金屬材料拉伸性能測試中的一些基礎(chǔ)性問題

對于大多數(shù)金屬材料，在彈性變形區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變成比例，當(dāng)繼續(xù)增加應(yīng)力或應(yīng)變時，在某一點上，應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。

在這一點上，與鄰接的初始原子間的鍵合開始破裂并用一組新的原子進行改造。當(dāng)這種情況發(fā)生時，應(yīng)力被卸除后材料將不再恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即變形是不可恢復(fù)的。

對于大多數(shù)金屬材料，在彈性變形區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變成比例，當(dāng)繼續(xù)增加應(yīng)力或應(yīng)變時，在某一點上，
應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。

在這一點上，與鄰接的初始原子間的鍵合開始破裂并用一組新的原子進行改造。當(dāng)這種情況發(fā)生時，應(yīng)力被卸除后材料將不再恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即變形是不可恢復(fù)的。這時材料進入塑性變形區(qū)（圖1）。

圖1 塑性變形示意圖

實際上，很難確定材料從彈性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)的確切點。如圖2，繪制了應(yīng)變?yōu)?.002的平行線。用該線截斷應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將屈服的應(yīng)力確定為屈服強度。屈服強度等于發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力。大多數(shù)材料并不均勻，也不是很好的理想材料，材料的屈服是一個過程，通常伴隨著加工硬化，所以不是一個具體的點。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對于多數(shù)金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線看起來類似于圖3所示曲線。當(dāng)加載開始以后，應(yīng)力從零開始增加，應(yīng)變線性增加，直到材料發(fā)生屈服以后，曲線開始偏離線性。

繼續(xù)增加應(yīng)力，曲線達(dá)到較大值。較大值對應(yīng)抗拉強度，這是曲線的較大應(yīng)力值，由圖中的M表示。斷裂點是材料最終斷裂的點，由圖中的F表示。

圖3 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖

典型的應(yīng)力-應(yīng)變測試裝置、測試樣品幾何形狀如圖4所示。在拉伸試驗期間，樣品被緩慢拉動，同時記錄長度和施加力的變化，記錄力-位移曲線，利用樣品原始長度、標(biāo)距長度和截面積等信息可以繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變測試

拉伸試驗是常用的力學(xué)性能試驗，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？

對于可以發(fā)生拉伸塑性變形的材料，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)別在于計算應(yīng)力時采用的面積不同，前者用樣品的初始面積，后者用拉伸過程中的實時橫截面積。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。

圖5 典型的拉伸曲線示意圖

圖6 多種真實金屬材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

常見的拉伸曲線有兩種：其一，有明顯屈服點的拉伸曲線；其二，無明顯屈服點的拉伸曲線。屈服點代表金屬對起始塑性變形的抗力。這是工程技術(shù)上重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。通常工程上不允許零件發(fā)生塑性變形，因而屈服點就顯重尤為重要了，它成為機械零件是否發(fā)生失效的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

圖7 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，因此工程實際金屬起始塑性變形具有非同時性特征。在拉伸曲線上具體反映就是沒有明顯的屈服點。那么，如何界定工程實際金屬發(fā)生了塑性變形呢？

殘余塑性變形量就成為重要依據(jù)，通常人為地把一定殘留塑性變形量時工程金屬對應(yīng)的抗力作為屈服強度，也稱為條件屈服強度。

這很好理解，沒有明顯的塑性屈服點，就沒有明顯的屈服強度，要想知道實際金屬的屈服強度就需要一個判定條件，因此就有了條件屈服強度。

對于不同的金屬構(gòu)件，其條件屈服強度對應(yīng)的殘余變形量不同。對于一些苛刻的金屬構(gòu)件，其殘余變形量規(guī)定應(yīng)較小，而普通金屬構(gòu)件條件屈服時對應(yīng)的殘余變形量則較大。常用的殘余變形量為0.01%，0.05%， 0.1%，0.2%，0.5%和1.0%等。

圖8 條件屈服

金屬的屈服是位錯運動的結(jié)果，因而金屬的屈服由位錯運動的阻力來決定。對于純金屬，包括點陣阻力、位錯交互作用阻力、位錯與其它缺陷或結(jié)構(gòu)交互作用阻力。

圖9 實際金屬鋁中的位錯

在拉伸曲線上的直線段，也即彈性部分對應(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。

實際金屬在拉伸過程中通常伴隨著力學(xué)性能的改變，突出的現(xiàn)象就是加工硬化。金屬的加工硬化有利于避免實際工程構(gòu)件在過載時突然斷裂，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，變形不會繼續(xù)，繼續(xù)變形需增加阻力。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)加工硬化現(xiàn)象。這樣的曲線稱為加工硬化曲線。

加工硬化指數(shù)n是一個重要的塑性指標(biāo)，它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。

圖10 金屬塑性變形中的加工硬化

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)變速率下測試獲得的。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的滑移或?qū)\生為主。