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材料科学
题目

某长度为10(cm)的钢圆棒,直径为10(mm),两端施加均匀拉力,已知弹性模量为200(GPa),屈服强度为200(MPa),屈服平台的最大流幅为2%;抗拉强度为300(MPa),对应的应变为10%;伸长率delta_(10)为20%;试求:1)材料刚刚达到屈服强度时的伸长量;2)材料刚刚进入强化时的总应变;3)拉断后的总伸长量。

某长度为$10\text{cm}$的钢圆棒,直径为$10\text{mm}$,两端施加均匀拉力,已知弹性模量为$200\text{GPa}$,屈服强度为$200\text{MPa}$,屈服平台的最大流幅为$2\%$;抗拉强度为$300\text{MPa}$,对应的应变为$10\%$;伸长率$\delta_{10}$为$20\%$;试求: 1)材料刚刚达到屈服强度时的伸长量; 2)材料刚刚进入强化时的总应变; 3)拉断后的总伸长量。

题目解答

答案

1) 根据胡克定律,$ \varepsilon_e = \frac{\sigma_s}{E} = \frac{200}{200 \times 10^3} = 0.001 $,对应伸长量为: \[ \Delta L = \varepsilon_e \times L_0 = 0.001 \times 100 = 0.1 \, \text{mm} \] 2) 刚进入强化时,总应变为: \[ \varepsilon_{\text{total}} = \varepsilon_e + \varepsilon_p = 0.001 + 0.02 = 0.021 = 2.1\% \] 3) 根据伸长率 $ \delta_{10} = 20\% $,拉断后总伸长量为: \[ \Delta L = \delta_{10} \times L_0 = 0.20 \times 100 = 20 \, \text{mm} \] 答案: 1) $ \Delta L = 0.1 \, \text{mm} $ 2) $ \varepsilon_{\text{total}} = 2.1\% $ 3) $ \Delta L = 20 \, \text{mm} $

解析

本题主要考查材料力学中胡克定律、应变的计算以及伸长率的应用。解题思路如下:

  1. 求材料刚刚达到屈服强度时的伸长量:
    • 首先明确胡克定律公式$\sigma = E\varepsilon$,其中$\sigma$为应力,$E$为弹性模量,$\varepsilon$为弹性应变。
    • 已知屈服强度$\sigma_s = 200\text{MPa}=200\times10^6\text{Pa}$,弹性模量$E = 200\text{GPa}=200\times10^9\text{Pa}$,将其代入胡克定律公式可求出弹性应变$\varepsilon_e$。
    • 然后根据应变的定义$\varepsilon=\frac{\Delta L}{L_0}$(其中$\Delta L$为伸长量,$L_0$为原始长度),已知圆棒原始长度$L_0 = 10\text{cm}=100\text{mm}$,由求出的弹性应变$\varepsilon_e$可计算出伸长量$\Delta L$。
    • 计算弹性应变$\varepsilon_e$:
      根据胡克定律$\varepsilon_e = \frac{\sigma_s}{E}$,将$\sigma_s = 200\times10^6\text{Pa}$,$E = 200\times10^9\text{Pa}$代入可得:
      $\varepsilon_e = \frac{200\times10^6}{200\times10^9}= 0.001$
    • 计算伸长量$\Delta L$:
      由$\varepsilon_e=\frac{\Delta L}{L_0}$可得$\Delta L = \varepsilon_e\times L_0$,将$\varepsilon_e = 0.001$,$L_0 = 100\text{mm}$代入可得:
      $\Delta L = 0.001\times100 = 0.1\text{mm}$
  2. 求材料刚刚进入强化时的总应变:
    • 材料刚刚进入强化时,总应变等于弹性应变与塑性应变之和,即$\varepsilon_{\text{total}}=\varepsilon_e+\varepsilon_p$。
    • 前面已求出弹性应变$\varepsilon_e = 0.001$,已知屈服平台的最大流幅(即塑性应变)$\varepsilon_p = 2\%=0.02$,将二者相加即可得到总应变$\varepsilon_{\text{total}}$。
      $\varepsilon_{\text{total}} = \varepsilon_e + \varepsilon_p = 0.001 + 0.02 = 0.021 = 2.1\%$
  3. 求拉断后的总伸长量:
    • 已知伸长率$\delta_{10}=20\% = 0.20$,伸长率的定义为$\delta_{10}=\frac{\Delta L}{L_0}$(其中$\Delta L$为拉断后的总伸长量,$L_0$为原始长度)。
    • 已知圆棒原始长度$L_0 = 10\text{cm}=100\text{mm}$,由伸长率公式可得拉断后的总伸长量$\Delta L=\delta_{10}\times L_0$。
      将$\delta_{10}=0.20$,$L_0 = 100\text{mm}$代入可得:
      $\Delta L = 0.20\times100 = 20\text{mm}$

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