塑性力学中判断物体处于弹性状态还是处于塑性状态的判据,是物体中一点在由弹性状态转变到塑性状态时各
应力分量的组合所应满足的条件。
单向应力状态的屈服条件由
屈服极限(又称屈服应力,见材料的力学性能)表示,可由实验定出。对于屈服不明显的材料,在工程中将残余
应变为0.2%的应力值定义为条件屈服极限σ0.2,或把拉伸曲线(图1)中割线模量EY=0.7E处的应力作为条件屈服极限σY,其中E为弹性模量。这种定义方法比测定残余应变量更简便。对于一般钢材,σ0.2和σY很
接近。某些金属材料在外力作用下产生塑性变形,卸载后再加载,屈服应力会有所提高,这种现象称为材料的强化现象。提高后的屈服应力称为后继屈服应力或加载应力。复杂应力状态下的情形有所不同。
为了描述材料在复杂应力状态下开始发生破坏时的受力程度,需要引入应力空间的概念,它是以应力分量为坐标的空间,在此空间中,每个点都代表一个应力状态,应力的变化在相应的空间中给出一条曲线,称为应力路径。根据不同的应力路径所进行的实验,可以定出从弹性阶段进入塑性阶段的各个屈服应力。在应力空间中将这些屈服应力点连起来,就形成一个区分弹性区和塑性区的分界面,这个分界面称为屈服面。描述屈服面的数学表达式就是屈服条件,它对应于单向应力状态下的屈服极限。同单向应力状态一样,在经历塑性变形后,低碳钢等材料的屈服极限没有什么变化,而强化材料的后继屈服应力比初始屈服应力有所提高。这些后继屈服点连成的面称为后继屈服面或加载面。初始屈服面转为后继屈服面的变化规律称为
强化规律。
材料的初始屈服条件一般可表示为f(σij)=C,其中σij为应力分量;C为材料常数,可以通过实验测定。对于各向同性材料,屈服条件可用三个主应力 σ1、σ2、σ3表示。这样,屈服条件可简化为f(σ1,σ2,σ3)=C。在以主应力为坐标轴的主应力空间中,同对应的屈服面将空间分为两部分:包含原点的屈服面内的部分对应弹性状态(或刚性状态);在屈服面上和屈服面外的部分对应塑性状态。 根据塑性力学的简化假设, 平均正应力σm=(σ1+σ2+σ3)/3不影响屈服,所以,f在主应力空间中是以σ1=σ2=σ3的直线为轴的一个等截面柱体,截面的形状可以在平面σ1+σ2+σ3=0(称为π平面)上决定。
法国的H.特雷斯卡于1864年通过许多挤压实验研究屈服条件。他发现被挤压的金属上有许多很细的痕纹,它们的方向接近于最大剪应力的方向。他认为当最大剪应力τ达到某一极限值τY(称为剪切屈服极限)时,材料便进入屈服状态。这一屈服条件称为特雷斯卡条件或最大剪应力条件,其数学表达式为:
max(|σ1-σ2|,|σ2-σ3|,|σ3-σ1|)=2。
等式左边表示取|σ1-σ2|、|σ2-σ3|、|σ3-σ1|中的最大者。等式在π平面上是一个正六边形(图2)。
德国的R.von米泽斯于1913年提出,在π平面可用一个圆代替特雷斯卡的正六边形(图2),相应的屈服条件称为米泽斯条件,它避开了由于屈服面不光滑而带来的数学上的困难。米泽斯屈服条件的表达式为:
(σ1-σ2)+(σ2-σ3)+(σ3-σ1)=。
后来,德国的H.亨奇提出,米泽斯屈服条件意味着在物体中的形变比能等于某一极限值时,材料就进入屈服状态。因此,米泽斯屈服条件又称为最大形变比能条件。
特雷斯卡屈服条件是一个线性的代数方程,知道主应力大小的次序后,使用这个条件比较方便;但在一般情况下事先并不知道主应力大小的次序,应用米泽斯屈服条件则比较方便,不过相应地要在数学上解一个非线性方程。
德国的W.洛德于1926年用薄壁管受拉伸和内压联合作用的试验验证屈服条件,他发现,对于碳素钢和合金钢等韧性材料,米泽斯屈服条件同试验结果符合得较好。
各向异性材料的屈服条件一般比较复杂,表达式中包含有反映材料各向异性性质的特征参量。