材料力学基本假设的材料学意义

小小新

材料力学研究对象是工程结构构件和机器零件在外载荷作用下的变形规律和破坏失效规律，指导选材、设计、加工、组装、服役和维护保养等等操作以及失效分析，研究范围主要是构件服役要求，包括：强度要求，即在规定载荷作用下的构件不应破坏；刚度要求，即在载荷作用下，构件应有足够的抵抗变形的能力；稳定性要求，即构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。为了满足力学性能要求，相对于力学计算基础的理想刚体材料，对构件材料提出以下变形固体的材料力学的基本假设：

1.材料的变形假设，即构件变形限制于材料的小弹性变形范围内，这样可以安全地进行强度设计；

2.材料连续性假设，即认为组成材料的物质不留空隙地充满了材料的体积；

3.材料均匀性假设，即认为材料内部物质分布均匀具有相同的力学性能；

4.材料各向同性假设，即认为材料内部任和方向的力学性能都是相同的。

因为金属材料的物理状态和工程实际的服役使用条件与理想的力学状态有偏差，提出这些假设，可以在一定的边界范围内近似应用弹性力学、塑性力学定律对材料内部应力应变进行各种力学分析，满足构件的强度要求。


先看第一条，变形假设要求构件材料承载时变形很小，即限定小弹性变形范围以保证材料卸载后构件恢复原状，不能因为变形而卡死机器或增加摩擦消耗额外功率。这样可以方便地应用虎克定律进行名义计算，或进一步应用有限元方法进行构件内部应力分布状态分析，实现合理的强度设计。通常机器中的变形量小到肉眼不能观察出来，但是相反的一个例子是客机飞行时机翼的上下摆动是可以明显观察到的，因为有足够的机翼摆动空间而不影响其他构件的运作同时变形仍旧处于弹性变形范围内，所以还是允许的。


提出反面的实例可能帮助对假设条件2的理解，一个实例是灰铸铁，片状石墨因为强度接近于〇，实际上可视为空隙从而割裂了材料基体，承受拉伸载荷、弯曲载荷和扭转载荷或复合载荷时，构件内部的应力分布无法按照构件的名义几何尺寸进行强度计算和设计；铸件因为存在较多的冶金缺陷如疏松、残余缩孔等等，在强度设计时必须要留足允差；重要的构件采用锻轧材料制作，因为经过热压力塑性变形加工，前述冶金缺陷可以压实而去除，保证材料连续性假设。


在满足条件2的情况下，常用的合金材料通常为单相的固溶体状态和多相复合状态如钢中基体相铁素体和强化相渗碳体组成正火状态的显微组织，前者基本是可以认为满足条件3的假设，但是多相合金意味物质分布不均匀、相应的体积部分具有不同的力学性能。一般地，强化相以颗粒状（球状）分布的影响偏离条件3的程度最小，片状分布其次，如果以壳状或断续壳状包围基体相的形态存在时，对力学性能如强度、塑韧性的破坏影响最大。通过热处理操作可以改变强化相的分布形态，减小偏离条件3要求的均匀化程度。


对于材料各向同性的要求，一般均可以满足。虽然单个晶粒的力学性能表现出各向不同性，但是因为常用材料为多晶材料，各个晶粒在空间随机分布，构件不同方向的力学性能呈统计均匀，大小相等，材料学中称为伪各向同性。如果构件是由单晶构成的，则设计时须按照最大承载方向与结合力最大的晶向一致，以充分发掘利用材料的性能，譬如先进的汽轮机叶片是由单晶体制成，采用合理的凝固结晶工艺，叶片长度方向可以保证于叶片最大受力一致，最大限度利用合金材料强度潜力。
www.wlmqnxw.com/
www.hhhtnxw.com/