Language
Country/Area
No result found
應力與應變的奇妙舞蹈：材料如何在壓力下變形？
在工程與材料科學中，應力—應變曲線是理解材料行為的關鍵。這種曲線顯示應力與應變之間的關係，通過逐漸施加負載到測試材料樣本上，並測量其變形，從而得出應力與應變的數據。這些曲線不僅幫助工程師預測材料的性能，還可以揭示出許多重要的材料特性，例如楊氏模量、屈服強度與極限抗拉強度。
應力與應變曲線能夠揭示出材料在不同變形階段的特性，這使其成為工程界無法忽視的重要工具。
應力與應變曲線的定義
一般來說，應力—應變曲線代表任何形式變形中應力與應變之間的關係。這些關係可能是正常的、剪切的，或這兩者的混合，並且可以是單軸的、雙軸的或多軸的，甚至可以隨時間變化。變形的形式可以是壓縮、拉伸、扭轉、旋轉等。
未來的討論將主要集中在軸向正常應力和軸向正常應變之間的關係，這是通過拉伸試驗獲得的。在許多實際情況下，不同的材料會顯示出不同的應力—應變曲線，這些曲線反映出材料的獨特行為。
應力—應變曲線的不同階段
許多材料的應力—應變曲線可以被分為幾個不同的階段，每個階段又顯示出不同的行為。以低碳鋼為例，其在室溫下的應力—應變曲線顯示了以下幾個主要階段：
線性彈性區域
第一個階段是線性彈性區域。在這個區域內，應力與應變成正比，即遵循霍克定律，這一區域的斜率即為楊氏模量。在這裡，材料僅經歷彈性變形，直到達到塑性變形的起始點，這一點的應力稱為屈服強度。
應變硬化區域
第二個階段是應變硬化區域。在這個區域內，隨著應力超過屈服點，應力會逐漸上升，直到達到所謂的極限抗拉強度。這一區域的特點是應力主要隨著材料的延伸而增加。由於材料在此階段會受到工作硬化的影響，因此往後所需施加的應力越來越大，以克服內部的阻力。
應變硬化過程中，塑性變形使得材料內部的位錯密度增加，這會對後續的變形行為造成顯著影響。
頸縮區域
第三個階段是頸縮區域。當應力超過極限抗拉強度後，材料的局部橫截面會顯著縮小，形成頸縮。此時，變形不均勻，壓力集中在縮小的部位，導致更快的頸縮發展並最終導致斷裂。儘管此時拉伸力減小，但工作硬化仍在繼續，實際應力仍在上升。
頸縮區域的結束代表著材料的斷裂，而斷裂後的伸長率和橫截面減少可以被計算出來，以便於工程界在設計材料和製造過程中運用。
材料的分類
根據應力—應變曲線展現的共通特徵，我們可以將材料大致分為兩大類：延展性材料和脆性材料。
延展性材料
延展性材料，如結構鋼及其他多數金屬，在一般正常溫度下表現出屈服的特性。這類材料的應力—應變曲線通常包含明確的屈服點，並且在塑性變形階段會顯示一系列的變形行為。延展性材料的韌性通常與其應力—應變曲線下面積相關，這是斷裂前材料吸收能量的指標。
脆性材料
脆性材料，如鑄鐵、玻璃和某些石材，則顯示出與延展性材料截然不同的行為。這些材料往往沒有明確的屈服點，且斷裂發生時，變形率幾乎沒有改變。其應力—應變曲線通常是線性，且在變形過程中不產生顯著的塑性變形。
脆性材料的特點是，它們在斷裂時往往可重組成原始形狀，這與延展性材料的頸縮斷裂形成了鮮明的對比。
了解材料在不同壓力下的行為，無疑對設計和選擇適合的材料至關重要。在應用工程上，我們需要深入研究各種材料的特性，以及它們在不同情況下的表現。你是否曾想過，選擇材料時，除了強度外，還應該考慮哪些潛在因素呢?
