[科普中國(guó)]-光塑性

定義

介質(zhì)彈性變形產(chǎn)生的雙折射效應(yīng)是光彈性方法的物理基礎(chǔ)。塑性變形是在彈性變形的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的，由此可知，塑性變形時(shí)也能觀察到雙折射現(xiàn)象。這樣就有可能建立研究塑性變形問題的實(shí)驗(yàn)方法。這種方法的物理基礎(chǔ)與光彈性方法一樣，是利用形狀改變過程中物質(zhì)動(dòng)力單位，如原子、分于、大分子的可逆位移所產(chǎn)生的雙折射效應(yīng)來(lái)研究物體的塑性變形，這種實(shí)驗(yàn)方法稱為光塑性方法。1

應(yīng)用光塑性的基本任務(wù)按研究的目的可分為兩大類，即：

①計(jì)測(cè)和分析塑性變形體中的應(yīng)力應(yīng)變分布特性。如求出變形體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分量，得出變形體內(nèi)變形區(qū)域的劃分等。

②研究塑性變形過程中伴隨而生的各種物理現(xiàn)象。例如研究塑性流動(dòng)和破壞的機(jī)理；研究殘余應(yīng)力的本質(zhì)；研究疲勞、蠕變及接觸摩擦等問題。1

相似條件由光塑性模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為金屬材料的實(shí)際結(jié)果，除滿足通常的相似條件外，還必須滿足材料性能的物理相似條件，即：

①模型與原型材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線必須相似；

②模型與原型材料的屈服條件必須相同；

③模型與原型材料在塑性狀態(tài)下的泊松比相等；

④模型材料的粘彈性不明顯，在變形過程中雙折射效應(yīng)與應(yīng)變呈線性關(guān)系，光學(xué)松弛與力學(xué)松弛極限要相同。

例如，硝化賽璐珞和聚碳酸脂等材料基本上滿足上述模擬條件。適當(dāng)選擇拉伸應(yīng)變速度，可使賽璐珞材料與鋁合金等材料的應(yīng)力——應(yīng)變曲線相似。對(duì)聚碳酸脂材料的研究也表明，它與低碳鋼等材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，如圖2所示。許多研究證明，上述兩種材料在塑性變形狀態(tài)下的泊松比都等于0.5。

光塑性分類按模型材料的不同，光塑性方法大致可分成三大類：

①以非晶形高聚物為模型的光塑性方法；

②以多晶材料為模型的光塑性方法；

③光敏薄層貼片法。

迄今為止研究得最廣泛的是以非晶形高聚物為模型的光塑性方法。過去曾用賽璐珞、聚碳酸酯、聚酯樹脂等材料進(jìn)行過研究。

多晶材料主要是指被稱為‘透明金屬’的鹵化銀之類的合金，有可能用于模擬金屬的細(xì)觀力學(xué)行為。由于受到材料制造和尺寸等因素的限制，發(fā)展緩慢。

光敏薄層貼片法是光彈性貼片法推廣應(yīng)用于計(jì)測(cè)彈塑性變形的方法，它的局限性是只能計(jì)測(cè)外露表面的彈塑性變形。

通常所理解的光塑性一般是以前兩種材料為模型的實(shí)驗(yàn)方法，是以非線性雙折射和非彈性變形的模型材料為基礎(chǔ)的。1

光塑性與光彈性的區(qū)別光塑性方法雖然和光彈性方法都以同一物理現(xiàn)象作為基礎(chǔ)，都是根據(jù)光的雙折射效應(yīng)提出來(lái)的，但它和光彈性方法有著原則上的差別。其差別主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

①光彈性方法是模擬彈性變形過程，并解決模型應(yīng)力不超過彈性極限時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)問題的。因此模型的本構(gòu)方程可用虎克定律來(lái)描述，此定律對(duì)于各向同性性質(zhì)的模型材料只包含兩個(gè)彈性常數(shù)——楊氏模量和泊松比。光塑性方法是模擬塑性變形過程的，即解決在模型應(yīng)力或應(yīng)變超過彈性極限以后塑性狀態(tài)的應(yīng)力和應(yīng)變問題。這時(shí)，模型的本構(gòu)方程必須用塑性規(guī)律來(lái)描述。塑性規(guī)律有各種各樣的形式，一般都比較復(fù)雜，且塑性變形的規(guī)律與材料本身的性質(zhì)和變形的條件緊密相關(guān)。因此，在光塑性實(shí)驗(yàn)中，模型材料的本構(gòu)方程一般來(lái)講是各不相同的，對(duì)它的描述比較復(fù)雜，很難找到確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

②光塑性方法對(duì)模型材料的要求比光彈性方法更高。光彈性方法要求模型材料必須具有透明、均質(zhì)；在自然狀態(tài)下是各向同性的、處于受力狀態(tài)時(shí)有雙折射效應(yīng)；光學(xué)靈敏度要求比較高；應(yīng)力或應(yīng)變與雙折射效應(yīng)(等差線條紋)之間存在著線性對(duì)應(yīng)關(guān)系等基本特點(diǎn)。適合用作光塑性模型的材料，除了必須具備上述基本特點(diǎn)外，還必須具有較好的塑性流動(dòng)性能和滿足相似理論所要求的其它條件。由于模型材料的不同及塑性流動(dòng)與彈性變形的差異，光塑性方法中的應(yīng)力(或應(yīng)變)光學(xué)定律與光彈性方法有本質(zhì)上的不同。

③在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法上，光塑性方法與光彈性方法也是不同的。在光彈性方法中，實(shí)驗(yàn)資料所處理是以現(xiàn)有的彈性理論為基礎(chǔ)的。在光塑性方法中，為了確定流動(dòng)區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變張量的分量，必須引用塑性理論，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的特點(diǎn)取決于模型材料的特性。

④在光塑性方法中，確定材料應(yīng)變條紋值的實(shí)驗(yàn)方法與光彈性方法中確定材料的應(yīng)力條紋值的實(shí)驗(yàn)方法不同。

⑤在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，光塑性方法與光彈性方法相比較，有許多特殊的要求。如要求實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載，并在實(shí)驗(yàn)過程中能定出加載速度、加速度和實(shí)驗(yàn)溫度、潤(rùn)滑條件等。

⑥光塑性方法解決問題的范圍要比光彈性方法廣泛得多。如上所述，光塑性方法除了能解決關(guān)于塑性變形體的應(yīng)力應(yīng)變分析問題外，還能解決或解釋與塑性變形有關(guān)的某些其它問題。例如，它可以用來(lái)模擬金屬變形的工藝過程，主要是金屬塑性加工過程中的工藝應(yīng)力和變形問題；也可以模擬與塑性變形相關(guān)的地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和巖石力學(xué)等學(xué)科中涉及到的各類力學(xué)現(xiàn)象。

綜上所述，光塑性方法是建立在光彈性方法上的、與光彈性方法有著本質(zhì)差異的、研究塑性變形問題最有效的實(shí)驗(yàn)方法。1