第一篇：金属力学读书报告
金属力学读书报告
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。
强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用y表示。伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。
金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示，单位为J/cm2。冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定，即把被测材料做成标准冲击试样，用摆锤一次冲断，测出冲断试样所消耗的冲击AK，然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性。ak值越大，则材料的韧性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韧性材料。很多零件，如齿轮、连杆等，工作时受到很大的冲击载荷，因此要用ak值高的材料制造。铸铁的ak值很低，灰口铸铁ak值近于零，不能用来制造承受冲击载荷。
第一章 合金强化
从根本上讲，金属强度来源于原子间结合力。如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，此时金属的理论切变强度一般是其切变模量的1/10～1/30。而金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。造成这样大差异的原因曾是人们长期关注的课题。直到1934年，奥罗万(E.Orowan)、波拉尼M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度（和屈服强度）低于理论切变强度的本质。在有位错存在的情况下，切变滑移是通过位错的运动来实现的，所涉及的是位错线附近的几列原子。而对于无位错的近完整晶体，切变时滑移面上的所有原子将同时滑移，这时需克服的滑移面上下原子之间的键合力无疑要大得多。金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，为金属的强化提供了可能性和必要性（见形变和断裂）。可以认为实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
强化金属的方法有很多，例如冷加工、淬火以及机械热处理等；但最有效而又稳定的方法就是合金化。因为它除了强化金属以外，往往对其他性能也会有所改进，如提高淬透性、增强抗氧化能力等。一般合金化后，由于改变了组织从而强度有所提高的强化称为间接强化。合金化后直接提高了基体金属强度的称为直接强化。主要有直接强化中的固溶强化和间接强化中的弥散强化。1.1 固溶强化
融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
其影响因素影响因素主要有以下几点：
（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
固溶强化的程度主要取决于以下因素：
（1）原始原子和添加原子之间的尺寸差别。尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
（2）合金元素的量。加入的合金元素越多，强化效果越大。如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。
（3）间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。固溶强化后的金属其屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属。绝大部分情况下，其延展性低于纯金属。导电性比纯金属低很多。抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。
固溶强化按溶质原子在基体中的分布情况可分为均匀强化和非均匀强化。均匀强化是指溶质原子混乱分布于基体中时的强化作用。非均匀强化指溶质原子优先分布于晶体缺陷附近、或作有序排列时的强化。1.1.1 均匀强化
如图所示，溶质原子混乱的分布于基体中，因为位错线具有一定的弹性，故对同一种分布状态，由于不同溶质原子与位错线的相互作用不一样，位错线的运动就有（a）（b）两种，（a）为相互作用强时，位错线便感到溶质原子密集，（b）为相互作用弱时，位错线便感到溶质原子较疏。
从表面上看，因为间隙式溶质原子固溶后引起的晶格畸变大，对称性差，故应属于（a），置换式的固溶后引起的晶格畸变小，对称性高，故应属于（b）。但事实上，间隙式溶质原子在晶格中，一般总是优先于缺陷先结合，所以已不属于均匀强化的范畴。下面我们还会看到，在均匀强化中，所谓位错与溶质原子相互作用强弱的说法是有局限性的。此外，上述均匀强化的机制显然也不适用于当溶质原子分布的十分密集，以至使位错线的弹性不能发挥的地步。这时，由于位错线附近溶质原子对它的作用有正有负，故平均后，其强化作用就为零了。
目前关于均匀强化有三种理论：Mott-Nabarro理论、Fleischer理论、Feltham理论。
由Mott-Nabarro理论可得
0Gb2c5/8(lnc)2
式中，0——外加切应力；
c——溶质原子浓度；
b——固溶原子与基体原子大小差引起的错配度。
上式在一般浓度范围内c2/3(㏑c)2可近似为1，故0Gbc。此即临界切应力与溶质原子浓度成正比的关系。此外，直接用基体同溶质的Goldschmidt原子直径差△D的对数与
2d τc/dc的对数作图，（以铜合金为例），所得结果如左图所示。看来除Ni以外各合金元素，基本上靠近一斜率为2的直线附近。
Fleischer理论有两个主要的特点，一为溶质原子与基体原子的相互作用中，除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于“软”“硬”不同，即弹性模量不同而产生的影响；另一为置换原子与位错的静水张压力的相互作用中，除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的。
显然，此图要比前面的图要好得多，两者之间成很好的直线关系，其斜率也正好等于3/
2、这说明既考虑溶质原子的大小，又考虑其“软”“硬”的Fleischer理论是比只考虑溶质原子大小的Mott-Nabarro理论更符合实验事实。除此之外，Fleischer理论还强调了合金强化中螺型位错的特殊作用。
Feltham理论既给出τ
0与浓度
c的关系，又给出与形变温度T的关系。不但如此，由于激活体积是θ的函数，而θ同时又依赖于合金元素浓度和温度。正好Basinski等人最近在20多种不同浓度二元固溶合金中，发现在同一温度下，它们的激活体积与屈服应力都落在同一曲线上。1.1.2 非均匀强化
首先由于合金元素与位错的强烈相互作用，使得在晶体生长过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基本结构。这往往成为某些合金非强化的部分原因。譬如，铜中加入少量的镍，银中加入少量的金等。
此外，就目前所知非均匀强化的类型大致可分为浓度梯度强化，Cottrell气团强化，Snoek气团强化，静电相互作用强化，化学相互作用强化和有序强化等几种。
1.1.3 多重因素强化 多重因素强化是指合金中几种强化机制同时起作用的情况。以Au-Ag单晶为例，计算结果表明，当T=600K时，发现所得化学相互作用强化和短程有序强化对合金强化的贡献与实验结果符合的很好。表明Au-Ag合金单晶的强化机制为在均匀强化的基础上叠加了化学相互作用强化和短程有序强化。并且看到在低浓度时，前者起主要作用，在高浓度时，后者起主要作用。类似的多重因素强化作用在Cu-Au固溶体中也存在。1.1.4 固溶合金临界切应力与温度的关系
我们得到固溶合金的临界切应力与温度存在着如图所示的关系，可以看出，在A区低温部分有着明显的应力下降，并且此下降梯度对间隙式固溶体更为突出；B区中温部分出现一“平台”；C区高温部分应力又出现第二次下降。
关于此三区对应的机制，一般认为，低温区主要是Cottrell气团的贡献，在中温区主要是短程有序和Suzuki气团的强化作用，当温度接近高温区时，由于被破坏的溶质原子的平衡分布得以立即恢复，切应力有所降低，或者甚至变得比初始状态更为稳定，这时为进一步形变，切应力应有某些提高，从而上述平衡状态被重新破坏，如此反复就得到跳跃式流变。1.2 弥散强化
弥散强化在实际强化金属时是被广为应用的一种方法，它的特点在于不但效率高，而且热稳定性较好。获得这种强化的方法有很多，譬如相分解、时效、内氧化和粉末冶金等。
为了获得更普遍的意义，我们将弥散强化基本上分为两类，一为弥散相产生形变的，简称为第一类；另一类为弥散相不行变的，简称为第二类。一般共格的弥散相属于前者；部分共格和非共格的弥散相属于后者。但弥散相究竟形变与否显然和它的大小、形状以及试样的形变条件等都有关。1.2.1 弥散强化的机理
弥散强化机构的代表理论是位错理论。在弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服障碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。位错理论有多种模型用以讨论屈服强度、硬化和蠕变。1.2.1.1屈服强度问题（1）奥罗万机构
按照这个机构，位错线不能直接超过第二相粒子，但在外力下位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。（2）安塞尔—勒尼尔机构
安塞尔等人对弥散强化合金的屈服提出了另一个位错模型。他们把由于位错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判据。当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应力时，弥散强化合金便屈服。
GbG 屈服应力2C式中 G—第二相粒子的切变模量；
C—比例常数，可以通过理论计算，通常约为30； —弥散粒子间距；
G—基体金属的切变模量；
b—柏矢矢量。从该方程式可以得出：
（1）屈服应力与基体和弥散相的切变模量的平方根的积成正比，也就是说与基体和弥散相的本性有关；
（2）屈服应力与粒子间距的平方根成反比。
（3）柏氏矢量是位错的重要因素，屈服强度的大小直接与位错有关。1.2.1.2 蠕变问题
金属在恒定应力下，除瞬时形变外还要发生缓慢而持续的形变，称为蠕变。对于蠕变，弥散粒子的强化有两种情况。
（1）弥散相是位错的障碍，位错必须通过攀移始能越过障碍
显然，位错扫过一定面积所需的时间比纯金属要长，因而蠕变速率降低。设粒子直径为d，粒子间距为，因每次攀移时间正比于d，攀移次数反比于，因而蠕变速率与d成正比。若第二相总量不变，粒子长大总伴随着粒子间距的增大，d和是按近比例增长的，因此，在过时效以前，蠕变速率不受粒子长大的影响。
（2）第二相粒子沉淀在位错上阻碍位错的滑移和攀移
这种具有弥散相的合金的抗蠕受能力与抗回复能力有对应关系。普悦斯顿(O．Preston)等人研究内氧化法弥散强化铜时，形变烧结铜合金的回复温度几乎接近熔点，而形变纯铜的软化在低于T熔点的温度即已完成。麦克林(D．McLean)认为滑移可以在几个面和几个方向上进行。实线代表滑到纸面上的位错，虚线代表运动出纸面的位错，在粒子之间两组可以相交而形成结点。点线表示在第三种平面上的位错又可与这两组位错形成结点，结果弥散粒子被这些位错乱网所联结。由于乱网中位错密度很高，造成强烈的应变硬化；同时，粒子又阻碍这些位错的滑移与攀移，因而得以保持这种硬化状态而不产生回复。这一过程是提高耐热强度的关键，因为一般加工硬化状态是容易获得的，但要保持到高温不回复则是不容易的。1.2.2 弥散强化材料的性能
弥散相除A12O 3外，发展了以下化合物：
氧化物：A12O3、ThO2、MgO、SiO2、BeO、CdO、Cr2O3、TiO2、ZrO2以及Y2O3和澜系稀土氧化物；
金属间化合物：Ni3A1、Fe 3AI等；
碳化物、硼化物、硅化物、氮化物：WC、Mo2C、TiC、TaC、Cr3C2、B4C、SiC、TiB2、Ni2B、MoSi2、Mg2Si、TiN、BN等。
在应用上取得一定效果的有TD-Ni及弥散强化无氧铜。
弥散强化材料固有的低延性，需要予以重视和研究改进，但弥散强化材料在性能上的优越性还是主要的。
其主要性能有：（1）再结晶温度高，组织稳定。（2）屈服强度和抗拉强度高。（3）随温度提高硬度下降得少。（4）高温蠕变性能好。（5）高的传导性。（6）疲劳强度高。
第二章 屈服现象
人们习惯用屈服应力来表征金属强度的一个参量，并认为它代表范性形变所需的起始应力。事实上，我们知道金属从弹性形变过渡到范性形变时，中间经过了比较复杂的过程。如图绘出了常见拉伸曲线中的典型屈服现象。其中（a）称为连续过渡，不出现突然屈服的现象；（b）和（c）是出现突然屈服的现象，而前者为非均匀屈服，后者则为均匀屈服。
以前人们所谓的屈服应力是对连续过渡而言，一般指的是上图（a）中的σy或其他认为的标准，对有突然屈服的现象而言（如上图中的（b）和（c）中标出），σU为上屈服应力，σL为下屈服应力。在非均匀屈服情况下，拉伸曲线中的平直部分，我们称之为Luders应变或屈服平台。
屈服问题的本身，除了由于它对金属由弹性形变过渡到范性形变这一质变的纯理论性质以外，在实际强度问题中，与其他现象的联系也是十分密切的。大量事实证明起始范性形变甚至与试样最后断裂间都存在着紧密的联系。2.1 非均匀屈服
这一现象最早是在ɑ-铁多晶中发现的，并且Low和Gensamer证明，经湿氢脱碳、氮的试样，室温拉伸时没有屈服现象，渗碳和渗氮之后才有此现象。
目前对于非均匀强化，比较全面的解释是Cottrell提出的理论。当外应力未达到σv之前，已有一些被钉扎的F-R源由于局部应力集中的关系而被激活，从而产生一定数量的位错，但由于晶界的阻碍作用而使这些位错不能跑出晶粒以外，故都沿它们自己的滑移面塞积在晶界前。这样，在相邻下一晶粒内距上述位错塞积群的头部逐产生一较大的应力。2.2 均匀屈服
均匀屈服在ɑ-Fe单晶中是常见的，即使经脱碳、氮，只要形变温度够低也能出现。在多晶中，经脱碳、氮后，试样的屈服也能由非均匀的变成均匀的。
均匀屈服的现象虽早已发现，但其物理实质还是Gilman和Johnston在Lif的研究中阐明的，他们认为均匀屈服与位错随形变的快速增值与位错滑移速度-应力的关系这两个因素有关。试样中起始的可动位错越小，m值越小，则屈服应力下降越明显。并且这种屈服机制不涉及需要某种外来原因造成的位错扎钉或塞积，而仅同材料本身的位错动力学特点有关，所以非均匀屈服又称静态屈服，而均匀屈服就称动态屈服。2.3 迟屈服现象
所谓迟屈服现象，就是指快速加载超过静态上屈服应力时，试样并不立即屈服而要延迟一段时间，此段时间便称为屈服时间，此现象便称为屈服现象。这种现象在很多体心立方金属中都发现。
尽管很多人提出了很多假设、公式和模型，但是迟屈服现象的微观机制到现在还不是很清楚。2.4 Hall-Petch公式
0kdn
式中，——晶格摩擦力；
d——晶粒直径；
k——常数。
根据大量实验事实指数n以选取1/2为最合适，对于亚晶粒n取1。此Hall-Petch公式不仅适用于上、下屈服应力，同时也适用于整个流变范围以至断裂。此时常数σi 和k有所不同。
Hall-Petch公式虽是一相当可靠的经验公式，但是要想利用它得出屈服、流变或断裂的微观结论时，则需要特别谨慎。2.4.1 i和k与各因素的关系
晶格摩擦力σ
固溶iL应包括与温度有关的一项σiL(T)和与结构(指位错状态、元素和沉淀相等)有关的一项σiL(st)，因为任一条直线外推到碳、氮含量为零时的值就是σiL(T)。σiL的其余部分即为σiL(st)。
iU和σiL基本上相σi与形变度的关系比较明确，除对应上、下屈服应力的σ同外, σi在所有实验中都随硬化而增加。但κ与形变度的关系的看法就比较分歧。一般说来，同样的碳、氮总含量，不同热处理或不同碳、氮总含量的试样，其所得的σi是不一样的，因为它们直接影响σi(st)。2.4.2 各种因素对屈服应力的影响
上屈服应力对应力集中非常敏感，因此，要想得到真正的上屈服应力必须最大限度的消除应力集中。下屈服应力对其也有影响，只不过没有上屈服应力那么严重。
一般形变温度对α-铁屈服应力的影响可分为三个区域即低温(室温以下)，中温(室温到200℃)和高温(200 ℃以上)Winlock在不同含碳量（0.06%-1.03％)的碳钢室温拉伸结果指出，随形变速度的增加σU和σL都增加，并与碳含量无关，不过σU增加稍快些。
有很多工作一再证明，晶粒直径越小，Δσ就越大。2.5 屈服机制
Cottrell对非均匀屈服机制作如下解释：首先他强调位错被钉扎有强弱两种之分，并且试样中局部的应力集中还是比较大的，譬如存在微观第二相以及滑移带的尖端等。当位错被钉扎得很牢时，也就是所谓的强钉扎时，可能在起锚前离应力集中更近的完整晶体处先产生了位错，于是所谓的Petch斜率κ就与形变温度无关；当位错被钉扎得不是很牢，也就是所谓的弱钉扎时，那么在同样的应力集中之下，可能被钉扎的位错先于在完整部分产生位错而起锚，这样κ值就与形变温度有关了。
Petch从晶格摩擦力σi进行阐述，得到上屈服应力的公式：
UiUilog101kd1/2 3Nd式中，N——上屈服时单位体积中形变晶粒数；
d——晶粒直径；
iU——晶格摩擦力；
i——形变速度增加10倍时i的增量。
对于非均匀屈服而言，原则上只要能使位错开始运动难于保持其运动就行，也就是承认非均匀屈服现象同金属中存在某种对起始滑移的障碍相联系。就均匀屈服而言，也只要可动位错密度和位错速度—应力指数足够小即可。但事实上，上述条件能否满足却因结构的不同而会有所不同。
屈服过程中的晶格摩擦力有派-纳力即晶格摩擦力中与温度有关的部分，螺旋位错上的割阶即晶格摩擦力来自螺型位错上的割阶，固溶原子气团，微观第二相，交滑移。
第三章 疲劳现象
在生产实践中，人们很早就发现，虽然加在机械部件上的应力远小于其断裂强度(甚至比屈服强度还低)时，但经多次循环后，此机械部件常常也会骤然断裂。这种金属在循环应力作用下发生断裂的现象就称为疲劳。
疲劳按应力状态可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳。按环境和接触情况可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳。按断裂寿命和应力高低可分为高周疲劳（低应力疲劳，105次以上循环）、低周疲劳（高应力疲劳，102~105次循环之间）。3.1 金属疲劳断裂过程
尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂，但实际上它们是一个逐渐失效的过程，从开始出现裂纹到最后破坏断裂需要经过很长的时间。因此，疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成，即疲劳裂纹产生区（裂纹源）、裂纹扩展区和最后断裂区。
金属疲劳裂纹大多产生于零件或构件表面的薄弱区。由于材料质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试件的局部区域造成应力集中，这些区域偏是疲劳裂纹核心产生的策源地。
疲劳裂纹产生后在交变应力作用下，继续扩展长大，每一次的应力循环都会使裂纹扩大，在疲劳裂纹扩展区留下一条条的向心弧线，叫做前沿线或疲劳线，这些弧线形成像“贝壳”一样的花纹，所以又叫做贝壳线或海滩线。
在最后断裂区，由于疲劳裂纹不断扩展，零件或试样的有效断面积逐渐减小，因此应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂，形成最后断裂区。3.2 疲劳极限
当应力低于某值时，材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂，此应力值即为材料的疲劳极限。
对金属疲劳寿命的估算可以有三种方法：应力-寿命法，即S-N法；应变-寿命法，即N法；断裂力学方法。
S-N法主要要求零件有无限寿命或寿命很长，因而应用在零件受较低应力幅的情况下，零件的破断周次很高，一般大于105周次，亦即所谓高周疲劳。一般的机械零件如传动轴、汽车弹簧和齿轮都是属于此种类型。对于这类零件是以S-N曲线获得的疲劳极限为基准，在考虑零件的尺寸影响，表面质量的影响等，加一安全系数，便可确定许用应力。
实验证明，金属材料所受循环应力的最大值max越大，则疲劳断裂前所经历的应力循环周次越低，反之越高。根据循环应力max和应力循环周次N建立S-N曲线。
3.3 疲劳硬化三阶段
Haigh最早根据疲劳过程中的发热现象，将整个疲劳过程分成三个阶段。一般来说当外加应力小于试样的疲劳极限时，开始发热速度很大，随后很快降到一定值。若外加应力大于试样的疲劳极限时，则发热速度随着开始的升高而很快下降到某一定值，然后又逐渐升高，到断裂前，其升高速度便陡增，出现明显的三个阶段。
第一阶段实际上是指开始循环头数千周时的起始硬化阶段，也有称为“热脉冲”的。这种起始硬化，对于确定退火金属在试验的其余期间的状态极为重要；第二阶段中，硬化和发热速度都先降到一较稳定值，随着应力的增加，硬化和发热速度又逐渐增加；第三阶段硬化和发热速度都增加很快，相当于疲劳断裂过程。
总的来讲，疲劳过程所引起的变化，其效果与淬火或辐照的作用很相似，能产生较多的点缺陷、割阶甚至蜷线位错。唯一不同之处在于它们只限于局部地区，尤其在相同负载下，表面对疲劳形变的影响比单向形变的敏感。疲劳硬化一般比单向的也大，与温度的依赖关系密切，热稳定性也较高。3.4 疲劳过程中组织结构的变化
疲劳与单向拉伸形变静态硬化曲线的特点大致相同，但其组织结构的变化却相差很远。（1）滑移带的特点
Ewing和Hamphrey最早用退火纯铁作转动弯曲疲劳试验，发现应力在屈服点以下时，经过几千次循环后，试样中少数晶粒内就出现细滑移线。随着循环次数的增多就有更多的滑移线产生，原有滑移线的滑移量也加大。特别是那些新产生的滑移线，多数处在原有滑移线的附近，形成滑核带。带与带间看不到滑移线，故其分布较静拉伸时显得更不均匀。交变应力越大，沿移带就越多，滑移带的长度和深度也越大。（2）挤出和侵入
挤出和侵入现象已是疲劳形变中的一个普遍现象，不过在纯金属和稳定合金中，其高度较低，约为1-2微米。挤出和侵入的现象与金属层错能的关系也是很特殊的，不像硬化与层错能成正比，而是层错能越低越容易出现挤出和侵入，譬如很多铝合金和铜合金的挤出和侵入都较纯铝和纯铜的明显，这样挤出和侵入的形成机制好像与交滑移无关。实验证明挤出扣侵入的出现可能与第二滑移系统的参与有关。
（3）疲劳后的位错状态
疲劳形变后的位错状态与疲劳应力的关系很大。以铝为例，Segall等人和Snowden的工作指出，一般高应力下的疲劳结果和单向形变的差不多，都为不同形式的位错胞。但低应力下疲劳时，却出现平行﹤112﹥方向的长位错环，位错上割阶密度也较大，以至出现蜷线位错，类似淬火处理。加入合金元素后(譬如A1-3％Mg合金)，更有利于位错偶束的出现。实验指出应变振幅的大小直接关系到疲劳试样中的位错状态，当应变振幅够大时，在1/4循环后就可得到位错胞结构。
3.5 疲劳与蠕变的交互作用 至今我们讨论疲劳或蠕变都是分开来研究的，但在实际情况中，它们往往总是共存的。因此有必要研究疲劳与蠕变的交互作用，可惜有关这方面的系统工作还不多，目前这方面的研究多数采用单向循环应力产生的疲劳蠕变和用颠值应力产生的一般蠕变的方法来进行，并称前者为动态蠕变，后者为静态蠕变。
借用Miner-Robinson指出的累积损伤法则，如累积是线性的，该法则建立在蠕变损伤分数υα和疲劳损伤分数υf之和等于1的假定上，如果累积是非线性的，则应加入交互作用项 ：
aB(af)1/2f1
式中，蠕变损伤分数：ai1Nti
tr疲劳损伤分数：fi1NNi NfΔti——在最大拉伸负载下停留的时间； tr——纯蠕变断裂时间；
Ni——为疲劳蠕变试验断裂的总循环次数； Nf——为纯疲劳断裂的循环次数； B——交互作用系数。
当B＝0时表明无疲劳蠕变交互作用；
当B＞0时为正交互作用，即断裂寿命比线性法则预期的要低； 当B＜0时为负交互作用，即断裂寿命比线性法则预期的要高。
根据试验结果，可以求出交互作用系数B，然后再把试验数据代入上式，便可估算零件的使用寿命。3.6 影响疲劳的因素
由于至今对金属疲劳的形变机制还不是很清楚，所以我们更应该注意各种因素对疲劳的影响，以弄清它的实质。此外，从应用的角度出发，研究一些因素对疲劳的影响也是完全有必要的。
影响疲劳的因素主要有：疲劳振幅，负荷系统，应力集中，温度，频率，试样大小及形状，试样表面，介质，组织结构。3.7 热疲劳
热疲劳就其字面上来说，应解释成是由于温度起伏而引起的热应力所产生的疲劳现象。不过就纯金属而言，热疲劳实质上是来自晶体各向异性所导致的热应力的作用，这一点在Boas和Honeycombe早期工作中已得到证实。如果试样本身存在着温度梯度(譬如表面与内部温度差别很大)，当然也能产生很大的热应力以至出现局部范性形变。如果温度变化又足够快，幅度又足够大，很明显表层膨胀产生的热应力超过其断裂强度后也会出现裂纹。
金属对热疲劳的阻力，不但与热传导、比热等热学性质有关，而且还与弹性常数、屈服强度等力学性质以及密度、几何因素等有关。所以一般脆性材料导热性差，热应力又不能得到足够的范性松弛，故热疲劳致裂的危险最大。
第二篇：弹性力学读书报告
一 弹性力学的作用
1.弹性力学与材料力学、结构力学的综合应用，推动了工程问题的解决。弹性力学又称为弹性理论，是指被研究的弹性体由于受外力作用或由于温度改变等原因而发生的应力、应变和位移。
弹性力学的任务与材料力学、结构力学的任务一样，是分析各种结构物或其构件在弹性阶段的应力和位移，校核它们是否具有所需的强度和刚度，并寻求或改进它们的计算方法。然而，这三门学科的研究对象上有所分工，研究方法也有所不同。
弹性力学具体的研究对象主要为梁、柱、坝体、无限弹性体等实体结构以及板、壳等受力体。在材料力学课程中，基本上只研究所谓杆状构件，也就是长度远大于高度和宽度的构件。这种构件在拉压、剪切、弯曲、扭转作用下的应力和位移，是材料力学的主要研究内容。在结构力学课程中，主要是在材料力学的基础上研究杆状构件所组成的结构，也就是所谓杆件系统，例如桁架、刚架等。至于非杆状的结构，例如板和壳以及挡土墙、堤坝、地基等实体结构，则在弹性力学课程中加以研究。如果要对于杆状构件进行深入的、较精确的分析，也必须用到弹性力学的知识。
虽然在材料力学和弹性力学课程中都研究杆状构件，然而研究的方法却不完全相同。在材料力学中研究杆状构件、除从静力学、几何学、物理学三方面进行分析以外，大都还要引用一些关于构件的形变状态或应力分布的假设，这就大大简化了数学推演，但是，得出的解答有时只是近似的。在弹性力学中研究杆状构件，一般都不必引用那些假定，因而得出的结果就比较精确，并且可以用来校核材料力学中得出的近似解答。
虽然，弹性力学中通常是不研究杆件系统的，然而近几十年来，不少人曾经致力于弹性力学和结构力学的综合应用，使得这两门学科越来越密切地结合。弹性力学吸收了结构力学中超静定结构分析方法后，大大扩展了它的应用范围，使得某些比较复杂的本来无法求解的问题，得到了解答。这些解答虽然在理论上具有一定的近似性，但应用在工程上，通常是足够精确的。在近二十几年间发展起来的有限元法，把连续弹性体划分成有限个有限大小的单元，然后，用结构力学中的位移法、力法或混合法求解，更加显示了弹性力学与结构力学综合应用的良好效果。
此外，对同一结构的各个构件，甚至对同一构件的不同部分，分别用弹性力学和结构力学或材料力学进行计算，常常可以节省很多的工作量，并且能得到令人满意的结果。
总之，材料力学、结构力学和弹性力学这三门学科之间的界限不是很明显，更不是一成不变的。我们不应当强调它们之间的区别，而应当更多地发挥它们综合应用的威力，才能使它们更好地为我国的社会主义建设事业服务。
2.弹性力学在工程上的应用越来越深入，越来越广泛。
在工程中出现的问题习惯上有如下的一些提法，如强度、刚度、稳定性、应力集中，波的传播、振动、响应、热应力等问题，这些都是弹性力学应用研究的对象。强度问题是研究受载荷物体中的应力分布和应力水平，研究在怎样的载荷下不发生永久变形。刚度问题是研究受载荷物体在怎样的载荷下应变或位移达到规定允许的限度。稳定性问题是研究弹性结构或结构元件在静力或动力平衡时发生不稳定情况的条件。应力集中问题是研究当物体中有孔口或缺口存在时，在其附近发生应力增高现象。弹性动力学有波的传播、振动和响应等问题，由于考察的物体大小、形状，边界条件及其固有性质不同，以及所考察问题的外载荷和时间段的不同，故有上述问题的提法和分类，但本质上都和波的传播有关。在近代航天、航空、航海、海洋、机械、土木、化工等工程领域中不断地提出上述各种问题需要解决，在设计时要求高度的准确性，这都离不开弹性力学的应用，也在促进弹性力学的发展。
3.弹性力学的基础知识是正确利用有限元的基础。
目前，有限单元法已经在航空、造船、机械、冶金、建筑等工程部门广泛应用，并取得显著效果，它是一种行之有效的偏微分方程数值解的计算方法。现在各行各业都已经拥有了一定数量的商业有限元程序。如何使这些程序为更多的人掌握和应用，极大限度地发挥和应用这些程序解决工程问题，是非常重要的。但是有限元商业程序不是一个“傻瓜”式的应用程序，它是基于一定的基础理论知识，如用有限元求解结构的应力、应变问题就是基于弹性力学的知识建立起来的，对弹性力学知识的掌握和理解程度直接关系到有限元程序应用的效果。
二．弹性力学在常用坐标系下的基本方程
归纳从静力平衡，变形几何，应力应变三个方面的条件求得的基本方程有：
2.1直角坐标系中的基本方程： 2.1.1平衡微分方程：
其中，作用于物体体积上的应力为： A={，，，}，作用于微元体上的体力三个分量为：。
本式表示了应力分量与体力分量之间的关系，称为平衡微分方程，又成纳维叶（Navier）方程。2.1.2几何方程： 其中，，，，为6个应变分量；
，为3个位移分量。
2.1.3物理方程：
，以上公式就是各向同性材料的广义Hooke定律，表示了线性弹性应力与应变间的关系。
为横向变形系数（泊松比），E为拉压弹性模量，为剪切弹性模量，且。
2.2极坐标系中的基本方程： 2.2.1平衡微分方程：
图中所示即为极坐标系下扇形微单元体PACB的应力及应变分析，得到以下的平衡微分方程：
2.2.2几何方程：
在极坐标系中，通过对物体内一点P的两个正交线元（PA=dr,PB=）的变形几何分析，得到相应的几何方程。用
和分别表示线元PA和PB的相对伸长，即正向和切向正应变，用表示该两个正交线元直角的变化，即剪应变。用，分别表示P点的径向和环向位移。它的平面问题几何方程如下：
2.2.3本构方程: 只需将直角坐标系下本构方程的x,y用r, 替换即可得到极坐标系的本构方程，如下：
2.2.4边界条件：
力的边界条件：这里的外法向方向余弦（l，m）是对局部标架定义的，沿着r和方向的给定面力分量。
位移边界条件：
表示。
三．弹性力学解题的主要方法
3.1位移解法
以位移作为基本未知量，将基本方程化为用位移表示的控制方程，边界条件也化为用位移表示；在给定的边界条件下求解控制方程，从而求得位移解，然后将位移代入几何方程求导得到应变，再将应变代入本构方程得到应力解。此法的关键在于导出位移表示的控制方程，其方程如下：
通常称为拉姆（Lame）方程,即位移法求解的控制方程。
位移边界条件：。
3.2应力解法
以应力为基本未知量，将基本方程化为用应力表示的控制方程，边界条件也用应力表示，在给定的边界条件下求解控制方程得到应力解，将应力解代入本构方程得到应变解，再运用几何方程积分可以求得位移解。应力法的控制方程如下：
（1）平衡方程
（2）相容方程
应力法的边界条件如下：
由上面的公式可以看出：如果问题是常体力，单连通，应力边值问题，由于在控制方程和边界条件中都不含材料常数，因此应力解与材料无关。
四．例题
4.1如图所示单位厚度平板，两端受均布压力P作用下，上，下边界刚性约束，不考虑摩擦，不计体力，用位移法求解板的应力和位移。
解：由对称性及上，下边界的刚性约束条件可设： u=u(x),v=0（a）
代入拉姆方程式，第2式称为恒等式，第1式成为
（b）
解之得: u=ax+b(c)位移边界条件：由对称性
已自动满足。
（d）
将（c）式代入（d）式得： b=0 从而有 u=ax(e)待定系数a可以由位移表示的应力边界条件确定，为此将(e)式代入边界条件式得： 右边界：
第二个方程式为恒等式。
左边界结果相同。上，下边界，(f)，代入(f)式的第1式得
(g)，第一个方程式为恒等式；因为y方向已提位移边界条件，故第二个方程不能作为边界条件引入。
将(g)式代回（e）式得位移
再将（h）式及v=0代入以下方程：
（h）
得到应力分量：4.2 用应力法求解例4.1给出问题的应力和位移。
解：根据边界上的受力情况，我们试取。
（a）
显然，对于解(a)式，（1）已满足左右两侧的边界条件及上，下两侧无摩擦的已知条件；（2）满足了平衡方程式和相容方程式。本体为混合边值问题，待定常数A只能由位移边界条件（b）式确定。
（b）为此，必须由解（a）式解出相应的应变和位移。
将（a）式代入本构方程式得：
利用几何方程式得第1,2式积分
代入几何方程的第3式，并注意到（c）式得第3式，得
所以，其解为 于是
c）
（d）
e）
f）
（（（利用对称性条件
和
可得
再利用边界条件（b）式可解得
从而有应力和位移解：
（g）
4.3写出图中所示悬臂梁上边界和右端面的边界条件。
解：上边界（负面）上面力应面力上的负值，故有
。负面上的应力等于对 右边界（正面）上作用有y方向面力合力P，x方向合力为零，面合力矩为M。按上述面力合力和合力矩正负号规定，力P沿y轴负方向，故面合力为负（=-P，=0）；面按图示坐标系，正的力偶矩方向为逆时针方向，故题给力偶矩为负（mz=-M）,从而有以下应力边界条件：
第三篇：高等岩石力学读书报告
高等岩石力学 读书报告
学院：国土资源工程学院 专业：地质工程 姓名：曾敏
学号：
2006201071 高等岩石力学读书报告
岩石力学是研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，它是力学的一个分支。研究的目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是近代发展起来的一门新兴学科，是一门应用性的基础学科。对于岩石力学的定义有很多种说法，这里推荐一种较广义、较严格的定义：“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论科学，同时也是应用科学；它是力学的一个分支，研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。”这个定义既概括了岩石力学所研究的破碎与稳定两个主要方面的内容，也概括了岩石受到一切力场作用所引起的各种力学效应。岩石力学的理论基础相当广泛，涉及固体力学、流体力学、计算数学、弹塑性理论、工程地质和地球物理学等学科，并与这些学科相互渗透。岩石力学主要理论基础及与其他学科的结合
岩石力学是一门应用性的基础学科。它的理论基础相当广泛，涉及到很多基础及应用学科。岩石力学的力学分支基础
1、固体力学
固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。在采矿工程中用到的固体力学主要有：材料力学，结构力学，弹、塑性力学，复合材料力学，断裂力学和损伤力学。如把采场上覆岩层看作是梁或板结构用的就是结构力学理论；采用弹性力学研究巷道周围的应力分布。
2、流体力学
流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。对于地下采矿工程来说，其研究对象就是地下水与瓦斯等矿井气体。
3、爆炸力学
爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及爆炸的力学效应的利用和防护。它从力学角度研究爆炸能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。同时爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科。地下开采中的巷道掘进，露天开采中的采剥都要进行爆破。
4、计算力学
计算力学是综合力学、计算数学和计算机科学的知识，以计算机为工具研究解决力学问题的理论、方法，以及编制软件的学科。从20世纪50年代以来，它在力学的各分支学科和边缘学科中得到了很大的发展，无论是在科学研究还是工程技术中均得到了广泛应用，现在它已成为力学除理论研究和实验研究之外的第3种手段。常见的计算力学方法并已广泛用到数值模拟计算中的有：材料非线性有限元法、几何非线性有限元法、热传导和热应力有限元法、弹性动力学有限元法、边界元法、离散元法、无网格法、有限差分法、非连续变形分析等。以计算力学为基础的数值模拟方法在采矿工程中的研究应用也正广泛地开展起来。岩石力学与其他学科的结合
上述力学分支构成了岩石力学的基础，同时，岩石力学的发展也离不开其他学科的支持。在岩石力学的发展过程中，岩石力学十分关注其他学科的最新进展，并不断地吸收、借鉴它们的方法和手段，极大地丰富了岩石力学自身的研究应用手段。
岩石工程中所研究的岩块和岩体，作为一种地质体，其形成受地质作用支配，地质系统与工程岩体之间具有相互依存和相互作用关系。因此，对岩石的成岩和蜕变过程，构造应力和构造变形，岩石所赋存的构造部位及地质环境等因素的研究构成了岩石力学与工程学科的重要基础。
岩石工程的状态参数大多是随机变量，甚至可能是时间或空间的随机过程。由于这种状态参数的随机分布特性，其破坏模式及破坏过程也具有随机性。因此，对岩石工程进行参数的概率统计、破坏的随机过程分析和系统的可靠度分析就显得尤为重要了。统计学研究从观测数据(样本)出发寻找规律，利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测。现有机器学习方法共同的重要理论基础是统计学，传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐进理论，现有学习方法也多是基于此假设。与传统统计学相比，统计学习理论(StatisticalLearning Theory或SLM)是一种专门研究小样本情况下机器学习规律的理论。V．Vapnik等人从上世纪六七十年代开始致力于此方面研究。目前该理论又成为研究热点，我国冯夏庭、赵洪波等人已将其应用到了岩石工程中。
近年来，随着现代数学和计算机技术的发展，人工智能、遗传进化算法、数据挖掘、灰色理论、非线性力学以及系统科学等新兴学科的兴起，为人们提供了全新的思维方式，这些都为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础。
虚拟现实(Virtual Reality)是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科而发展起来的计算机领域的最新技术。它运用计算机表达现实世界的各种过程，通过它可以运用数学力学方法如数值模拟呈现开挖过程，在施工过程中描述尚未进行的工程，结合工程实践预测岩体变形及稳定。岩石力学的分支
岩石力学以上述这些力学分支为基础并跟其他学科融合，逐步发展出以下分支：岩石工程地质力学；岩体结构力学；统计岩体力学；岩石流变力学；分形岩石力学；岩石水力学；强动载作用下的岩石动力学；非线性岩石力学；卸荷岩石力学；软岩工程力学；岩石力学智能分析方法。这些分支目前在采矿工程各个领域中都有具体应用。岩石力学的研究内容
岩石力学的研究内容分为基础理论和工程应用两个方面。但是这些方面只是主要方面，随着建设的发展，还会有新的问题不断的提出。2.1
基础理论
1、岩石应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。
2、岩石强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。
3、岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。
4、岩石渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩石渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。
5、岩石动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。2.2
工程应用方面主要研究五个方面
1、地上工程建筑物的岩石地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题；
2、地表挖掘的岩石工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题；
3、地下洞室，如研究地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题;
4、岩石破碎，如将岩石破碎成各种所要求的规格，以作为有关建筑材料（建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等）；
5、岩石爆破，如用定向爆破筑坝，巷道掘进和采矿等。此外，岩石力学还应用于某些地质问题的研究，如分析因开采地下矿体和液体而地表下陷、解释地球构造理论、预估地震和控制地震等。岩石力学的研究方法
岩石力学是一门边缘学科，为了能用力学观点对自然存在的岩体进行性质测定和理论计算，为工程建设服务，岩石力学的研究方法包括科学实验、理论分析及工程验证等几个环节，三者是紧密结合并且相互促进的。
岩石力学是一门应用性很强的工程学科，因此在应用岩石力学知识解决具体工程问题的时候，必须与工程设计与施工保持密切联系、相互配合。
按学科的领域区分岩石力学的研究方法可以有以下四个方面： 地质研究方法
着重于研究与岩石的力学性质和力学行为有关的岩体。如：
岩层特征的研究。如软弱成份、可溶盐类、含水蚀变矿物、不抗风化以及原生结构。岩体结构研究。软弱结构面、软弱面的起伏度结构面的充填物等。环境因素研究。如地应力成因和展布地下水性态，水平地质条件等。物理测试方法
结构探测。采用地球物理方法和技术来探查各种结构面的力学行为。环境物理量测。如地应力机制，渗透水系量测等。
岩石物理、力学性质测试。如室内岩块的物理性质、力学性质，原位岩体的力学性质，钻孔测试，变形监测以及位移反分析确定岩体和岩性参数等。力学分析方法
力学模型研究。包括弹塑性模型、流变模型、断裂模型、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑模型等。
数值分析方法。如有限元法、边界元法、离散元法、系统分析法和设计施工风险决策的人工智能专家系统等。
模糊聚类和概率分析。如随机分析、灵敏度分析、趁势分析、时间序列分析和灰箱问题等。模抑分析。如光弹应力分析，相似材料模型实验、离心模型实验等。整体综合分析方法
就整个工程进行多种方法并以系统工程为基线的综合分析。
岩石力学在采矿工程中的发展趋势
岩石力学的发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。岩石力学已经广泛应用到了采矿工程中的各个领域，而且其研究理论正不断创新，研究手段也日新月异。随着我国矿产资源的持续开发，在采矿工程中将会遇到条件更复杂、难度更大的岩石力学问题，因此，岩石力学与工程学科的理论水平和工程能力都有待进一步提高。
地下开采现代技术理论与矿山岩石力学和其他学科相互交叉及渗透是这一学科领域带全局性的发展趋势之一。岩石力学由研究单一的固体不连续材料向多场耦合和多相运动研究发展。灾害与公共安全的力学问题是目前需要特别给予考虑资助的重大科学问题。由此，岩石力学在采矿工程中应用的发展趋势可以归纳如下：
1、多学科相互交叉和多种手段的综合集成
岩体工程的不确定性导致来自任何一种来源的知识都难以支持可靠的决策。因此，综合地质、物探、测量、力学试验、数学、物理和化学分析等学科知识和手段是目前解决该问题的最好途径。
2、多场耦合、多相运动和多尺度的综合集成随着矿井开采深度的日益加大，采矿工程中的岩石力学问题出现了热、流、固、化多场并存以及固、气、水、微粒多相复合运动的状况。因此，对多场耦合以及多相运动的研究还有待深入，同时，随着采矿工程规模的日益扩大，力学上均一体的尺寸效应进化为大尺度和多尺度问题，因此不可避免地面临多尺度模型及其耦合，即：宏观一细观一微观的研究及其相互耦合。
3、灾害的非线性动力过程的预测和防治研究目前采矿工程中还有如下主要灾害急需深入、系统地研究：冲击矿压；煤与瓦斯突出；煤层顶、底板水防治；大型矿山的坍塌；采动引起的巨型坡体失稳和山体滑坡。
过去，工程中遇到的岩石工程问题，多凭经验解决，但工程实践证明：单凭经验越来越难以适应日益发展的工程规模及工程的复杂性。如采深近400m的大型露天矿边坡角增减1°将影响投资变化可达数千万乃至亿万元，而且一旦边坡出现失稳将造成难以估计的经济和资源损失。这些都对岩石力学提出了许多新的课题。此外，各类地下工程的设计和施工中，要求对群硐围岩稳定深入分析研究；在能源建设中如天然气和石油的开发，核电站和核工业建设中的核废料处理等等，也都是难度极大的科研问题。对这些工程的设计和施工都要求系统地的对岩石的变形性状、破坏机制以及力学模型，从而在工程设计中预测岩石工程的可靠性和稳定性，并使工程具有尽可能的经济性。这些巨大的工程建设问题，为岩石力学提出了日益繁重复杂的任务，将大大的促进岩石力学的发展。参考文献
[1] 高等岩石力学，周维垣，水利电力出版社 [2] 岩石力学简明教程，李世平，吴振业等，煤炭工业出版社
[3] 岩石力学采矿工程中的研究现状和趋势，蓝航，煤矿开采，2006（5）[4] 岩石力学在金属矿山采矿工程中的应用，蔡美峰，金属矿山，2006（1）[5] 智能岩石力学的发展，冯夏庭，中国科学院院刊，2002（4）
第四篇：弹塑性力学总结读书报告
弹塑性力学读书报告
弹塑性力学是固体力学的一个重要分支，是研究可变形固体变形规律的一门学科。研究可变形固体在荷载（包括外力、温度变化等作用）作用时，发生应力、应变及位移的规律的学科。它由弹性理论和塑性理论组成。弹性理论研究理想弹性体在弹性阶段的力学问题，塑性理论研究经过抽象处理后的可变形固体在塑性阶段的力学问题。因此，弹塑性力学就是研究经过抽象化的可变形固体，从弹性阶段到塑性阶段、直至最后破坏的整个过程的力学问题。弹塑性力学也是连续介质力学的基础和一部分。弹塑性力学包括：弹塑性静力学和弹塑性动力学。
弹塑性力学的任务是分析各种结构物或其构件在弹性阶段和塑性阶段的应力和位移，校核它们是否具有所需的强度、刚度和稳定性，并寻求或改进它们的计算方法。并且弹塑性力学是以后有限元分析、解决具体工程问题的理论基础，这就要求我们掌握其必要的基础知识和具有一定的计算能力。基本思想及理论
1.1科学的假设思想
人们研究基础理论的目的是用基础理论来指导实践，而理论则是通过对自然、生活中事物的现象进行概括、抽象、分析、综合得来，在这个过程中就要从众多个体事物中寻找规律，而规律的得出一般先由假设得来，弹塑性力学理论亦是如此。固体受到外力作用时表现出的现象差别根本的原因在于材料本身性质差异，这些性质包括尺寸、材料的方向性、均匀性、连续性等，力学问题的研究离不开数学工具，如果要考虑材料的所有性质，那么一些问题的解答将无法进行下去。所以，在弹塑性力学中，根据具体研究对象的性质，并联系求解问题的范围，忽略那些次要的局部的对研究影响不大的因素，使问题得到简化。
1.1.1连续性假定
假设物体是连续的。就是说物体整个体积内，都被组成这种物体的物质填满，不留任何空隙。这样，物体内的一些物理量，例如：应力、应变、位移等，才可以用坐标的连续函数表示。
1.1.2线弹性假定（弹性力学）假设物体是线弹性的。就是说当使物体产生变形的外力被除去以后，物体能够完全恢复原来形状，不留任何残余变形。而且，材料服从虎克定律，应力与应变成正比。
1.1.3均匀性假定
假设物体是均匀的。就是说整个物体是由同一种质地均匀的材料组成的。这样，整个物体的所有部分才具有相同的物理性质，因而物体的弹性模量和泊松比才不随位置坐标而变。
1.1.4各向同性假定（弹性力学）
假定物体内一点的弹性性质在所有各个方向都相同，弹性常数（E、μ）不随坐标方向而变化；
1.1.5小变形假定
假设物体的变形是微小的。即物体受力以后，整个物体所有各点的位移都小于物体的原有尺寸，因而应变和转角都远小于1。可用变形前的尺寸代替变形后的尺寸，建立方程时，可略去高阶微量
1.2应力状态理论
应力的概念的提出用到了数学上极限的概念，定义为微小面元上的内力矢量。在微观层面，我们研究的是一点的应力状态。在宏观层面，根据物体所受的面力和体力以及其与坐标轴的关系，将物体的应力状态分为平面应力问题、平面应变问题及空间应力问题。平面应力问题是指物体在一个方向上的尺寸很小，且外荷载沿该方向的厚度均匀分布（如矩形薄板）；平面应变问题则是物体在一个方向上的尺寸很大，外荷载沿该方向为常数（如水坝）。空间应力问题则是一般普遍的情形。对应力的分析应用静力学的理论可以得到求解弹塑性力学的平衡微分方程。
1.3应变状态理论
在外力、温度变化或其他因素作用下，物体内部各质点将产生位置的变化，即发生位移。物体内各质点发生位移后，如果仍保持各质点间初始状态的相对位置，则物体仅发生刚体位移，如果改变了各点间初始状态的相对位置，则物体还产生了形状的变化，包括体积改变和形状改变，物体的这种变化称为物体的变形。在弹塑性力学中，用应变的概念来描述物体变形，在已知物体位移的情况下，通过几何学工具，结合小变形假设条件，可推导出求解弹塑性力学的几何方程。
1.4本构理论： 本构理论探讨的是物体受到外力作用时应力与应变之间的关系，这是研究弹塑性力学非常重要的理论。对物体应力应变关系的研究首先总是通过实验的手段得来，当我们发现物体处于线弹性阶段时，应力与应变的关系可以通过胡克定律来描述，具体而言又可分为各向同性材料、各向异性材料、对称性材料等。
当受力物体某点的应力状态满足屈服条件是，该点已经进入塑性阶段，此时应力与应变不再呈现出线性关系，对于该点弹性本构关系不再适用。在塑性阶段，应变状态不但与应力状态有关，而且还依赖于整个应力历史（应力点移动的过程），由于应力历史的复杂性，很难建立一个能包括各种变形历史影响的全量形式的塑性应力-应变关系，只能建立应力与应变增量之间的塑性本够关系。当结构材料进入塑性状态之后，应力点位于屈服面上，此时材料的应力-应变关系将根据加载与卸载的不同情况而服从不同的规律。若为卸载，则施加的应力增量将使应力点从屈服面上回到屈服面内，增量应力与增量应变之间仍服从胡克定律。若为加载，则所施加的增量应力将使应力点在屈服面上移动或移动到新的屈服面上，此时材料的本构关系服从增量理论。
当个应变分量自始至终都按同一比例增加或减少时，应变强度增量可以积分求得应变强度，从而建立全量理论的应力应变关系
1.5 边界条件（圣维南原理）
边界条件表示在边界上位移与约束，或应力与面力之间的关系式。边界条件分为应力边界条件、位移边界条件、混合边界条件，求解弹性力学问题时，使应力分量、形变分量、位移分量完全满足8个基本方程相对容易，但要使边界条件完全满足，往往很困难。这时，圣维南原理可为简化局部边界上的应力边界条件提供恒大的方便。圣维南原理描述如下：如果物体一小部分边界面上的面力是一个平衡力系（主矢量及主矩都等于零），那么这个面力就会使近处产生显著的应力，而远处的应力可以不计。
2.材料力学性质模型(1)弹性材料
弹性材料是对实际固体材料的一种抽象，它构成一个近似于真实材料的理想模型。弹性材料的特征是：物体在变形过程中，对应于一定的温度，应力与应变之间呈 一一对应的关系，它和载荷的持续时间及变形历史无关；卸载后，类变形可以完全恢复。在变形过程中，应力与应变之司呈线性关系，即服从胡克(Hooke R)规律的弹性材料称为线性弹性材料；而某些金属和塑料等，其应力与应变之间呈非线性性质，称为非线性弹性材料。材料弹性规律的应用，就成为弹性力学区别于其它固体力学分支学科的本质特征。
(2)塑性材料
塑性材料也是固体材料约一种理想模型。塑性材料的特征是：在变形过程中，应力和应变不再具有一一对应的关系，应变的大小与加载的历史有关，但与时间无关；卸载过程中，应力与应变之间按材料固有的弹性规律变化，完全卸载后，物体保持一定的永久变形、或称残余变形。部分变形的不可恢复性是塑性材料的基本特征。
(3)粘性材料
当材料的力学性质具有时间效应，即材料的力学性质与载荷的持续时间和加载速率相关时，称为粘性材料。实际材料都具有不同程度的粘性性质，只不过有时可以略去不计。求解方法
在弹弹塑性力学里求解问题，主要有三种基本方法，分别是按位移求解、按应力求解和按能量原理求解。
2.1位移法
它以位移分量为基本未知函数，从方程和边界条件中消去位移分量和形变分量，导出只含位移分量的方程和相应的边界条件，并由此解出位移分量，然后再求出形变分量和应力分量。位移法能适应各种边界条件问题的求解。
2.2应力法
它以应力分量为基本未知函数，从方程和边界条件中消去位移分量和形变分量，导出只含应力分量的方程和相应的边界条件，并由此解出应力分量，然后再求出形变分量和位移分量。按应力法求解平面问题时，需要满足相容方程，它是偏微分方程，由于不能直接求解，则只能采用逆解法或半逆解法。
所谓逆解法，就是先设定各种形式的、满足相容方程的应力函数，从而求出应力分量。然后根据应力边界条件来考察，在各种形状的弹性体上，这些应力分量对应于什么样的面力，从而得知所设定的应力函数可以解决什么问题。所谓半逆解法，就是针对所要解的问题，根据弹性体的边界形状和受力情况，假设部分或全部应力分量为某种形式的函数，从而推出应力函数，然后来考察这个应力函数是否满足相容方程以及原来假设的应力分量和由这个应力函数求出其他应力分量，是否满足应力边界条件和位移单值条件。
2.3能量原理
由以上的方法可以解决梁的弯曲、薄板弯曲、厚壁圆筒、孔边应力等问题的求解，然而只有对一些特殊结构在特定加载条件下才能找到精确解，而对于一般的力学问题，如空间问题，在给定边界条件时，求解极其困难，而且往往是不可能的。为解决这些问题，数值解法的应用就有重要的意义，如有限元法、边界元法等，这些解法的依据都是能量原理。
虚位移原理，在外力作用下处于平衡状态的可变形体，当给予物体微小虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功等于物体的虚应变能。
虚功原理，当物体在已知体力和面力作用下处于平衡状态时，微小虚面力在实际位移所做的虚功，等于虚应力在真实应变所产生的虚应变余能。
最小势能原理，即给定外力作用下保持平衡的弹性体，在满足位移边界条件的位移场中，真实的位移场使其总势能能取最小值。
最小余能原理，在所有满足平衡方程和应力边界条件的静力许可的应力场中，真实的应力场使余能取最小值。
3总结
弹塑性力学作为固体力学的一个重要分支，是我们认识物体受力时应力应变规律的重要基础理论，是分析和解决许多工程技术问题的基础和依据。结合本专业，树立土的本构模型概念，在有限元计算中根据实际问题选取合适的本构模型对于问题的求解具有重要意义。
第五篇：金属实习报告
认 识 实习心 得 体 会
本实习的目的就是要让学生对于材料的新材料和表面处理两个方向在生产中的实际应用有一个感性认识，通过教师和工程技术人员的当堂授课以及工人师傅门的现场现身说法全面而详细的了解相关材料工艺过程。实习的过程中，学会从技术人员和工人们那里获得直接的和间接地生产实践经验，积累相关的生产知识。通过人事实习，学习本专业方面的生产实践知识，为专业课学习打下坚实的基础，同时也能够为毕业后走向工作岗位积累有用的经验。实习还能让我们早些了解自己专业方面的知识和专业以外的知识，让我们也早些认识到我们将面临的工作问题，让我明白了以后读大学是要很认真的读，要有好的专业知识，才能为好的实际动手能力打下坚实的基础，更让我明白了以后要有一技之长，才能迎接以后的挑战，也让我们知道了大学是为我们顺应科学发展的垫脚石和自身发展的机会。
这次实习是金属材料工程专业的认识实习，是学生完成学业的基本实践教学环节。实习任务是：（1）让学生全面充分了解本专业所涉及的有关材料领域的基本情况，充分认识材料行业在整个国民经济中的重要地位和作用；（2）比较全面地了解主要材料行业的原料特点、生产过程、生产方法及产品的应用范围；（3）了解国内材料行业的现状及发展前景。（4）巩固所学基本知识、基本理论，为后续课程的学习打下良好的基础。
我们需要学到的是通过现场参观了解到以下的几个方面： 1.某些产品的制造生产过程。2.通过老师讲解认识几种生产设备。3.了解典型零部件的装配工艺。4.参观工厂的先进设备及特种加工，以扩大学生的专业知识面以及对新工艺、新技术的了解。5.参观工厂车间。6.学会联系自己所学知识，解释生产中的一些细节。
安全教育 ：1.不许触摸车间的材料和工件，以防烫伤2.不许在吊车下行走，以防工件坠落砸伤 3.不许不戴安全帽进厂4.不许拍照，不许向外泄密5.不许围观，影响正常生产 6.不许迟到、早退、缺勤7.遵守单位的工作和生活制度8.遵守纪律，不许在工厂内追逐、打闹 9.离工作的机器要在安全距离之外，防止一些废料、飞溅飞出伤及身体。10.非工作原因夜间不得擅自离开实习单位或居住地外出活动。
实习第一天，我们参观的铸造厂，首先铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间．铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。
铸造工艺通常包括:铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素；铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有各类铸铁、铸钢和铸造有色金属及合金；铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。
第二天我们参观了热处理车间，其环境并不像我想象的那么差，虽然有的小车间是需要带上防尘口罩才能进的，但是个数很少。与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。“四把火”，退火、正火、淬火跟回火。“四把火”随着加热温度跟 冷却方法的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得必定的强度跟韧性，把淬火跟高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火构成过饱跟固溶体后，将其置于室温或稍高的恰当温度下保持较长时光，以进步合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而周到地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压氛围或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件名义光洁，进步工件的性能，还可能通进渗剂进行化学热处理。他们的设备大多是我们在课堂上接触过的，当然也有很多自动化设备或是比我们看过的更大型或是功能性更强大或是根本没有接触过的。实习的收获也就变的大了很多。看见厂房中的天车来来回回运输那么多的大型零件就知道它的作用是很强大的，它的使用会减轻工人们的负担更大大提高了工作效率。此车间对零件的表面热处理能力很强，在全国也可谓是数一数二的，具有对工件进行镀铬、镀锌、镀镉、镀铜、镀锡、铅、仿金电镀、氧化、锌磷盐处理、酸洗处理、电解加工等能力。当然，其热处理能力也是很娴熟的，师傅们带领我们参观了大型井式热处理炉及其它形式热处理炉，它们可对各种毛坯按不同工艺要求进行正火、回火和淬火及调质处理。所以热处理并不是简单的加热、保温、冷却的过程，其中的每个环节的控制也是至关重要的，而且操作起来要有一定的技巧才能生产出好的零件。金属热处理是机械制造中的重要过程之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的，所以，它是机械制造中的特殊工艺过程，也是质量管理的重要环节。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
所用设备；箱式炉，壁式炉，井式炉，齿轮等盘式零件用井式挂具，轴类零件用盘式挂具。其中箱式炉与壁式炉区别是加热台可不可以移出。
之后我们参观了锻造车间，耳中回荡的尽是“当当”的撞击声。进入之后看到的和在学校的教学影片中看得的机器有很多一样，当然也不乏有很多没见识过的。车间里一部分正在工作，还有一部分停机中。不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；冲孔；矫正；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。锻压是锻造车间最重要进行的工序把持，对坯料施加外力，使其产生塑性变形改变尺寸、外形及性能，用以制造毛坯、机械整机的成形加工方法。是锻造与冲压的总称。在锻造加工中，坯料整体产生明显的塑性变形，有较大量的塑性活动；在冲压加工中，坯料重要通过改变各部位面积的空间地位而成形，其内部不呈现较大间隔的塑性活动。锻压重要用于加工金属制件，也可用于加工某些非金属，如工程塑料、橡胶、陶瓷坯、砖坯以及复合材料的成形等。锻压跟 冶金产业中的轧制、拔制等都属于塑性加工，或称压力加工，但锻压重要用于生产金属制件，而轧制、拔制等重要用于生产板材、带材、管材、型材跟 线材等通用性金属材料。
在这个科技时代中，高技术产品品种类繁多，生产工艺、生产流程也各不相同，但不管何种产品，从原料加工到制成产品都是遵循一定的生产原理，通过一些主要设备及工艺流程来完成的。因此，在专业实习过程中，首先要了解其生产原理，弄清生产的工艺流程和主要设备的构造及操作。因此，在专业实习过程中，首先要了解其生产原理，弄清生产的工艺流程和主要设备的构造及操作。
在这两个星期中，我们不仅仅学到了一些实际的知识，更真实的认识到以后的工作环境和工作内容。在这今天的实习生活中，我们参观了佳木斯联合收割机厂，中唯实业有限公司，龙嘉股份有限公司，畅通公司等大型工厂。在这些工厂里，我们看见了许多国内国际上都比较先进的生产设备和生产线。我们和一些经验丰富的老师傅交流，对我们以后的工作学习得到了很多的帮助。我觉得这次的生产实习对我们找工作也是有很大的好处，它使我们对以后的工作环境进行了一个提前的熟悉。
在本次认识学习中，我发现了许多自身不足的地方：
1、缺乏经验，很多的时候问问题的时候不能分清主次，有些时候和工作人员交流的时候不能正确的表达自己的问题。
2、实习态度仍不够积极，在实习中仅仅满足于能够完成布置的任务，没有在完成任务的同时自己主动去学习一些对自己有用的东西。不学习的时候就会松懈，不能做到主动学习，这主要还是因为懒惰在作怪，在今后的学习生活中，我要努力克服这个坏习惯。
3、掌握的知识不够充足“ 书到用时方恨少”这句话是很有道理的，在认识学习中让我深刻的认识到了自己自身知识储备的不足。如果没有充分的理论知识就没有办法在实际的生产中把理论知识更好的运用到实际中去。短短的一个星期的时间，我们自实习中充实地度过了，我们学习的知识虽然不是很多，但通过这次的认识实习让我明白了“学海无涯”的道理，实际生活中还有很多很多的技能需要我去学习，只有发扬“苦作舟”的精神，我才能够将自己的思想武装起来。否则，我们将来恐怕只能是赵括的“纸上谈兵”。
点击咨询 