光塑性

光塑性法是指建立在經典光彈性概念基礎上，套用合適的聚合物材料製作模型進行實驗，利用雙折射效應原理研究物體的彈塑性應力、應變狀態的實驗方法，可模擬原型結構或構件的塑性變形過程，並利用塑性變形時記錄所得的應力圖象，解決超過彈性極限時的應力分析問題。還可以研究塑性流動的一些物理現象，如流動和破壞的觀察，研究殘餘應力、蠕變和鬆弛等問題。

基本介紹

• 中文名：光塑性
• 外文名：photoplasticity
• 類別：實驗應力分析方法
• 物理基礎：雙折射效應
• 實驗材料：聚碳酸酯、聚酯樹脂等
• 套用：研究彈塑性應力、應變狀態

定義

介質彈性變形產生的雙折射效應是光彈性方法的物理基礎。塑性變形是在彈性變形的基礎上產生和發展的，由此可知，塑性變形時也能觀察到雙折射現象。這樣就有可能建立研究塑性變形問題的實驗方法。這種方法的物理基礎與光彈性方法一樣，是利用形狀改變過程中物質動力單位，如原子、分於、大分子的可逆位移所產生的雙折射效應來研究物體的塑性變形，這種實驗方法稱為光塑性方法。

套用

光塑性的基本任務按研究的目的可分為兩大類，即：

變形體內變形區域的劃分

①計測和分析塑性變形體中的應力應變分布特性。如求出變形體內任一點的應力應變分量，得出變形體內變形區域的劃分等。

②研究塑性變形過程中伴隨而生的各種物理現象。例如研究塑性流動和破壞的機理；研究殘餘應力的本質；研究疲勞、蠕變及接觸摩擦等問題。

相似條件

由光塑性模型實驗結果轉化為金屬材料的實際結果，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力-真應變曲線必須相似；

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下的泊松比相等；

聚碳酸酯真應力——真應變曲線

④模型材料的粘彈性不明顯，在變形過程中雙折射效應與應變呈線性關係，光學鬆弛與力學鬆弛極限要相同。

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。適當選擇拉伸應變速度，可使賽璐珞材料與鋁合金等材料的應力——應變曲線相似。對聚碳酸脂材料的研究也表明，它與低碳鋼等材料的應力-應變曲線相似，如圖2所示。許多研究證明，上述兩種材料在塑性變形狀態下的泊松比都等於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，有可能用於模擬金屬的細觀力學行為。由於受到材料製造和尺寸等因素的限制，發展緩慢。

光敏薄層貼片法是光彈性貼片法推廣套用於計測彈塑性變形的方法，它的局限性是只能計測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驗方法，是以非線性雙折射和非彈性變形的模型材料為基礎的。

光塑性與光彈性的區別

光塑性方法雖然和光彈性方法都以同一物理現象作為基礎，都是根據光的雙折射效應提出來的，但它和光彈性方法有著原則上的差別。其差別主要表現為以下幾個方面：

①光彈性方法是模擬彈性變形過程，並解決模型應力不超過彈性極限時的應力狀態問題的。因此模型的本構方程可用虎克定律來描述，此定律對於各向同性性質的模型材料只包含兩個彈性常數——楊氏模量和泊松比。光塑性方法是模擬塑性變形過程的，即解決在模型應力或應變超過彈性極限以後塑性狀態的應力和應變問題。這時，模型的本構方程必須用塑性規律來描述。塑性規律有各種各樣的形式，一般都比較複雜，且塑性變形的規律與材料本身的性質和變形的條件緊密相關。因此，在光塑性實驗中，模型材料的本構方程一般來講是各不相同的，對它的描述比較複雜，很難找到確定的數學表達式。

②光塑性方法對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；在自然狀態下是各向同性的、處於受力狀態時有雙折射效應；光學靈敏度要求比較高；應力或應變與雙折射效應(等差線條紋)之間存在著線性對應關係等基本特點。適合用作光塑性模型的材料，除了必須具備上述基本特點外，還必須具有較好的塑性流動性能和滿足相似理論所要求的其它條件。由於模型材料的不同及塑性流動與彈性變形的差異，光塑性方法中的應力(或應變)光學定律與光彈性方法有本質上的不同。

③在實驗數據的處理方法上，光塑性方法與光彈性方法也是不同的。在光彈性方法中，實驗資料所處理是以現有的彈性理論為基礎的。在光塑性方法中，為了確定流動區內任意點的應力、應變張量的分量，必須引用塑性理論，實驗數據處理方法的特點取決於模型材料的特性。

④在光塑性方法中，確定材料應變條紋值的實驗方法與光彈性方法中確定材料的應力條紋值的實驗方法不同。

⑤在實驗技術上，光塑性方法與光彈性方法相比較，有許多特殊的要求。如要求實現連續載入，並在實驗過程中能定出載入速度、加速度和實驗溫度、潤滑條件等。

⑥光塑性方法解決問題的範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於塑性變形體的應力應變分析問題外，還能解決或解釋與塑性變形有關的某些其它問題。例如，它可以用來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力和變形問題；也可以模擬與塑性變形相關的地質學、地球物理學和岩石力學等學科中涉及到的各類力學現象。

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差異的、研究塑性變形問題最有效的實驗方法。