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薄膜应力概念

薄膜应力

membrane stress 沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。由无力矩理论求解的壳体应力均为薄膜应力，且属一次薄膜应力。根据有力矩理论计算，不连续应力中也含有薄膜应力分量，但属二次应力。由于薄膜应力存在于整个壁厚，一旦发生屈服就会出现整个壁厚的塑性变形。在压力容器中，其危害性大于同等数值的弯曲应力(弯曲应力沿壁厚呈线性或非线性分布)。——摘自《安全工程大辞典》（1995年11月化学工业出版社出版）……

一次应力为平衡压力与其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。一次应力分为以下三类： 1．一次总体薄膜应力是影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力（primary membrane stress）。在塑性流动过程之中一次总体薄膜应力不会重新分布，它将直接导致结构破坏。 2．一次局部薄膜应力应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。若不加以限制，则当载荷从结构的某一高应力区传递到另一低应力区时，会产生过量塑性变形而导致破坏。 3. 一次弯曲应力平衡压力或其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分布的弯曲应力。二次应力为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所须的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。峰值应力由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加在一次加二次应力上的应力增量。

多晶硅薄膜应力特性研究(1)

第20卷第6期半　导　体　学　报 V o l.20,N o.6 1999年6月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S June,1999　多晶硅薄膜应力特性研究张国炳　郝一龙　田大宇　刘诗美　王铁松　武国英 (北京大学微电子学研究所　北京　100871) 摘要　本文报道了低压化学气相淀积(L PCVD)制备的多晶硅薄膜内应力与制备条件、退火 ,用XRD、R ED等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成.结果表明,L PCVD制备的多晶硅薄膜具有本征压应力,其内应力受淀积条件、微结构组成等因素的影响.采用快速退火(R TA)可以使其压应力松弛,减小其内应力,并可使其转变成为本征张应力,以满足在微机电系统(M E M S)制备中的要求. PACC:6220,7360F,6860 1　引言多晶硅薄膜由于其特有的导电特性和易于实现自对准工艺的优点,在大规模集成电路(VL S I)的制备中有着广泛的应用.对多晶硅薄膜的导电特性已进行了深入的研究[1].近年来,随着集成电路的发展,特别是微机电系统(M E M S)的兴起,多晶硅膜作为M E M S中的基本结构材料,其机械特性直接影响着器件的性能和稳定性、可靠性. 在M E M S应用中要求多晶硅膜本身具有较小的张应力且膜内有小的应力梯度,如果多晶硅膜内应力过大,会使M E M S结构层形变甚至断裂,造成器件失效.所以,控制制备工艺条件,使其具有较小的张应力,成为M E M S制造工艺中的一个很关键的问题[2,3].本文对L PCVD多晶硅薄膜的应力特性进行了实验研究,主要包括:制备工艺条件、退火温度和时间、掺杂浓度和微结构组成对其应力特性的影响.实验中采用薄膜全场应力测试系统测量薄膜的应力,用X光衍射(XRD)及反射电子衍射(R ED)等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成. 2　实验 2.1　实验样品制备实验样品采用在N型(100)单晶硅衬底热生长300～500nm厚的Si O2膜;再用低压化学气相淀积生长多晶硅薄膜,工艺条件为:淀积温度分别为575℃和610℃,压力30Pa,硅烷张国炳　男,1937年出生,教授,从事半导体器件物理及VL S I和M E M S中薄膜结构特性及应用研究郝一龙　男,1963年出生,副研究员,从事VL S I多层互连技术及M E M S器件和制备工艺研究 1998202213收到,1998208225定稿

关于应力集中的概念及其避免措施的讨论

关于应力集中的概念及其避免措施的讨论一．摘要材料构件的应力集中现象危害很大，应力集中会引起脆性材料断裂；使物体产生疲劳裂纹，严重影响结构的安全性。因此，研究应力集中的避免措施具有重要的意义。生活中各种各样的例子也证明了其研究的重要性。为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施；另外还可对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度。二、关键词应力应力集中措施三、引言现今社会，由于应力集中造成构件断裂，产生疲劳，对结构安全危害大。了解应力集中，并找出其避免措施，对人们的生活具有重大的意义。四、正文首先，先让我们了解一下应力与应力集中的概念，应力即受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。公式记为σ=f/s (其中，σ表示应力；δfj 表示在j 方向的施力；δai 表示在i 方向的受力面积)。材料在交变应力作用下产生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种

现象称为应力集中。对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无剧烈变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而实际工程构件中，有些零件常存在切口、切槽、油孔、螺纹等，致使这些部位上的截面尺寸发生突然变化。如开有圆孔和带有切口的板条，当其受轴向拉伸时，在圆孔和切口附近的局部区域内，应力的数值剧烈增加，而在离开这一区域稍远的地方，应力迅速降低而趋于均匀。这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和实验证实。图2-31 图2-32 在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力测试一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。二、薄膜应力测量方法

测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。（一）曲率法假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。 1、悬臂梁法薄膜沉积在基体上，基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时，基体表面成为凹面，若为压应力，基板的表面变为凸面。于是可以将一基体的一端固定，另一端悬空，形成机械式悬臂梁，如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点，并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次，得到反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。图二、悬臂梁法示意图 2、牛顿环法本法是利用基体在镀膜后，薄膜产生的弯曲面与一参考平面，产生干涉条纹的牛顿环，利用测量到的牛顿环间距与条纹数，推算基体的曲率半径R，其中R 与牛顿环直径之平方差成正比，并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比，將所求得的R帶入牛顿环应力公式，可求出残余应力值 (如图三)。

薄膜应力测试方法

薄膜的残余应力一、薄膜应力分析图一、薄膜应变状态与应力薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。二、薄膜应力测量方法

压力容器薄膜应力理论分析

压力容器薄膜应力理论分析本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。第一节压力容器概述 1、容器的结构如图1所示，容器一般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。图1 容器的结构示意图 2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。压力容器的分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。本节主要介绍以下几种： ○ 1按照在生产工艺中的作用反应容器（R ）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔，。换热容器（E ）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。分离压力容器（S ）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C ，球罐代号为B ）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。 ○ 2按照压力分外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。内压容器：容器内的压力大于外界的压力。低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤；中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤ 高压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤ 超高压容器（U ）：P M P a ≤1

一点应力状态概念及其表示方法

一点应力状态概念及其表示方法凡提到“应力”，必须指明作用在哪一点，哪个（方向）截面上。因为受力构件内同一截面上不同点的应力一般是不同的，通过同一点不同（方向）截面上应力也是不同的。例如，图8-1弯曲梁横截面上各点具有不同的正应力与剪应力；图8-2通过轴向拉伸杆件同一点的不同（方向）截面上具有不同的应力。

２．一点处的应力状态是指通过一点不同截面上的应力情况，或指所有方位截面上应力的集合。应力分析就是研究这些不同方位截面上应力随截面方向的变化规律。如图8-3是通过轴向拉伸杆件内点不同（方向）截面上的应力情况（集合）３．一点处的应力状态可用围绕该点截取的微单元体（微正六面体）上三对互相垂直微面上的应力情况来表示。如图8-4（a,b）为轴向拉伸杆件内围绕点截取的两种微元体。特点：根据材料的均匀连续假设，微元体（代表一个材料点）各微面上的应力均匀分布，相互平行的两个侧面上应力大小相等、方向相反；互相垂直的两个侧面上剪应力服从剪切互等关系。

§8-２平面应力状态的工程实例１．薄壁圆筒压力容器

为平均直径，为壁厚由平衡条件得轴向应力：（8-1a）图8-5c（Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ为相距为的横截面，H-H为水平径向面）由平衡条件或, 得环向应力：（8-1b） 2．球形贮气罐（图8-6）由球对称知径向应力与纬向应力相同，设为对半球写平衡条件：

得（8-2） 3．弯曲与扭转组合作用下的圆轴 4．受横向载荷作用的深梁　　　　 §8-3平面一般应力状态分析——解析法空间一般应力状态

如图8-9a所示，共有9个应力分量：面上的，，；面上的，，；面上的，，。 1）应力分量的下标记法：第一个下标指作用面（以其外法线方向表示），第二个下标指作用方向。由剪应力互等定理，有：，，。2）平面一般应力状态如图8-9b所示，即空间应力状态中，方向的应力分量全部为零（）；或只存在作用于x-y平面内的应力分量，，，，其中，分别为，的简写，而= 。 3）正负号规定：正应力以拉应力为正，压为负；剪应力以对微元体内任意一点取矩为顺时针者为正，反之为负。 2．平面一般应力状态斜截面上应力如图8-10所示，斜截面平行于轴且与面成倾角，由力的平衡条件：和可求得斜截面上应力，：

材料力学基本概念

变形固体的基本假设、内力、截面法、应力、位移、变形和应变的概念、杆件变形的基本形式；轴力和轴力图、直杆横截面上的应力和强度条件、斜截面上的应力、拉伸和压缩时杆件的变形、虎克定律、横向变形系数、应力集中；扭转的概念、纯剪切的概念、薄壁圆筒的扭转，剪切虎克定律、切应力互等定理；静矩、惯性矩、惯性积、惯性半径、平行移轴公式、组合图形的惯性矩和惯性积的计算、形心主轴和形心主惯性矩概念；应力状态的概念、主应力和主平面、平面应力状态分析—解析法、图解法（应力圆）、三向应力圆，最大切应力、广义胡克定律、三个弹性常数E 、G 、μ间的关系、应变能密度、体应变、畸变能密度；强度理论的概念、杆件破坏形式的分析、最大拉应力理论、最大拉应变理论、最大切应力理论、畸变能理论、相当应力的概念；疲劳破坏的概念、交变应力及其循环特征、持久极限及其影响因素。第一章 a 绪论变形固体的基本假设、内力、截面法、应力、位移、变形和应变的概念、杆件变形的基本形式第一节材料力学的任务与研究对象 1、变形分为两类：外力解除后能消失的变形成为弹性变形；外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。第二节材料力学的基本假设 1、连续性假设：材料无空隙地充满整个构件。 2、均匀性假设：构件内每一处的力学性能都相同 3、各向同性假设：构件某一处材料沿各个方向的力学性能相同。第三节内力与外力截面法求内力的步骤：①用假想截面将杆件切开，得到分离体②对分离体建立平衡方程，求得内力第四节应力 1、切应力互等定理：在微体的互垂截面上，垂直于截面交线的切应力数值相等，方向均指向或离开交线。胡克定律 2、 E σε=，E 为（杨氏）弹性模量 3、 G τγ=，剪切胡克定律，G 为切变模量第二章轴向拉压应力与材料的力学性能轴力和轴力图、直杆横截面上的应力和强度条件、斜截面上的应力、拉伸和压缩时杆件的变形、虎克定律、横向变形系数、应力集中

SiO2 薄膜热应力模拟计算

SiO2薄膜热应力模拟计算1 吴靓臻，唐吉玉华南师范大学物电学院，广州（510006） E-mail：tangjy@https://www.wendangku.net/doc/c51785533.html, 摘要：薄膜内应力严重影响薄膜在实际中的应用。本文采用有限元模型对SiO2薄膜热应力进行模拟计算，验证了模型的准确性。同时计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图, 对薄膜现实生长具有一定的指导意义。关键词：热应力，SiO2薄膜，有限元，模拟 0 引言二氧化硅(SiO2)薄膜因其具有优越的电绝缘性，传导特性等各种性能,加之其工艺的可行性，在微电子及光学和其它领域中有着非常广泛的应用[1]。随着光通信及集成光学研究的深入，在光学薄膜中占重要地位的多层介质SiO2光学薄膜，是主要的低折射率材料，对光学技术的发展起着举足轻重的作用[2]。然而，光学薄膜中普遍存在的残余应力是影响光学器件甚至整个集成光学系统性能及可靠性的重要因素。过大的残余应力会导致薄膜产生裂痕、褶皱、脱落等各种破坏，影响薄膜的使用性能[3]。此外，光学薄膜中的残余应力还会引起其基底平面发生弯曲导致其光学仪器发生畸变，从而导致整个光学系统偏离设计指标,甚至完全不能工作。因此有必要对SiO2薄膜残余应力进行深入细致的研究。前人的研究表明：SiO2薄膜中的最终残余应力是淬火应力和热应力共同作用的结果[4] [5] [6]，而热应力是薄膜应力中不可避免的。但是现有的热应力理论计算无法得到直观的热应力分布规律,不利于选择最适合的生长环境；若采用实验测试，成本高且也不现实。本文利用计算机，采用有限元技术,以在BK7玻璃衬底上生长的SiO2薄膜为研究对象,利用有限元软件ANSYS对SiO2薄膜在冷却阶段产生的热应力进行计算与分析, 计算了薄膜热应力的大小和分布，分别分析了不同镀膜温度、不同膜厚和不同基底厚度生长环境下热应力的大小，得到了相应的变化趋势图。这些结果对SiO2薄膜的实际应用和薄膜应力产生机制的探讨都有一定的意义。 1 理论分析薄膜应力的形成是一个复杂的过程。一般来说，薄膜应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整性（如杂质、空位、晶粒边界、位错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格错配等。在薄膜形成后，外部环境的变化同样也可能使薄膜内应力发生变化，如热退火效应使薄膜中的原子产生重排，结构缺陷得以消除（或部分消除），或产生相变和化学反应等，从而引起应力状态的变化。薄膜内应力可以写成： σ内＝σ热＋σ本征（1）影响热应力的物理参数有热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、厚度、温度变化等。目前，薄膜热应力数学模型是基于传统的梁弯曲理论来计算的，假设涂层相对于基体非常薄,而且尺寸无限宽,根据Stoney方程[7]可知薄膜热应力计算公式为： 1本课题得到国家自然科学基金资助项目（项目号：10575039）的资助。

薄膜应力

薄膜应力通常薄膜由它所附着的基体支承着,薄膜的结构和性能受到基体材料的重要影响。因此薄膜与基体之间构成相互联系、相互作用的统一体，这种相互作用宏观上以两种力的形式表现出来：其一是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力；其二则是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力—薄膜应力。薄膜应力在作用方向上有张应力和压应力之分。若薄膜具有沿膜面收缩的趋势则基体对薄膜产生张应力，反之,薄膜沿膜面的膨胀趋势造成压应力[1-2]。应该指出,薄膜和基体间附着力的存在是薄膜应力产生的前提条件,薄膜应力的存在对附着力又有重要影响[3]。图1薄膜中压应力与张应力的示意图[4] 1薄膜应力的产生及分类: 薄膜中的应力受多方面因素的影响,其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。按照应力的产生根源将薄膜内的应力分为热应力和本征应力,通常所说的残余应力就是这两种应力的综合作用,是一种宏观应力[4]。本征应力又称内应力,是在薄膜沉积生长环境中产生的(如温度、压力、气流速率等),它的成因比较复杂,目前还没有系统的理论对此进行解释,如晶格失配、杂质介入、晶格重构、相变等均会产生内应力[5]。本征应力又可分为界面应力和生长应力。界面应力来源于薄膜与基体在接触界面处的晶格错配或很高的缺陷密度，而生长应力则与薄膜生长过程中各种结构缺陷的运动密切相关。本征应力与薄膜的制备方法及工艺过程密切相关，且随着薄膜和基体材料的不同而不同[6]。热应力是由薄膜与基底之间热膨胀系数的差异引起的。在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后,下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应力，这种现象称作双金属效应[7]。但由这种效应引起的热应力不能认为是本质的论断。薄膜热应力指的是在变温的情况下，由于受约束的薄膜的热胀冷缩

薄膜应力课件

第9章压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。第一节压力容器概述 1、容器的结构如图1所示，容器一般是由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。图1 容器的结构示意图 2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。压力容器的分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。本节主要介绍以下几种： ○ 1按照在生产工艺中的作用反应容器（R ）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔，。换热容器（E ）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。分离压力容器（S ）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C ，球罐代号为B ）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。 ○ 2按照压力分外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。内压容器：容器内的压力大于外界的压力。低压容器（L ）： MPa P MPa 6.11.0<≤；中压容器（M ）：M P a P M P a 1016.0<≤ 高压容器（H ）：M P a P M P a 10010<≤ 超高压容器（U ）：P M P a ≤10

内力及应力的概念

第1章绪论 1.1 材料力学的任务任何建筑物或机器设备都是由若干构件或零件组成的。建筑物和机器设备在正常工作的情况下，组成它们的各个构件通常都受到各种外力的作用。例如，房屋中的梁要承受楼板传给它的重量，轧钢机受到钢坯变形时的阻力等，这些力统称为作用在构件上的荷载。要想使建筑物和机器设备正常工作，就必须保证组成它们的每一个构件在荷载作用下都能正常工作，这样才能保证整个建筑物或机械的正常工作。为了保证构件正常安全地工作，对所设计的构件在力学上有一定的要求，这里归纳如下。 1. 强度要求强度是指材料或构件抵抗破坏的能力。材料强度高，是指这种材料比较坚固，不易被破坏；材料强度低，则是指这种材料不够坚固，较易被破坏。在一定荷载作用下，如果构件的尺寸、材料的性能与所受的荷载不相适应，如机器中传动轴的直径太小、起吊货物的绳索过细，当传递的功率较大、货物过重时，就可能因强度不够而发生断裂，使机器无法正常工作，甚至造成灾难性的事故。显然这是工程上绝不允许的。 2. 刚度要求刚度是指构件抵抗变形的能力。构件的刚度大，是指构件在荷载作用下不易变形，即抵抗变形的能力大；构件的刚度小，是指构件在荷载作用下，较易变形，即抵抗变形的能力小。任何物体在外力作用下，都要产生不同程度的变形。在工程中，即使构件强度足够，如果变形过大，也会影响其正常工作。例如，楼板梁在荷载作用下产生的变形过大，下面的抹灰层就会开裂、脱落；车床主轴变形过大，则影响加工精度，破坏齿轮的正常啮合，引起轴承的不均匀磨损，从而造成机器不能正常工作。因此，在工程中，根据不同的用途，使构件在荷载作用下产生的变形不能超过一定的范围，即要求构件具有一定的刚度。 3. 稳定性要求受压的细长杆和薄壁构件，当荷载增加时，还可能出现突然失去初始平衡形态的现象，

应力集中的分析

1.应力集中的现象及概念材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无急剧变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而工程中由于实际需要，某些零件常有切口、切槽、螺纹等，因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变，这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和试验所证实。如图 2-31[a] 所示的带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。由试验结果可知 : 在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这一区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀( 图 2 — 31[b]) 。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。在 I — I 截面上，孔边最大应力与同一截面上的平均应力之比，用表示称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于 1 的系数。而且试验结果还表明 : 截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。

在静荷作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不相同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，使截面上其它点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图2-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对构件承载能力不一定会造成明显的影响。要想搞明白这个问题，我想先要搞明白什么是荷载力、什么是应力？简单地来说荷载力来源于动力源作用于工作终端，其力的大小为工作终端负荷加传动损耗，而应力则是由材料内部的分子发生错位（部分分子受拉力或热力作用其分子链被拉长、而有些分子则受压缩力或冷凝力的作用其分子被压缩，同时这两种变形的分子又相互作用在其过渡区域就会受两种作用力的影响，分子链也会受到破坏产生裂纹）而产生的作用力。人们在生产实践中发现材料在受力情况下都会发生变形，其变形量与受力的大小及受力的区城大小有关，卸载后的剩余应力与局剖的变形量成正比，对台阶轴而言若不加任何措施、由于作用区域小其作用力仅在轴的圆周面上产生作用，轴芯部分并不受力，这种现象本人称它为集肤效应。因此此时的轴肩处的圆周面受到剪切变形，分子链相继受到破坏并向轴芯延伸最终导至轴颈断裂。若在轴肩处采用圆弧过度等措施，相对来说增加了作用区域（两作用力之间的距离增加，材料所允许的扭转角度就变大，随着轴的扭转角度的增加使得轴芯部分有更多的分子链来参加传递动力，这样每个分子链的负荷也就变小很多，轴的寿命也得以延长，值得注意的是这并不意味着此轴可永久使用，因为材料在受力的情况下都会受损，只不过程度不同，程度大的寿命短、程度小的寿命长，这也就是人们常说的疲劳寿命。现在再来解释过盈配合为什么在边缘处产生应力集中？因为是过盈，所以内外圈在接触表面都要产生变形，而不接触的其它表面不会变形。这样接触面区域是压应力，而在接触边缘处轴的材料必然出现拉应力以阻止轮毂边缘和接触区外的材料进一步变形。但配合面的母线是直线，在外力作用下必然要产生相同的变形量，为了协

应力的定义[指南]

应力的定义[指南] 应力的定义当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变(Strain)。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力(Stress)。或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力(Stress)。按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力σ 和切应力τ，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。按照载荷(Load)作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。应力的分类同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应力大小不变，称为静应力;还有一些材料，其所受的外力随时间呈周期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集

材料力学基本概念

材料力学第一章 a 绪论变形固体的基本假设、内力、截面法、应力、位移、变形和应变的概念、杆件变形的基本形式第一节材料力学的任务与研究对象 1、变形分为两类：外力解除后能消失的变形成为弹性变形；外力解除后不能消失的变形，称为塑性变形或残余变形。第二节材料力学的基本假设 1、连续性假设：材料无空隙地充满整个构件。 2、均匀性假设：构件内每一处的力学性能都相同 3、各向同性假设：构件某一处材料沿各个方向的力学性能相同。第三节内力与外力截面法求内力的步骤：①用假想截面将杆件切开，得到分离体②对分离体建立平衡方程，求得内力第四节应力 1、切应力互等定理：在微体的互垂截面上，垂直于截面交线的切应力数值相等，方向均指向或离开交线。胡克定律 2、 E σε=，E 为（杨氏）弹性模量 3、 G τγ=，剪切胡克定律，G 为切变模量第二章轴向拉压应力与材料的力学性能轴力和轴力图、直杆横截面上的应力和强度条件、斜截面上的应力、拉伸和压缩时杆件的变形、虎克定律、横向变形系数、应力集中第一节拉压杆的内力、应力分析 1、拉压杆受力的平面假设：横截面仍保持为平面，且仍垂直于杆件轴线。即，横截面上没有切应变，正应变沿横截面均匀分布N F A σ= 2、材料力学应力分析的基本方法：①几何方程：const ε=即变形关系②物理方程：E σε=即应力应变关系③静力学方程：N A F σ?=即内力构成关系 3、 N F A σ= 适用范围：①等截面直杆受轴向载荷（一般也适用于锥角小于5度的变截面杆）②若轴向载荷沿横截面非均匀分布，则所取截面应远离载荷作用区域 4、圣维南原理（局部效应原理）：力作用于杆端的分布方式，只影响杆端局部范围的应力分布，影响区的轴向范围约离杆端1—2个杆的横向尺寸 5、拉压杆斜截面上的应力：0c o s /c o s N N F F p A A αασαα= ==；2 0cos cos p αασασα==， sin sin 22 p αασταα==；0o α=， max 0σσ=；45o α=，0 max 2 στ= 第二节材料拉伸时的力学性能 1、材料拉伸时经过的四个阶段：线弹性阶段，屈服阶段，硬化阶段，缩颈阶段 2、线（弹）性阶段：E σε=；变形很小，弹性；p σ为比例极限，e σ为弹性极限 3、屈服阶段：应力几乎不变，变形急剧增大，含弹性、塑性形变；现象是出 α p α α τα

塑胶内应力测试方法

PC塑胶材料的内应力检测方法 1、测试辅料：正丙醇、乙酸乙酯/甲醇（比例为1:3）、甲苯/正丙醇（比例为 1:10）、甲苯/ 正丙醇（比例是 1:3）、碳酸丙烯、测试夹具(或者负载)。 2、测试过程： 2.1 测试夹具的选择： 2.1.1因为TnP混合液存放时间过长,其成分会蒸发,性质会改变,从而导致测试结果不一，所以要选择一个可以存放正丙醇、乙酸乙酯/甲醇、甲苯/ 正丙醇、碳酸丙烯试剂的密封瓶，并且能保证试剂在密封瓶内循环流动。 2.2 测试试剂的选择： 2.2.1选择测试试剂时应满足测试程度的要求,必须符合安全要求. 2.2.2 如果PC料在使用过程中不能承受机械负载，测试试剂由正丙醇或者乙酸乙酯和甲醇以1:3的比例调制而成. 2.2.3 如果PC料在使用过程中能承受机械负载，测试液必须为1:10比例的TnP(即甲苯和正丙醇混合液).如果外荷载更大或者在临界情况下,测试液可改为1:3比例的TnP,甚至可用碳酸丙烯替代. 2.2.4 如内应力较小的情况下，可用乙酸乙酯/甲醇代替TnP测试液.比如，将乙酸乙酯/甲醇的混合比例调为1：2.5, 因为此试剂可让PC材料达到7兆帕的反应力值. 2.2.5 如果没有特殊的要求可根据“图表二”的内应力要求选择合适的试剂，试剂量要求能将测试样品完全沉浸在试剂中。 2.3 测试时间： 2.3.1 因为PC材料在注塑模表面形成一层液体薄膜.此液体薄膜不易蒸发,尤其经过更长时间的浸泡,使得产生裂纹更难被察觉.所以PC材料在碳酸丙烯试剂中浸泡时间不应超过一分钟.曝光时间越长,内应力值越小.但内应力更小,也会出现应力裂纹. 2.3.2 PC材料在其它的试剂沉浸的时间可以参考下表

材料力学习题第六章应力状态分析答案详解

第6章应力状态分析一、选择题 1、对于图示各点应力状态，属于单向应力状态的是（A ）。 20 （MPa ） 20 d （A ）a 点；（B ）b 点；（C ）c 点；（D ）d 点。 2、在平面应力状态下，对于任意两斜截面上的正应力αβσσ=成立的充分必要条件，有下列四种答案，正确答案是（ B ）。（A ）,0x y xy σστ=≠；（B ）,0x y xy σστ==；（C ）,0x y xy σστ≠=；（D ）x y xy σστ==。 3、已知单元体AB 、BC 面上只作用有切应力τ，现关于AC 面上应力有下列四种答案，正确答案是（ C ）。（A ）AC AC /2,0 ττσ==；（B ）AC AC /2,/2ττ σ==；（C ）AC AC /2,/2 ττσ==；（D ）AC AC /2,/2ττσ=-=。 4、矩形截面简支梁受力如图（a ）所示，横截面上各点的应力状态如图（b ）所示。关于它们的正确性，现有四种答案，正确答案是（ D ）。

(b) (a) （A）点1、2的应力状态是正确的；（B）点2、3的应力状态是正确的；（C）点3、4的应力状态是正确的；（D）点1、5的应力状态是正确的。 5、对于图示三种应力状态（a）、（b）、（c）之间的关系，有下列四种答案，正确答案是（ D ）。 τ (a) (b) (c) （A）三种应力状态均相同；（B）三种应力状态均不同；（C）（b）和（c）相同；（D）（a ）和（c）相同； 6、关于图示主应力单元体的最大切应力作用面有下列四种答案，正确答案是（ B ）。 (A) (B) (D) (C) 解答： max τ发生在 1 σ成45的斜截面上 7、广义胡克定律适用围，有下列四种答案，正确答案是（ C ）。（A）脆性材料；（B）塑性材料；（C）材料为各向同性，且处于线弹性围；（D）任何材料； 8、三个弹性常数之间的关系：/[2(1)] G E v =+适用于（ C ）。（A）任何材料在任何变形阶级；（B）各向同性材料在任何变形阶级；（C）各向同性材料应力在比例极限围；（D）任何材料在弹性变形围。

工程力学-应力状态与应力状态分析报告

8 应力状态与应变状态分析 1、应力状态的概念， 2、平面应力状态下的应力分析， 3、主平面是切应力为零的平面，主应力是作用于主平面上的正应力。（1）过一点总存在三对相互垂直的主平面，对应三个主应力,主应力排列规定按代数值由大到小为: 321σσσ≥≥ 最大切应力为 13 2 max σστ-= （2）任斜截面上的应力 α τασσσσσα2sin 2cos 2 2 xy y x y x --+ += α τασστα2cos 2sin 2 xy y x +-= （3) 主应力的大小 2 2min max )2 ( 2 xy y x y x τσσσσσ+-±+= 主平面的方位 y x xy tg σστα--= 220 4、主应变 12 2122x y x y xy xy x y ()()tg εεεεεεγγ?εε? = +±-+? = - 5、广义胡克定律 )]([1 z y x x E σσμσε+-=

)] ( [ 1 x z y y E σ σ μ σ ε+ - = )] ( [ 1 y x z z E σ σ μ σ ε+ - = G zx zx τ γ= G yz yz τ γ= ，G xy xy τ γ= 6、应力圆与单元体之间的对应关系可总结为“点面对应、转向相同、夹角两倍。” 8.1试画出下图8.1(a)所示简支梁A点处的原始单元体。图8.1 [解]（1）原始单元体要求其六个截面上的应力应已知或可利用公式直接计算，因此应选取如下三对平面：A点左右侧的横截面，此对截面上的应力可直接计算得到；与梁xy平面平行的一对平面，其中靠前的平面是自由表面，所以该对平面应力均为零。再取A点偏上和偏下的一对与xz平行的平面。截取出的单元体如图8.1(d)所示。 (2)分析单元体各面上的应力: A点偏右横截面的正应力和切应力如图8.1(b)、(c)所示，将A点的坐标x、y代入正应力和切应力公式得A点单元体左右侧面的应力为： z M y I σ= b I QS z z * = τ 由切应力互等定律知,单元体的上下面有切应力τ；前后边面为自由表面，应力为零。在单元体各面上画上应力，得到A点单元体如图8.1(d)。 8.2图8.2(a)所示的单元体,试求（1）图示斜截面上的应力;（2）主方向和主应力，画出主单元体;（3）主切应力作用平面的位置及该平面上的正应力，并画出该单元体。解题范例

材料力学概念整理

1.强度：抵抗破坏的能力；刚度：抵抗变形的能力；稳定性：构建抵抗失稳、维持原有平衡状态的能力。 2.材料的三个基本假设：连续性假设、均匀性假设、各向同性假设变形的两个基本假设：小变形假设、线弹性假设 3.基本变形：轴向拉伸（压缩）、剪切、扭转、弯曲。 4.内力：因外力作用而引起的物体内部各质点相互作用的内力的该变量，即由外力引起的“附加内力”，简称内力。 5.应力：受力杆件在截面上各点处的内力的大小和方向（一点处分布内力的集度），来表明内力左右在该点处的强弱程度。 6.低碳钢拉伸四个阶段：弹性阶段、屈服阶段（滑移线）、强化阶段、紧缩阶段。 7.冷作硬化：在常温下降钢材拉伸超过屈服阶段，卸载再重新加载时，比例极限提高而塑性降低的现象（提高强度，降低塑性）。 8.应力集中：由于截面尺寸突然改变而引起的局部应力急剧增大的现象。 9.轴：工程中常把以扭转为主要变形构件。 10.扭转；杆件两端受到两个作用面垂直于杆轴线的力偶的作用，两力偶大小相等，转向相反，使杆的各截面绕轴线做相对转动产生的变形。 11.切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个平面上，沿垂直于两面交线作用的切应力必然成对出现，且大小相等，方向共同指向或背离该两面的交线。 12.梁：凡是以弯曲变形为主要变形的构件通常称为梁。 13.弯曲：在一对转向相反，作用在杆的纵向平面内的外力偶作用下，直杆将在该轴向平面内发生弯曲，变形后的杆轴线将弯成曲线，这种变形形式称为弯曲。 14.叠加原理：几个外力共同作用所引起的某一量值（支座反力，内力，应力，变形，位移值）等于每个外力单独作用所引起的该量量值的代数和，这是力学分析的一个普遍原理，称为叠加原理。 15.纯弯曲：平面弯曲梁的横截面上，只有弯矩，而无剪力。横力弯曲：既有弯矩又有剪力的弯曲。 16.中性层：由于变形的连续性，纵向纤维从受压缩到受拉伸的变化之间，必然存在着一层既不受压缩、又不受拉伸的纤维，这层纤维称为中性层。 17.挠度：用垂直于梁轴线的线位移代表横截面形心的线位移。转角：绕本身的中性轴转过一个角度。 18.应力状态：受力构件内一点处各个不同方位截面上的应力的大小和方向情况，称为一点出的应力状态。 19.单元体：为了研究受力构件一点处的应力状体，可围绕该点取出一微小，正六面体，称为单元体。 20.主平面、主应力：对于受力构件内任一点，总可以找到三对相对垂直的平面，在这些面上只有正应力而没有切应力，这些切应力为零的平面的平面称为主平面，其上正应力称为主应力。 21.截面核心：压杆横截面上只产生压应力时压力作用区域。（对于偏心受压构件，为避免截面产生拉应力，要求偏心压力作用在横截面性心附近的某个区域内，此区域称为截面核心） 22.临界压力： 23.失稳：压杆从稳定平衡状态转化为不稳定平衡状态，这种现象称为丧失稳定性，简称失稳。

ANSYS压力容器应力分析中

ANSYS压力容器应力分析中，列表应力名称问题 1. ** MEMBRANE ** 代表PL？ 2. ** BENDING ** 代表PB？ 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB？ 4. ** PEAK ** 代表F？ 5. ** TOTAL ** 代表注：（因为JB4732中规定，判定各种应力许用极限的参数有一次总体薄膜应力强度 SⅠ（由Pm算得）；一次局部薄膜应力强度SⅡ（由PL算得）；一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ（由PL+PB算得）；一次加二次应力强度SⅣ(由PL+PB+Q算得)；峰值应力强度SⅤ(由PL+PB+Q+F算得) Pm是一次总体薄膜应力， PL是一次局部薄膜应力； PB是一次弯曲应力； Q是二次应力； F是峰值应力） Pm是一次总体薄膜应力， PL是一次局部薄膜应力； PB是一次弯曲应力；

Q是二次应力； F是峰值应力） 1. ** MEMBRANE ** 代表PL 2. ** BENDING ** 代表PB？ 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB？ 4. ** PEAK ** 代表F？ 5. ** TOTAL ** 代表？ ANSYS后处理应力线性化得到的结果中： ** MEMBRANE **代表薄膜应力，可能是一次总体薄膜应力也可能是一次局部薄膜应力。 ** BENDING **代表弯曲应力，可能是一次弯曲应力也可能属于二次应力。 ** MEMBRANE PLUS BENDING **根据前2者可能是一次薄膜+一次弯曲（），也可能是一次+二次应力（3 kSm） ANSYS只能把应力根据平均应力、线性化应力和非线性化应力来区分薄膜应力弯曲应力和峰应力，而不能分出总体薄膜应力和局部薄膜应力，一次应力还是二次应力。这需要你根据JB4732和ASME VIII-2的标准自己去判断** MEMBRANE **，** BENDING **，** MEMBRANE PLUS BENDING **的类别。