數(shù)學(xué)工具，如果要考慮材料的所有性質(zhì)，那么一些問題的解答將無法進行下去。所以，在彈塑性力學(xué)中，根據(jù)具體研究對象的性質(zhì)，并聯(lián)系求解問題的范圍，忽略那些次要的局部的對研究影響不大的因素，使問題得到簡化。

1.1.1連續(xù)性假定

假設(shè)物體是連續(xù)的。就是說物體整個體積內(nèi)，都被組成這種物體的物質(zhì)填滿，不留任何空隙。這樣，物體內(nèi)的一些物理量，例如：應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，才可以用坐標的連續(xù)函數(shù)表示。

1.1.2線彈性假定（彈性力學(xué)）假設(shè)物體是線彈性的。就是說當使物體產(chǎn)生變形的外力被除去以后，物體能夠完全恢復(fù)原來形狀，不留任何殘余變形。而且，材料服從虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。

1.1.3均勻性假定

假設(shè)物體是均勻的。就是說整個物體是由同一種質(zhì)地均勻的材料組成的。這樣，整個物體的所有部分才具有相同的物理性質(zhì)，因而物體的彈性模量和泊松比才不隨位置坐標而變。

1.1.4各向同性假定（彈性力學(xué)）

假定物體內(nèi)一點的彈性性質(zhì)在所有各個方向都相同，彈性常數(shù)（E、μ）不隨坐標方向而變化；

1.1.5小變形假定

假設(shè)物體的變形是微小的。即物體受力以后，整個物體所有各點的位移都小于物體的原有尺寸，因而應(yīng)變和轉(zhuǎn)角都遠小于1?？捎米冃吻暗某叽绱孀冃魏蟮某叽纾⒎匠虝r，可略去高階微量

1.2應(yīng)力狀態(tài)理論

應(yīng)力的概念的提出用到了數(shù)學(xué)上極限的概念，定義為微小面元上的內(nèi)力矢量。在微觀層面，我們研究的是一點的應(yīng)力狀態(tài)。在宏觀層面，根據(jù)物體所受的面力和體力以及其與坐標軸的關(guān)系，將物體的應(yīng)力狀態(tài)分為平面應(yīng)力問題、平面應(yīng)變問題及空間應(yīng)力問題。平面應(yīng)力問題是指物體在一個方向上的尺寸很小，且外荷載沿該方向的厚度均勻分布（如矩形薄板）；平面應(yīng)變問題則是物體在一個方向上的尺寸很大，外荷載沿該方向為常數(shù)（如水壩）。空間應(yīng)力問題則是一般普遍的情形。對應(yīng)力的分析應(yīng)用靜力學(xué)的理論可以得到求解彈塑性力學(xué)的平衡微分方程。

1.3應(yīng)變狀態(tài)理論

在外力、溫度變化或其他因素作用下，物體內(nèi)部各質(zhì)點將產(chǎn)生位置的變化，即發(fā)生位移。物體內(nèi)各質(zhì)點發(fā)生位移后，如果仍保持各質(zhì)點間初始狀態(tài)的相對位置，則物體僅發(fā)生剛體位移，如果改變了各點間初始狀態(tài)的相對位置，則物體還產(chǎn)生了形狀的變化，包括體積改變和形狀改變，物體的這種變化稱為物體的變形。在彈塑性力學(xué)中，用應(yīng)變的概念來描述物體變形，在已知物體位移的情況下，通過幾何學(xué)工具，結(jié)合小變形假設(shè)條件，可推導(dǎo)出求解彈塑性力學(xué)的幾何方程。

1.4本構(gòu)理論： 本構(gòu)理論探討的是物體受到外力作用時應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，這是研究彈塑性力學(xué)非常重要的理論。對物體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究首先總是通過實驗的手段得來，當我們發(fā)現(xiàn)物體處于線彈性階段時，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可以通過胡克定律來描述，具體而言又可分為各向同性材料、各向異性材料、對稱性材料等。

當受力物體某點的應(yīng)力狀態(tài)滿足屈服條件是，該點已經(jīng)進入塑性階段，此時應(yīng)力與應(yīng)變不再呈現(xiàn)出線性關(guān)系，對于該點彈性本構(gòu)關(guān)系不再適用。在塑性階段，應(yīng)變狀態(tài)不但與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且還依賴于整個應(yīng)力歷史（應(yīng)力點移動的過程），由于應(yīng)力歷史的復(fù)雜性，很難建立一個能包括各種變形歷史影響的全量形式的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，只能建立應(yīng)力與應(yīng)變增量之間的塑性本夠關(guān)系。當結(jié)構(gòu)材料進入塑性狀態(tài)之后，應(yīng)力點位于屈服面上，此時材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系將根據(jù)加載與卸載的不同情況而服從不同的規(guī)律。若為卸載，則施加的應(yīng)力增量將使應(yīng)力點從屈服面上回到屈服面內(nèi)，增量應(yīng)力與增量應(yīng)變之間仍服從胡克定律。若為加載，則所施加的增量應(yīng)力將使應(yīng)力點在屈服面上移動或移動到新的屈服面上，此時材料的本構(gòu)關(guān)系服從增量理論。

當個應(yīng)變分量自始至終都按同一比例增加或減少時，應(yīng)變強度增量可以積分求得應(yīng)變強度，從而建立全量理論的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

1.5 邊界條件（圣維南原理）

邊界條件表示在邊界上位移與約束，或應(yīng)力與面力之間的關(guān)系式。邊界條件分為應(yīng)力邊界條件、位移邊界條件、混合邊界條件，求解彈性力學(xué)問題時，使應(yīng)力分量、形變分量、位移分量完全滿足8個基本方程相對容易，但要使邊界條件完全滿足，往往很困難。這時，圣維南原理可為簡化局部邊界上的應(yīng)力邊界條件提供恒大的方便。圣維南原理描述如下：如果物體一小部分邊界面上的面力是一個平衡力系（主矢量及主矩都等于零），那么這個面力就會使近處產(chǎn)生顯著的應(yīng)力，而遠處的應(yīng)力可以不計。

2.材料力學(xué)性質(zhì)模型(1)彈性材料

彈性材料是對實際固體材料的一種抽象，它構(gòu)成一個近似于真實材料的理想模型。彈性材料的特征是：物體在變形過程中，對應(yīng)于一定的溫度，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈 一一對應(yīng)的關(guān)系，它和載荷的持續(xù)時間及變形歷史無關(guān)；卸載后，類變形可以完全恢復(fù)。在變形過程中，應(yīng)力與應(yīng)變之司呈線性關(guān)系，即服從胡克(Hooke R)規(guī)律的彈性材料稱為線性彈性材料；而某些金屬和塑料等，其應(yīng)力與應(yīng)變之間呈非線性性質(zhì)，稱為非線性彈性材料。材料彈性規(guī)律的應(yīng)用，就成為彈性力學(xué)區(qū)別于其它固體力學(xué)分支學(xué)科的本質(zhì)特征。

(2)塑性材料

塑性材料也是固體材料約一種理想模型。塑性材料的特征是：在變形過程中，應(yīng)力和應(yīng)變不再具有一一對應(yīng)的關(guān)系，應(yīng)變的大小與加載的歷史有關(guān)，但與時間無關(guān)；卸載過程中，應(yīng)力與應(yīng)變之間按材料固有的彈性規(guī)律變化，完全卸載后，物體保持一定的永久變形、或稱殘余變形。部分變形的不可恢復(fù)性是塑性材料的基本特征。

(3)粘性材料

當材料的力學(xué)性質(zhì)具有時間效應(yīng)，即材料的力學(xué)性質(zhì)與載荷的持續(xù)時間和加載速率相關(guān)時，稱為粘性材料。實際材料都具有不同程度的粘性性質(zhì)，只不過有時可以略去不計。求解方法

在彈彈塑性力學(xué)里求解問題，主要有三種基本方法，分別是按位移求解、按應(yīng)力求解和按能量原理求解。

2.1位移法

它以位移分量為基本未知函數(shù)，從方程和邊界條件中消去位移分量和形變分量，導(dǎo)出只含位移分量的方程和相應(yīng)的邊界條件，并由此解出位移分量，然后再求出形變分量和應(yīng)力分量。位移法能適應(yīng)各種邊界條件問題的求解。

2.2應(yīng)力法

它以應(yīng)力分量為基本未知函數(shù)，從方程和邊界條件中消去位移分量和形變分量，導(dǎo)出只含應(yīng)力分量的方程和相應(yīng)的邊界條件，并由此解出應(yīng)力分量，然后再求出形變分量和位移分量。按應(yīng)力法求解平面問題時，需要滿足相容方程，它是偏微分方程，由于不能直接求解，則只能采用逆解法或半逆解法。

所謂逆解法，就是先設(shè)定各種形式的、滿足相容方程的應(yīng)力函數(shù)?，從而求出應(yīng)力分量。然后根據(jù)應(yīng)力邊界條件來考察，在各種形狀的彈性體上，這些應(yīng)力分量對應(yīng)于什么樣的面力，從而得知所設(shè)定的應(yīng)力函數(shù)可以解決什么問題。所謂半逆解法，就是針對所要解的問題，根據(jù)彈性體的邊界形狀和受力情況，假設(shè)部分或全部應(yīng)力分量為某種形式的函數(shù)，從而推出應(yīng)力函數(shù)?，然后來考察這個應(yīng)力函數(shù)是否滿足相容方程以及原來假設(shè)的應(yīng)力分量和由這個應(yīng)力函數(shù)求出其他應(yīng)力分量，是否滿足應(yīng)力邊界條件和位移單值條件。

2.3能量原理

由以上的方法可以解決梁的彎曲、薄板彎曲、厚壁圓筒、孔邊應(yīng)力等問題的求解，然而只有對一些特殊結(jié)構(gòu)在特定加載條件下才能找到精確解，而對于一般的力學(xué)問題，如空間問題，在給定邊界條件時，求解極其困難，而且往往是不可能的。為解決這些問題，數(shù)值解法的應(yīng)用就有重要的意義，如有限元法、邊界元法等，這些解法的依據(jù)都是能量原理。

虛位移原理，在外力作用下處于平衡狀態(tài)的可變形體，當給予物體微小虛位移時，外力在虛位移上所做的虛功等于物體的虛應(yīng)變能。

虛功原理，當物體在已知體力和面力作用下處于平衡狀態(tài)時，微小虛面力在實際位移所做的虛功，等于虛應(yīng)力在真實應(yīng)變所產(chǎn)生的虛應(yīng)變余能。

最小勢能原理，即給定外力作用下保持平衡的彈性體，在滿足位移邊界條件的位移場中，真實的位移場使其總勢能能取最小值。

最小余能原理，在所有滿足平衡方程和應(yīng)力邊界條件的靜力許可的應(yīng)力場中，真實的應(yīng)力場使余能取最小值。

3總結(jié)

彈塑性力學(xué)作為固體力學(xué)的一個重要分支，是我們認識物體受力時應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的重要基礎(chǔ)理論，是分析和解決許多工程技術(shù)問題的基礎(chǔ)和依據(jù)。結(jié)合本專業(yè)，樹立土的本構(gòu)模型概念，在有限元計算中根據(jù)實際問題選取合適的本構(gòu)模型對于問題的求解具有重要意義。

第五篇：金屬實習報告

認 識 實習心 得 體 會

本實習的目的就是要讓學(xué)生對于材料的新材料和表面處理兩個方向在生產(chǎn)中的實際應(yīng)用有一個感性認識，通過教師和工程技術(shù)人員的當堂授課以及工人師傅門的現(xiàn)場現(xiàn)身說法全面而詳細的了解相關(guān)材料工藝過程。實習的過程中，學(xué)會從技術(shù)人員和工人們那里獲得直接的和間接地生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，積累相關(guān)的生產(chǎn)知識。通過人事實習，學(xué)習本專業(yè)方面的生產(chǎn)實踐知識，為專業(yè)課學(xué)習打下堅實的基礎(chǔ)，同時也能夠為畢業(yè)后走向工作崗位積累有用的經(jīng)驗。實習還能讓我們早些了解自己專業(yè)方面的知識和專業(yè)以外的知識，讓我們也早些認識到我們將面臨的工作問題，讓我明白了以后讀大學(xué)是要很認真的讀，要有好的專業(yè)知識，才能為好的實際動手能力打下堅實的基礎(chǔ)，更讓我明白了以后要有一技之長，才能迎接以后的挑戰(zhàn)，也讓我們知道了大學(xué)是為我們順應(yīng)科學(xué)發(fā)展的墊腳石和自身發(fā)展的機會。

這次實習是金屬材料工程專業(yè)的認識實習，是學(xué)生完成學(xué)業(yè)的基本實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實習任務(wù)是：（1）讓學(xué)生全面充分了解本專業(yè)所涉及的有關(guān)材料領(lǐng)域的基本情況，充分認識材料行業(yè)在整個國民經(jīng)濟中的重要地位和作用；（2）比較全面地了解主要材料行業(yè)的原料特點、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)方法及產(chǎn)品的應(yīng)用范圍；（3）了解國內(nèi)材料行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景。（4）鞏固所學(xué)基本知識、基本理論，為后續(xù)課程的學(xué)習打下良好的基礎(chǔ)。

我們需要學(xué)到的是通過現(xiàn)場參觀了解到以下的幾個方面： 1.某些產(chǎn)品的制造生產(chǎn)過程。2.通過老師講解認識幾種生產(chǎn)設(shè)備。3.了解典型零部件的裝配工藝。4.參觀工廠的先進設(shè)備及特種加工，以擴大學(xué)生的專業(yè)知識面以及對新工藝、新技術(shù)的了解。5.參觀工廠車間。6.學(xué)會聯(lián)系自己所學(xué)知識，解釋生產(chǎn)中的一些細節(jié)。

安全教育 ：1.不許觸摸車間的材料和工件，以防燙傷2.不許在吊車下行走，以防工件墜落砸傷 3.不許不戴安全帽進廠4.不許拍照，不許向外泄密5.不許圍觀，影響正常生產(chǎn) 6.不許遲到、早退、缺勤7.遵守單位的工作和生活制度8.遵守紀律，不許在工廠內(nèi)追逐、打鬧 9.離工作的機器要在安全距離之外，防止一些廢料、飛濺飛出傷及身體。10.非工作原因夜間不得擅自離開實習單位或居住地外出活動。

實習第一天，我們參觀的鑄造廠，首先鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造毛坯因近乎成形，而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了制作時間．鑄造是現(xiàn)代裝置制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。

鑄造工藝通常包括:鑄型（使液態(tài)金屬成為固態(tài)鑄件的容器）準備，鑄型按所用材料可分為砂型、金屬型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次數(shù)可分為一次性型、半永久型和永久型，鑄型準備的優(yōu)劣是影響鑄件質(zhì)量的主要因素；鑄造金屬的熔化與澆注，鑄造金屬（鑄造合金）主要有各類鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色金屬及合金；鑄件處理和檢驗，鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防銹處理和粗加工等。

第二天我們參觀了熱處理車間，其環(huán)境并不像我想象的那么差，雖然有的小車間是需要帶上防塵口罩才能進的，但是個數(shù)很少。與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的，所以，它是機械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的?！八陌鸦稹?，退火、正火、淬火跟回火?！八陌鸦稹彪S著加熱溫度跟 冷卻方法的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得必定的強度跟韌性，把淬火跟高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火構(gòu)成過飽跟固溶體后，將其置于室溫或稍高的恰當溫度下保持較長時光，以進步合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。把壓力加工形變與熱處理有效而周到地結(jié)合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氛圍或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件名義光潔，進步工件的性能，還可能通進滲劑進行化學(xué)熱處理。他們的設(shè)備大多是我們在課堂上接觸過的，當然也有很多自動化設(shè)備或是比我們看過的更大型或是功能性更強大或是根本沒有接觸過的。實習的收獲也就變的大了很多。看見廠房中的天車來來回回運輸那么多的大型零件就知道它的作用是很強大的，它的使用會減輕工人們的負擔更大大提高了工作效率。此車間對零件的表面熱處理能力很強，在全國也可謂是數(shù)一數(shù)二的，具有對工件進行鍍鉻、鍍鋅、鍍鎘、鍍銅、鍍錫、鉛、仿金電鍍、氧化、鋅磷鹽處理、酸洗處理、電解加工等能力。當然，其熱處理能力也是很嫻熟的，師傅們帶領(lǐng)我們參觀了大型井式熱處理爐及其它形式熱處理爐，它們可對各種毛坯按不同工藝要求進行正火、回火和淬火及調(diào)質(zhì)處理。所以熱處理并不是簡單的加熱、保溫、冷卻的過程，其中的每個環(huán)節(jié)的控制也是至關(guān)重要的，而且操作起來要有一定的技巧才能生產(chǎn)出好的零件。金屬熱處理是機械制造中的重要過程之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的，所以，它是機械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。

所用設(shè)備；箱式爐，壁式爐，井式爐，齒輪等盤式零件用井式掛具，軸類零件用盤式掛具。其中箱式爐與壁式爐區(qū)別是加熱臺可不可以移出。

之后我們參觀了鍛造車間，耳中回蕩的盡是“當當”的撞擊聲。進入之后看到的和在學(xué)校的教學(xué)影片中看得的機器有很多一樣，當然也不乏有很多沒見識過的。車間里一部分正在工作，還有一部分停機中。不同的鍛造方法有不同的流程，其中以熱模鍛的工藝流程最長，一般順序為：鍛坯下料；鍛坯加熱；輥鍛備坯；模鍛成形；切邊；沖孔；矯正；中間檢驗，檢驗鍛件的尺寸和表面缺陷；鍛件熱處理，用以消除鍛造應(yīng)力，改善金屬切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矯正；檢查，一般鍛件要經(jīng)過外觀和硬度檢查，重要鍛件還要經(jīng)過化學(xué)成分分析、機械性能、殘余應(yīng)力等檢驗和無損探傷。鍛壓是鍛造車間最重要進行的工序把持，對坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形改變尺寸、外形及性能，用以制造毛坯、機械整機的成形加工方法。是鍛造與沖壓的總稱。在鍛造加工中，坯料整體產(chǎn)生明顯的塑性變形，有較大量的塑性活動；在沖壓加工中，坯料重要通過改變各部位面積的空間地位而成形，其內(nèi)部不呈現(xiàn)較大間隔的塑性活動。鍛壓重要用于加工金屬制件，也可用于加工某些非金屬，如工程塑料、橡膠、陶瓷坯、磚坯以及復(fù)合材料的成形等。鍛壓跟 冶金產(chǎn)業(yè)中的軋制、拔制等都屬于塑性加工，或稱壓力加工，但鍛壓重要用于生產(chǎn)金屬制件，而軋制、拔制等重要用于生產(chǎn)板材、帶材、管材、型材跟 線材等通用性金屬材料。

在這個科技時代中，高技術(shù)產(chǎn)品品種類繁多，生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程也各不相同，但不管何種產(chǎn)品，從原料加工到制成產(chǎn)品都是遵循一定的生產(chǎn)原理，通過一些主要設(shè)備及工藝流程來完成的。因此，在專業(yè)實習過程中，首先要了解其生產(chǎn)原理，弄清生產(chǎn)的工藝流程和主要設(shè)備的構(gòu)造及操作。因此，在專業(yè)實習過程中，首先要了解其生產(chǎn)原理，弄清生產(chǎn)的工藝流程和主要設(shè)備的構(gòu)造及操作。

在這兩個星期中，我們不僅僅學(xué)到了一些實際的知識，更真實的認識到以后的工作環(huán)境和工作內(nèi)容。在這今天的實習生活中，我們參觀了佳木斯聯(lián)合收割機廠，中唯實業(yè)有限公司，龍嘉股份有限公司，暢通公司等大型工廠。在這些工廠里，我們看見了許多國內(nèi)國際上都比較先進的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線。我們和一些經(jīng)驗豐富的老師傅交流，對我們以后的工作學(xué)習得到了很多的幫助。我覺得這次的生產(chǎn)實習對我們找工作也是有很大的好處，它使我們對以后的工作環(huán)境進行了一個提前的熟悉。

在本次認識學(xué)習中，我發(fā)現(xiàn)了許多自身不足的地方：

1、缺乏經(jīng)驗，很多的時候問問題的時候不能分清主次，有些時候和工作人員交流的時候不能正確的表達自己的問題。

2、實習態(tài)度仍不夠積極，在實習中僅僅滿足于能夠完成布置的任務(wù)，沒有在完成任務(wù)的同時自己主動去學(xué)習一些對自己有用的東西。不學(xué)習的時候就會松懈，不能做到主動學(xué)習，這主要還是因為懶惰在作怪，在今后的學(xué)習生活中，我要努力克服這個壞習慣。

3、掌握的知識不夠充足“ 書到用時方恨少”這句話是很有道理的，在認識學(xué)習中讓我深刻的認識到了自己自身知識儲備的不足。如果沒有充分的理論知識就沒有辦法在實際的生產(chǎn)中把理論知識更好的運用到實際中去。短短的一個星期的時間，我們自實習中充實地度過了，我們學(xué)習的知識雖然不是很多，但通過這次的認識實習讓我明白了“學(xué)海無涯”的道理，實際生活中還有很多很多的技能需要我去學(xué)習，只有發(fā)揚“苦作舟”的精神，我才能夠?qū)⒆约旱乃枷胛溲b起來。否則，我們將來恐怕只能是趙括的“紙上談兵”。