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材料力學基本假設的材料學意義

來源：天氏庫力發布日期 2019-11-26 瀏覽：

材料力學研究對象是工程結構構件和機器零件在外載荷作用下的變形規律和破壞失效規律，指導選材、設計、加工、組裝、服役和維護保養等等操作以及失效分析，研究范圍主要是構件服役要求，包括：強度要求，即在規定載荷作用下的構件不應破壞；剛度要求，即在載荷作用下，構件應有足夠的抵抗變形的能力；穩定性要求，即構件應有足夠的保持原有平衡形態的能力。為了滿足力學性能要求，相對于力學計算基礎的理想剛體材料，對構件材料提出以下變形固體的材料力學的基本假設：

材料力學基本假設的材料學意義

1.材料的變形假設，即構件變形限制于材料的小彈性變形范圍內，這樣可以安全地進行強度設計；

2.材料連續性假設，即認為組成材料的物質不留空隙地充滿了材料的體積；

3.材料均勻性假設，即認為材料內部物質分布均勻具有相同的力學性能；

4.材料各向同性假設，即認為材料內部任和方向的力學性能都是相同的。

因為金屬材料的物理狀態和工程實際的服役使用條件與理想的力學狀態有偏差，提出這些假設，可以在一定的邊界范圍內近似應用彈性力學、塑性力學定律對材料內部應力應變進行各種力學分析，滿足構件的強度要求。

先看第一條，變形假設要求構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件恢復原狀，不能因為變形而卡死機器或增加摩擦消耗額外功率。這樣可以方便地應用虎克定律進行名義計算，或進一步應用有限元方法進行構件內部應力分布狀態分析，實現合理的強度設計。通常機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飛行時機翼的上下擺動是可以明顯觀察到的，因為有足夠的機翼擺動空間而不影響其他構件的運作同時變形仍舊處于彈性變形范圍內，所以還是允許的。

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

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和多相復合狀態如鋼中基體相鐵素體和強化相滲碳體組成正火狀態的顯微組織，前者基本是可以認為滿足條件3的假設，但是多相合金意味物質分布不均勻、相應的體積部分具有不同的力學性能。一般地，強化相以顆粒狀（球狀）分布的影響偏離條件3的程度最小，片狀分布其次，如果以殼狀或斷續殼狀包圍基體相的形態存在時，對力學性能如強度、塑韌性的破壞影響最大。通過熱處理操作可以改變強化相的分布形態，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性能表現出各向不同性，但是因為常用材料為多晶材料，各個晶粒在空間隨機分布，構件不同方向的力學性能呈統計均勻，大小相等，材料學中稱為偽各向同性。如果構件是由單晶構成的，則設計時須按照最大承載方向與結合力最大的晶向一致，以充分發掘利用材料的性能，譬如先進的汽輪機葉片是由單晶體制成，采用合理的凝固結晶工藝，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度潛力。