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金属材料的拉伸曲线能给你提供哪些有用信息?

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拉伸试验是最采用的力学性能测试试验,通过拉伸曲线我们可以获得一系列的材料力学性能参数。那么从拉伸曲线上我们参提取出来哪些有用的信息呢?

对于可以发生拉伸塑性变形的材料,最常用的有两类曲线:工程应力-工程应变曲线和真应力-真应变曲线。它们的区别在于计算应力时采用的面积不同,前者用样品的初始面积,后者用拉伸过程中的实时横截面积。因此,在应力-应变曲线上,真应力一般比工程应力高。


                                                  典型的拉伸曲线示意图


                                      多种真实金属材料的真应力真应变曲线

最常见的拉伸曲线有两种:其一,有明显屈服点的拉伸曲线;其二,无明显屈服点的拉伸曲线。屈服点代表金属对起始塑性变形的抗力。这是工程技术上最为重要的力学性能指标之一。通常工程上不允许机构零件发生塑性变形,因而屈服点就显重尤为重要了,它成为机械零件是否发生失效的关键指标。

                                              典型拉伸曲线,带有形变硬化

常用的金属一般为多晶体金属,因此工程实际金属起始塑性变形具有非同时性特征。在拉伸曲线上具体反映就是没有明显的屈服点。那么,如何界定工程实际金属发生了塑性变形呢?残留塑性变形量就成为重要的依据,人们通常人为地把一定残留塑性变形量时工程金属对应的抗力作为屈服强度,也称为条件屈服强度。这很好理解,没有明显的塑性屈服点,就没有明显的屈服强度,要想知道实际金属的屈服强度就需要一个判定条件,因此就有了条件屈服强度。对于不同的金属构件,其条件屈服强度对应的残留变形量不同。对于一些苛刻的金属构件,其残留变形量规定应较小,而普通金属构件条件屈服时对应的残留变形量则较大。常用的残留变形量为0.01%,0.05%, 0.1%0.2%0.5%1.0%等。


                                                           条件屈服

金属的屈服是位错运动的结果,因而金属的屈服由位错运动的阻力来决定。对于纯金属,包括点阵阻力、位错交互作用阻力、位错与其它缺陷或结构交互作用阻力。


                                                             实际金属铝中的位错

在拉伸曲线上,直线段,也即弹性部分对应的面积为弹性能。从弹性变形开始至断裂过程中,样品吸收总能量称为断裂功,金属在断裂前吸收的能量称为断裂韧性。

实际金属在后伸过程中通常伴随着力学性能的改变,最突出的就是形变硬化现象。金属的形变硬化有利于避免实际工程构件在过载时突然断裂,造成灾难性后果。金属塑性变形和形变硬化是保证金属发生均匀塑性变形的先决条件,这就是说在多晶体金属中,哪里发生了塑性变形,哪里就得到了强化,然后塑性变形得到抑制,使变形转移到其它更容易的地方。在实际的拉伸曲线上看,大多数金属在室温条件下发生屈服后,在屈服应力作用下,变形不会继续,继续变形必须增加阻力。在真应力-真应变曲线上表现为流变应力不断上升,出现形变硬化现象。这样的曲线称为流变硬化曲线和硬化曲线。

形变硬化指数n是一个重要的塑性指标,它代表材料抵抗继续变形的能力。至于金属的形变硬化,那是另外一问题。

                                              金属塑性变形中的形变硬化

最后,谈一下应变速率。通常测试的金属材料的拉伸曲线都是在较低的应变速率下测得。只有一些特殊金属构件才需要在较高应变速率下测试其力学性能,即发生高速形变的构件。正常室温条件下应变速率拉伸,材料的变形主要以位错的滑移或孪生为主。


                                                   铝合金高速形变曲线

在拉伸曲线上,即工程应变-工程应变曲线上最大工程应力称为极限拉应力,也就是抗拉强度。

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