金屬材料屈服強(qiáng)度及其影響因素
發(fā)布時(shí)間：2023-11-24
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屈服強(qiáng)度是指材材料開(kāi)始產(chǎn)生宏觀塑性變形時(shí)的應(yīng)力。對(duì)于屈服現(xiàn)象明顯的材料，屈服強(qiáng)度就屈服點(diǎn)的應(yīng)力—屈服值；對(duì)于屈服現(xiàn)象不明顯的材料，通常將應(yīng)力-應(yīng)變曲線上以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為σ0.2或σys。屈服強(qiáng)度通常用作固體材料力學(xué)機(jī)械性質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是材料的實(shí)際使用極限。
影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)在因素有：
1. 金屬本性及晶格類型——純金屬單晶體的屈服強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力決定。這些阻力有晶格阻力和位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力之分。其中晶格力與位錯(cuò)寬度和柏氏矢量有關(guān)，而兩者又與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。位錯(cuò)間交互產(chǎn)生的阻力包括平行位錯(cuò)間交互產(chǎn)生的阻力和運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)交互產(chǎn)生的阻力。用公式表示：T=αGb/L,式中α為比例系數(shù)，又因?yàn)槊芏圈雅c1/L2成正比，因此，T=αGbρ1/2，由此可見(jiàn)，密度增加，屈服強(qiáng)度也隨之增加。 2. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)——晶粒大小的影響是晶界影響的反映，減小晶粒尺寸將增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)障礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度，將使屈服強(qiáng)度提高。許多金屬與合金的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系均符合霍爾佩奇公式σs=σj+kyd-1/2,式中，σj是位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力，亦稱摩擦阻力，它決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度；ky是度量晶界對(duì)強(qiáng)化貢獻(xiàn)大小的釘扎常數(shù)，或表示滑移帶端部的應(yīng)力集中系數(shù)；d為晶粒平均尺寸。亞晶界的作用和晶界類似，也阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。 3. 溶質(zhì)元素——純金屬中融入溶質(zhì)原子形成間隙型或置換型固溶合金將會(huì)顯著提高屈服強(qiáng)度，此即為固溶強(qiáng)化。這主要是由于溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)周圍形成了晶格畸變應(yīng)力場(chǎng)，該應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生交互作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而提高屈服強(qiáng)度。 4. 第二相——工程上的金屬材料，其顯微組織一般是多相的。第二相對(duì)屈服強(qiáng)度的影響與質(zhì)點(diǎn)本身在金屬材料屈服變形過(guò)程中能否變形有很大關(guān)系。據(jù)此可將第二相質(zhì)點(diǎn)分為不可變形和可變形的兩類。 根據(jù)位錯(cuò)理論，位錯(cuò)線只能繞過(guò)不可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)，為此，必須克服彎曲位錯(cuò)的線張力。不可變形第二相質(zhì)點(diǎn)的金屬材料，其屈服強(qiáng)度與流變應(yīng)力就決定于第二相質(zhì)點(diǎn)之間的間距。對(duì)于可變形的第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)可以切過(guò)，使之同基體一起變形，由此也能提高屈服強(qiáng)度。 第二相的強(qiáng)化效果還與其尺寸、形狀、數(shù)量和分布以及第二相與基體的強(qiáng)度、塑性相應(yīng)硬化特性、兩相間的晶體學(xué)配合和界面能等因素有關(guān)。在第二相體積比相同的情況下，長(zhǎng)形質(zhì)點(diǎn)顯著影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而具有此種組織的金屬材料，其屈服強(qiáng)度就比球狀的高。 綜上所述，表征金屬微量塑性變形抗力的屈服強(qiáng)度是一個(gè)對(duì)成分、組織極其敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，受許多內(nèi)在因素的影響，改變合金成分或熱處理工藝可使屈服強(qiáng)度產(chǎn)生明顯變化。
1. 溫度—— 一般升高溫度金屬材料的屈服強(qiáng)度降低，但是，金屬材料晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢(shì)也不一樣。比如，bcc金屬的屈服強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng)。2. 應(yīng)變速率——拉伸時(shí)，加載速度增大，應(yīng)變速率增大，金屬材料的強(qiáng)度將會(huì)增加。這主要是因?yàn)?，任何一種金屬都有自己塑性變形的傳播速度，如果加載速度大于它本身的塑性傳播速度，必然會(huì)導(dǎo)致屈服點(diǎn)的提高。這是因?yàn)榧虞d速度太快，外力方向的晶面轉(zhuǎn)動(dòng)不充分，滑移在試樣的生長(zhǎng)、擴(kuò)展過(guò)程中就會(huì)受阻，在宏觀上表現(xiàn)為起始塑性變形的抗力提高。此為，隨著形變硬化的產(chǎn)生，自發(fā)消除硬化的回復(fù)無(wú)法進(jìn)行，而形變硬化又會(huì)阻礙形變的繼續(xù)發(fā)展，因此要達(dá)到所需的殘余形變，就必須繼續(xù)增大外力，這也表現(xiàn)為起始塑性變形抗力的提高。3. 應(yīng)力狀態(tài)——應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬材料屈服強(qiáng)度的影響也很重要。切應(yīng)力分量愈大，愈有利于材料的塑性變形，屈服強(qiáng)度就越低，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強(qiáng)度低，拉伸要比彎曲的屈服強(qiáng)度低，同應(yīng)力狀態(tài)下材料屈服強(qiáng)度不同，并非是材料性質(zhì)變化，而是材料在不同條件下表現(xiàn)的力學(xué)行為不同而已。我們通常所說(shuō)的材料的屈服強(qiáng)度一般是指在單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度。
