应变试验之一为拉伸试验.PPT

7.1 簡介 7.2 應力和應變的觀念　 7.3 應力－應變行為　 7.4 滯彈性 7.5 材料的彈性性質 7.6 拉伸性質 學習目標 定義工程應力與工程應變。 陳述虎克定律及其適用的條件。 定義包松比。 從工程應力－應變圖決定 (a) 彈性係數，(b) 降伏強度（0.002 應變偏距），(c) 抗拉強度以及 (d) 估計伸長率。 描述延性圓柱狀金屬試片在拉伸變形至破斷過程中，試片形狀的改變。 以伸長率及斷面縮率計算材料受拉伸負載至破壞時的延性。 對於一受到拉伸負載的試片，已知負荷量、即時的斷面尺寸，以及原始和即時的長度，可以算出真實應力和真實應變的值。 陶瓷桿試片以三點負荷作用方式彎曲至破裂，求出其抗折強度。 繪出高分子材料的三種應力－應變特性行為概略圖。 舉出兩種最普通的硬度試驗方法，並指出兩者的差異。 7.1 簡介 材料在使用時經常會承受力或負荷，在此情況下，必須了解材料特性及確定設計的構件無過量變形且不會發生破壞。材料的機械性質可以反應出其受力或負荷時與變形間的關聯性。重要的機械性質包括強度、硬度、延性和勁度。 不同的使用者對機械性質的重點不同，因此必須統一規範出一致的測試方法與相同方式的結果說明。 7.2 應力和應變的觀念 拉伸試驗 Tension Tests 三種主要負荷：拉伸、壓縮及剪切（圖7.1） 最常見的應力－應變試驗之一為拉伸試驗（tension test），可用來確定在設計時相當重要的幾項材料機械性質。其結果是負荷或力對伸長量的關係。這些負荷－變形的特徵與試片的尺寸有關。 負荷與伸長量被正規化成為工程應力（engineering stress）和工程應變（engineering strain）的相對應參數。 圖7.1(a,b) 圖7.1(c,d) 工程應力σ可定義為 其中， F是垂直試片橫截面的瞬間作用負荷，單位是牛頓（N），A0 是負荷作用前，原來橫截面面積（m2）。 工程應變ε的定義如下 其中 l0是負荷作用前的原始長度，li 是瞬時長度。 圖7.2 7.3 應力－應變行為 大部分的金屬，在承受較低的拉伸應力情況時，應力與應變可呈如下之比例關係 此為有名的虎克定律。比例常數 E（GPa）稱為彈性模數（modulus of elasticity）或楊氏模數（Youngs modulus）。 應力和應變成比例的變形稱為彈性變形（elastic deformation），其應力（縱座標）對應變（橫座標）作圖會產生線性關係，如圖 7.5 所示。 圖7.5 7.6 拉伸性質 降伏和降伏強度 Yielding and Yield Strength 大部分結構的設計是當應力施加時只會發生彈性變形，因此必須知道塑性變形開始發生時的應力大小或在哪裡發生降伏（yielding）現象。降伏點可由開始偏離應力－應變曲線的直線部分的點來決定，此點有時稱為比例限（proportional limit）。 降伏強度（yield strength）σy可由應力－應變行為的應變偏距法來決定，此應力表示塑性變形開始發生點。 圖7.10 抗拉強度 Tensile Strength 抗拉強度 TS（tensile strength）（MPa）是在工程應力－應變曲線中的最大應力值（圖 7.11），相當於結構在拉力作用下可承受的最大應力值，如果此作用應力持續維持，將會導致破壞。 圖7.11 延性 Ductility 延性（ductility）是另一重要的機械性質，它是測量持續至破壞時材料所能承受塑性變形的程度。延性可定量表示成伸長率百分比（%EL；percent elongation） 或斷面收縮率百分比（%RA；percent reduction in area）。 韌性 Toughness 韌性（toughness）是測量材料到斷裂時所能吸收能量的能力。決定韌性時，試片的幾何形狀和負荷的作用方式都相當重要。 韌度的單位和彈性能相同（亦即材料每單位體積的能量）。韌性材料必須同時兼具強度和延性兩者。 7.16 硬度 硬度（hardness），它是材料對局部塑性變形（如小凹痕或刮痕）抵抗能力的一種量測。過去幾年已發展出定量的硬度技術，在控制應用負荷和速率條件下，將一小壓痕器壓入材料的表面來作測試。經由量測壓痕的深度或大小，可轉換成相對硬度值。 硬度試驗較其它機械試驗更常被使用基於以下幾個原因： 1.操作簡單且價格不貴 2.試驗是非破壞性的 3.可由硬度數據來推估其它的機械性質 洛氏硬度試驗 Rockwell Hardness Tests 洛氏硬度試驗是測量硬度最常用的方法，利用不同壓痕器和不同負荷的可能組合，有數種不同的等級可用來測試所有金屬合金和一些高分子。 此系統