由Bridgman实验可知,屈服面在应力空间是与静水压力线相平行的柱面。
应力空间的原点对应零应力状态,零应力状态材料是安全的,因此屈服面是包括原点在内的。
屈服面是外凸的,若是内凹的,就产生了一个方向加载时材料的多次初始屈服,这是不可能存在的,因此屈服面必须是外凸的。
对于各向同性材料,交换应力坐标轴不影响变形性质,因此,三个应力坐标轴在偏平面上的投影轴把偏平面等分为6个角形区,即屈服线是对称的6段线。
如果材料没有初始的包辛格效应,此时拉压屈服应力绝对值相同,因此应力关于原点对称,再考虑是各向同性材料的性质,此时又有三条对称轴,这三条对称轴分别是应力轴的垂直线。
至此,各向同性的没有初始包辛格效应的材料,其π平面上的屈服线是包含原点在内的外凸的由12段相同线组成的封闭线。屈服线的具体形状由实验确定,实验时只需测试Lode角在30°以内变化的屈服点即可,将这些屈服点连起来就是屈服线。
剔除球应力后的偏应力张量,第一不变量为零,即静水压力是零,它和屈服是没有关系的。有关系的是第二不变量和第三不变量。第二不变量反映剪应力特征的大小,而第三不变量不仅反映剪应力特征,而且反映力的方位。
最简单的屈服条件就是只考虑剪应力强度,当剪应力强度达到一定数值时材料屈服,屈服线在π平面上是一个圆,在主应力空间,屈服面是等截面的柱面。圆这种屈服线是连续光滑的,数学处理上方便,而且无论用主应力还是一般应力状态表示屈服条件都很方便使用。缺点是屈服线的非线性,计算上略繁琐。这个屈服条件就是Mises屈服条件,又称三剪应力屈服条件,实验证明是最精确的。
还有两个常用的屈服条件,这就是最大剪应力屈服条件(单剪应力屈服条件)和最大偏应力屈服条件(双剪应力屈服条件)。这两个条件在偏平面上都是分段线性的正六边形,它们分别是Mises圆的上限和下限。如果已知主应力的大小关系,应用这两个条件都是很方便的,而一般应力状态的屈服判定就很繁琐了。虽然这两个屈服条件不仅考虑了剪应力强度,而且考虑了力的方位影响,但实验证明却是误差较大的,加上正六边形的分段光滑性,数学处理也有困难,只有已知主应力相对大小关系时才方便应用。
历史上的屈服条件证明实验有两种,分别是薄壁管的拉和内压的联合作用,以及薄壁管的拉和扭的联合作用。采用薄壁管,这使管中任一点的应力尽量相同,便于实验验证。
前面介绍了常见的屈服函数。如何应用这些屈服函数呢?
比如,受内压的封闭薄壁圆筒,分析任一点的应力状态,各应力分量已知后,计算主应力和主偏应力,以及剪应力特征的那些不变量中的任意一个量,当这些量的组合值达到一定数值时该点就会屈服。
因此,要确定某结构的安全承载力范围,首先确定材料屈服满足的屈服函数是什么,然后确定在外荷载作用下任一点的应力/应变分量,找出最危险的点并计算这一点的应力/应变水平,最后用屈服条件判定该点是否安全。
以上讨论了初始屈服函数。如果材料是理想塑性的,初始屈服函数就是后继屈服函数。如果考虑强化,则后继屈服函数就是一个随时变化的函数,屈服函数不仅与应力/应变有关,还与塑性变形历史有关。历史上后继屈服函数也是经过实验验证的。
后继屈服函数又称加载面,即在此面上,应力水平继续增大,就会产生新的塑性应变。加载面函数影响因素有两部分,一部分是应力/应变,一部分是塑性变形的历史,这两部分是有关联的,称此关联为一致性条件。塑性变形历史可用塑性应变强度或塑性功来表示。
强化分为两种类型,简单的强化模型是等向强化模型,即一个方向的强化使其它方向也同等的强化。
复杂的强化模型是随动强化模型,这也是实验验证更合理的模型。此时加载面的中心是变化的,常见的变化规律有线性随动强化模型和Ziegler模型,还有更复杂的Armstrong模型。
考虑强化的后继屈服函数,如何应用呢?这里举一个简单的例子。
线性强化的薄壁圆管,先进行扭转实验,卸载后测得残余应变。若对此管再进行拉伸试验,求后继拉伸时的屈服应力。
首先选择屈服函数,比如假定材料屈服满足Mises函数。再考虑强化模型,比如选择等向强化模型时,线性强化材料的拉伸应力应变曲线是确定的,根据扭转时的应力计算塑性应变强度,而卸载不影响塑性应变强度,将其带入拉伸的应力应变关系,即可以得到后继屈服应力了。
若采用随动强化模型,写出σij形式的后继屈服函数,再把拉伸的应力分量带入,即可求出后继屈服应力了。
从这个例题可以看出,Mises屈服函数有各种表达形式,因此应用方便。若用其它两个屈服函数,则要求出主应力后才方便判定屈服。
至此介绍了一点弹性范围确定的三种方法:最大剪应力函数、最大偏应力函数和剪应力强度函数。
已知了一点弹性范围,当应力达到弹性边界时,此时卸载,应力应变关系符合增量型的胡克定律;而如果继续加载,应力和应变关系如何呢?这将是下一讲的内容。