应力与应变：基本概念、关系及工程应用
应力与应变：基本概念、关系及工程应用
应力和应变是工程和技术中具有影响力的现象。它们可以深入了解材料的机械性能。当对物体施加压力时就会产生压力。这使得产生称为应变的变形。所以基本上，应力是施加的压力，应变是其产生的变形。然而，他们的关系却并不那么简单。它随材料的类型、成分、晶体结构和微观结构以及所施加的载荷条件而变化。本文将帮助您了解应力、应变的基本概念以及它们之间的关系。我们将进一步讨论应力-应变的性质、它们的起源、分析和测量。此外，它们如何影响材料的机械性能以及对其性能的影响以预测材料失效。
应力和应变简介
定义
应力定义为作用在物体上单位面积上的力。此功能有助于定义材料的承载能力。
应变定义为施加外部压力时发生的变形。它显示了施加应力时材料变形的程度。这是由于施加的力而发生的材料长度的变化。
单位
表示应力的单位是帕斯卡（pa），应变是长度变化量与原长度的比值，是无量纲比，因此没有单位。有时表示为单位长度的变形。
自然
应力是对材料施加的压力的测量。应变是由于施加载荷而发生的变形。
依赖
应力是独立的，因为它可以出现在刚性材料中。但应变是施加载荷的结果。
类型
压力有几种类型。它们是拉伸应力、压缩应力和剪切应力。而应变也有相应的如拉应变等。
材料科学与工程的重要性
应力有两个在材料科学和工程中值得注意的重要参数。这些是压力测试和压力分析。应力测试是对材料施加力以观察其在不同负载条件下的反应的方法。应力分析是测量材料的最佳强度和耐久性。它是检查材料的承载能力。主要原因是分析材料在实际应用中的强度，这在建筑等许多行业中非常重要，因为需要测量材料在不同外力作用下的承载能力而不会出现故障。
应变有助于通过施加载荷来测量和理解变形。应力和应变数据给出曲线形状的结果。这进一步用于计算不同的材料属性。这些特性包括弹性模量、屈服强度、拉伸强度、剪切应力和极限拉伸强度等等。
工程与真实应力和应变
真实应力定义为载荷除以实际横截面积。工程应力表示载荷除以原始横截面积。
真实应变定义为瞬时变形与瞬时尺寸的比率。工程应变可以通过长度变化除以原始长度来获得。
应力-应变关系
应力-应变关系对于了解材料在载荷作用下的性能非常重要。
应力-应变曲线的解释
应力-应变关系通常采用图表的形式。该图显示力逐渐增加，从而产生应变。每种材料的曲线性质都不同。 OB 点代表弹性区域，当应力消除时，该区域是可逆的，材料会暂时变形。从 OA 点起的弹性区域中的直线是唯一遵守胡克定律的区域。 BE点之后是塑性区域，这是材料的永久变形，并且是不可逆的。
曲线上的要点：了解弹性极限、屈服点和极限强度比例极限
A点之后，不再遵守比例或胡克定律，因此称为比例极限。
弹性模量
弹性区域下方的面积称为弹性模量。它代表材料的刚度，也称为杨氏模量。
屈服点。
材料开始塑性变形且不可逆后的B点称为屈服点。
屈服强度。
材料塑性变形0.2%~0.5%所需的应力
极限抗拉强度（UTS）
UTS 定义了物体在断裂之前可以承受的最大应力。单位为磅每平方英寸 (PSI)
断裂点。
材料在应力-应变曲线上失效时的最大应力称为断裂点。这个水平的应力就是断裂强度。
压力有什么好处？
与应力分析相关的应力的好处如下：
- 结构设计：它有利于结构设计和测试，以确定材料在不失效的情况下可以承受的最大应力。
- 材料选择：当特定应用中的应力行为已知时，材料选择就变得很容易。
- 失效分析：应力分析可以找出材料失效的原因，以改进材料的选择和性能。
- 质量控制：质量控制是制造过程中的重要步骤，应力分析有助于确保材料的性能。
- 安全措施：应力分析有助于防止材料失效。
应变有什么好处？
应变分析区的优点：
- 设计和结构优化：不同材料的应变行为有助于确定设计结构，以确保其安全、耐用和高效。
- 质量控制：当材料经过应变分析时，在制造过程中识别缺陷和瑕疵变得更加容易。
- 材料选择和表征：应变分析简化了材料的选择、材料的特性及其表征。
- 失效分析：应变行为有助于确定材料在失效前可以承受的最大应变。
延性材料和脆性材料的区别
延性材料在载荷作用下容易拉伸并表现出变形。而脆性的则不能拉伸，并且在施加负载时会断裂。因此，脆性材料坚硬且不可拉伸。而延展性则表现出伸长和变形而不会失效。
平面应力与平面应变之间的详细比较
平面应力是指沿 x 平面、y 平面应力分量不同但在 z 平面应力分量为零的应力状态。平面应变是在x和y平面上发生应变而在z平面上为零应变的应变状态。
脆性材料应力应变曲线与延性材料
延性材料的应力-应变曲线具有弹性区域和塑性区域。达到屈服点后应力逐渐增大并呈现永久变形。
脆性材料不变形。他们的图表显示了失效的线性曲线。灰铸铁和玻璃是脆性材料的例子。
不同材料中的拉伸应力与压缩应力
拉伸应力显示了施加压力时物体长度的增加。压应力是施加载荷时物体长度的减少。应力应变数据有助于分析弹性模量，进一步确定刚度。
碳钢、低碳钢等材料的应力应变模量及其变化
碳钢和低碳钢是延性材料的例子。这些材料的应力应变模量以常温下的屈服能力为特征。碳钢显示出与不同屈服点的线性应力-应变关系。
测量应力和应变
精确测量的工具和技术
应力和应变测量可以通过拉伸试验进行。使用的工具是应变计、引伸计，并且使用机器十字头运动。几何莫尔法和光学应变测量是其他应变测量方法。每种方法都有其自身的优点和缺点。
了解材料科学中的杨氏模量
杨氏模量有助于确定应力应变图中材料的相对刚度。它是通过弹性区域的斜率来测量的。它是应力与相应应变的比值，没有单位。
应力和应变下的材料行为
当同时考虑应力和应变时，可以完全理解负载下的材料行为。应力-应变关系描述了材料的弹性模量、UTS 和材料的其他机械性能。
弹性和塑性变形
弹性变形是可逆的、暂时的变形，当载荷去除时弹性变形也随之消除。
塑性变形是不可逆的永久变形，当负载移除时，材料中仍保留这种变形。
不同材料如何反应
通过应力-应变曲线来分析材料的主要反应。弹性和塑性区域是识别材料属性的两种常见方法。此外，韧性材料和脆性材料具有不同的应力应变曲线。延展性材料显示变形。而脆性断裂，不变形而失效。
材料测试与设计
材料的应力-应变关系可以通过拉伸试验机施加静载荷和动载荷来测试。拉伸测试仪施加负载并测量应变，这在材料测试和设计中非常有用。
应变硬化现象
应变硬化是应力-应变曲线中屈服点之后的应变。随着载荷的增加，产生塑性变形。这使得材料坚硬而坚固，最终变得难以变形。
极限拉伸强度（UTS）是如何确定的？
UTS是通过在拉伸试验机上施加负载而获得的。材料失效前的最大承载能力是材料的 UTS。
应力张量及其在材料设计中的作用。
应力不是矢量，因为它既有大小又有方向，并且不遵循任何矢量相加定律。当遵循坐标变换加法定律时，它是一个张量。这意味着如果将载荷施加到材料上，则可以从不同方向而不是从任意一个方向测量应力。
在工程和设计中的应用
材料的应力-应变关系有助于了解材料的可靠性、安全性和耐久性。了解物体在工作过程中可以承受多少最大载荷非常重要。
剪切应力的真实示例
油漆和刷涂是常见的例子。其他例子有步行、跑步。当车辆启动/停止时，座椅表面会受到剪切应力。
材料脆性的案例研究
铸铁和玻璃是常见的脆性材料。在负载、震动或冲击的作用下，材料会破裂而不是永久变形。
铝应力应变曲线在工程中的应用
通过单轴拉伸测试获得的应力-应变曲线显示，包括铝在内的所有金属几乎表现出相同的行为。金属伸长直到弹性区域，随着力的增加，它会发生塑性变形并最终断裂。它有助于研究铝的弹性模量、拉伸强度、剪切强度和其他机械特性。
材料科学的先进概念
混凝土泊松比及其应用
静态混凝土的泊松比为0.15至0.25。对于新拌混凝土，如流体，其值为 0.5。这意味着新拌混凝土泊松比不应超过 0.5，以获得更好的应用。
动态力学分析和应力建模
动态力学分析用于分析从粘弹性材料的应力-应变曲线中提取的数据。它用于测量相位角和变形。
材料测试中的工程应力和屈服应力
工程应力是载荷除以原始横截面积。当屈服应力与由于材料断裂而减小的力成正比时，在屈服点之后的延性材料中，这一点很明显。
高级主题：计算方法
如何计算应力和应变的分步指南
应力公式为：
应变可以通过以下方式获得：
非线性应力-应变关系
简单的应力-应变关系称为线弹性行为。非线性应力应变关系没有应力和应变的比例关系。这意味着施加负载时并不总是会发生应变。
温度和其他环境因素的影响
温度影响应力-应变关系，因为当温度变化时材料会膨胀或收缩，而当温度变化时材料不能自由变形。其他因素如化学成分、制造工艺以及缺陷和裂纹的存在也会影响应力应变关系。
结语
应力-应变曲线是施加力时材料响应的图表。应力是施加在物体单位面积上的载荷。应变是对物体施加力后长度变化与原始长度的比率。应力和应变是相关的。当施加压力时就会产生应变。应力和应变有不同的类型。它们是拉应力/应变、剪应力/应变和压应力/应变。应力应变图具有弹性区域和塑性区域。弹性区域显示材料的暂时变形并且是可逆的。在塑性区域，材料会永久变形。并且在负载移除后它仍保持该状态。