解读应力-应变曲线：材料工程的基本见解

如果不知道材料对张力的反应，或者它能承受多少张力，您的工程产品和结构可能会失败，让您摸不着头脑。避免这种情况的一个好方法是通过应力-应变曲线图，它提供了材料质量及其对各种压力源的反应的直观解释。我们将在本文中准确解释该图的工作原理以及如何阅读它。

什么是压力？

应力有很多种类型，但当谈到工程师正在努力发现的类型时，最简单的定义是施加到横截面积上的力的大小。了解这一点可以让您了解材料在断裂或破裂之前可以承受多少强度。计算公式如下：

1. 𝜎 =压力
2. F =施加的力
3. A =横截面积

要了解更多信息，请参阅我们有关压力的文章。

什么是应变？

尽管应力和应变经常一起讨论，但后者是材料相对于其原始尺寸所经历的变形。这是另一个可计算的参考点，对于帮助工程师更好地了解材料，并最好地了解由特定材料制成的结构或物品何时会破裂至关重要。应变是无单位值的一个示例（因为公式中的数字都是长度），公式如下所示：

1. ε =应变
2. Lf =变形发生后的最终长度
3. L0 =原始长度或起始长度

要了解更多信息，请参阅我们有关应变的完整指南。

什么是应力-应变曲线？

现在我们要看看测量应力应变曲线以及可以从中提取哪些类型的信息。在当今的制造业中，有许多机器可以为您完成所有测量。这些曲线通常由现代拉伸试验机创建，并且上述图表通过 ASTM International 标准化为几个类别：E8（金属）和 D638（塑料）。您可以期望通过测试和测量来创建这条曲线，如下所示：

• 您或操作员将采购或创建具有正确尺寸的测试材料。
• 然后，您将测试材料夹住或固定到测试机的钳口上。
• 然后，机器会对材料施加拉伸载荷，并不断增加该载荷，直至材料断裂。
• 一旦发生这种情况，机器将根据这些读数记录应力和应变值。

为什么应力-应变曲线很重要？

应力-应变曲线很重要，因为它使工程师能够快速确定任何材料的几个最关键和基本的机械性能。一次拉伸测试即可生成应力应变图，从而获得材料的以下性能：

1. 杨氏模量
2. 屈服强度
3. 极限拉伸强度
4. 延展性
5. 泊松比

应力-应变曲线是如何生成的？

应力-应变曲线由现代拉伸试验机自动生成。这些机器连续监测和记录施加到测试样本上的力以及该负载导致的变形量。最常用的拉伸测试和创建标准化应力-应变曲线的测试方法是由 ASTM International 发布的方法。 ASTM E8 标准化了金属材料的拉伸测试，而 ASTM D638 标准化了塑料材料的拉伸测试。下面的列表描述了创建应力-应变曲线的步骤：

1. 准备所需尺寸的测试样本。
2. 将测试样本安装在拉伸试验机的夹具中。
3. 对样本施加持续增加的拉伸载荷，直至其断裂。
4. 拉伸试验机将根据称重传感器施加的力读数以及固定试件的钳口的位移来记录试件所经历的应力和应变。

测量应力和应变的不同方法有哪些？

您会在应力应变曲线上发现两种类型：工程应力和应变以及真实应力和应变。 

1。工程应力和应变

第一种类型（工程）也称为标称应力和应变，计算时不考虑塑性变形的非常小的细节。这是通过标准拉伸测试获取数值并了解材料性能的简单方法。工程应力的公式如下：

2。真实应力和应变

这是考虑塑性变形时得到的实际应力和应变值。对这种特定类型的应力和应变进行计算对于了解材料的机械性能非常有用，要找到它，您需要使用有关瞬时标距、横截面积和施加载荷的实验数据。寻找真实压力的公式如下：

应力-应变曲线有哪些阶段？

应力应变图具有三个阶段。在第一阶段，材料仅经历弹性变形。当施加的应力释放时，材料恢复到其原始尺寸。 

第二阶段发生均匀塑性变形。该阶段从屈服点开始，并且只要材料能够通过应变硬化（与冷成型中发生的过程相同）随着所施加的载荷的每次新增量而继续强化，就会持续下去。最终，材料的稳定塑性变形能力被耗尽。此阶段可以承受的塑性应变量告诉我们很多有关材料的相对脆性或延展性的信息。

拉伸试验的最后阶段称为“颈缩”。此阶段发生在材料达到极限拉伸应力之后，并且不可能进一步进行应变硬化。在测试样本横截面的某处形成局部变形区域，而不是持续稳定的变形。过大的拉伸应力会减小材料垂直于所施加的力的尺寸，从而导致面积显着减小。这使得材料具有“颈部”的形状。一旦颈缩开始，材料的工程应力就会降低，而真实应力会继续增加。  颈缩开始后材料很快就会断裂。

如何解读应力应变图？

以下是阅读这些图表之一的快速指南：

1. 选择 Y 轴上的应力值。
2. 从 Y 轴绘制一条水平线，直到与应力-应变曲线的线相交。在该点上画一个点。 
3. 从交点到 X 轴绘制一条垂直线。这些线一起应形成 90 度角。
4. 您在第一步中选择的应力值显示与材料在该点发生的变形（或应变）相对应的应力。 

应力-应变曲线图有哪些不同区域？

一旦获得了显示应力-应变曲线的图表，就值得了解可以从中解析的区域、阶段和信息。这三个阶段是弹性变形、均匀变形和颈缩。弹性变形是指材料受到应力但仍能恢复到其原始尺寸。只要材料能够通过应变硬化进行强化，就会发生均匀变形——这是其脆性或延展性的表现。颈缩是指达到极限拉伸强度并且不再可能进行应变硬化。材料横截面某处会出现局部变形，其尺寸减小，应力增大，然后超过不可恢复点，永久变形或断裂。

现在您已经了解了各个阶段，您可以了解这些区域并找出图表上最重要的五个点，我们在下面简要描述了这些点：

1。比例限制

应力-应变曲线上线性部分的终点，通过计算斜率可以得出杨氏模量。

要了解更多信息，请参阅我们有关比例限制的文章。

2.弹性极限

弹性变形的终点，然后由塑性变形接管（测量金属时很难将其与弹性极限区分开来）。

要了解更多信息，请参阅我们有关弹性极限的文章。

3.屈服点

与弹性极限相同，但可计算，对工程师来说更可靠。要计算出来，请将曲线的线性部分沿水平轴偏移 +0.2%。然后，找到偏移线和原始应力-应变曲线之间的交点，即可得到屈服强度。 

要了解更多信息，请参阅我们有关屈服点的完整指南。

4。极限压力点

应力-应变曲线上的最大应力，之后颈缩开始。同样重要的是要注意，虽然这是图表上的最高点，但实际的最高点恰好发生在材料断裂时。 

5。断裂或断裂点

正如其名称所示，这是曲线上的点，在此点您的材料变形严重，最终破裂或断裂。

要了解更多信息，请参阅我们有关断裂或断裂点的完整指南。

应力-应变曲线是如何制作的？

通过使用万能试验机进行拉伸试验来绘制应力-应变曲线。当载荷增加和试样变形时，试验机将自动捕获数据以产生应力-应变曲线。 

如何使用应力-应变曲线？

应力-应变图用于确定材料的各种机械性能，包括弹性模量、泊松比、屈服应力和极限拉伸强度。这些特性有助于工程师为承载能力至关重要的应用选择材料。

什么是延性材料的应力-应变曲线？ 

延性材料的工程应力-应变曲线的特点是直线不断增加，直到达到屈服点。屈服点之后，应力和应变函数非线性增加，并在达到极限拉伸强度时达到峰值。此后，工程应力随着应变继续增加而非线性减小。最终，一旦材料的应变变得如此之大，材料就会破裂。

要了解更多信息，请参阅我们的延展性完整指南。

什么是脆性材料的应力应变曲线？

脆性材料的应力-应变曲线是一条陡峭的斜线，表明应力在很小的应变下迅速增加。与延性材料不同，脆性材料的应力-应变曲线在达到屈服应力（屈服点）后几乎没有塑性变形。材料在达到屈服应力后很快就会断裂。 

要了解更多信息，请参阅我们有关脆性的完整指南。

工程应力应变和真实应力应变有什么区别？

工程应力-应变与真实应力-应变之间的差异如下：

1. 工程应力应变不考虑材料的变形，而真实应力应变则考虑材料的变形。
2. 工程应变是长度变化与原始长度的比率，而真应变是瞬时长度与原始长度的自然对数。
3. 工程应力-应变非常适合确定材料性能，而真实应力-应变非常适合确定材料特性。

应力和应变有什么区别？

应力和应变的区别如下：

1. 应力是单位面积上的力，而应变是尺寸长度相对于尺寸原始长度的变化。
2. 应力的单位为 Pa 或 psi，而应变则没有单位。
3. 应力的符号是𝛔，应变的符号是𝞊。
4. 需要有压力才能导致紧张。
5. 应力无法直接测量，而是通过数学关系计算得出，而应变可以直接测量。

要了解更多信息，请参阅我们有关压力与应变的完整指南。

Xometry 如何提供帮助

Xometry 与许多不同的材料合作，这些材料对工程师和制造商来说很重要，并且可以提供从 CNC 加工到 3D 打印再到板材激光切割的免费报价。

免责声明

此网页上显示的内容仅供参考。 Xometry 对信息的准确性、完整性或有效性不作任何明示或暗示的陈述或保证。任何性能参数、几何公差、特定设计特征、材料或工艺的质量和类型均不应被推断为代表第三方供应商或制造商将通过 Xometry 网络交付的产品。寻求零件报价的买家负责确定这些零件的具体要求。请参阅我们的条款和条件以获取更多信息。

凯特·德·纳乌姆

Kat de Naoum 是一位来自英国的作家、作家、编辑和内容专家，拥有 20 多年的写作经验。 Kat 拥有为各种制造和技术组织写作的经验，并且热爱工程领域。除了写作之外，Kat 还担任了近 10 年的律师助理，其中 7 年从事船舶融资工作。她为许多出版物撰写文章，包括印刷版和在线版。 Kat 拥有金斯顿大学英国文学和哲学学士学位以及创意写作硕士学位。

阅读 Kat de Naoum 的更多文章