金屬材料拉伸性能測試中的一些基礎(chǔ)性問題

對(duì)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(shí)，在某一點(diǎn)上，應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。

在這一點(diǎn)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(jìn)行改造。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，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(duì)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(shí)，在某一點(diǎn)上，
應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。

在這一點(diǎn)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(jìn)行改造。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，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(shí)材料進(jìn)入塑性變形區(qū)（圖1）。

圖1 塑性變形示意圖

實(shí)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(diǎn)。如圖2，繪制了應(yīng)變?yōu)?.002的平行線。用該線截?cái)鄳?yīng)力-應(yīng)變曲線，將屈服的應(yīng)力確定為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)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(gè)過程，通常伴隨著加工硬化，所以不是一個(gè)具體的點(diǎn)。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)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(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度，這是曲線的較大應(yīng)力值，由圖中的M表示。斷裂點(diǎn)是材料最終斷裂的點(diǎn)，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(yàn)期間，樣品被緩慢拉動(dòng)，同時(shí)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(yàn)是常用的力學(xué)性能試驗(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，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。

圖5 典型的拉伸曲線示意圖

圖6 多種真實(shí)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(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(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)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(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(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)的殘余變形量不同。對(duì)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(shí)對(duì)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(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。

圖9 實(shí)際金屬鋁中的位錯(cuò)

在拉伸曲線上的直線段，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(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(gè)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(cuò)的滑移或?qū)\生為主。