应力,作为单位面积上的力,是描述材料受力状态的关键参数。在拉伸试验中,我们可以通过拉伸力除以样品横截面积来计算得到应力,其单位通常为帕斯卡或兆帕。应力反映了材料内部分子间的相互作用力,对于理解材料的力学行为至关重要。
而应变,则描述了材料在受力作用下的形变程度。在拉伸试验中,它可以通过材料的长度变化与原始长度之比来计算。作为一个无量纲量,应变直接反映了材料的变形性能。
应力与应变之间的关系,是材料力学性能的核心内容。通过应力应变曲线,我们可以深入理解材料在受力过程中的响应特性。这条曲线通常包含几个关键阶段:弹性阶段,屈服阶段,强化阶段以及局部变形。每个阶段都揭示了材料的不同力学行为和性能特点。
曲线的横坐标是应变,纵坐标是外加的应力。应力应变曲线的形状反应材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程。这种应力-应变曲线通常称为工程应力-应变曲线。该过程一般分为:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形四个阶段。
应力应变曲线图如下所示
阶段1:弹性阶段 - 当应力低于σe 时,应力与试样的应变成正比,应力去除,变形消失,即试样处于弹性变形阶段。
重要概念:σe 为材料的弹性极限,表示材料保持完全弹性变形的最大应力。简而言之,它描述了材料在受力后能够恢复原状的条件。在应力-应变曲线上,弹性极限通常位于曲线的起始点,即材料在此点开始发生弹性变形,并在外力移除后能够完全恢复原状。一旦超过弹性极限,材料将进入非弹性变形阶段,可能产生塑性变形或遭受破坏。
在弹性阶段有一特殊直线oa段,在该段内σ与ε之间呈线性关系,称为比例阶段,也称为线弹性阶段。满足胡克定律:
σ=E*ε
E称为材料的弹性模量,一般钢材E=200GPa。
比例极限σp是应力应变之间服从胡克定律的应力的最大值。在这一阶段,材料的应力和应变之间保持线性关系,且外力移除后材料能完全恢复。然而,一旦超过比例极限,材料将开始呈现非线性弹性变形,即超弹性变形,此时材料的弹性行为将不再严格遵循哈克定律,应力-应变关系将呈现非线性。
注: 只有工作应力F/A<σp时,σ与ε才服从胡克定律。 σp<σ<σe时,ab段内胡克定律不再成立,但仍为弹性变形 由于σp、σe相差不大,工程上并不区分
阶段2:屈服阶段 - 当应力超过σe达到某一数值 后,应力与应变之间的直线关系被破坏,应变显著增加,而应力先是下降,然后微小波动,在曲线上出现接近水平线的小锯齿线段。如果卸载,试样的变形只能部分恢复,而保留一部分残余变形,即塑性变形。这说明钢的变形进入弹塑性变形阶段。
阶段3:强化阶段 - 当应力超过σs后,试样发生明显而均匀的塑性变形,若使试样的应变增大,则必须增加应力值,这种随着塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增加的现象称为加工硬化或形变强化。
重要概念:当应力达到σb时试样的均匀变形阶段即告终止,此最大应力σb称为材料的强度极限或抗拉强度,它表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。材料在拉伸破坏之前能承受的最大应力。
阶段4:局部变形 -在σb值之后,试样开始发生不均匀塑性变形并形成缩颈,应力下降,最后应力达到σf时试样断裂。
重要概念:σf为材料的条件断裂强度,它表示材料对塑性的极限抗力。
胡克定律(Hooke's law),又译为虎克定律,是力学弹性理论中的一条基本定律,表述为:固体材料受力之后,材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系。满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型(英文Hookean)材料。
胡克定律的表达式
F=k·x 或 △F=k·Δx
其中k是常数,是物体的劲度(倔强)系数。在国际单位制中,F的单位是牛,x的单位是米,它是形变量(弹性形变),k的单位是牛/米。倔强系数在数值上等于弹簧伸长(或缩短)单位长度时的弹力。
参考应用指南:
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