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英国高中A-Level物理:应变曲线知多少?

固体材料在我们的生活中随处可见,因此其力学性能,包括其韧性,刚性,可塑性以及抗拉伸性能,抗压性能等等都具有非常重要的意义。而应力-应变 曲线是研究材料力学性能的一个重要工具,是一种固体材料非常重要的表征。在英国高中A-Level物理中,对于这方面内容的考察也是非常重视和灵活的,因为我们有必要去理解应力-应变曲线及其应用。

物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,并试图使物体从变形后的位 置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。机械零件和构件等物体内任一点(单元体)因外力作用引起的形状和尺寸的相对改变就 称为应变。应变为材料的变形量与其原来大小长度的比值。
 
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上图为应力-应变测试仪,对材料施加不断加大的应力,直至断裂为止,其应变也可测量得到,这个变化过程可以用应力-应变曲线表示。曲线的横坐标 是应变,纵坐标是外加的应力。曲线的形状反应材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程,是一个材料性能的重要特征。
 
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上图为一个典型的韧性材料,比如低碳钢的应力-应变曲线。开始阶段ab是直线,应力与应变在此段成正比关系,材料符合胡克定律,直线的斜率就是 材料的杨氏模量,直线部分最高点所对应的应力称为材料的比例极限(b)。曲线超过比例极限点后将不符合胡克定律。在ac阶段内撤销外力,变形也随之消失,说明ac段也发生弹性变形,所以ac段称为弹性阶段。c点所对应的应力值称为材料的弹性极限。超过弹性极限后,材料将发生塑性形变。

从d点开始,应力增加不大而应变在快速增加,材料好像失去了抵抗变形的能力,把这种应力不增加而应变显著增加的现象称作屈服,屈服阶段曲线开始 点所对应的应力称为屈服点(或屈服极限)。如果应力继续增加,在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处),变形显著增加,有效横截面急剧减小,出 现了缩颈现象,试件很快被拉断,称为缩颈断裂阶段。
 
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材料断裂时所对应的应力值称为材料的抗拉强度(或强度极限),它是衡量材料强度的又一个重要指标。

不同的材料对应的应力-应变曲线形状各不相同,通过曲线可以判断一种材料的基本性质,比如韧性还是脆性,抗拉伸性能好不好等等。通过理解应力-应变曲线的各个部分,我们会对于材料的性质有更加深入的理解。

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邵燕群(Ann Shao)
职      称:首席留学规划师
个人简介:1996年回国后一直致力中英美教育交流,也是沪上最早倡导为学生做精英留学规划的资深专家。20年专注英美低龄留学,使近千名学生就读英美名牌中学,最后以优异成绩考入哈佛,牛津,剑桥,LSE,帝国理工,UCL等全球前100名大学,帮助孩子开启了精彩人生之路。高度的职业精神和细致入微的全程管理,使家长和学生们都对她信任有加,称她为”我们的邵老师”。
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