一篇文章了解拉伸应力应变曲线

材料在拉力作用下的变形和损伤特性可以通过拉伸应力-应变曲线来衡量，这是材料力学中最基本、最重要的概念之一，跟我一起来了解一下吧。

曲线的横坐标为应变，纵坐标为应力。 曲线的形状反映了材料在外力作用下发生的各种变形过程。

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我们都知道力的三要素是大小、方向和作用点。 但是，作用点没有量纲，它只是表示力的位置。 物体的材料是有尺寸的，当我们需要研究物体内各个点的力时，我们需要引入应力的概念，用σ表示。

拉伸应力公式：σ= dF/dA，表示材料内部单位面积的应力。 通俗地说，拉应力就是物体受到外界作用时，物体内部单位面积的阻力，具有共同防御外界敌人的感觉。

如上图所示，一个物体受到一个拉力，那么为了平衡这个力，物体内部单位面积的材料会受到一部分力的作用。 当物体内部的平面与力的方向垂直且材料均匀时，施加平均拉应力。 在这种拉应力作用下，反映物体的变形称为应变。

★ 应力应变曲线的四个阶段

如下图所示：应力-应变曲线一般分为四个阶段：弹性区、流动区、应变硬化和颈缩断裂。

1弹性 地区

特点： 当应力低于σe时，应力与试样的应变成正比，应力消除，变形消失，即试样处于弹性变形阶段。 当载荷超过“a”点对应的值后，拉伸曲线开始偏离直线。

重要概念： σe 是材料的弹性极限，表示材料保持弹性变形时的最大应力。 在弹性阶段，有一个特殊的线性“oa”段，其中 σ 和 ε 之间存在线性关系。 这称为比例相，也称为线弹性相。 满足胡克定律。

σ=E*ε

E称为材料的弹性模量，一般钢为E=200GPa。
比例极限 σp 是遵循应力应变之间胡克定律的应力最大值。

笔记：
只有当应力 F/A <σp 时，σ 和 ε 才服从胡克定律。
对于σp<σ<σe，胡克定律在'ab'截面不再成立，但它仍然是一个弹性变形。
由于 σp 和 σe 之间的差异并不显着，因此在工程上没有区别。

2 流动区域

特点： 当应力超过σe到一定值时，应力与应变的线性关系被破坏，应变显着增大，而应力先减小后微幅波动，曲线上靠近水平线处出现细小的锯齿线段。 如果卸载，试件的变形仅部分恢复，同时保留了一部分残余变形，即塑性变形。 这表明材料的变形进入弹塑性变形阶段。

重要概念： σs 称为材料的屈服强度或屈服点，是塑性的重要指标。 对于没有明显屈服的材料，在工程上，规定产生0.2%残余变形的应力值作为其屈服极限。

在拉伸试验中，如果试样已经屈服，即上图中的“bc”部分，即使载荷不再增加，试样也会继续伸长，因此拉伸曲线中出现水平间隔，这种现象称为屈服或流动。 屈服现象是由金属中晶体的滑移引起的。 对于不发生屈服的材料，工程规定采用0.2%塑性变形对应的应力作为屈服强度，记为σ0.2。

3 应变硬化

特点： 当应力超过 σs 时，试样发生显着且均匀的塑性变形，若要增加试样上的应变，则必须增大应力值。 这种随着塑性变形增加而增加塑性变形阻力的现象被称为加工硬化或变形强化。

重要概念： 当应力达到 σb 时，试样的均匀变形阶段结束。 这个最大应力σb称为材料的极限强度或抗拉强度，表示材料对最大均匀塑性变形的抵抗能力，即材料在拉伸破坏前所能承受的最大应力。

4 颈缩骨折

特点： 达到 σb 的应力值后，试件开始不均匀变形并形成缩颈，应力下降，当应力达到 σf 时试件断裂。

重要概念： σf 为材料的断裂强度，代表材料对塑性的极限抵抗力。 通常，材料塑性性能的指标是伸长率和面积减少率。

伸长率：δ= (L1-L)/L * 100%
面积减少：ψ= (A-A1)/A * 100%

L1：拉断后试样的长度
L：试样的原始长度
A1：试样在断裂处的最小横截面积
A：原始截面积
δ和ψ的值越大，塑性越好。

★ 不同性能材料的拉伸应力-应变曲线

在工程中，断裂伸长率≥5%的材料通常称为塑性材料，而断裂伸长率<5%的材料称为脆性材料。 一般来说，塑料材料具有明显的屈服阶段，而拉伸断裂则形成颈缩。 相比之下，脆性材料在拉伸过程中看不到明显的屈服相，在拉伸断裂时不会发生颈缩。

一种塑料材料：非常小的弹性区域。
延展性材料：在弹性区域之后有一个奇怪的部分，发生“颈缩”——在这个塑性区域发生永久变形。
一种不具有延展性的坚固材料：钢丝拉伸很小，并突然断裂。
脆性材料：这种材料也很坚固，因为高应力下的应变很小。 脆性材料的断裂是突然的，几乎没有或没有塑性变形。 玻璃是脆性应力。

塑料与脆性材料力学性能比较

塑胶原料	脆性材料
伸长率：δ≥5%	伸长率：δ＜5%
断裂前塑性变形大	断裂前变形很小
压缩性能和拉伸性能相似	压缩性能远大于拉伸性能
适用于锻造和冷加工	适用于基础元素或外壳
注：材料的塑性和脆性可因制造方法和工艺条件的变化而改变。

 

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