張力是一種簡(jiǎn)單的機(jī)械性能測(cè)試。在試驗(yàn)標(biāo)距內(nèi)，應(yīng)力均勻，應(yīng)力、應(yīng)變和性能指標(biāo)的測(cè)量穩(wěn)定可靠，便于理論計(jì)算。通過拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)量彈性變形、塑性變形和斷裂過程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如正彈性模量E和屈服強(qiáng)度σ0.2。屈服點(diǎn) σ s。抗拉強(qiáng)度 σ b。斷裂伸長(zhǎng)率 δ 和斷面收縮率 ψ 等拉伸試驗(yàn)得到的力學(xué)性能指標(biāo)，如 e σ 0.2、 σ s、 σ b、 δ、ψ 等是材料固有的基本性能和主要依據(jù)在工程設(shè)計(jì)中。

金屬塑性變形與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)于大多數(shù)金屬材料，在彈性變形區(qū)域，應(yīng)力和應(yīng)變成正比。當(dāng)應(yīng)力或應(yīng)變繼續(xù)增加時(shí)，在某一點(diǎn)，應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。

此時(shí)，與相鄰初始原子的鍵開始斷裂，并被一組新原子修飾。發(fā)生這種情況時(shí)，材料在去除應(yīng)力后不會(huì)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，即變形是永久的、不可恢復(fù)的，然后材料進(jìn)入塑性變形區(qū)（圖1）。

事實(shí)上，很難確定材料從彈性區(qū)變?yōu)樗苄詤^(qū)的確切點(diǎn)。如圖 2 所示，繪制了一條應(yīng)變?yōu)?0.002 的平行線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線被這條線截?cái)?，屈服?yīng)力被確定為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度等于發(fā)生顯著塑性變形的應(yīng)力。大多數(shù)材料并不統(tǒng)一，也不是完美的理想材料。材料的良率是一個(gè)過程，通常伴隨著加工硬化，所以不是一個(gè)具體的點(diǎn)。

對(duì)于大多數(shù)金屬材料，應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似于圖 3 所示。加載開始時(shí)，應(yīng)力從零開始增加，應(yīng)變線性增加。在材料屈服之前，曲線開始偏離線性。

繼續(xù)增加應(yīng)力，曲線達(dá)到最大值。最大值對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度，即曲線的最大應(yīng)力值，圖中用m表示。斷裂點(diǎn)是材料最終斷裂的點(diǎn)，在圖中用 F 表示。

典型的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試裝置和測(cè)試樣品的幾何形狀如圖 4 所示。在拉伸測(cè)試過程中，樣品被緩慢拉動(dòng)，并記錄長(zhǎng)度和施加力的變化。記錄力位移曲線。利用試樣的原長(zhǎng)、標(biāo)距和截面積可以繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

對(duì)于能發(fā)生拉伸塑性變形的材料，最常用的有兩種曲線：工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。它們之間的區(qū)別在于計(jì)算應(yīng)力所用的面積不同。前者使用樣品的初始面積，后者使用拉伸過程中的實(shí)時(shí)橫截面積。因此，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，真實(shí)應(yīng)力一般高于工程應(yīng)力。

圖6 各種真實(shí)金屬材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

最常見的拉伸曲線有兩種：一種是屈服點(diǎn)明顯的拉伸曲線；二是拉伸曲線無明顯屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)代表金屬對(duì)初始塑性變形的抵抗力。這是工程技術(shù)中最重要的機(jī)械性能之一。

如何測(cè)量金屬塑性變形的拉伸強(qiáng)度？

殘余塑性變形是一個(gè)重要依據(jù)。一般人為將工程金屬在一定的殘余塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗力作為屈服強(qiáng)度，也稱為條件屈服強(qiáng)度。即沒有明顯的塑性屈服點(diǎn)，也沒有明顯的屈服強(qiáng)度。要想知道實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度，需要一個(gè)判斷條件，所以就有了條件屈服強(qiáng)度。對(duì)于不同的金屬成分，條件屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘余變形是不同的。對(duì)于一些苛刻的金屬構(gòu)件，其殘余變形應(yīng)該很小，而普通金屬構(gòu)件在條件下屈服時(shí)相應(yīng)的殘余變形較大。常用的殘余變形有0.01%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%和1.0%。

金屬的屈服是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，所以金屬的屈服是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力決定的。對(duì)于純金屬，它包括晶格電阻、位錯(cuò)相互作用阻力和位錯(cuò)與其他缺陷或結(jié)構(gòu)的相互作用阻力。

拉伸曲線上直線段對(duì)應(yīng)的面積，即彈性部分，就是彈性特性。從開始彈性變形到斷裂過程，試樣吸收的總能量稱為斷裂功，金屬在斷裂前吸收的能量稱為斷裂韌性。真實(shí)金屬的力學(xué)性能通常在拉伸過程中發(fā)生變化，其中最突出的現(xiàn)象是加工硬化。金屬的加工硬化有助于避免實(shí)際工程部件在過載時(shí)突然斷裂，造成災(zāi)難性后果。

金屬塑性變形和變形硬化是保證金屬均勻塑性變形的先決條件。也就是說，在多晶金屬中，發(fā)生塑性變形的地方被強(qiáng)化，然后塑性變形被抑制，這樣變形可以更容易地轉(zhuǎn)移到其他地方。

根據(jù)實(shí)際拉伸曲線，大多數(shù)金屬在室溫下屈服后，在屈服應(yīng)力的作用下不會(huì)繼續(xù)變形，必須增加阻力才能繼續(xù)變形。在真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，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)，它代表了材料抵抗連續(xù)變形的能力。

最后，我們來談?wù)剳?yīng)變率。通常，金屬材料的拉伸曲線是通過在較低的應(yīng)變率下測(cè)試得到的。只有一些特殊的金屬構(gòu)件需要在高應(yīng)變率下測(cè)試其力學(xué)性能，即高速變形的構(gòu)件。在常溫下，材料的變形主要是位錯(cuò)滑移或?qū)\晶。

拉伸曲線上的最大工程應(yīng)力，即工程應(yīng)變曲線，稱為極限拉伸應(yīng)力，即抗拉強(qiáng)度。