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光塑性

发布时间:2023-09-15 11:12:17

光塑性

光塑性法是指建立在经典光弹性概念基础上,应用合适的聚合物材料制作模型进行实验,利用双折射效应原理研究物体的弹塑性应力、应变状态的实验方法,可模拟原型结构或构件的塑性变形过程,并利用塑性变形时记录所得的应力图象,解决超过弹性极限时的应力分析问题。还可以研究塑性流动的一些物理现象,如流动和破坏的观察,研究残余应力、蠕变和松弛等问题。

光塑性定义

介质弹性变形产生的双折射效应是光弹性方法的物理基础。塑性变形是在弹性变形的基础上产生和发展的,由此可知,塑性变形时也能观察到双折射现象。这样就有可能建立研究塑性变形问题的实验方法。这种方法的物理基础与光弹性方法一样,是利用形状改变过程中物质动力单位,如原子、分于、大分子的可逆位移所产生的双折射效应来研究物体的塑性变形,这种实验方法称为光塑性方法。

光塑性应用

光塑性的基本任务按研究的目的可分为两大类,即:

①计测和分析塑性变形体中的应力应变分布特性。如求出变形体内任一点的应力应变分量,得出变形体内变形区域的划分等。

②研究塑性变形过程中伴随而生的各种物理现象。例如研究塑性流动和破坏的机理;研究残余应力的本质;研究疲劳、蠕变及接触摩擦等问题。

光塑性相似条件

由光塑性模型实验结果转化为金属材料的实际结果,除满足通常的相似条件外,还必须满足材料性能的物理相似条件,即:

①模型与原型材料的真应力-真应变曲线必须相似;

②模型与原型材料的屈服条件必须相同;

③模型与原型材料在塑性状态下的泊松比相等;

④模型材料的粘弹性不明显,在变形过程中双折射效应与应变呈线性关系,光学松弛与力学松弛极限要相同。

例如,硝化赛璐珞和聚碳酸脂等材料基本上满足上述模拟条件。适当选择拉伸应变速度,可使赛璐珞材料与铝合金等材料的应力——应变曲线相似。对聚碳酸脂材料的研究也表明,它与低碳钢等材料的应力-应变曲线相似,如图1所示。许多研究证明,上述两种材料在塑性变形状态下的泊松比都等于0.5。

光塑性光塑性分类

按模型材料的不同,光塑性方法大致可分成三大类:

①以非晶形高聚物为模型的光塑性方法;

②以多晶材料为模型的光塑性方法;

③光敏薄层贴片法。

迄今为止研究得最广泛的是以非晶形高聚物为模型的光塑性方法。过去曾用赛璐珞、聚碳酸酯、聚酯树脂等材料进行过研究。

多晶材料主要是指被称为‘透明金属’的卤化银之类的合金,有可能用于模拟金属的细观力学行为。由于受到材料制造和尺寸等因素的限制,发展缓慢。

光敏薄层贴片法是光弹性贴片法推广应用于计测弹塑性变形的方法,它的局限性是只能计测外露表面的弹塑性变形。

通常所理解的光塑性一般是以前两种材料为模型的实验方法,是以非线性双折射和非弹性变形的模型材料为基础的。

光塑性光塑性与光弹性的区别

光塑性方法虽然和光弹性方法都以同一物理现象作为基础,都是根据光的双折射效应提出来的,但它和光弹性方法有着原则上的差别。其差别主要表现为以下几个方面:

①光弹性方法是模拟弹性变形过程,并解决模型应力不超过弹性极限时的应力状态问题的。因此模型的本构方程可用虎克定律来描述,此定律对于各向同性性质的模型材料只包含两个弹性常数——杨氏模量和泊松比。光塑性方法是模拟塑性变形过程的,即解决在模型应力或应变超过弹性极限以后塑性状态的应力和应变问题。这时,模型的本构方程必须用塑性规律来描述。塑性规律有各种各样的形式,一般都比较复杂,且塑性变形的规律与材料本身的性质和变形的条件紧密相关。因此,在光塑性实验中,模型材料的本构方程一般来讲是各不相同的,对它的描述比较复杂,很难找到确定的数学表达式。

②光塑性方法对模型材料的要求比光弹性方法更高。光弹性方法要求模型材料必须具有透明、均质;在自然状态下是各向同性的、处于受力状态时有双折射效应;光学灵敏度要求比较高;应力或应变与双折射效应(等差线条纹)之间存在着线性对应关系等基本特点。适合用作光塑性模型的材料,除了必须具备上述基本特点外,还必须具有较好的塑性流动性能和满足相似理论所要求的其它条件。由于模型材料的不同及塑性流动与弹性变形的差异,光塑性方法中的应力(或应变)光学定律与光弹性方法有本质上的不同。

③在实验数据的处理方法上,光塑性方法与光弹性方法也是不同的。在光弹性方法中,实验资料所处理是以现有的弹性理论为基础的。在光塑性方法中,为了确定流动区内任意点的应力、应变张量的分量,必须引用塑性理论,实验数据处理方法的特点取决于模型材料的特性。

④在光塑性方法中,确定材料应变条纹值的实验方法与光弹性方法中确定材料的应力条纹值的实验方法不同。

⑤在实验技术上,光塑性方法与光弹性方法相比较,有许多特殊的要求。如要求实现连续加载,并在实验过程中能定出加载速度、加速度和实验温度、润滑条件等。

⑥光塑性方法解决问题的范围要比光弹性方法广泛得多。如上所述,光塑性方法除了能解决关于塑性变形体的应力应变分析问题外,还能解决或解释与塑性变形有关的某些其它问题。例如,它可以用来模拟金属变形的工艺过程,主要是金属塑性加工过程中的工艺应力和变形问题;也可以模拟与塑性变形相关的地质学、地球物理学和岩石力学等学科中涉及到的各类力学现象。

综上所述,光塑性方法是建立在光弹性方法上的、与光弹性方法有着本质差异的、研究塑性变形问题最有效的实验方法。

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