了解所有有关屈服强度的

想一想金属汤匙。如果您在手柄上轻轻按下，它会弯曲一点，但放手后立即弹回。不过，更努力地推动，勺子会永久弯曲。那时，您已经超越了汤匙的屈服强度。在本文中，我们将探讨屈服强度的含义，与相关思想（如拉伸强度和弹性限制）进行比较，以及为什么在现实世界中它很重要。我们还将研究影响强度和常见材料的典型值的因素。

什么是屈服强度？

屈服强度是材料开始永久变形的应力水平。简而言之，这是材料停止反弹（弹性行为）并以无法完全逆转的方式弯曲或伸展的点。在屈服强度以下，当您卸下力时，材料恢复为原始形状（就像弹簧可以追溯到其长度）。
超过屈服强度，材料永远改变了：它已经屈服了，这意味着它已经经历了塑性变形。

为了更好地理解这一点，让我们分解两个关键术语：压力和压力。应力是将力施加到材料除以其横截面区域的材料，或仅仅是材料内部力的强度。您可以将其视为压力，但压力描述了内部反应而不是外部推动。应变是材料在响应中的变化多少，计算为长度的变化除以原始长度。当我们策划压力抵抗压力时，我们会得到一个应力 - 应变曲线这显示了材料随着负载的增加的表现。

在应力 - 应变曲线的早期，材料的行为表现：压力和应变是成比例的（根据Hooke定律的直线），一旦去除负载，材料就会恢复其原始形状。该区域的末端是弹性限制 - 占地，某些变形仍然是永久性的。屈服强度标志着从弹性行为到塑性行为的转变，并定义了可逆变形和不可逆变形之间的边界。

对于许多延性金属，例如低碳钢，这种过渡是逐渐而不是锋利的。为了始终定义屈服强度，工程师经常使用0.2％的偏移方法：他们绘制一条平行于曲线弹性部分的线，但变为0.2％应变。该线相交曲线的点被视为屈服强度。这提供了一种实用，标准化的方法，即使不存在明显的产量点，也可以测量屈服强度。

屈服强度与拉伸强度

正如我们所定义的那样，屈服强度是材料开始永久变形的压力。拉伸强度（通常称为终极拉伸强度（UTS））是材料破裂之前可以承受的最大压力。一旦达到该点，材料将不再承担额外的负载，并且很快就会裂缝。

两者都描述了材料对压力的反应，但它们代表不同的限制：屈服强度标志着永久变形的开始，而拉伸强度则标志着断裂点。例如，在拉动钢棒时，它首先会弹性伸展。超越屈服强度，并实现永久伸长率。继续前进，直到达到拉伸强度为止，杆最终将抢购。

在实践设计中，工程师更多地专注于产量强度，因为组件必须保持功能，而不会造成持久损坏。拉伸强度仍然很重要，但通常标志着失败条件永远不会在服务中发生。

除拉伸强度外，屈服强度还经常与其他两个概念相混淆：

弹性极限：弹性极限是材料可以承受的最大应力，一旦去除负载，仍将完全返回其原始形状。低于此极限，所有变形都是弹性和可逆的。在许多情况下，弹性极限非常接近屈服强度，因此两者通常被视为相同。尽管弹性极限标志着精确的物理边界，但屈服强度提供了标准化的工程值，可以始终如一地测量并用于安全设计。

比例极限：该术语来自应力 - 应变曲线的线性部分。比例限制是遵循胡克定律的压力和压力直接比例增加的点。它通常发生在弹性极限和屈服强度之前。在这一点之外，曲线开始弯曲 - 尽管材料仍然具有弹性，但这种关系不再是完美的线性。

影响力强度的因素

屈服强度无法保持固定 - 它可以根据几种物质和环境因素而改变。这是一些最常见的：

材料组成（合金元素）

金属的构成对其产量强度产生了重大影响。在金属中，添加合金元素可以使它们变得更坚固。例如，当添加碳，锰或铬等元素时，钢的强度也会增强 - 尽管碳也更脆。铝合金从铜，镁或锌等元素中获得强度。这些添加物在金属内部产生了微小的障碍，从而阻止了位错运动（塑性变形的原子级载体），从而提高了强度。简而言之，金属的“食谱”可以使弯曲更难或更容易。这就是为什么苏打中的铝易于柔软而柔软的，而飞机机翼中的铝（与其他金属混合在一起）具有更高的屈服强度。

晶粒尺寸（微观结构）

通常，较小的晶粒意味着更高的强度，这是霍尔 - 格什关系描述的趋势。原因是晶界充当脱位运动的障碍，因此更细的谷物会产生更多的障碍，并使金属更强壮 - 到达一点点。冶金学家通过控制的固化或热机械处理来完善晶粒尺寸。例如，许多高强度的钢和超合金用非常细的晶粒设计以最大化屈服强度，而晶粒非常大的金属往往更容易产生。

热处理

金属加热和冷却的方式可以改变其结构，从而改变其屈服强度。退火（缓慢加热和冷却）软金属，降低其屈服强度，并通过缓解内部应力来使其更具延展性。淬火（在水或油中快速冷却）将结构锁定到坚硬的，压力的状态，大大提高了屈服强度，但也使金属变脆。为了恢复平衡，淬灭通常是回火，一个适度的加热步骤，可改善韧性。

通过选择正确的热处理，制造商可以根据应用使金属更难或更柔软。例如，对弹簧钢进行处理以达到高屈服强度，因此它可以弯曲而不会变形，而钢丝首先要退火以易于塑形，然后再加强。

制造过程（冷工作）

如何机械处理材料也可以改变其屈服强度。冷工作（在室温下变形金属，例如冷滚动或冷图）通过称为工作硬化的机制提高了强度。当您将金属变形时，您会在其晶体结构中引入错位和纠缠，这使得进一步变形更加困难 - 实际上，金属随着变形而变得更强壮。这就是为什么在热卷（不工作）条件下，冷滚动钢通常比同一钢具有更高的屈服强度。

温度和环境

根据经验，大多数金属在高温下会失去屈服强度。热使金属变软，因此可以用较小的力变形。在非常低的温度下，有些材料变得更加脆弱。它们塑性变形的能力降低了，因此尽管屈服应力在技术意义上可能会增加，但它们比产量更有可能破裂。

诸如腐蚀或辐射等环境因素也会降解材料。腐蚀会产生凹坑或减少横截面区域，从而有效减少结构在屈服之前可以承受的负载。例如，生锈的钢梁在载荷下可能会产生的厚度比未腐蚀的束较低，因为其有效厚度会降低，并且来自锈蚀的微裂缝会浓缩压力。

产量不同材料的强度

应力 - 应变曲线提供了一种简单的方法来比较不同材料对负载的反应方式。在上图中，我们可以看到四个典型的行为。随着压力的增加，每个反应都不同，其屈服强度反映了这些差异。

• 脆性材料：脆性材料，例如玻璃或陶瓷，几乎没有塑性变形。他们沿着几乎直线直线直至突然断裂。他们的屈服强度非常接近他们的最终力量，因为他们并没有真正“屈服” - 它们中断。

• 强但不是延性材料：某些材料（例如高强度钢）可以承受高应力，但显示有限的延展性。它们具有很高的屈服强度，这意味着它们可以很好地抵抗永久性变形，但是在破裂之前并没有伸展太多。

• 延性材料：低碳钢和铝合金等金属是延展的。它们在一定的应力水平上产生，然后在断裂前经历明显的塑性变形。它们的屈服强度低于最终的拉伸强度，使工程师在内部设计安全的“缓冲区”。

• 塑料材料（软聚合物）：软塑料和聚合物的屈服强度相对较低。它们在小压力下很容易变形，并且可能不会显示出明显的屈服点。取而代之的是，它们稳定地伸展而没有表现出向断裂的急剧过渡。

当我们查看实际的屈服强度值时，这些一般行为变得更加清晰。下表列出了常见的工程材料及其典型的屈服强度以进行比较。

为什么产量强度在现实世界中很重要

只要我们需要材料在负载下保持其形状，屈服强度就很重要。这是一些在其中发挥关键作用的领域：

建筑和基础设施

在建筑物和桥梁中，钢梁和其他金属零件是为了高产强度而选择的，因此它们可以从车辆，风，甚至地震中携带重载，而无需弯曲或下垂。如果在正常使用过程中屈服，则该结构的安全性将有风险，这就是为什么工程师始终以边缘设计的，使压力远低于收率点的原因。

汽车安全

现代汽车使用崩溃期间旨在以受控方式屈服的粗糙区域。当撞击力超过前面板的屈服强度时，这些区域会通过永久变形而碎裂并吸收能量，而不是将全力传递给乘客。同时，机舱用更高强度的材料加固，这些材料可抵抗屈服，并保护乘员受到保护。

航空航天和运输

飞机的起落架必须承受触地得分的冲击，而不会永久弯曲。机身和机翼还面临反复的加压周期和空气动力，如果其材料缺乏足够的屈服强度，则会造成损坏。为了平衡强度与重量低，工程师经常转向高级合金，例如铝和钛。同样的原理适用于训练轨道和船体，这些训练必须在大量使用下保持僵硬，并抵抗持久的弯曲或凹痕。

日常产品

诸如扳手或螺丝刀之类的优质工具是由高收益强度钢制成的，因此它们不会在正常使用下弯曲，而一旦压力超过其屈服强度，便宜的工具通常会扭曲或承受永久弯曲。可以在简单的外套衣架中看到相同的想法：带有光负载，它会弹回，但是较重的负载或急转弯将其超过其产量点，使形状永久变化。屈服强度还可以指导较大物品（例如自行车框架）的设计，这些物品必须带有骑手的重量并吸收颠簸而不会弯曲，同时仍然足够轻便容易处理。

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