应力(Stress)是指单位面积上所承受的附加内力,定义为作用力除以受力面积,单位通常是帕斯卡(Pa)。应变(Strain)则是描述材料在外力作用下发生形变的程度,是长度变化与原始长度的比值,单位通常是无量纲的。
在弹性范围内,应力与应变之间存在线性关系,这一关系由广义胡克定律描述,即应力等于弹性模量乘以应变(σ = E * ε)。弹性模量(Young's Modulus, E)是材料的固有属性,反映了材料的刚性。当应力超过材料的弹性极限后,材料将进入塑性变形阶段,此时应力与应变的关系变得非线性。
应力应变曲线是描述材料在受力作用下发生形变行为的图表,它通常包括以下几个阶段:
弹性阶段(OA段):在这个阶段,应力与应变呈线性关系,材料表现为弹性变形。即使卸载,材料也能够完全恢复到原始状态。这一阶段的特点是材料内部没有发生永久性的微观结构改变。
屈服阶段(AB段):超过弹性极限后,材料进入屈服阶段,这时应力增加而应变增加的速率减小,直至达到一个平台区,表明材料开始发生塑性变形。屈服点是材料由弹性状态转变为塑性状态的起始点,是评估材料强度的重要指标。
强化阶段(BC段):在屈服之后,如果继续增加应力,材料会表现出工作硬化现象,即应力增加的速率大于应变增加的速率。这是因为材料内部的位错运动受到阻碍,需要更大的应力才能继续移动。
颈缩阶段(CD段):当应力达到峰值时,材料开始在最薄弱的区域发生颈缩,即材料的截面面积减小,导致应力分布不均匀。这个阶段通常伴随着材料微观结构的破坏,如裂纹的形成和扩展。
断裂阶段(DE段):最终,材料无法承受进一步的应力集中,导致断裂。在断裂前,应变迅速增加,而应力可能略有下降或保持稳定。
这些阶段共同描述了材料从受力到最终破坏的全过程,每一个阶段都反映了材料在不同应力水平下的力学行为和内在机制。通过分析应力应变曲线,可以了解材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等关键力学性能参数。