机械工程材料：应力-应变曲线解析与实验方法详解

小伙伴们周末过得很愉快呀！这周我已经来到学校了。因为上个学期没能回校，所以这一周有很多实验和各种琐碎的任务。不过我依然很快乐，因为见到了我想念了很久的大可爱和小可爱们，还认识了一位萌萌的学妹，以及一群憨憨的学弟呢，大家一起加油呀~

今天我们来扯应力-应变曲线。

在《机械工程材料》里，我们曾学到过材料的一些性能。其中有静态力学性能。静态力学性能包括强度、刚度和塑性。

强度指的是构件具备抵抗破坏的这种能力；刚度指的是构件拥有抵抗弹性变形的这种能力；塑性指的是在断裂之前会发生不可逆的永久变形的这种能力。

准备好按照国家标准规定的金属拉伸试样，借助一个液压式万能材料试验机，就能够在实验过程中通过电脑屏幕看到曲线。经过计算与整理，我们可以获取应力 - 应变曲线。其中，应力指的是单位面积内所承受的载荷，也就是σ = F / A；应变则是在拉伸过程中单位长度的伸长量，即ε = Δl / l。

塑性材料的应力-应变曲线大致分为两类，如下图。

它们都是塑性材料，但两张图看起来有巨大的区别。

其中最大的区别在于是否有屈服阶段。

我们先从第一张图讲起吧~

这个图大约可以分成五段。

OA 段呈现出一条直线的形态。在这个时候，试验杆宛如一个弹簧。应力和应变之间存在着一定且固定不变的比例关系。此时，图中线段的斜率就是弹性模量 E，并且 E 等于应力 σ 除以应变 ε。当到达 A 点时，存在着能够成比例变化的最大应力，这种最大应力被称为比例极限 σp。

AB 段不再是完全的比例阶段，然而依旧属于弹性阶段。在这个阶段，曲线有略微的弯曲，不过尚未出现塑性变形。D 点过后，就开始了塑性变形。所以，B 点所承受的应力被称作弹性极限。

力使得杆件开始出现不可恢复的塑性变形，然而杆件不会轻易屈服。图中的 DC 段，体现了塑性材料与所受应力的对抗，此阶段为屈服阶段。这里存在忽大忽小的应力，点 D 对应的应力除了刚开始塑性变形时的 B 点外，是最低应力的对应点，该应力又被称作下屈服强度。下屈服强度比 C 点所对应的上屈服强度更稳定，它常常被简称为屈服强度σs。

屈服阶段过后，应变逐渐增加，应力也会随之逐渐变大，此阶段被称作强化阶段。图中的最高点是 G 点，G 点所对应的是材料的抗拉强度σb，抗拉强度σb 与屈服强度σs 一同成为衡量材料强度的重要指标。

过了 G 点之后，会有“颈缩”现象出现。在这个时候，应力会减小。这是因为一方面横截面在减小，另一方面载荷也在急剧减小。

在塑性材料特有的图中，一方面，利用应力与应变的关系能够求出弹性模量；另一方面，利用卸载定律可以求出在卸载时对应的塑性变形量和脆性变形量。

在强化阶段停止加载且逐渐卸载时，杆件会依循 bc 斜线的规律逐渐变短。此线与弹性阶段的直线近似平行。所以当最终到达 c 点后，未恢复的 oc 段即为塑性变形。而用卸载点对应的长度减去 oc 段的长度，得到的就是弹性变形。

没有明显屈服阶段的塑性材料则来得更为简单。

直接规定，将应力定位为规定非比例延伸强度，这个规定是人为的，对应的是塑性应变εp等于 0.2％的时候。

另有一类就是脆性材料。

在写这篇文章之前，我曾有一段时间把脆性材料与没有明显阶段的塑性材料弄混了。 我之前把脆性材料和没有明显阶段的塑性材料搞混了。 写这篇文章之前，我一度将脆性材料与没有明显阶段的塑性材料混淆在一起。

脆性材料是断后伸长率在δ％到 5％之间的材料，像灰铸铁就是这样。它的应力 - 应变曲线从很低的应力开始就不是直线形态。在拉断之前，它的形变量非常小，小到已经无法区分各个阶段。通常是用总应变为 0.1％时的应力 - 应变曲线的割线的斜率来确定它的弹性模量。

脆性材料的拉伸强度的唯一指标是抗拉强度σb。

好久没看书啦，连概念都变得模糊不清了。要是上文中存在一些理论方面的错误，那可一定要指出来哦。新学期大家一同努力加油吧！

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