航空材料力学性能检测：拉伸过程的物理现象及性能指标

图5-4 低碳钢的应力-应变曲线

金属材料在弹性变形阶段，其应力R和应变e成正比例关系，符合胡克定律，即

R=Ee （5-1）

式中，比例系数E称为弹性模量。在应力-应变曲线上，弹性模量就是直线（Op）段的斜率。

弹性模量的物理意义可阐述为：表征金属材料对弹性变形的抗力，即金属发生弹性变形的难易程度。E值越大，则产生相同的弹性变形量需要的外力越大，弹性变形越困难。

弹性模量E主要取决于材料的结合键和原子间的结合力，是一个对组织不敏感的力学性能指标。对金属进行热处理、微量合金化及塑性变形等，其弹性模量变化很小。但高分子和陶瓷材料的弹性模量则对结构与组织很敏感。此外，弹性模量和材料的熔点成正比，越是难熔的材料弹性模量也越高。

比例极限是衡量金属最大比例弹性变形的抗力指标，即金属材料在外力作用下，只发生比例弹性变形而不产生非比例塑性变形时所能承受的最大应力。在应力-应变曲线上，弹性极限相当于p点所对的应力值，用R_p表示。

2.非比例伸长阶段

非比例伸长阶段的特点是力与变形不完全成正比，但变形是弹性的，当载荷大于F_e再卸荷时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形，卸荷后的残余变形叫塑性变形。开始产生微量塑性变形的载荷是弹性极限的载荷F_e。一般来说，F_p和F_e是很接近的。

弹性极限是衡量金属最大弹性变形的抗力指标，即金属材料在外力作用下，只发生弹性变形而不产生塑性变形时所能承受的最大应力。在应力-应变曲线上，弹性极限相当于e点所对的应力值，用R_e表示。

弹性极限是金属材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形的应力，由于测试条件的限制，在工程测试中很难测出准确而唯一的数值，GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》已将其删除。实际测量时是测定规定塑性延伸率A_p时的应力，在国家标准中称之为规定塑性延伸强度，并以脚注说明，用R_p表示，如图5-4所示。如测定试样标距部分的塑性延伸率0.001%时的应力，记为R_p0.001。由此可见，弹性极限是表征最大弹性变形的抗力，或者说是表征微量塑性变形的抗力。

3.屈服变形阶段

屈服阶段的特点是力不增加或增加很少或略有降低的情况下产生大量变形，拉伸图上出现平台或锯齿。这种载荷不增加或减小的情况下试样还继续伸长的现象叫屈服。屈服阶段的最小载荷是屈服点的载荷F_s。屈服后，金属开始明显塑性变形，试样表面出现滑移带。在金属拉伸试验过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了弹性变形外，还产生部分塑性变形。当外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，在力-伸长曲线上出现一个波动小平台，这便是屈服现象。很多金属材料在拉伸试验时都会产生明显的屈服现象，尤其是具有体心立方晶格的金属，通常用考屈尔（Cotreall）气团模型和位错增殖模型解释。

金属材料拉伸试样发生屈服现象时，力所对应的点称为屈服点。试样发生屈服而力首次下降前的点为上屈服点；在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最小力值为下屈服点。发生屈服时，试样的伸长变形是不均匀的，屈服伸长对应的水平线段或曲折线段称为屈服平台或屈服齿。

（1）屈服强度 屈服现象是金属材料在拉伸时开始产生宏观塑性变形的一种标志，用应力表示的屈服点称为屈服强度。屈服强度可以理解为金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。

在应力-应变曲线上，与上、下屈服点相对应的应力称为上、下屈服强度。在正常试验条件下，由于下屈服强度R_eL的数值较为稳定，再现性较好，所以常将下屈服强度R_eL选为屈服强度指标。

（2）屈服强度的工程意义 在生产实际中，绝大部分工程构件和机器零件在其服役过程中都处于弹性变形状态，不允许有明显塑性变形产生。如高压容器中的紧固螺栓发生过量塑性变形，即无法正常工作。因此，屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件或工程构件选材和设计的依据。

传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=R_eL/n，安全系数n一般取2或更大。需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的塑性、韧性降低，材料的脆性断裂危险性增加了。

屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成形性能和焊接性就好等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。

4.形变强化阶段(www.xing528.com)

金属材料在拉伸试验中“挺过”屈服阶段以后，继续变形将产生形变强化，进入均匀塑性变形阶段，并且需要不断增加外力才能继续变形，这表明金属材料有一种继续变形的能力。金属在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象，称为形变强化，也称为冷变形强化或加工硬化。

（1）形变强化系数 金属材料在均匀塑性变形阶段的形变强化能力用形变强化系数n表示。n越大，形变强化能力越大。当n=1时，表示材料是完全的弹性体；n=0时，表示材料没有形变强化能力。一般金属材料的n值为0.1～0.5。弹壳采用的H70黄铜材料具有较高的n值（0.35～0.40），因此具有良好的冲压成形能力，可获得优良的外形。

（2）形变强化是金属冷塑性变形的保证 形变强化和塑性适当配合，可使先变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不至于集中在某些局部而导致最终断裂，保证冷变形工艺顺利实施。

对于工作中的零构件，也要求材料有一定的形变强化能力。例如，当金属某些薄弱部位因偶然过载产生塑性变形时，形变强化会阻止塑性变形继续发展，从而保证了金属构件的安全服役。

但形变强化后由于塑性和韧性进一步降低，给进一步变形带来困难，甚至导致开裂或断裂。

5.局部塑性变形阶段

（1）颈缩现象 在力-伸长曲线上的最大载荷处，塑性变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面积急剧减小，这种现象称为颈缩，是塑性材料在拉伸时变形集中于局部区域的特殊现象。

在金属试样力-伸长曲线（见图5-2）极大值b点之前，塑性变形是均匀的，因为材料形变强化使试样承载能力增加，可以补偿试样截面减小时其承载力的下降。在b点之后，由于形变强化跟不上塑性变形的发展，变形集中于试样局部区域产生颈缩。发生颈缩后变形则主要集中在局部区域，在此区域内横截面越来越小，局部应力越来越高，直至不能承受外加载荷而断裂。所以，b点是力-伸长曲线的最高点，也是局部塑性变形的开始点，也称为拉伸失稳点或塑性失稳点。

（2）抗拉强度 金属在断裂前所能承受的最大应力称为抗拉强度，又称为强度极限，用R_m表示，计算公式为

式中 R_m——抗拉强度（MPa）；

F_m——试样拉断前承受的最大载荷（N）；

S_o——试样原始横截面积（mm²）。

抗拉强度R_m的物理意义是塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料拉伸过程一般不出现颈缩现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。

（3）抗拉强度的工程意义 断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是工程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。

对于韧性金属材料，抗拉强度代表产生最大均匀塑性变形的抗力，表示了材料在静拉伸条件下的极限承载能力。但这种承载能力仅限于光滑试样单向拉伸的受载条件，而且韧性材料的抗拉强度R_m不能作为设计参数，因为R_m对应的应变远非实际使用中所要达到的；如果材料承受复杂的应力状态，则R_m就不能代表材料的实际有用强度。虽然如此，由于抗拉强度代表实际工件在静拉伸条件下的最大承载能力，且R_m易于测定，重现性好，所以抗拉强度R_m是工程上金属材料的重要力学性能指标之一，广泛用作产品规格说明或质量控制指标。

对于脆性金属材料而言，一旦拉伸应力达到最大值，材料便迅速断裂了，所以抗拉强度R_m就是脆性材料的断裂强度，用于产品设计，其许用应力以抗拉强度R_m为依据。

（4）屈强比 屈服强度与抗拉强度的比值（R_eL/R_m）称为材料的屈强比，屈强比的大小对金属材料意义很大。屈强比越小，表示材料的屈服强度与抗拉强度的差距越大，即塑性越好，万一超载，由于塑性变形的产生而使金属材料的强度提高而不致立刻破坏，从而保证了使用中的安全性，但此值太小时，材料强度的有效利用率低；相反，屈强比高，说明屈服强度接近抗拉强度，材料的承载能力高，做结构零件可靠性高，但屈强比大，材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感，安全性下降。合理的屈强比一般为0.6～0.75；弹簧钢一般均在弹性极限范围内服役，受载荷时不允许产生塑性变形，因此要求弹簧钢经淬火、中温回火后具有尽可能高的弹性极限和屈强比（≥0.90）。

此外，屈强比越低，塑性越佳，冲压成形性越好，所以较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的，很多用于冲压的板材标准中对屈强比有一定的要求，如深冲钢板的屈强比为≤0.65。