應(yīng)力-應(yīng)變曲線為設(shè)計工程師提供了一長串應(yīng)用設(shè)計所需的重要參數(shù)。應(yīng)力-應(yīng)變圖為我們提供了許多機(jī)械特性，例如強(qiáng)度、韌性、彈性、屈服點、應(yīng)變能、回彈力和負(fù)載過程中的伸長率。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是開始研究材料時遇到的第一個材料強(qiáng)度圖之一。

雖然它實際上并不難，但一開始可能看起來有點令人摸不著頭腦。

什么是應(yīng)變？

應(yīng)變定義為尺寸變化與金屬初始尺寸的比率。它沒有單位。

存在三種類型的應(yīng)變：法向、體積和剪切。

法向應(yīng)變（或縱向應(yīng)變）僅涉及一維的變化，例如長度。

應(yīng)變計算公式為：

ε=(l*l 0 )/l 0，其中

l 0為起始或初始長度（mm）

l 為拉伸長度（mm）

例如，如果某個力將金屬的長度從 100 毫米更改為 101 毫米，則法向應(yīng)變將為 (101-100)/100 或 0.01。

根據(jù)外力的方向，法向應(yīng)變可能為正或為負(fù)，因此會影響原始長度。

為簡單起見，我們在文章中只討論正常應(yīng)變。因此，每次我們使用應(yīng)變這個詞時，它都會指代正常應(yīng)變。一旦我們理解了正常應(yīng)變，就很容易將同樣的理解擴(kuò)展到其他兩個。

壓力和應(yīng)變

每當(dāng)負(fù)載作用在物體上時，它就會在材料中產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。

讓我們以足球為例。當(dāng)你試圖擠壓它時，它會產(chǎn)生阻力。提供的阻力是誘導(dǎo)應(yīng)力，而尺寸變化代表應(yīng)變。

應(yīng)變導(dǎo)致應(yīng)力。當(dāng)施加導(dǎo)致變形的力時，材料試圖通過設(shè)置內(nèi)部應(yīng)力來保持其主體結(jié)構(gòu)。

如何繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線？

繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線的最常用方法是對試件的一根桿進(jìn)行拉伸試驗。

這是使用萬能試驗機(jī)完成的。它有兩個爪子，可以抓住桿的兩個極端并以均勻的速度拉動它。

記錄施加的力和產(chǎn)生的應(yīng)變，直到發(fā)生斷裂。然后將這兩個參數(shù)繪制在 XY 圖上以獲得熟悉的圖。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是顯示應(yīng)力隨應(yīng)變增加而變化的圖表。它是材料科學(xué)和制造中廣泛使用的金屬參考圖。

應(yīng)力和應(yīng)變曲線上有不同的部分，它們描述了延性材料根據(jù)引起的應(yīng)力量而產(chǎn)生的不同行為。

楊氏彈性模量

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它被定義為材料的比例極限內(nèi)的縱向應(yīng)力與應(yīng)變之比。也稱為彈性模量，它類似于彈簧的剛度。這也是胡克定律包含彈簧常數(shù)的原因。

假設(shè)我們有 2 種具有相同長度和橫截面的材料。為了以相同的方式改變尺寸，具有較高楊氏模量值的材料需要更大的力。

彈性點和屈服點

隨著試樣承受越來越大的拉力，應(yīng)力會增加到超過比例極限。

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系偏離胡克定律。應(yīng)變以比應(yīng)力更快的速度增加，這表現(xiàn)為應(yīng)力和應(yīng)變圖中曲線的輕微變平。

這是圖中第一條曲線開始但尚未向下轉(zhuǎn)彎的部分。盡管應(yīng)力與應(yīng)變的比例消失了，但彈性的特性沒有消失，并且在去除負(fù)載時，金屬仍將恢復(fù)到其原始尺寸。

因此，彈性極限內(nèi)的尺寸變化是暫時的和可逆的。材料的彈性極限決定了它在應(yīng)力下的穩(wěn)定性。

這就是工程計算使用材料的屈服強(qiáng)度來確定其抗負(fù)載能力的原因。如果載荷大于屈服強(qiáng)度，結(jié)果將是不需要的塑性變形。

塑性行為

當(dāng)試件在試驗機(jī)上進(jìn)一步拉動時，其彈性就喪失了。這與應(yīng)力-應(yīng)變圖中應(yīng)變硬化區(qū)域的開始一致。

屈服強(qiáng)度點是首先觀察到材料塑性變形的地方。如果超過該點從試驗機(jī)上松開材料，它將不會恢復(fù)到其原始長度。

當(dāng)材料中的位錯數(shù)量變得太高并且它們開始阻礙彼此的運動時，據(jù)說會發(fā)生應(yīng)變硬化。材料不斷地重新排列并趨于硬化。

頸縮

隨著應(yīng)力的增加，塑性變形繼續(xù)發(fā)生。在適當(dāng)?shù)臅r候，將在桿上的一點處觀察到橫截面變窄。這種現(xiàn)象稱為頸縮。應(yīng)力如此之高，導(dǎo)致在桿的最薄弱點形成頸部。

應(yīng)力應(yīng)變曲線還顯示了發(fā)生頸縮的區(qū)域。它的起點也為我們提供了材料的極限抗拉強(qiáng)度。

極限抗拉強(qiáng)度表示材料可以承受的最大應(yīng)力。達(dá)到此值會將材料推向失效和斷裂。

斷裂

一旦進(jìn)入頸縮區(qū)域，我們可以看到載荷不必增加以進(jìn)行進(jìn)一步的塑性變形。

頸部會發(fā)生斷裂，通常在桿的兩端形成杯形和錐形。該點稱為斷裂點或斷裂點，在應(yīng)力應(yīng)變圖上用 E 表示。

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