金属材料拉伸试验及工程意义

      金属材料的拉伸试验曲线（通常指应力 - 应变曲线）是描述材料在单向拉伸载荷作用下，应力（σ）与应变（ε）关系的曲线，它直观反映了材料从弹性变形到最终断裂的全过程力学特性。不同类型的金属（如塑性材料、脆性材料）曲线形态差异显著，以下以典型塑性金属（如低碳钢） 为例，详细说明曲线的阶段划分及各阶段含义：

附图1 材料拉伸试验台

附图2 金属材料拉伸应力应变曲线

      该曲线可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩与断裂阶段，各阶段对应材料不同的变形行为，曲线上的特征点具有明确的工程意义。

1. 弹性阶段（oa 段）

• 曲线特征:

  应力与应变呈线性关系（符合胡克定律:σ=Eε，卸载后变形完全恢复。  

• 关键参数:

  比例极限（σₚ）:  
  a点对应的应力，是线性关系的临界点（超过此值后应力 - 应变不再严格成正比）  
  其中弹性模量E：E=tanα。  

• 弹性极限（σₑ）:

  弹性变形的最大应力（略高于 σₚ，实际中常近似用 σₚ代替）。  

• 物理意义:

  材料仅发生弹性变形，原子间结合力未被破坏，卸载后原子回归平衡位置。  

2. 屈服阶段（AC段）

• 曲线特征:

  应力达到某一值后，应变急剧增加而应力几乎不变（出现 “平台” 或微小波动），此时材料发生塑性变形（卸载后变形无法完全恢复）。  

• 关键参数:

• 屈服强度（σₛ）

  屈服阶段的平均应力（对于有明显屈服平台的材料，取平台应力；无明显平台时，常用规定非比例延伸强度 σᵣ₀.₂，即塑性应变达 0.2% 时的应力）。  

• 物理意义:

  材料内部位错大量滑移，原子排列的完整性被破坏，塑性变形开始主导，这是工程设计中防止塑性变形的关键指标（如结构件通常要求工作应力低于 σₛ）。  

3. 强化阶段（ce 段）

• 曲线特征:

  屈服结束后，材料抵抗变形的能力随塑性变形增加而增强（“加工硬化” 现象），应力随应变继续上升，曲线呈上升趋势。  

• 关键参数:

  抗拉强度（σb，又称极限强度）  

  e点对应的最大应力，是材料能承受的最大拉伸应力。  

• 物理意义:

  塑性变形使材料内部位错密度增加，位错运动受阻，需更高应力才能继续变形（加工硬化效应）。此阶段变形仍为均匀的整体伸长。  

4. 颈缩与断裂阶段（ef 段）

• 曲线特征:

  应力达到抗拉强度后，材料局部区域急剧变细（“颈缩现象”），变形集中在颈缩区，应力随应变增加反而下降，最终在 D 点断裂。  

• 关键参数:

• 断后伸长率（δ）:

  断裂后标距段的残余伸长与原始标距的百分比:
   
   
  反映材料的塑性能力（δ 越大，塑性越好）。  

• 断面收缩率（ψ）:

  断裂后颈缩区横截面积的缩减量与原始截面积的百分比:  
   
  
  同样表征塑性（ψ 越大，颈缩越明显）。  

• 物理意义

  颈缩区应力集中导致局部变形过大，最终因拉应力超过材料的断裂强度而断裂，断口呈杯锥状（塑性断裂特征）。  

拉伸曲线的工程意义

1. 材料强度设计依据：

• 屈服强度 σₛ（或 σᵣ₀.₂）：是结构设计中 “许用应力” 的核心依据（许用应力 = σₛ / 安全系数），确保材料不发生塑性变形。
• 抗拉强度 σb：反映材料抵抗断裂的能力，用于评估材料的承载上限（如零件过载时的断裂风险）。

2. 材料塑性评估：
   断后伸长率 δ 和断面收缩率 ψ 是衡量材料塑性的关键指标，塑性好的材料（如低碳钢）可通过塑性变形吸收能量，适用于需承受冲击或变形的场景（如汽车车身、压力容器）。

3. 加工工艺参考：
   强化阶段的加工硬化效应可指导冷加工工艺（如冷轧、冷拉），通过塑性变形提高材料强度（如钢筋冷拉后强度提升）。