工程材料/強度

強度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。
外力加載方式不同,所測得的強度指標也不同。常用的強度指標有,抗拉強度、抗壓強度和抗彎強度等。材料的種類不同,所常用的強度衡量指標也不同。一般塑性較好的金屬材料和高分子材料常用抗拉強度來表徵,如鑄鐵、水泥預製件等脆性材料用抗壓強度表徵,工程陶瓷等脆性材料用抗彎強度來表徵。
強度的數值是通過實驗獲得的。不同的實驗可以獲得不同類型的強度值。

• 拉伸實驗——拉伸強度、屈服強度、抗拉強度
• 三點彎曲實驗——抗彎強度
• 壓縮實驗——抗壓強度

【實驗】拉伸實驗

拉伸實驗中斷裂的鑄鐵

拉伸試驗是常用來表徵金屬材料、高分子材料等塑性較好的材料抗拉強度的標準測試方法。

在拉伸試驗中,試樣被夾持在拉伸試驗機的兩個夾頭上,對試樣沿軸向緩慢地施加拉伸載荷F。試樣受力後,標距長度L0伸長為L_x。試樣隨載荷的增加被逐漸拉長ΔL=(L_x-L₀),同時在試樣的某個部位(一般是試樣標距的中間附近)產生縮頸現象,橫截面S₀變為S_x,直至斷裂。斷裂時的伸長為L₁,縮頸最小處的橫截面積為S₁。在拉伸過程中,試驗機自動記錄拉力F為y軸,伸長量ΔL為x軸的拉伸曲線。

根據一次拉伸試驗數據繪製的拉伸曲線

上圖中是低碳鋼的拉伸曲線。低碳鋼在靜載荷拉力的作用下產生變形,分四個階段:

1. 第一階段為彈性變形階段。在這一階段的拉伸曲線OE呈一直線,外力與形變之間成正比,當外加載荷卸載後,試樣立即恢復原狀。這種變形被稱為彈性變形,材料的這種不產生永久變形的能力稱為彈性,頂點對應最大彈性變形載荷。
2. 載荷超過頂點後材料形變進入第二階段,即屈服階段。進一步加載超過頂點,載荷突然下降,同時在在圓柱形拉伸試樣的過渡圓角處出現變形帶,隨後在載荷基本保持不變的情況下,產生不連續塑性變形,試件伸長顯著增加,這種現象稱為屈服現象,這一點稱為屈服點。若在此階段卸載,式樣不能完全恢復到初始狀態而產生永久變形,即塑性變形。值得注意的是塑性變形過程總是伴有彈性變形發生。
3. 屈服產生以後,只有繼續增加載荷,試樣才會繼續伸長,但外加載荷與伸長量之間不再成正比,而是呈非線性關係,此階段稱為形變強化階段。當載荷增加到F_b時,試樣標距內的摩局部截面將開始縮小出現縮頸現象,此時的載荷為試樣所能承受的最大載荷。
4. 達到最大載荷F_b後,由於縮頸現象的產生,此處受力面積減小,導致在縮頸處應力集中,縮頸處被快速拉長,當拉伸曲線到達K點時,發生斷裂。此階段為斷裂階段,儘管試樣伸長量在增加,但所承受的載荷在快速減小。

拉伸曲線反映的載荷F與伸長量ΔL之間的關係,不僅與試驗材料的性能有關,而且與試樣的尺寸有關。例如,試樣的直徑d₀越大,則要獲得相同伸長量ΔL所需施加的F就越大。為了消除尺寸的影響,而只反映材料的力學性能,一般用應力-應變曲線來代替拉伸曲線分析材料的相關力學性能。