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材料力学基础概念：极限强度：材料的弹性与塑性变形

1材料力学基础概念：极限强度：材料的弹性与塑性变形

1.1绪论

1.1.1材料力学的研究对象与意义

材料力学，作为工程科学的一个重要分支，主要研究材料在各种外力作用

下的变形和破坏规律。它不仅关注材料的宏观行为，如弹性、塑性、强度和刚

度，还深入探讨材料的微观结构如何影响其力学性能。在设计和制造工程结构

和机械零件时，材料力学的知识是不可或缺的，它帮助工程师选择合适的材料，

确定合理的结构尺寸，以确保安全、经济和高效。

1.1.2极限强度的基本概念

极限强度是指材料在承受外力作用时，所能承受的最大应力。当材料所受

的应力超过其极限强度时，材料会发生永久变形或断裂。极限强度分为抗拉强

度、抗压强度、抗剪强度等，具体取决于外力的类型。了解材料的极限强度对

于预测材料在实际应用中的性能至关重要，特别是在设计承受极端条件的结构

时，如桥梁、飞机和深海钻井平台。

1.2材料的弹性与塑性变形

1.2.1弹性变形

弹性变形是指材料在外力作用下发生变形，当外力去除后，材料能够完全

恢复其原始形状和尺寸的变形。这种变形遵循胡克定律，即应力与应变成正比，

比例常数为材料的弹性模量。弹性模量是材料的一个重要属性，反映了材料抵

抗弹性变形的能力。

1.2.1.1胡克定律示例

假设一根钢丝在拉力作用下伸长，其应力-应变关系遵循胡克定律。

应力（σ）定义为单位面积上的力，单位为帕斯卡（Pa）。

应变（ε）定义为材料的相对变形，即变形量与原始长度的比值。

胡克定律表达式为：σ=E*ε，其中E为弹性模量。

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1.2.2塑性变形

塑性变形是指材料在外力作用下发生变形，即使外力去除，材料也无法恢

复其原始形状和尺寸的变形。塑性变形通常发生在材料的应力超过其屈服强度

之后。屈服强度是材料开始发生塑性变形的临界应力值。塑性变形是材料加工

和成型的基础，如金属的锻造、挤压和拉拔等工艺。

1.2.2.1屈服强度示例

考虑一个金属试样在拉伸试验中的应力-应变曲线，可以观察到在一定应力

下，试样的应变突然增加，即使应力保持不变。这个应力点即为屈服强度。

1.3极限强度的测定方法

极限强度的测定通常通过拉伸、压缩或剪切试验进行。在这些试验中，材

料试样被逐渐加载，直到发生破坏或塑性变形。通过记录加载过程中的应力和

应变，可以绘制出应力-应变曲线，从而确定材料的极限强度。

1.3.1拉伸试验

拉伸试验是最常见的测定材料极限强度的方法之一。在试验中，材料试样

被固定在试验机的两端，然后逐渐施加拉力，直到试样断裂。通过试验机记录

的力和试样的伸长量，可以计算出应力和应变，进而得到材料的抗拉强度。

1.3.1.1拉伸试验数据样例

应力（MPa）应变（%）

500.02

1000.04

1500.06

2000.08

2500.10

3000.12

3500.15

4000.20

4500.25

5000.30

5500.35

6000.40

6500.45

7000.50

7500.55

8000.60

8500.65

2

应力（MPa）应变（%）

9000.70

9500.75

1000