知方号

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如何分析一条应力应变曲线( Stress<应力跟应变的公式区别>

总结

破裂应变和破裂应力:样本破裂时(应力骤降)的应变和应力

线性弹性:满足胡克定律的区域,小应变部分,斜率()即杨氏模量,弹性指的是,拉伸一段距离,物体又能会回到初始状态。

屈服点:线性弹性开始的消失,样本屈服于外界施加的应力,应力甚至开始下降;主要原因是聚物内相互作用被克服,链之间变得更容易滑动。

应变增强: 应力应变曲线斜率开始增加的部分,不一定能看到。一个可能的原因是,拉伸过程材料体积不变,但是横截面积收缩,链之间被压得更加紧凑。在扩展的样本中,例如物理交联开始以更加近的距离互相接触。

应变软化: 应力应变曲线的斜率开始减少,也不一定能看到。它的原因是,抵抗进一步形变的相互作用都被克服了。链之间变得更加容易互相脱离,加快了扩展的进程。

正文

提到由聚合物制成的材料,有两个很容易想起。你也许会想起无处不在的塑料,例如汽车的保险杠(automobile bumpers).或许你还会想起在家里或实验室者用来加固物体的橡皮筋。无论那个例子,材料的功能取决于它们对力的响应。我们想它变得柔软,能改变形状,但是然后可以快速回到(snap back to )它原来的平衡位置?更准确的是问,我们需要材料有多柔性?柔性和强度的平衡点在哪?

汽车保险杠橡皮筋

这些问题很重要。因此,我们需要探究在不同条件下材料是怎么表现的,以便我们可以更加高效的应用他们。

拉伸测试是最简单有效的方法探究材料是如何对力响应的。要记住的是,在这个实验中应力(stress)指的是力作用在材料单位横截面积上的力。正因为如此,它的单位和压强一致,例如Pascals(Pa).做这样的实验,样本的两端被两个夹子夹住,其中一端固定,另一端可移动。可移动的夹子然后被拉动,使得样本被延伸。施加在样本上的力被记录,给定垂直于力方向的样本横截面积,力就被转变成单位面积的了。

拉伸测试

这个实验也测量样本被延伸的距离。这个距离()通常与样本的原始长度($L$)做比,表达一个比值().它可以写成小数或者百分比。

在下面有个概要图,我们可以看看在这样的实验中一般发生了什么。样本被延伸(应变增加),并且开始变得难以延伸,因为可以看到要继续保持速度延伸它要求力的增加(也是应力的增加)。最终因为样本破裂,应力骤降(plummets)。

应力-应变曲线

在这张图里,我们可以从拉伸测试的中学到两个重要的信息点。

其一,在样本破裂之前,我们将材料延伸多长?这个性质叫做 “strain at break”.在上面这个样本中破裂应变看起来在1.1或者110%;这意味着样本延伸到原长度的两倍.

其二,在没有破裂(breaking)之前样本可以维持到多大应变。这个性质叫做 “ ultimate tensile strength”.在这个样本中,,最终拉力强度超过

如果我们更加仔细的看下面这个样本,我们将可以得到第三个重要的性质,并且看到一些额外的特点。这个重要性质可以从曲线第一部分(A)推导出,在这个部分应力随应变线性增加。在这个范围类,材料表现的像 “Hookean solid”,意味着它遵循这胡克定律。胡克定律说的是应力和应变直接成正比。在他的原始文章里,the extension is proportional to the force:

这里是外力,是固体的扩展长度,是比例扩展常数。

胡克定律是普遍运用于力学弹簧的力学行为的,但是也适用于其他固体材料。图里线性段A的斜率是等于(正比于,maybe)比例常数的,因为图展示的是. 在材料科学中,这个斜率

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