材料力学 · 2023-11-17

如何阅读应力—应变曲线：屈服强度、抗拉强度与0.2%偏移法

本文在AI辅助下由原文翻译而成。请结合原文核对专业术语和公式。

应力—应变曲线是显示材料在拉伸试验中能够承受多大载荷，以及如何变形的图像。从初始斜率读取弹性模量，在屈服附近了解塑性变形的开始，从最高点读取抗拉强度，在最后一点读取断裂。本文以工程应力和工程应变为基础进行说明。

阅读应力—应变曲线的顺序

首先确认横轴的应变单位是比值还是百分比，并确认纵轴的应力单位。然后依次观察初始直线、屈服、最高点和断裂点。下图是说明一般延性材料行为的例子，并非所有材料都呈现相同形状。

弹性变形是卸载后可以恢复的变形。在线性弹性区间中，σ = Eε，E是应力变化量除以应变变化量得到的斜率。如果应力使用MPa，应变使用无量纲比值，则E的单位也是MPa。弹性模量越大，相同应力下的弹性应变越小。

弹性模量表示材料的刚度，与屈服强度或抗拉强度不是同一个值。弹性行为也并不意味着必然是线性的。

没有明显屈服点的材料，使用与规定永久应变对应的偏移屈服强度。0.2%偏移法是在应变轴ε = 0.002的位置，绘制一条与初始弹性直线平行的线，读取其与曲线交点处的应力。

0.2% = 0.002，并不是0.002%。此外，交点指两条线相交的位置，并非相切条件。实际试验中，应确认所采用标准的定义及应变测量方法。

塑性变形是卸载后留下的永久变形。屈服后，弹性变形与塑性变形仍可能同时存在，不能假定应力与应变会持续保持线性正比关系。

加工硬化是随着塑性变形进行，进一步变形所需应力增加的现象。在金属中，这与位错增殖及相互作用等有关，其程度随材料、温度和变形条件而变化。

工程抗拉强度(UTS)是最大载荷Fmax除以初始横截面积A0的值，指工程应力—应变曲线的最高点，不一定等于断裂瞬间的应力。

颈缩是变形与横截面减小集中在试样特定部位的现象。在一般延性金属的拉伸试验中，超过最大载荷后，随着颈缩进行，工程应力可能下降。工程应力以初始横截面积为基础计算，应与使用实际瞬时横截面积计算的真应力区分。

延性材料在断裂前具有较大的塑性变形，脆性材料则可能在塑性变形较少的情况下破裂。脆性材料可能没有明显屈服点，因此不能一概说“必定在屈服强度附近断裂”。材料行为也受试验温度、速度及缺陷等影响。