屈服强度(Yield Strength)是指材料在拉伸或压缩等外力作用下,开始产生不可逆的塑性变形时的应力值。当应力超过这个临界点后,材料的应变不再完全恢复,出现永久性变形。屈服强度是材料在塑性阶段的强度表征,对许多工程材料的结构设计具有指导意义,尤其在结构材料的选择中,屈服强度是决定材料能否承受一定荷载的关键指标。
“屈服强度”的类别指的是常见的——上屈服强度ReH、下屈服强度ReL、规定塑性延伸强度Rp0.2(应变0.2%时对应的强度)。
上屈服强度,下屈服强度
上屈服强度(Upper Yield Strength)是应力刚刚达到屈服点时的最大应力值,通常是材料发生屈服的瞬间应力。上屈服强度标志着材料开始进入塑性变形状态。上屈服强度的出现主要是由于材料内部的位错滑移开始进行,而材料表面却尚未充分滑移,导致应力暂时增高。
下屈服强度(Lower Yield Strength)是材料在塑性流动阶段应力趋于平稳的应力值。它代表了材料在屈服平台上稳定流动时的应力水平。与上屈服强度相比,下屈服强度更接近材料在实际工作中承受的应力状态,因此常用来作为结构设计的参考值。
上屈服强度ReH、下屈服强度ReL处在同一种材料的应力-应变曲线中的不同位置。
如图1所示某钢材应力-应变曲线,ReH、ReL分别代表材料屈服阶段的最大值和最小值。
图1中的浅蓝色曲线是截取的深蓝色曲线弹性阶段曲线的放大版(横向扩大100倍)。
Rpl=241MPa指的是弹性极限,在此之前,材料在外荷载作用下,表现为纯线性,卸除荷载之后,材料可以完全恢复原始状态,弹性极限对应的应变为0.0012;然后是ReH——上屈服强度262MPa,紧接着应力骤降至ReL——下屈服强度248MPa,此时对应的应变为0.03,是弹性极限的25倍;再然后材料历经应变硬化阶段直至达到抗拉极限Ru=434MPa;最后在颈缩过程中达到断裂,Rf——破环强度324MPa,此时对应的应变为0.38,是弹性极限的317倍!
对于不同的材料,有的要求取上屈服强度,有的要求取下屈服强度。例如,延性较弱的螺栓,发生破坏的时候比较突然,保守考虑一般取下屈服强度ReL,而延性较好的合金钢Q355B,破坏过程明显相对肉眼可见,一般要求上屈服强度ReH即可。
一般低合金钢的上屈服强度比下屈服强度高出10%左右,如表1所示某低合金钢实测ReH、ReL。
规定塑性延伸强度
最后一个是规定塑性延伸强度Rp0.2。
规定塑性延伸强度(Proof Stress at Specified Plastic Elongation),也称为规定屈服强度,是指材料在达到某一预设永久变形(通常为0.2%)时的应力值,用符号Rp0.2表示。与上下屈服强度不同,规定塑性延伸强度适用于没有明显屈服平台的材料,如高强度合金、硬化后的金属材料等。
在测量规定塑性延伸强度时,通常使用应力-应变曲线上的补偿法,即沿弹性段曲线的斜率平移一条直线,直线与曲线的交点处的应力即为规定塑性延伸强度。这个指标对于那些塑性流动阶段不显著的材料尤其重要,因为它能较好地表征材料的抗变形能力。
这个参数是针对应力-应变曲线没那么标准,以至于难以找到屈服强度(无论是ReH还是ReL)的材料,典型如铝。
对于这类屈服点不甚显著的材料,行业一般采用“偏移法”选定材料屈服强度。
所谓“偏移法”是什么意思?
虽然这类材料的应力-应变曲线不像低碳钢那么典型,但是有一点是一致的——曲线前期都是线性的。业内正是利用这一点,将纯线性的前一段沿应变轴平移0.002(即0.2%),然后把平移之后的直线与原曲线的交点定为材料的屈服强度(如图2所示)。
值得说明的是,除了金属,检测塑料的屈服强度有时候也可以采用0.2%偏移法。而有的金属材料并不以0.2%对应的强度,而是以其他更大的应变(比方说0.4%)对应的强度作为屈服强度。
双柱拉力试验机示意图
屈服强度的测试方法
屈服强度的测试一般通过拉伸试验进行。将试样装在拉伸试验机上,逐步增加负荷,并记录试样的应力-应变曲线。当曲线从线性关系转为非线性时,即为屈服点。对于具有上下屈服现象的材料,应测得上屈服强度和下屈服强度;对于无明显屈服平台的材料,则通过规定塑性延伸法获得屈服强度。
常见的测试步骤:
准备试样:加工符合标准尺寸的试样。
夹持试样:将试样固定在拉伸试验机上。
加载测试:在逐步增加负荷的过程中记录应力和应变。
读取屈服点:观察应力-应变曲线中的屈服转折点,确定屈服强度值。
屈服强度作为材料在塑性变形阶段的重要参数,涵盖了上屈服强度、下屈服强度以及规定塑性延伸强度三个方面。对于不同类型的材料和应用场景,这些屈服强度参数提供了具体的强度评价指标。在材料的工程应用中,合理利用和理解不同屈服强度的含义和测试方法,可以提高结构的设计效率和使用安全性。
双柱拉力试验机示意图
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