金屬材料屈服強度及其影響因素

金屬材料屈服強度及其影響因素

屈服強度是指材材料開始產(chǎn)生宏觀塑性變形時的應(yīng)力。對于屈服現(xiàn)象明顯的材料，屈服強度就屈服點的應(yīng)力—屈服值；對于屈服現(xiàn)象不明顯的材料，通常將應(yīng)力-應(yīng)變曲線上以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標準，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強度，符號為σ0.2或σys。

屈服強度通常用作固體材料力學機械性質(zhì)的評價指標，是材料的實際使用極限。影響屈服強度的內(nèi)在因素

影響屈服強度的內(nèi)在因素有：

1.金屬本性及晶格類型——純金屬單晶體的屈服強度由位錯運動時所受的阻力決定。這些阻力有晶格阻力和位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力之分。其中晶格力與位錯寬度和柏氏矢量有關(guān)，而兩者又與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。位錯間交互產(chǎn)生的阻力包括平行位錯間交互產(chǎn)生的阻力和運動位錯與林位錯交互產(chǎn)生的阻力。用公式表示：T=αGb/L,式中α為比例系數(shù)，又因為密度ρ與1/L2成正比，因此，T=αGbρ1/2，由此可見，密度增加，屈服強度也隨之增加。

2.晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)——晶粒大小的影響是晶界影響的反映，減小晶粒尺寸將增加位錯運動障礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，將使屈服強度提高。許多金屬與合金的屈服強度與晶粒大小的關(guān)系均符合霍爾佩奇公式σs=σj+kyd-1/2,式中，σj是位錯在基體金屬中運動的總阻力，亦稱摩擦阻力，它決定于晶體結(jié)構(gòu)和位錯密度；ky是度量晶界對強化貢獻大小的釘扎常數(shù)，或表示滑移帶端部的應(yīng)力集中系數(shù)；d為晶粒平均尺寸。亞晶界的作用和晶界類似，也阻礙位錯的運動。

3.溶質(zhì)元素——純金屬中融入溶質(zhì)原子形成間隙型或置換型固溶合金將會顯著提高屈服強度，此即為固溶強化。這主要是由于溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑不同，在溶質(zhì)周圍形成了晶格畸變應(yīng)力場，該應(yīng)力場產(chǎn)生交互作用，使位錯運動受阻，從而提高屈服強度。

4.第二相——工程上的金屬材料，其顯微組織一般是多相的。第二相對屈服強度的影響與質(zhì)點本身在金屬材料屈服變形過程中能否變形有很大關(guān)系。據(jù)此可將第二相質(zhì)點分為不可變形和可變形的兩類。

根據(jù)位錯理論，位錯線只能繞過不可變形的第二相質(zhì)點，為此，必須克服彎曲位錯的線張力。不可變形第二相質(zhì)點的金屬材料，其屈服強度與流變應(yīng)力就決定于第二相質(zhì)點之間的間距。對于可變形的第二相質(zhì)點，位錯可以切過，使之同基體一起變形，由此也能提高屈服強度。

第二相的強化效果還與其尺寸、形狀、數(shù)量和分布以及第二相與基體的強度、塑性相應(yīng)硬化特性、兩相間的晶體學配合和界面能等因素有關(guān)。在第二相體積比相同的情況下，長形質(zhì)點顯著影響位錯運動，因而具有此種組織的金屬材料，其屈服強度就比球狀的高。

綜上所述，表征金屬微量塑性變形抗力的屈服強度是一個對成分、組織極其敏感的力學性能指標，受許多內(nèi)在因素的影響，改變合金成分或熱處理工藝可使屈服強度產(chǎn)生明顯變化。影響屈服強度的外在因素

1.溫度——一般升高溫度金屬材料的屈服強度降低，但是，金屬材料晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢也不一樣。

2.應(yīng)變速率——拉伸時，加載速度增大，應(yīng)變速率增大，金屬材料的強度將會增加。這主要是因為，任何一種金屬都有自己塑性變形的傳播速度，如果加載速度大于它本身的塑性傳播速度，必然會導(dǎo)致屈服點的提高。這是因為加載速度太快，外力方向的晶面轉(zhuǎn)動不充分，滑移在試樣的生長、擴展過程中就會受阻，在宏觀上表現(xiàn)為起始塑性變形的抗力提高。此為，隨著形變硬化的產(chǎn)生，自發(fā)消除硬化的回復(fù)無法進行，而形變硬化又會阻礙形變的繼續(xù)發(fā)展，因此要達到所需的殘余形變，就必須繼續(xù)增大外力，這也表現(xiàn)為起始塑性變形抗力的提高。

3.應(yīng)力狀態(tài)——應(yīng)力狀態(tài)對金屬材料屈服強度的影響也很重要。切應(yīng)力分量愈大，愈有利于材料的塑性變形，屈服強度就越低，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強度低，拉伸要比彎曲的屈服強度低，同應(yīng)力狀態(tài)下材料屈服強度不同，并非是材料性質(zhì)變化，而是材料在不同條件下表現(xiàn)的力學行為不同而已。我們通常所說的材料的屈服強度一般是指在單向拉伸時的屈服強度。

如何提高屈服強度

1.合金化改性

合金化改性是提高金屬屈服強度的一種常用方法。通過在金屬中添加元素，形成固溶體、沉淀硬化相或間隙固溶等，改善金屬的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高金屬的強度。例如，鋁合金中添加稀土元素，可以顯著提高其屈服強度。

2.熱處理

熱處理包括退火、淬火和回火等方法。通過控制熱處理的溫度、時間和冷卻速度等因素，使金屬的晶粒尺寸細化、晶界純化和位錯密度增加，從而提高金屬的屈服強度。例如，淬火可以顯著提高鋼材的屈服強度和硬度。

3.冷加工硬化

冷加工硬化是指通過金屬的冷加工變形，使其位錯密度增加，并且通過阻礙位錯運動，增強金屬的強度和硬度。通常采用壓縮、拉伸、彎曲等冷加工方式。例如，銅材經(jīng)過拉伸變形后可以顯著提高其屈服強度。

4.晶界工程

晶界工程是利用晶界對材料性質(zhì)的影響來提高金屬屈服強度的方法。通過控制金屬晶界的相互作用和對位錯的阻礙作用，可以顯著提高金屬的屈服強度。例如，通過調(diào)節(jié)銅材的晶界角度和晶界形態(tài)，可