学术干货丨拉伸曲线分析你不得不知的窍门

图 1. 典型的拉伸试验测试设备。 

典型的材料拉伸曲线如图 2 所示,按照有无屈服平台(橙色椭圆所示:应力与应变一阶导约为零):大致可分为有屈服阶段的拉伸曲线(如建筑钢)和无屈服阶段的拉伸曲线(如高强钢,变形铝合金等)。
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图 2. 典型的拉伸曲线(橙色椭圆所示为拉伸屈服平台)。

1. 拉伸曲线可直接反映的具体信息

比例极限 σp:应力与应变成正比关系的最大应力;
弹性极限 σe:材料由弹性变形过渡到弹 - 塑性变形的应力。应力超过弹性极限,开始发生塑性变形时的应力;
屈服极限 σs:金属发生明显塑性变形的抗力,屈服点:屈服点对应的强度,有上、下屈服极限;
条件屈服强度 σ0.2:当没有明显屈服平台时,规定产生 0.2% 残余塑性应变时的应力;
抗拉强度(强度极限)σb:试样拉断前最大载荷所决定的临界应力;
弹性模量 E:弹性变形阶段,应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律),其比例系数即为弹性模量。
延伸率 δ:试样拉伸断后标距段的总变形 ΔL 与原标距长 L 之比:δ=ΔL/L×100%,和截面收缩率 ψ 都是描述材料塑性性能的指标。
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图 3. 典型拉伸曲线示意图。

2. 拉伸曲线基本特点

材料不同,其拉伸曲线也有所不同,但总的来说:从初始拉伸至最后断裂过程可基本划分为几个特征阶段。
1)弹性阶段:如图 4 所示,这个阶段分为两种,当应力小于 σp 时,应力和应变成正比;超过比例极限后,应力和应变虽然不保持正比关系,但变形依然是弹性的,卸载后变形完全恢复为零,直线斜率 E,其大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力代表了材料的刚度。此外,材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。横向正应变 ε 与纵向正应变 ε 之的绝对值 μ 称为材料的泊松比,反映材料横向变形的弹性常数。
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图 4. 弹性拉升阶段拉伸曲线示意图。

2)屈服阶段:如图 5 所示,在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程,即曲线沿一水平段上下波动,即应力增加很少,变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下,宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力,微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错,在外力作用下发生有规律的移动造成的。由于材料在这一阶段已经发生过量变形,必然残留不可恢复的变形塑性变形因此,从屈服阶段开始,材料的变形就包含弹性和塑性两部分。
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图 5. 屈服阶段拉伸曲线示意图。

3)强化阶段:如图 6 所示,屈服阶段结束后,拉伸曲线又出现上升现象,说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力,材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载,弹性变形将随之消失,而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载,材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高,塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化,可用来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。拉伸曲线的应力达到强度极限 σb,是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力,是材料进入颈缩阶段的标志。
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图 6. 强化阶段拉伸曲线示意图。

4)颈缩阶段:如图 7 所示,应力到达强度极限后,开始在试样最薄弱处出现局部变形,从而导致试样局部截面急剧颈缩,承载面积迅速减少,试样承受的载荷很快下降,直至断裂。断裂时,试样的弹性变形消失,塑性变形则遗留在断裂的试样上。
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图 7. 颈缩阶段拉伸曲线示意图。

  • 分享于 · 2018.04.08 12:39 · 阅读 · 1489

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