屈服强度与拉伸强度：材料科学的核心差异

屈服强度与拉伸强度：材料科学的核心差异

在材料科学中，强度是用于任何应用的每种材料的支柱。本文将定制两个重要特性，即屈服强度和拉伸强度，它们可能看起来相似或相互关联，但在实际情况中，它们都代表了某种材料在负载或应力下的不同方面。了解这两种属性之间的差异和相似之处对于定制任何应用程序以确保安全性、弹性和寿命等因素至关重要。除此之外，ASTM 标准强烈影响这些机械性能之间的差异，对于任何应用的材料选择和设计至关重要且敏感。

材料机械性能概述

当满足各种应用的特定要求时，机械性能在材料科学领域发挥着重要作用。无论哪个行业，从航空航天到汽车，再到制造业，这些特性对于材料的选择和设计都至关重要。在所有其他性能中，我们最关注的是拉伸强度和屈服强度。导致材料永久变形的点是指其屈服强度，而材料在失效前所能承受的最大载荷或应力是指其抗拉强度。

除此之外，主要机械性能如下：

了解屈服强度

定义和意义

屈服强度是某种材料在不导致永久变形的情况下的最大承载能力。因此，是从弹性区域到塑性区域的转变点。

该属性的重要性可以根据其在处理材料设计和结构完整性时的作用的重要性来确定，证明其本身是材料安全操作的关键参数。其次，这一特性有助于工程师研究并确定材料在失效前可以承受多少负载。

弹性变形与塑性变形：

在材料选择和设计中的作用：

• 材料强度
• 安全可靠
• 性能优化

影响屈服强度的因素

1. 材料成分：什么是碳钢？

以铁和碳为主要成分，并添加少量锰、硅、硫等其他合金元素的钢称为碳钢。碳含量在 0.05%-2% 之间，影响其屈服强度和其他各种机械性能。高碳含量由于固溶强化机制而提高了屈服强度，而过量的碳会导致钢脆化。

图2.碳素钢

2. 热处理和环境条件

热处理和环境条件也对材料的屈服强度有显着影响。

• 热处理：淬火和回火等热处理方法可以改变碳钢的微观结构，改变其屈服强度。淬火通过在油或水中快速冷却来提高屈服强度。另一方面，回火提高了整体韧性并降低了淬火引起的脆性。
• 环境条件：温度、湿度、湿度以及暴露于恶劣的、侵蚀性的腐蚀性物质对材料的屈服强度有很大的影响。

测量屈服强度

1. 应力-应变曲线：屈服应力可视化

确定曲线上的屈服点，然后与该点对应的应力就是材料的屈服强度。此外，如果正确定义了材料屈服点，则可以直接从屈服点处的应力轴读取读数，否则可以采用不同的方法，即0.2％偏移方法。该方法包括在曲线的线性部分绘制平行线并用应变百分比数对其进行偏移。

2. 标准测试方法

有多种方法可用于确定屈服强度。常见的如下：

• 拉伸测试：
• 在断裂之前，对材料样本施加最大的力（拉伸）。
• 随后从测试中发现的应力-应变曲线指定了有价值的数据以及屈服强度。
• 偏移方法：
• 使用指定的塑性变形量（通常为 0.2% 应变）来确定屈服强度。

这些方法遵循 ASTM 和 ISO 等组织制定的既定标准，确保屈服强度测量的效率、精度和一致性。

探索拉伸强度

定义拉伸强度

无故障的最大承载能力定义为抗拉强度。这一特性使工程师能够评估拉力，即材料在不造成永久性损坏的情况下可以承受的拉力下的拉伸或伸长。

极限应力点和极限强度：

极限应力点是指某种材料破裂时的点，此时应力的合成值称为极限强度或极限拉伸强度（UTS），它是材料在完全破坏之前所能承受的最高应力。

与材料失效的关系：

拉伸强度是任何材料了解其在张力下失效的关键参数。当受到拉伸载荷时，材料会发生变形，即从弹性区域变为塑性区域。最终，当施加的载荷超过材料的拉伸强度时，就会导致断裂点，最终导致断裂。

拉伸强度的决定因素

钢抗拉强度的决定因素包括与材料类型、微观结构、制造工艺和应用材料相关的各种因素。

材料类型和微观结构：

材料的类型和微观结构在决定拉伸强度时起着至关重要的作用。这可以通过马氏体转变和沉淀硬化双相不锈钢为例进一步解释，与奥氏体钢相比，其具有更高的拉伸强度。

除此之外，Cr、Mb 和 Ni 等合金元素对钢部件的机械和耐腐蚀性能也有很大影响。例如，446 等高铬铁素体牌号表现出高热强度。

制造工艺和应用材料：

• 在制造过程中添加合金是为了增强部件材料的强化性能，特别是拉伸强度，尤其是锰、铌和钒等合金。然而，它们的添加可能会损害其他性能，包括可焊性、韧性和延展性。
• 机械加工对于增加抗拉强度也有很大影响，特别是当钢经过轧制时，它会变得更强。
• 正火、淬火、回火、热机械轧制等不同的热处理工艺对钢的抗拉强度和其他各种力学性能影响很大。

拉伸强度测试

1. 拉力测试设备

以下是拉伸试验所用的设备：

• 拉力试验机：
• 别名万能试验机、
• 对材料样本施加增加的拉力直至其断裂。
• 它由一个用于测量施加的力的测力传感器和一个用于夹紧和拉伸样本的十字头组成。

图3. 拉力试验机

• 引伸计：
• 它附着在样品上以测量发生的伸长或变形量。
• 它提供应变数据，这对于计算拉伸强度至关重要。

图 4. 引伸计

2. 如何计算拉伸强度：测试结果的解释

以下步骤用于确定材料的强度：

• 确定横截面积
• 计算压力
• 确定极限拉伸强度 (UTS)
• 解释测试结果。

屈服强度与拉伸强度：有什么区别？

对比分析

优酷链接：
https://youtu.be/ad6HrMoONow?si=YIzCFYzHRyinhlI9

应力-应变曲线的图形表示：

• 屈服强度：如应力应变图中所示，曲线与曲线线性部分（即弹性区）的偏差，并开始向塑性区开始，即为屈服点。
• 拉伸强度：应力-应变图上的峰值点，表示材料在失效前可以承受的最大应力。

图 5. 显示屈服强度和拉伸强度的应力-应变曲线

不同材料的屈服强度和拉伸强度

针对特定应用的材料选择

在数控加工中：

为了获得所需的加工产品，材料选择始终是 CNC 加工中的一个重要方面。不锈钢或钛被认为是具有高抗拉强度的材料，与黄铜、铝等低屈服强度材料相比，需要指定的参数。

在设计中：

设计是为特定应用选择材料时需要考虑的另一件事。为了防止材料过早或过早断裂，高拉伸强度至关重要，特别是在承受高负载或应力应用时。

出于安全考虑：

出于安全考虑，该属性起着重要作用，因为它提供了重要信息，工程师可以根据这些信息针对特定应用做出选择。正如定义本身所说，屈服强度表示永久变形之前的点。

延展性示例和弯曲分子几何形状：

需要复杂的几何形状或需要一定程度的弯曲的应用更喜欢高延展性材料，例如铝合金和各种钢种。这种材料可以塑性变形而没有任何永久损坏或断裂，即材料失效。因此，它们可以确保优化的性能和功能，特别是在弯曲的分子几何形状中，允许在保证结构完整性的情况下制造复杂的几何形状。例子包括建筑结构和汽车车身部件。

总结要点

本文有几个要点如下：

• 两种机械性能之间的差异在材料科学和工程中是至关重要的。
• 拉伸强度表示材料在断裂前可以承受的最大应力。另一方面，屈服强度对永久变形点进行分级。
• 通过拉伸测试和应力应变曲线分析，工程师可以准确测量和分析这些特性，为加工和安全问题方面的决策提供信息。
• 减压技术以及消除误解等补充主题进一步提供产品的可信度并促进实践中的有效决策。
• 更深入、更批判性地理解这些概念可以鼓励工程师针对特定应用优化各个方面。