工程材料/强度

强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
外力加载方式不同,所测得的强度指标也不同。常用的强度指标有,抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。材料的种类不同,所常用的强度衡量指标也不同。一般塑性较好的金属材料和高分子材料常用抗拉强度来表征,如铸铁、水泥预制件等脆性材料用抗压强度表征,工程陶瓷等脆性材料用抗弯强度来表征。
强度的数值是通过实验获得的。不同的实验可以获得不同类型的强度值。

• 拉伸实验——拉伸强度、屈服强度、抗拉强度
• 三点弯曲实验——抗弯强度
• 压缩实验——抗压强度

【实验】拉伸实验

拉伸实验中断裂的铸铁

拉伸试验是常用来表征金属材料、高分子材料等塑性较好的材料抗拉强度的标准测试方法。

在拉伸试验中,试样被夹持在拉伸试验机的两个夹头上,对试样沿轴向缓慢地施加拉伸载荷F。试样受力后,标距长度L0伸长为L_x。试样随载荷的增加被逐渐拉长ΔL=(L_x-L₀),同时在试样的某个部位(一般是试样标距的中间附近)产生缩颈现象,横截面S₀变为S_x,直至断裂。断裂时的伸长为L₁,缩颈最小处的横截面积为S₁。在拉伸过程中,试验机自动记录拉力F为y轴,伸长量ΔL为x轴的拉伸曲线。

根据一次拉伸试验数据绘制的拉伸曲线

上图中是低碳钢的拉伸曲线。低碳钢在静载荷拉力的作用下产生变形,分四个阶段:

1. 第一阶段为弹性变形阶段。在这一阶段的拉伸曲线OE呈一直线,外力与形变之间成正比,当外加载荷卸载后,试样立即恢复原状。这种变形被称为弹性变形,材料的这种不产生永久变形的能力称为弹性,顶点对应最大弹性变形载荷。
2. 载荷超过顶点后材料形变进入第二阶段,即屈服阶段。进一步加载超过顶点,载荷突然下降,同时在在圆柱形拉伸试样的过渡圆角处出现变形带,随后在载荷基本保持不变的情况下,产生不连续塑性变形,试件伸长显著增加,这种现象称为屈服现象,这一点称为屈服点。若在此阶段卸载,式样不能完全恢复到初始状态而产生永久变形,即塑性变形。值得注意的是塑性变形过程总是伴有弹性变形发生。
3. 屈服产生以后,只有继续增加载荷,试样才会继续伸长,但外加载荷与伸长量之间不再成正比,而是呈非线性关系,此阶段称为形变强化阶段。当载荷增加到F_b时,试样标距内的摩局部截面将开始缩小出现缩颈现象,此时的载荷为试样所能承受的最大载荷。
4. 达到最大载荷F_b后,由于缩颈现象的产生,此处受力面积减小,导致在缩颈处应力集中,缩颈处被快速拉长,当拉伸曲线到达K点时,发生断裂。此阶段为断裂阶段,尽管试样伸长量在增加,但所承受的载荷在快速减小。

拉伸曲线反映的载荷F与伸长量ΔL之间的关系,不仅与试验材料的性能有关,而且与试样的尺寸有关。例如,试样的直径d₀越大,则要获得相同伸长量ΔL所需施加的F就越大。为了消除尺寸的影响,而只反映材料的力学性能,一般用应力-应变曲线来代替拉伸曲线分析材料的相关力学性能。