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拉伸應力-應變曲線解析
引言
材料在拉力作用下的變形和損傷特徵可透過拉伸應力-應變曲線量測，反映材料在外力作用下的應變過程，揭示材料力學中的基本概念。
拉伸應力
拉伸應力（σ）定義為施加於單位面積的拉力，即材料內部抵抗拉伸變形的阻力，表示為 F/A，其中 F 為拉力，A 為受力面積。
彈性變形
當應力低於彈性極限（σe）時，應力與應變成正比，移除應力後變形消失，即材料處於彈性變形階段。
塑性變形
當應力超過 σe，應力與應變的線性關係被破壞，變形顯著增大，應力先減小後略微波動，稱為彈塑性變形階段。
屈服強度
屈服強度（σs）是塑性的重要指標，定義為材料產生顯著且均勻塑性變形所需的應力。對於沒有明顯屈服的材料，採用 0.2% 塑性變形對應的應力作為屈服極限。
屈服現象
屈服現象是由於金屬中晶體的滑移，導致材料在達到屈服強度後，即使應力不再增加，材料也會繼續伸長。
極限強度
極限強度（σb）是材料對均勻塑性變形的最大抵抗能力，表示在均勻變形階段結束時承受的最大應力。
斷裂強度
斷裂強度（σf）是材料對塑性的極限抵抗力，代表材料斷裂前所能承受的最大應力。
塑性指標
塑性指標包括伸長率和麪積減少率，其中伸長率為拉斷後材料長度的變化比率，而面積減少率為斷裂處最小橫截面積與原始面積的比率。
材料分類
根據拉伸試驗結果，材料可分為塑性材料和脆性材料。塑性材料具有明顯的屈服階段和頸縮，而脆性材料則沒有明顯的屈服階段和頸縮。
表格：拉伸應力-應變曲線特徵
| 階段 | 應變 | 應力 | 特徵 |
|---|---|---|---|
| 彈性變形 | 正比 | < σe | 應力與應變成正比 |
| 彈塑性變形 | 顯著增大 | σe < σ < σs | 應力與應變關係非線性 |
| 屈服 | 均勻塑性變形 | σs | 材料產生顯著塑性變形 |
| 均勻塑性變形 | 均勻塑性變形 | σs < σ < σb | 塑性變形阻力增加 |
| 局部塑性變形 | 不均勻變形 | σb < σ < σf | 材料開始不均勻變形 |
| 斷裂 | 塑性變形結束 | σf | 材料斷裂 |
拉應力：物質抵抗拉伸變形的力
拉應力是當外力沿著物體長度施加時，由物體內部產生的抵抗變形的力。它是施加於單位面積上的拉力，其單位為帕斯卡 (Pa) 或兆帕斯卡 (MPa)。
拉應力的類型
拉應力可以分為以下幾種類型：
| 類型 | 描述 |
|---|---|
| 軸向拉應力 | 沿著物體軸線方向施加的拉力 |
| 彎曲拉應力 | 彎曲物體外側纖維產生的拉力 |
| 薄膜拉應力 | 薄膜由於膨脹或收縮而產生的拉力 |
| 剪切拉應力 | 兩股力平行施加在材料表面上，且方向相反 |
拉應力的計算
拉應力 (σ) 可以使用以下公式計算：
σ = F / A
其中：
- F：施加的拉力 (N)
- A：受力面積 (m²)
拉應力的影響
拉應力會對材料產生以下影響：
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基本概念
壓應力- 維基百科，自由的百科全書
- 彈性變形： 材料在拉應力下會伸長，並在拉力去除後恢復原狀。
- 塑性變形： 超過材料屈服強度的拉應力會導致材料永久變形。
- 斷裂： 超過材料抗拉強度的拉應力會導致材料斷裂。
應用
拉應力的概念在許多工程和科學領域都有應用，例如：
- 橋樑設計： 計算橋樑結構中樑和索的拉應力。
- 飛機設計： 分析飛機機翼和機身在飛行載荷下的拉應力。
- 材料測試： 使用拉伸試驗機測量材料的拉伸強度和應變。
- 醫學影像： 利用磁振造影 (MRI) 技術測量骨骼和軟組織中的拉應力。