终极拉伸强度：定义，测试，计算和应用

在各种类型的加工过程中，有时我们希望有一种加工方法能够实现刀具与工件之间的非接触。当然，我们会想到放电加工 (EDM)。

延展性是材料科学中的一个基本概念，它解释了为什么某些材料（例如金属）会在压力下显着弯曲或伸展，而另一些材料突然突然会弯曲。在本文中，我们将解释什么是延展性，如何测量，为什么重要以及哪些因素影响它。 延展性的定义 延展性是材料在断裂前张力造成塑性变形的能力。简而言之，可以将延性材料拉长很长的路，而无需捕捉 - 考虑将铜拉入电线中。相比之下，像玻璃这样的脆性材料几乎没有变形后倾向于破裂或破碎。在材料科学中，塑性变形是形状的永久变化。这与弹性变形不同，弹性变形是可以恢复的。延展性与可塑性密切相关，但更具体：可塑性是在任何模式（张力，压缩或剪切）下永久变形的一般能力，而延展性则是指张力的能力。 从原子的角度来看，许多金属的高延展性来自非方向金属粘结以及允许脱位移动的滑移系统的可用性。施加压力后，脱位滑行使金属晶体可容纳塑性应变，因此金属通常弯曲或拉伸而不是断裂。相比之下，陶瓷和玻璃具有定向离子或共价键，并且滑动非常有限，因此在张力下，它们在明显的塑料流动之前倾向于破裂。但是，并非所有金属在室温下都是延性的（例如，某些BCC金属，高碳钢和金属玻璃杯可能相对脆），并且加热玻璃弯曲的玻璃弯曲主要是由于其玻璃转换温度以上的粘性流量，而不是金属式耐耐耐高压。 测量延展性 拉伸测试是量化延展性的最常见方法：标本以单轴张力加载到骨折中，延展性据报道是休息时伸长率的百分比和降低面积的百分比。 休息时伸长百分比（a％） 骨折时量规长度的百分比增加：a％=（lf -l0）/l0×100％，其中l0是原始量规长度，而LF是断裂时的最终长度。较高的A％表示拉伸延展性更大。 减少面积百分比（RA％） 裂缝位置的横截面的百分比降低：RA％=（A0 - AF）/A0×100％，其中A0是原始面积，AF是休息时的最小面积。大的RA％反映出明显的颈部和强烈的颈后延展性。 （对量规长度不太敏感；对于非常薄的纸张而言并不理想。） 这两种措施通常是拉伸测试的一部分。例如，可以描述钢样品的伸长率20％，而在休息时降低了60％的面积 - 表明延性行为。相比之下，脆性陶瓷可能仅显示1％的伸长率，而本质上可能显示出0％的面积减少（几乎没有变薄）。伸长率和降低越大，材料的延展性就越大。 可视化延展性的另一种方法是在应力 - 应变曲线上，这是从拉伸测试获得的图。绘制应力（相对变形）的应力（每单位面积）。此曲线上的要点包括： 杨的模量（E）：线性弹性区域的斜率；刚度的度量。 屈服强度（σᵧ）：塑性变形的发作（通常由0.2％偏移方法定义时，当不存在尖锐的屈服点）。 最终的拉伸力量（UTS）：最大工程压力。超越标本的脖子；断裂发生后期，通常处于较低的工程压力下。 断裂点：标本最终破裂的地方。 延性材料（蓝色）与脆性材料（红色）的代表性应力应变曲线 延性材料的曲线在屈服后显示长塑料区域，表明它可以在骨折前保持较大的应变。相比之下，脆性材料的曲线在屈服点附近结束，几乎没有塑料区域。总而言之，在工程应力 - 应变图（对于规定的规格长度）上，延展性反映了裂缝的总应变 - 延性材料的长时间，脆性材料的较短。但是，明显的断裂应变取决于所选的量规长，一旦颈部开始定位，颈部开始定位，因此工程曲线不是颈后延展的直接衡量。因此，规格通常在休息时报告百分比伸长率（a％）以及降低面积百分比（RA％）。 延展性和延展性有什么区别？ 延展性是一种材料在不破裂而伸展张力的能力。我们以拉伸测试的伸长百分比或减少面积来量化它。如果可以将金属吸入电线，则是延展性的。锻造性是一种材料在压缩方面变形的能力（不开裂，可以锤击，滚动或压入纸板）；我们通过弯曲/扁平/拔罐测试或减小厚度可以耐受多少判断。 实际上：黄金，铜和铝都是高度延展且可延展的（非常适合电线和纸板）。铅非常具有延展性，但仅适中延展性（易于滚动成薄片，较差，作为细丝）。镁在室温下的延展性有限，而锌在变暖时会更具延展性。为了制造制造，选择延性合金用于绘画，深度拉伸和下拉的功能；选择可延展的合金滚动，冲压和锻造，在压缩占主导地位的地方。温度和晶体结构移动两个特性。快速规则：延展性=张力/电线；锻造性=压缩/表。 为什么延展性很重要 延展性是制造性和服务安全性安全背后的安静主力。在工厂中，它允许将金属卷成纸板，将其拉入电线并锻造而不会破裂。在现场，它使组件能够吸收能量，重新分配应力并在失败前提供警告。 制造的延性材料 高延展性通常意味着一种材料是可行的：它可以锻造，滚动，绘制或挤出成各种形状而不会破裂。低延展性（脆性）意味着该材料很难变形，并且更适合于铸造或加工等过程（在材料不强迫塑料形状过多地改变形状）之类的过程中。 锻造和滚动：这些过程通过锤击（锻造）或在掷骰（滚动）之间将固体金属变形为形状。延性金属耐受涉及的大塑料菌株。实际上，钢板/开花被热卷成薄板，板和结构形状，例如I光束，铝很容易被伪造成组件 - 金属在压缩载荷下流动。相比之下，像铸铁这样的脆性合金倾向于在沉重的变形下破裂，因此通常通过铸造到近网状形式来形状。 挤出和电线/栏绘图：挤出将金属推动通过模具制作长而恒定的截面产品。电线/条形图将固体库存通过模具降低直径。两者都依靠塑料流。可以将延性合金（例如铝，铜和低碳钢）挤出到试管和轮廓（例如窗框，热水链截面）中，并将其抽入细线。在加工温度下没有足够的延展性的材料倾向于检查或裂缝，这就是为什么玻璃或陶瓷不会以固态挤出/绘制的原因；他们的纤维是融化的。 深图：深色绘图形成轴对称的杯子和罐，并用拳头迫使薄板进入模具；法兰向内进食，而墙壁略微稀薄。足够的延性可防止分裂和皱纹。铝饮料罐头是经典的例子。 薄板金属弯曲和冲压：车身面板和外壳的一般弯曲和冲压需要延展性，以避免边缘裂纹和橙色 - 薄荷伸展时。钢制和铝等级是针对形成性量身定制的，因此可以将复杂的形状（例如，汽车引擎盖）盖章而不会故障。 金属3D打印（AM）：延展性仍然很重要。当然的零件（尤其是来自激光粉床融合（LPBF））可以显示出由于细，质感的微观结构，残留应力和孔隙率而显示出降低的延展性。压力缓解和热等静止压力（髋关节），然后经常进行轻热处理，恢复延展性并降低开裂风险；然后，TI-6AL-4V和ALSI10MG等合金可以提供有用的服务延展性。 现实世界应用的延性材料 延展性不仅是实验室指标，还直接影响现实世界结构，车辆和设备的性能。这就是为什么它在工程和设计中重要的原因： 防止突然失败并提高安全性：延性材料逐渐失效：它们在断裂前产生和吸收能量，提供可见的警告并允许负载重新分配。在建筑物中，这就是为什么结构钢受到青睐的原因 - 超负荷的梁会弯曲而不是捕捉。钢筋混凝土遵循相同的逻辑：嵌入式钢钢筋增加延展性，因此成员可以在地震需求下弯曲而不是分开。 影响（地震和碰撞应用）中的能量吸收：在动态载荷下，延展性将影响能量变成塑料工作。钢框通过屈服来消散地震力，并以钢或铝折叠的汽车碎区域的控制方式以受控的方式降低机舱减速。现代人体结构平衡强度与延展性（例如DP/Trip Steels），并且航空航天Al/Ti合金保留足够的延展性，以造鸟，加压和冷soak耐受性。 […]

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。 […]