應力-應變曲線是開始研究材料時遇到的第一個材料強度圖之一。

雖然它實際上并不難，但一開始可能看起來有點令人摸不着頭腦。在本文中，我們将學習應力應變曲線的一些關鍵概念以便更好地理解它。

使用中或制造過程中的金屬會受到不同的力。根據這些力的大小，金屬可能會或可能不會改變其形狀。

施加力的行為稱為負載。有五種不同的方式可以将這些力施加到金屬部件上。

負載的五種形式是：

壓縮

張緊

剪切

扭力

彎曲

金屬在本質上具有一定的彈性。當承受載荷時，金屬會發生變形，但如果沒有特殊工具，它可能太小而無法識别。

當這個施加的力被移除時，金屬會恢複其原始尺寸（除非力超過某個點）。例如，就像氣球一樣，在施加力後移除力後會恢複其原始形狀。

應力定義為所施加的力與其所施加到的材料的橫截面積之比。

材料應力計算公式：

σ=F/A，其中

F 是力 (N)

A 是面積 (m 2 )

σ 是應力（N/m 2或 Pa）

例如，在 1 m 2的橫截面積上施加 1 N 的力，将計算為 1 N/m 2 或 1 Pa的應力。單位可以同時顯示為N/m2 或 Pa，兩者均其中代表壓力。

應力可以被理解為一個内部力在金屬誘導響應于外部施加的力。它将嘗試抵抗由外力引起的任何尺寸變化。

當橫截面積發生變化時，相同的力會在金屬中引起更大或更小的應力。較小的橫截面積将導緻較大的應力值，反之亦然。

應變定義為尺寸變化與金屬初始尺寸的比率。它沒有單位。

存在三種類型的應變：法向、體積和剪切。

法向應變（或縱向應變）僅涉及一維的變化，例如長度。

應變計算公式為：

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，如果某個力将金屬的長度從 100 毫米更改為 101 毫米，則法向應變将為 (101-100)/100 或 0.01。

根據外力的方向，法向應變可能為正或為負，因此會影響原始長度。

為簡單起見，我們在文章中隻讨論正常應變。因此，每次我們使用應變這個詞時，它都會指代正常應變。一旦我們理解了正常應變，就很容易将同樣的理解擴展到其他兩個。

每當負載作用在物體上時，它就會在材料中産生應力和應變。

讓我們以足球為例。當你試圖擠壓它時，它會産生阻力。提供的阻力是誘導應力，而尺寸變化代表應變。

應變導緻應力。當施加導緻變形的力時，材料試圖通過設置内部應力來保持其主體結構。

繪制應力應變曲線的最常用方法是對試件的一根杆進行拉伸試驗。

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

記錄施加的力和産生的應變，直到發生斷裂。然後将這兩個參數繪制在 XY 圖上以獲得熟悉的圖。

應力-應變曲線是顯示應力随應變增加而變化的圖表。它是材料科學和制造中廣泛使用的金屬參考圖。

應力和應變曲線上有不同的部分，它們描述了延性材料根據引起的應力量而産生的不同行為。

（拉伸試驗圖）

脆性、硬性（但非延展性）和塑性材料的應力和應變曲線是不同的。這些材料的曲線更簡單，可以很容易地學習。我們将關注延性材料的應力-應變曲線。但在我們深入研究之前，讓我們先看看另一個重要的概念——胡克定律。

這個物理學原理談到了彈性，以及将彈性物體拉伸或壓縮一定距離所需的力如何與該距離成正比。更多的力量産生更多的距離。

用于計算彈簧力的胡克定律公式：

就金屬而言，胡克定律規定，對于大多數金屬，長度變化越大，内力越大。這意味着應力與應變成正比。這是因為金屬在一定限度内表現出彈性。

簡單來說，如果拉伸/壓縮載荷加倍，隻要金屬在比例限制内，長度的增加/減少也會加倍。

幾乎所有金屬在特定範圍内都表現得像彈性物體。該範圍因不同的金屬而異，并受機械性能、大氣暴露（腐蝕）、晶粒尺寸、熱處理和工作溫度等因素的影響。

當試驗機開始拉試件時，它會承受拉伸應力。最初，材料遵循胡克定律。

應變将與應力成正比。這意味着應力與應變的比率将是一個常數。在材料科學中，這個常數被稱為楊氏彈性模量，是為應用選擇合适材料時要考慮的最重要的機械特性之一。

沒有永久變形。金屬将像彈簧一樣運行，并在移除負載時恢複到其原始尺寸。

觀察到這種比例行為的點稱為比例極限。随着應力的增加，應變線性增加。在上圖中，此規則适用于收益率強度 指标。

它被定義為材料的比例極限内的縱向應力與應變之比。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的原因。

假設我們有 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。

随着試樣承受越來越大的拉力，應力會增加到超過比例極限。

應力-應變關系偏離胡克定律。應變以比應力更快的速度增加，這表現為應力和應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彎的部分。盡管應力與應變的比例消失了，但彈性的特性沒有消失，并且在去除負載時，金屬仍将恢複到其原始尺寸。

因此，彈性極限内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力下的穩定性。

這就是工程計算使用材料的屈服強度來确定其抗負載能力的原因。如果載荷大于屈服強度，結果将是不需要的塑性變形。

當試件在試驗機上進一步拉動時，其彈性就喪失了。這與應力-應變圖中應變硬化區域的開始一緻。

屈服強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上松開材料，它将不會恢複到其原始長度。

當材料中的位錯數量變得太高并且它們開始阻礙彼此的運動時，據說會發生應變硬化。材料不斷地重新排列并趨于硬化。

随着應力的增加，塑性變形繼續發生。在适當的時候，将在杆上的一點處觀察到橫截面變窄。這種現象稱為頸縮。應力如此之高，導緻在杆的最薄弱點形成頸部。

應力應變曲線還顯示了發生頸縮的區域。它的起點也為我們提供了材料的極限抗拉強度。

極限抗拉強度表示材料可以承受的最大應力。達到此值會将材料推向失效和斷裂。

一旦進入頸縮區域，我們可以看到載荷不必增加以進行進一步的塑性變形。

頸部會發生斷裂，通常在杆的兩端形成杯形和錐形。該點稱為斷裂點或斷裂點，在應力應變圖上用 E 表示。

應力-應變曲線為設計工程師提供了一長串應用設計所需的重要參數。應力-應變圖為我們提供了許多機械特性，例如強度、韌性、彈性、屈服點、應變能、回彈力和負載過程中的伸長率。

它還有助于制造。無論您是要執行擠壓、軋制、彎曲還是其他一些操作，此圖表中的值都将幫助您确定引起塑性變形所需的力。

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