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金屬材料的拉伸曲線能給你提供哪些有用信息?

金屬材料的拉伸曲線能給你提供哪些有用信息?

拉伸試驗是最采用的力學性能測試試驗,通過拉伸曲線我們可以獲得一系列的材料力學性能參數。那么從拉伸曲線上我們參提取出來哪些有用的信息呢?

對于可以發生拉伸塑性變形的材料,最常用的有兩類曲線:工程應力-工程應變曲線和真應力-真應變曲線。它們的區別在于計算應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,在應力-應變曲線上,真應力一般比工程應力高。

典型的拉伸曲線示意圖

多種真實金屬材料的真應力真應變曲線

最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。這是工程技術上最為重要的力學性能指標之一。通常工程上不允許機構零件發生塑性變形,因而屈服點就顯重尤為重要了,它成為機械零件是否發生失效的關鍵指標。

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生了塑性變形呢?殘留塑性變形量就成為重要的依據,人們通常人為地把一定殘留塑性變形量時工程金屬對應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。對于不同的金屬構件,其條件屈服強度對應的殘留變形量不同。對于一些苛刻的金屬構件,其殘留變形量規定應較小,而普通金屬構件條件屈服時對應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

金屬的屈服是位錯運動的結果,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構交互作用阻力。

實際金屬鋁中的位錯

在拉伸曲線上,直線段,也即彈性部分對應的面積為彈性能。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。

實際金屬在后伸過程中通常伴隨著力學性能的改變,最突出的就是形變硬化現象。金屬的形變硬化有利于避免實際工程構件在過載時突然斷裂,造成災難性后果。金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發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,使變形轉移到其它更容易的地方。在實際的拉伸曲線上看,大多數金屬在室溫條件下發生屈服后,在屈服應力作用下,變形不會繼續,繼續變形必須增加阻力。在真應力-真應變曲線上表現為流變應力不斷上升,出現形變硬化現象。這樣的曲線稱為流變硬化曲線和硬化曲線。

形變硬化指數n是一個重要的塑性指標,它代表材料抵抗繼續變形的能力。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,談一下應變速率。通常測試的金屬材料的拉伸曲線都是在較低的應變速率下測得。只有一些特殊金屬構件才需要在較高應變速率下測試其力學性能,即發生高速形變的構件。正常室溫條件下應變速率拉伸,材料的變形主要以位錯的滑移或孿生為主。

鋁合金高速形變曲線

在拉伸曲線上,即工程應變-工程應變曲線上最大工程應力稱為極限拉應力,也就是抗拉強度。

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