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拉伸

在抗张试验进行过程中,夹紧试件在恒定速率下会承受拉伸载荷,使其被逐渐发生拉伸,并最终发生断裂。一般情况下,该等测试需要根据国际公认的标准程序进行,并按照相应方法进行结果计算,因此该等测试结果具有公认性。根据不同的测试标准,加载速率可以变为恒定伸长率、恒定应变率或恒定加载速率。


抗拉强度(σUTS或SU)是指导致材料发生断裂或永久变形所对应的应力。抗拉强度是一种内含性质,因此试件大小并不会对其产生影响。不过,样品制备以及测试环境和材料温度会对测试结果产生明显影响。


抗拉强度、弹性模量和耐腐蚀性是结构和机械设备中使用的工程材料的重要参数。它专门用于合金、复合材料、陶瓷、塑料和木材等材料。


抗拉强度具有多种定义,以下是代表低碳钢性能的定义:


1. 极限强度

2. 屈服强度

3. 破裂

4. 应变硬化区

5. 颈缩区


包括钢才在内的金属材料,在比例极限内,应力应变关系服从线性关系,并且该比例极限通常接近屈服点。并且在某些钢材中,由于受力钢中碳原子和位错之间存在相互作用,应力会在屈服点之后发生下降。但是对于加工硬化钢和合金钢而言,它们并没有表现出这种效应,并且对大多数金属而言,屈服点依旧缺乏一个明确定义。


需要指出的是,如果在达到比例极限或屈服点之前移除载荷,那么材料就会恢复其初始形状。但是,一旦超过屈服点,那么材料就会发生永久变形。这种永久变形被称为塑性变形,在许多应用中,永久变形会造成非常严重的问题,因此材料在屈服点的特性被人们用作设计极限。


在正常的抗张载荷试验中,一旦超过屈服点,钢材和许多其他延性金属均会经历一个应变硬化阶段(强化阶段),在这段时间内,应力会随着应变的增加而再次增加,直至达到极限强度。如果这时从材料上移除掉载荷,那么应力-应变曲线将平行于原点和屈服点之间的曲线。如果重新加载,那么将再次沿着卸载曲线上升到极限强度,这就会形成一个新的屈服强度。


随着载荷不断增加,当金属达到屈服强度后,在塑性流动的影响下,就会导致试件横截面积减小,这就是所谓的“颈缩”。随着“颈缩”不断明显,就可能会导致致工程应力-应变曲线“反转”,其中由于几何效应,减少的应力依赖于增加的应变。这是因为,工程应力和工程应变是在缩颈前假定原始横截面面积计算得出。


但是如果使用真实应力和真实应变绘制曲线图,那么曲线斜率将一直为一个正值,并且永远不会变为负值,因为真实应力会根据横截面面积的减小进行校正。并且在压缩试验中,材料就不会发生颈缩现象。而工程应力-应变曲线上的峰值应力即为极限强度。经过一段时间的缩颈后,材料会发生破裂,储存的弹性能量会以噪音和热量的形式释放。材料断裂时所受的应力即为抗拉强度。


由于延性金属不存在一个明确定义的屈服点,因此在这种情况下就必须“创造”一个屈服点。这类延性金属的屈服强度通常由“0.2%的偏移应变”定义。而0.2%偏移量下的屈服强度则是通过寻找应力-应变曲线与一条平行于曲线初始斜率的直线(在0.2%处截取横坐标)的交点来确定。


混凝土和碳纤维等脆性材料不存在屈服点,也不会经历应变硬化阶段,这意味这类材料的极限强度即为其断裂强度。


典型脆性材料不会出现塑性形变,并且会在弹性变形时会发生失效。脆性破坏的特征之一,在发生脆性破坏后,碎裂产生的两个部件可以重新组装在一起,并且由此得到的形状与原始部件相同。脆性材料的典型应力应变曲线为一条直线。需要指出的是,对几个相同的试件进行测试会产生不同的破坏应力。


抗拉强度就是单位面积上的应力。在国际单位制中,抗拉强度的单位为牛顿/平方米(N/m²)或帕斯卡(Pa)。英制或英制单位为磅/平方英寸(lbf/in²)或PSI。不过,在美国,工程师更喜欢使用ksi(1000psi)这一单位。

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