钢材的屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击功的关系

来源:金属热处理标准应用手册作者:叶卫平

钢材的屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击功的关系 

力学性能 
什么是的屈服强度和抗拉强度。
 要说这两个概念,先从材料是如何被破坏的说起。任何材料在受到不断增大或者持续恒定或者持续交变的外力作用下,最终会超过某个极限而被破坏。对材料造成破坏的外力种类很多,比如拉力、压力、剪切力、扭力等。屈服强度和抗拉强度这两个强度,仅仅是针对拉力而言。这两个强度是通过拉伸试验得出的,是通过拉力试验机(一般是万能试验机,可以进行各种拉和压以及弯曲的试验),用规定的恒定的加荷速率(就是单位时间内拉力的增加量),对材料进行持续拉伸,直到断裂或达到规定的破坏程度(比如有些对接焊缝强度试验可以不拉断),这个造成材料最终破坏的力,就是该材料的抗拉极限载荷。抗拉极限载荷是一个力的表述,单位为牛顿(N),因为牛顿是一个很小的单位,所以,大部分情况下用千牛(KN)的比较多。因为各种材料大小不一,所以抗拉极限载荷很难评判材料的强度。所以,用抗拉极限载荷除以实验材料的截面积,就得到单位面积的抗拉极限载荷。单位面积上受的力,这是一个强度的表述,单位是帕斯卡(Pa),同样,帕斯卡是一个极小的单位,一般都用兆帕(MPa)来表述。所以,抗拉极限载荷与实验材料的截面积之比,就是抗拉强度。抗拉强度是材料单位面积上所能承受外力作用的极限。超过这个极限,材料将被解离性破坏。那什么是屈服强度呢?屈服强度仅针对具有弹性材料而言,无弹性的材料没有屈服强度。比如各类金属材料、塑料、橡胶等等,都有弹性,都有屈服强度。而玻璃、陶瓷、砖石等等,一般没有弹性,这类材料就算有弹性,也微乎其微,所以,没有屈服强度一说。弹性材料在受到恒定持续增大的外力作用下,直到断裂。究竟发生了怎样的变化呢?首先,材料在外力作用下,发生弹性形变,遵循胡克定律。什么叫弹性形变呢?就是外力消除,材料会恢复原来的尺寸和形状。当外力继续增大,到一定的数值之后,材料会进入塑性形变期。材料一旦进入塑性形变,当外力,材料的原尺寸和形状不可恢复!而这个造成两种形变的的临界点的强度,就是材料的屈服强度!对应施加的拉力而言,这个临界点的拉力值,叫屈服点。从晶体角度来说,只有拉力超过屈服点,材料的晶体结合才开始被破坏!材料的破坏,是从屈服点就已经开始,而不是从断裂的时候开始的!弄清楚这两个强度怎么来的了,所以说,屈服强度高的材料,能承受的破坏力就大,这是正确的。
 但我要说的是不管哪个强度,只拿一个来说事,都不能说明这种材料安全与否或者结实与否!咱们这里就说钢材吧,别的不说了。关于屈服强度和抗拉强度还有一个参数,可能知道的人不多,它究竟起什么左右,可能知道的人更少。这个参数就是屈强比!屈强比就是屈服强度和抗拉强度的比值。范围是0~1之间。屈强比是衡量钢材脆性的指标之一。屈强比越大,表明钢材屈服强度和抗拉强度的差值越小,钢材的塑性越差,脆性就越大!为什么这样说呢,这里要引进一个新的指标——延伸率。通俗一点说就是钢材被拉断后,和原来比,伸长了多少。这是检验钢材塑性好坏的一个重要指标。这个数值越大,表明钢材的延展性越好。上面我说了,当钢材拉伸超过屈服点之后,这个时候的钢材已经不可能恢复原来的尺寸,一直到断裂,钢材都在不断的被拉长。屈强比越大,屈服强度和抗拉强度的差值越小,那么在的加荷速率不变的情况下,钢材被拉长的时间就越短,那么延伸率就越低。有点罗嗦了!下面进入正题!根据能量守恒定律,能量只能转换或者传递。当钢材被拉伸的时候,归根结底是能量的转换吸收。在屈服点之前,钢材处于弹性形变期,外部拉力几乎全部被弹力抵消(转化为弹性势能),外来能量并没有多少被吸收或者转化,只有少量转化为热能。当过屈服点之后,外力部分被弹力抵消(转化为弹性势能),而部分则被转化为热能,外力的作用于钢材上的能量,主要是在塑性形变期被吸收的!我上面提到,材料的破坏是从屈服点开始的。屈强比越低,那么材料从开始破坏到断裂的时间越长,屈强比越高,材料从开始破坏到断裂的时间越短。能量在屈服点到断裂点之间被大量转化为热能。
 所以,单纯说屈服强度高或者抗拉强度高,那么这种材料就一定好或者更安全。未必!只有屈服强度高,同时屈强比低的钢材,才更安全一些!可惜,这样的钢材成本太高,都不大可能被用于民用车辆上。现在钢材除强度,还有一个重要的指标就是韧性!到目前为止,我还没有看到那一家车企对所用钢材的韧性如何做一个描述!基本上都是对钢材的强度大肆渲染!恰恰相反的是,在绝大多数情况下,提高钢材的强度,往往会降低钢材的韧性!降低韧性,就是增加脆性!而钢材的韧性,是关系到钢材安全的一个重要指标有一个指标可能被车企有意无意的遗忘了——冲击韧性或冲击功。用相同的力,推你一下或者猛击你一下,哪个对你的伤害大?答案很明显!钢材的抗冲击能力高低,才是关系的安全的重要因素!没见过那次车祸是慢慢加力直到把车拉断的吧?都是瞬间撞击!如果你扛不住瞬间作用力,你抗拉强度再大有毛用?从现在已经直到的钢材来看,凡是大于1000Mpa的强度,大多是抗拉强度,屈服强度超过800Mpa也不是什么困难的事情,比如40Cr这种常见的“万能钢”(基本上属于干啥都行的),一般的调制工艺屈服强度也能接近800Mpa,抗拉强度900MPa以上。但是三者兼顾,高屈服、高延伸、有良好抗冲击能力就比较难了!
 几乎所有的钢材都存在同样的问题,那就是在提高钢材强度的同时,降低钢材的抗冲击能力!比如10.9级的高强螺栓,抗拉强度在1040-1240MPa为合格,屈服强度大于940Mpa,延伸率大于10%,冲击韧性59J/CM2;而同材质8.8级高强螺栓(低一个级别),抗拉强度在830-1030MPa为合格,屈服强度大于660Mpa,延伸率大于12%,冲击韧性78J/CM2。所以,对于绝大多数金属材料而言,在提升某些技术指标性能的同时,是以降低某些技术性能指标为代价来实现的。是不能兼顾的。钢铁工业是人类最成熟的工业技术之一,没有什么太多的秘密。钢铁材料的各项技术指标,并非是越高越好,或者越低越好,而是根据需要,将各项指标调整到一个能够兼顾的范围内。对于我们行业的人而言,钢材除了结构上有问题外(指的产品缺陷),各项技术指标没有好坏之分,要看你在哪里用。只有用错地方,而没有用错东西一说。