5 材料加工力学基础

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1、第五章材料加工力学基础材料加工原理2005年春季学期2005-6-21材料加工原理1本章内容5.1概述5.2应力状态分析5.3应变状态分析5.4屈服准则5.5塑性变形时的应力应变关系5.6主应力法及其应用2005-6-21材料加工原理25.1概述材料加工的目的：将材料加工成为具有一定形状和性能的零件或构件。实现方式：（1）冷加工：只改变形状，基本上不影响材料组织与性能。（2）热加工：既改变形状，又对组织和性能有影响材料加工原理围绕影响性能的各个因素（成分、组织、应力状态、缺陷或缺欠）介绍其物理冶金、化学冶金与力学现象，其

2、基本的传热、传质和流动以及力学行为的基本规律。2005-6-21材料加工原理3具体内容（1）液态金属的性质及其改性（2）传热、传质与流动（3）金属的凝固（各种条件下的凝固规律）（4）力学行为与基础（5）化学冶金过程（6）冶金质量2005-6-21材料加工原理4要求掌握©材料加工过程中材料的成分、组织和形状会发生什么变化©这些变化对性能有何影响©哪些因素影响这些变化©如何控制这些过程、控制材料的成形和性能©举例：高强度级别、大壁厚钢管焊接时出现气孔、夹渣、裂纹和低温冲击韧性分散等问题；铝合金焊接时裂纹、气孔、成形等问题；超

3、低碳不锈钢焊条碳、硫、磷以及合金元素的控制©思维能力的训练－－实际问题的分析方法－一定假设条件下的理论2005-6-21材料加工原理55.1.1材料加工中的力学问题①不可避免，必要条件和派生，影响成形结果和缺陷的产生以及结构的性能；②基本过程和重要的研究分支；③铸造、焊接以及表面改性和热处理都有力学过程分析，而塑性加工（或压力加工）中涉及的力学问题更为复杂2005-6-21材料加工原理6主要包括①塑性变形的力学规律：涉及理论力学、材料力学、弹塑性力学以及塑性变形力学规律。②变形力的计算：需要施加多大的力才能实现所需的变形

4、。③变形极限的力学分析：如何保证不出缺陷和保证性能，与构件的变形能力有关，而变形能力又与材料和应力状态有关，变形能力不足，可能出现开裂等问题。2005-6-21材料加工原理7为什么会出现这种情况？！2005-6-21材料加工原理85.1.2热加工的力学特点①材料非线性：温度变化范围大，材料性能变化显著；②变形非线性：大变形时，力与变形非线性；③存在多种变形形式：弹性、塑性、粘性等。2005-6-21材料加工原理95.1.3本章内容5.1概述5.2应力状态分析5.3应变状态分析5.4屈服准则5.5塑性变形时的应力应变关系5

5、.6主应力法及其应用2005-6-21材料加工原理105.2应力状态分析5.2.1基本概念（1）外力：面力和体力面力：作用在物体表面上的外力体力：作用在物体每个质量上的力（重力、磁力、惯性力等）（2）内力：物质内部各质点之间的相互作用力（3）应力：单位面积上的内力，表示内力的强度，与位置和方向有关2005-6-21材料加工原理11（4）应力状态：任意一点处各个方向面上应力的集合。（5）应力状态分析：不同截面方向的应力之间的关系。（6）应力的数学定义：n∆FdF大小和方向，可以分S=lim=∆AdA解为正应力和剪应力∆A→

6、02005-6-21材料加工原理125.2.2坐标面上的应力¢任意点Q的应力状态可以用单元体的三个相互垂直的坐标平面上的九个应力分量来表示。¢正负号约定，剪应力成对定理，9个分量6个独立2005-6-21材料加工原理13一点的应力状态σ，为二阶对称应力张量ij（九个分量，六个独立）τxy=τyxσττxxyxz=τ=τστστijyxyyzyzzyττσzxzyzτzx=τxz2005-6-21材料加工原理145.2.3任意斜面上的应力2005-6-21材料加工原理155.2.3任意斜面上的应力r设斜

7、面法线N的方向余弦：rrrl=cos()N,x,m=cos(N,y),n=cos(N,z)斜面面积A，全应力r在x,y,z方向上的分量为Sx,Sy,SSz,则由静力平衡条件可以得到：∑Fz=0S=σl+τm+τnSdA−σdA⋅l−τdA⋅m−τdA⋅n=0xxyxzxxxyxzxS=τl+σm+τnSdA−τdA⋅l−σdA⋅m−τdA⋅n=0yxyyzyyxyyzyS=τl+τm+σnSdA−τdA⋅l−τdA⋅m−σdA⋅n=0zxzyzzzxzyzz2005-6-21材料加工原理162222S=S+S+Sxyz2

8、22S=τ+σrrrrrσ=S⋅N=S⋅cos(S,N)=Sl+Sm+Snxyz222()=σl+σm+σn+2τlm+τmn+τnlxyzxyyzzx2005-6-21材料加工原理175.2.4主应力及应力张量不变量τ=0¢主平面：¢主应力：作用在主平面上的正应力¢主方向：主平面法线方向（主应力轴）¢对于任一点，一