三類屈服的強度辨析

來源：天氏庫力發(fā)布日期 2024-11-23 瀏覽：

在談到材料的“彈性設計”時，大家或許可以不去過分關注材料的抗拉強度，也無需在意其斷后延伸率，但材料的屈服強度卻是無法忽略的核心指標。屈服強度不僅決定了材料在受力時何時開始發(fā)生塑性變形，還在很大程度上影響了結構設計的安全性和使用壽命。因此，屈服強度作為材料在力學性能中的關鍵參數(shù)，尤其在金屬材料的機械性能測試中具有重要的評價意義。本文小編將系統(tǒng)性地分析屈服強度的上下屈服強度和規(guī)定塑性延伸強度，從定義、測試方法到其實際應用，全面闡釋屈服強度在工程設計與應用中的重要性。

一、屈服強度的基本概念

屈服強度（Yield Strength）是指材料在拉伸或壓縮等外力作用下，開始產生不可逆的塑性變形時的應力值。當應力超過這個臨界點后，材料的應變不再完全恢復，出現(xiàn)永久性變形。屈服強度是材料在塑性階段的強度表征，對許多工程材料的結構設計具有指導意義，尤其在結構材料的選擇中，屈服強度是決定材料能否承受一定荷載的關鍵指標。

“屈服強度”的類別指的是常見的——上屈服強度ReH、下屈服強度ReL、規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2（應變0.2%時對應的強度）。

上屈服強度，下屈服強度

上屈服強度（Upper Yield Strength）是應力剛剛達到屈服點時的最大應力值，通常是材料發(fā)生屈服的瞬間應力。上屈服強度標志著材料開始進入塑性變形狀態(tài)。上屈服強度的出現(xiàn)主要是由于材料內部的位錯滑移開始進行，而材料表面卻尚未充分滑移，導致應力暫時增高。

下屈服強度（Lower Yield Strength）是材料在塑性流動階段應力趨于平穩(wěn)的應力值。它代表了材料在屈服平臺上穩(wěn)定流動時的應力水平。與上屈服強度相比，下屈服強度更接近材料在實際工作中承受的應力狀態(tài)，因此常用來作為結構設計的參考值。

上屈服強度ReH、下屈服強度ReL處在同一種材料的應力-應變曲線中的不同位置。

如圖1所示某鋼材應力-應變曲線，ReH、ReL分別代表材料屈服階段的最大值和最小值。

圖1中的淺藍色曲線是截取的深藍色曲線彈性階段曲線的放大版（橫向擴大100倍）。

Rpl=241MPa指的是彈性極限，在此之前，材料在外荷載作用下，表現(xiàn)為純線性，卸除荷載之后，材料可以完全恢復原始狀態(tài)，彈性極限對應的應變?yōu)?.0012；然后是ReH——上屈服強度262MPa，緊接著應力驟降至ReL——下屈服強度248MPa，此時對應的應變?yōu)?.03，是彈性極限的25倍；再然后材料歷經應變硬化階段直至達到抗拉極限Ru=434MPa；最后在頸縮過程中達到斷裂，Rf——破環(huán)強度324MPa，此時對應的應變?yōu)?.38，是彈性極限的317倍！

對于不同的材料，有的要求取上屈服強度，有的要求取下屈服強度。例如，延性較弱的螺栓，發(fā)生破壞的時候比較突然，保守考慮一般取下屈服強度ReL，而延性較好的合金鋼Q355B，破壞過程明顯相對肉眼可見，一般要求上屈服強度ReH即可。

一般低合金鋼的上屈服強度比下屈服強度高出10%左右，如表1所示某低合金鋼實測ReH、ReL。

規(guī)定塑性延伸強度

最后一個是規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2。

規(guī)定塑性延伸強度（Proof Stress at Specified Plastic Elongation），也稱為規(guī)定屈服強度，是指材料在達到某一預設永久變形（通常為0.2%）時的應力值，用符號Rp0.2表示。與上下屈服強度不同，規(guī)定塑性延伸強度適用于沒有明顯屈服平臺的材料，如高強度合金、硬化后的金屬材料等。

在測量規(guī)定塑性延伸強度時，通常使用應力-應變曲線上的補償法，即沿彈性段曲線的斜率平移一條直線，直線與曲線的交點處的應力即為規(guī)定塑性延伸強度。這個指標對于那些塑性流動階段不顯著的材料尤其重要，因為它能較好地表征材料的抗變形能力。

這個參數(shù)是針對應力-應變曲線沒那么標準，以至于難以找到屈服強度（無論是ReH還是ReL）的材料，典型如鋁。

對于這類屈服點不甚顯著的材料，行業(yè)一般采用“偏移法”選定材料屈服強度。

所謂“偏移法”是什么意思？

雖然這類材料的應力-應變曲線不像低碳鋼那么典型，但是有一點是一致的——曲線前期都是線性的。業(yè)內正是利用這一點，將純線性的前一段沿應變軸平移0.002（即0.2%），然后把平移之后的直線與原曲線的交點定為材料的屈服強度（如圖2所示）。

值得說明的是，除了金屬，檢測塑料的屈服強度有時候也可以采用0.2%偏移法。而有的金屬材料并不以0.2%對應的強度，而是以其他更大的應變（比方說0.4%）對應的強度作為屈服強度。

雙柱拉力試驗機示意圖

屈服強度的測試方法

屈服強度的測試一般通過拉伸試驗進行。將試樣裝在拉伸試驗機上，逐步增加負荷，并記錄試樣的應力-應變曲線。當曲線從線性關系轉為非線性時，即為屈服點。對于具有上下屈服現(xiàn)象的材料，應測得上屈服強度和下屈服強度；對于無明顯屈服平臺的材料，則通過規(guī)定塑性延伸法獲得屈服強度。

常見的測試步驟：

準備試樣：加工符合標準尺寸的試樣。
夾持試樣：將試樣固定在拉伸試驗機上。
加載測試：在逐步增加負荷的過程中記錄應力和應變。
讀取屈服點：觀察應力-應變曲線中的屈服轉折點，確定屈服強度值。
規(guī)定屈服強度測量：對于沒有屈服平臺的材料，按預設的塑性變形標準進行屈服點計算。

屈服強度作為材料在塑性變形階段的重要參數(shù)，涵蓋了上屈服強度、下屈服強度以及規(guī)定塑性延伸強度三個方面。對于不同類型的材料和應用場景，這些屈服強度參數(shù)提供了具體的強度評價指標。在材料的工程應用中，合理利用和理解不同屈服強度的含義和測試方法，可以提高結構的設計效率和使用安全性。

雙柱拉力試驗機示意圖