本期導(dǎo)讀：
我們使用一種金屬材料，主要是使用其性能，力學(xué)性能是最重要的性能，它與材料的成分，結(jié)構(gòu)以及制備工藝有關(guān)。評(píng)價(jià)一種材料的力學(xué)性能，最常用的是拉伸曲線，從材料的拉伸曲線上獲取一些重要的信息。本期主要講解一些與材料拉伸曲線有關(guān)的知識(shí)。
拉伸試驗(yàn)是最采用的力學(xué)性能測試試驗(yàn)，通過拉伸曲線我們可以獲得一系列的材料力學(xué)性能參數(shù)。那么從拉伸曲線上我們參提取出來哪些有用的信息呢？
對(duì)于可以發(fā)生拉伸塑性變形的材料，最常用的有兩類曲線：工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。它們的區(qū)別在于計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用的面積不同，前者用樣品的初始面積，后者用拉伸過程中的實(shí)時(shí)橫截面積。因此，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，真應(yīng)力一般比工程應(yīng)力高。
典型的拉伸曲線示意圖
多種真實(shí)金屬材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線
最常見的拉伸曲線有兩種：其一，有明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線；其二，無明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線。屈服點(diǎn)代表金屬對(duì)起始塑性變形的抗力。這是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。通常工程上不允許機(jī)構(gòu)零件發(fā)生塑性變形，因而屈服點(diǎn)就顯重尤為重要了，它成為機(jī)械零件是否發(fā)生失效的關(guān)鍵指標(biāo)。
典型拉伸曲線，帶有形變硬化
常用的金屬一般為多晶體金屬，因此工程實(shí)際金屬起始塑性變形具有非同時(shí)性特征。在拉伸曲線上具體反映就是沒有明顯的屈服點(diǎn)。那么，如何界定工程實(shí)際金屬發(fā)生了塑性變形呢？殘留塑性變形量就成為重要的依據(jù)，人們通常人為地把一定殘留塑性變形量時(shí)工程金屬對(duì)應(yīng)的抗力作為屈服強(qiáng)度，也稱為條件屈服強(qiáng)度。這很好理解，沒有明顯的塑性屈服點(diǎn)，就沒有明顯的屈服強(qiáng)度，要想知道實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度就需要一個(gè)判定條件，因此就有了條件屈服強(qiáng)度。對(duì)于不同的金屬構(gòu)件，其條件屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘留變形量不同。對(duì)于一些苛刻的金屬構(gòu)件，其殘留變形量規(guī)定應(yīng)較小，而普通金屬構(gòu)件條件屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的殘留變形量則較大。常用的殘留變形量為0.01%，0.05%， 0.1%，0.2%，0.5%和1.0%等。
條件屈服
金屬的屈服是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，因而金屬的屈服由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力來決定。對(duì)于純金屬，包括點(diǎn)陣阻力、位錯(cuò)交互作用阻力、位錯(cuò)與其它缺陷或結(jié)構(gòu)交互作用阻力。
實(shí)際金屬鋁中的位錯(cuò)
在拉伸曲線上，直線段，也即彈性部分對(duì)應(yīng)的面積為彈性能。從彈性變形開始至斷裂過程中，樣品吸收總能量稱為斷裂功，金屬在斷裂前吸收的能量稱為斷裂韌性。
實(shí)際金屬在后伸過程中通常伴隨著力學(xué)性能的改變，最突出的就是形變硬化現(xiàn)象。金屬的形變硬化有利于避免實(shí)際工程構(gòu)件在過載時(shí)突然斷裂，造成災(zāi)難性后果。金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發(fā)生均勻塑性變形的先決條件，這就是說在多晶體金屬中，哪里發(fā)生了塑性變形，哪里就得到了強(qiáng)化，然后塑性變形得到抑制，使變形轉(zhuǎn)移到其它更容易的地方。在實(shí)際的拉伸曲線上看，大多數(shù)金屬在室溫條件下發(fā)生屈服后，在屈服應(yīng)力作用下，變形不會(huì)繼續(xù)，繼續(xù)變形必須增加阻力。在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為流變應(yīng)力不斷上升，出現(xiàn)形變硬化現(xiàn)象。這樣的曲線稱為流變硬化曲線和硬化曲線。
形變硬化指數(shù)n是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)，它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。至于金屬的形變硬化，那是另外一問題。
金屬塑性變形中的形變硬化
最后，談一下應(yīng)變速率。通常測試的金屬材料的拉伸曲線都是在較低的應(yīng)變速率下測得。只有一些特殊金屬構(gòu)件才需要在較高應(yīng)變速率下測試其力學(xué)性能，即發(fā)生高速形變的構(gòu)件。正常室溫條件下應(yīng)變速率拉伸，材料的變形主要以位錯(cuò)的滑移或?qū)\生為主。
鋁合金高速形變曲線
在拉伸曲線上，即工程應(yīng)變-工程應(yīng)變曲線上最大工程應(yīng)力稱為極限拉應(yīng)力，也就是抗拉強(qiáng)度。至于斷面收縮率和頸縮問題就不再這里詳細(xì)講解述了。
來源： 金屬材料科學(xué)與技術(shù)
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