一張圖理解應力應變曲線
今天來講一下我對材料應力應變曲線的理解,這是材料或者力學中最基礎也是最重要的一個概念,記得當初面試華為的時候,面試官還讓我畫出來給他講講各段的含義。
曲線的橫坐標是應變,縱坐標是外加的應力。曲線的形狀反應材料在外力作用下發生的脆性、塑性、屈服、斷裂等各種形變過程。這種應力-應變曲線通常稱為工程應力-應變曲線,它與載荷-變形曲線外形相似,但是坐標不同。
原理上,聚合物材料具有粘彈性,當應力被移除后,一部分功被用于摩擦效應而被轉化成熱能,這一過程可用應力應變曲線表示。金屬材料具有彈性變形性,若在超過其屈服強度之后?繼續加載,材料發生塑性變形直至破壞。這一過程也可用應力應變曲線表示。該過程一般分為:彈性階段、屈服階段、強化階段、局部變形四個階段。
特征:當應力低于σe 時,應力與試樣的應變成正比,應力去除,變形消失,即試樣處于彈性變形階段。
重要概念:σe 為材料的彈性極限,表示材料保持完全彈性變形的最大應力。
在彈性階段有一特殊直線oa段,在該段內σ與ε之間呈線性關系,稱為比例階段,也稱為線彈性階段。滿足胡克定律:
σ=E*ε
E稱為材料的彈性模量,一般鋼材E=200GPa。
比例極限σp是應力應變之間服從胡克定律的應力的最大值
注:
只有工作應力F/A<σp時,σ與ε才服從胡克定律。
σp<σ<σe時,ab段內胡克定律不再成立,但仍為彈性變形
由于σp、σe相差不大,工程上并不區分
特征:當應力超過σe達到某一數值 后,應力與應變之間的直線關系被破壞,應變顯著增加,而應力先是下降,然后微小波動,在曲線上出現接近水平線的小鋸齒線段。如果卸載,試樣的變形只能部分恢復,而保留一部分殘余變形,即塑性變形。這說明鋼的變形進入彈塑性變形階段。
重要概念:σs稱為材料的屈服強度或屈服點,是塑性材料一個重要指標。對于無明顯屈服的金屬材料,規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限。
特征:當應力超過σs后,試樣發生明顯而均勻的塑性變形,若使試樣的應變增大,則必須增加應力值,這種隨著塑性變形的增大,塑性變形抗力不斷增加的現象稱為加工硬化或形變強化。
重要概念:當應力達到σb時試樣的均勻變形階段即告終止,此最大應力σb稱為材料的強度極限或抗拉強度,它表示材料對最大均勻塑性變形的抗力。材料在拉伸破壞之前能承受的最大應力。
特征:在σb值之后,試樣開始發生不均勻塑性變形并形成縮頸,應力下降,最后應力達到σf時試樣斷裂。
重要概念:σf為材料的條件斷裂強度,它表示材料對塑性的極限抗力。
上述應力-應變曲線中的應力和應變是以試樣的初始尺寸進行計算的,事實上,在拉伸過程中試樣的尺寸是在不斷變化的,此時的真實應力σ應該是瞬時載荷(P)除以試樣的瞬時截面積(A),即:σ=P/A;
同樣,真實應變ε應該是瞬時伸長量除以瞬時長度dε=dL/L。下圖是真應力-真應變曲線
它不像應力-應變曲線那樣在載荷達到最大值后轉而下降,而是繼續上升直至斷裂,這說明金屬在塑性變形過程中不斷地發生加工硬化,從而外加應力必須不斷增高,才能使變形繼續進行,即使在出現縮頸之后,縮頸處的真實應力仍在升高,這就排除了應力-應變曲線中應力下降的假象。
—End—
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