Page 25 - 理化检验-物理分册2018第四期

李华卫, 等: 基于拉伸变形本质行为的试验方法探讨

示拉伸试样某时刻的截面积; d A 表示截面积瞬时 同时性和不均匀性的微塑性变形和微颈缩现象, 这
减小量; S 表示某时刻截面上的应力; dS 表示加工 种微塑性形变和微颈缩的不均匀程度不仅与材料特
硬化造成的应力瞬时增加量. 性相关, 同时也与拉伸各个阶段的应变速率或应力
颈缩前试样平行部分各处的塑性变形宏观上呈 速率有关.例如, 由于面心立方( fcc ) 金属具有更多
近似均匀变形, 颈缩开始后变形主要集中于颈部区 的滑移系, 因而在宏观上比体心立方( bcc ) 金属呈现
域, 这时 d P＝AdS－SdA＝０ , 即 AdS＝SdA , 加工 出更强的均匀塑性变形能力; 同时拉伸速率的不同
硬化和试样截面积的减少对试样承载力的影响达到 也会影响屈服强度或规定塑性延伸强度.所不同的
平衡, 力值不再增加, 对应拉伸曲线的抗拉强度点位 是各个阶段微塑性变形和微颈缩程度的大小各有不
置.随着应变的增加, dP ＝AdS －SdA ＜ ０ , 即 同: 弹性阶段由于位错滑移系和滑移量较少, 微塑性
AdS ＜SdA , 此时试样截面积减小的影响占主导, 变形和微颈缩程度较小, 反应在宏观层面上即呈近
力值持续减小直至断裂 [ ３ ] . 似线性特征, 由于该阶段的塑性变形较小, 在宏观上
３．２ 屈服阶段和均匀塑性变形阶段 的非线性不一定能够被宏观拉伸试验检测出; 屈服
由式( １ ) 可 知, 试 样 微 区 的 塑 性 应 变 速 率 由 阶段和均匀塑性变形阶段相比于弹性阶段则呈现出
Bur g ers矢量、 位错密度、 位错运动速率三者的乘积 剧烈的微塑性变形和微颈缩, 这种微塑性变形和微
决定.随着塑性变形的增加, 位错密度快速增加使 颈缩分布的不均匀性有时可在宏观上表现出来( 如
得位错运动速率降低.由式( ２ ) 可知, 位错运动速率 非连续屈服材料拉伸屈服阶段在使用装卡式引伸计
的降低必然会使切应力降低, 从而造成试样整体应 时可能造成的拉伸试验机失控现象 [ １０ ] ); 颈缩阶段
力的下降 [ ３ ] , 这即为拉伸曲线上观察到的上屈服点 这种微塑性变形和微颈缩不均匀性表现得最为强
和屈服下降的本质.屈服的整个过程与上屈服点和 烈, 直接反映在宏观上的局部颈缩直至断裂( 平行长
屈服下降的本质是一样的, 所不同的仅仅是应力的 度的某一部分的中心或近中心位置首先形成微孔,
增加与否或增加快慢的问题, 而这主要取决于式( ３ ) 并逐渐聚集长大形成微裂纹直至断裂).
中的各个变量.式( ３ ) 亦可解释连续屈服和非连续
４ 拉伸速率对拉伸试验的影响
屈服, 连续屈服时 AdS 永远大于SdA , 非连续屈服
时将多次或者长时间出现AdS＝ SdA 的现象, 从真 材料屈服强度受拉伸温度和应变速率的影响已
应力 Ｇ 真应变曲线来看, 连续屈服和非连续屈服的图 有共识, 但是在宏观线性阶段拉伸速率对应力 Ｇ 应变
形均为向上的抛物线, 两者并无本质区别, 反映在人 曲线的影响尚存在争议 [ １１ ] , 鉴于上述分析中微屈服
为的日常所见的应力 Ｇ 应变曲线上才出现了连续屈 现象贯穿于拉伸过程的各个阶段, 而塑性变形的速
服和非连续屈服现象.值得注意的是, 鉴于位错滑 率对屈服强度有影响, 因此可以从理论上推出实际
移的本质和特性, 屈服阶段和均匀塑性变形阶段从 的金属材料不存在理想状态下的绝对线弹性, 弹性
细观的层面来研究的话也具有不同时性和 不均匀 段的应变速率或多或少也会影响材料的屈服强度.
性.为了表述清晰, 定义一个微颈缩的概念, 即不同 用剪切强度表达的屈服强度公式为 [ ９ ]
时性和不均匀性的位错滑移必将在试样局部微区域 τ＝ αGb ρ ( ４ )
产生不均匀塑性变形( 局部微区域产生微颈缩).在 式中: τ 为剪切强度; α 为几何常数; G 为剪切模量;
定义了这样一个概念之后, 就可以从细观层面描述 b 为位错 Bur g ers矢量的模; 为位错密度.
ρ
屈服阶段和均匀塑性变形阶段, 即该阶段自始至终 由式( ４ ) 可知, 材料的屈服强度正比于位错密度
都在不同的微区、 不同的时间不间断地产生一个个 和位错 Bur g ers矢量的模, 弹性段也有位错的滑移,
不同的微颈缩, 当某些微颈缩达到一定程度时就不 也会产生位错的增值或位错密度的增加, 因此从这
再继续, 而未达到微颈缩停止条件的则继续进行, 这 个角度来讲拉伸试验过程中的各个阶段并无本质区
样一个动态不均匀过程产生了屈服阶段和均匀塑性 别, 弹性段的拉伸速率也会影响屈服强度, 由于材料
变形阶段宏观上近似的均匀变形. 对速率的敏感程度不同, 这种影响不一定能够被宏
３．３ 拉伸总体过程的细观与宏观 观拉伸试验检测出.
至此, 结合细观和宏观现象, 可以对拉伸过程进 对于一种确定的材料, 拉伸试验应力 Ｇ 应变曲线
行总体描述, 即整个拉伸过程中均伴随有微区域不 受温度和拉伸速率的影响, 限于篇幅, 文献[ １１ ] 并未
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