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鋼材的屈服強度、抗拉強度、延伸率、沖擊功的關系 2017-03-27

鋼材的屈服強度、抗拉強度、延伸率、沖擊功的關系 

力學性能 
什么是的屈服強度和抗拉強度。
 要說這兩個概念,先從材料是如何被破壞的說起。任何材料在受到不斷增大或者持續恒定或者持續交變的外力作用下,最終會超過某個極限而被破壞。對材料造成破壞的外力種類很多,比如拉力、壓力、剪切力、扭力等。屈服強度和抗拉強度這兩個強度,僅僅是針對拉力而言。這兩個強度是通過拉伸試驗得出的,是通過拉力試驗機(一般是萬能試驗機,可以進行各種拉和壓以及彎曲的試驗),用規定的恒定的加荷速率(就是單位時間內拉力的增加量),對材料進行持續拉伸,直到斷裂或達到規定的破壞程度(比如有些對接焊縫強度試驗可以不拉斷),這個造成材料最終破壞的力,就是該材料的抗拉極限載荷??估拊睪墑且桓雋Φ謀硎?,單位為牛頓(N),因為牛頓是一個很小的單位,所以,大部分情況下用千牛(KN)的比較多。因為各種材料大小不一,所以抗拉極限載荷很難評判材料的強度。所以,用抗拉極限載荷除以實驗材料的截面積,就得到單位面積的抗拉極限載荷。單位面積上受的力,這是一個強度的表述,單位是帕斯卡(Pa),同樣,帕斯卡是一個極小的單位,一般都用兆帕(MPa)來表述。所以,抗拉極限載荷與實驗材料的截面積之比,就是抗拉強度??估慷仁遣牧系ノ幻婊纖艸惺芡飭ψ饔玫募?。超過這個極限,材料將被解離性破壞。那什么是屈服強度呢?屈服強度僅針對具有彈性材料而言,無彈性的材料沒有屈服強度。比如各類金屬材料、塑料、橡膠等等,都有彈性,都有屈服強度。而玻璃、陶瓷、磚石等等,一般沒有彈性,這類材料就算有彈性,也微乎其微,所以,沒有屈服強度一說。彈性材料在受到恒定持續增大的外力作用下,直到斷裂。究竟發生了怎樣的變化呢?首先,材料在外力作用下,發生彈性形變,遵循胡克定律。什么叫彈性形變呢?就是外力消除,材料會恢復原來的尺寸和形狀。當外力繼續增大,到一定的數值之后,材料會進入塑性形變期。材料一旦進入塑性形變,當外力,材料的原尺寸和形狀不可恢復!而這個造成兩種形變的的臨界點的強度,就是材料的屈服強度!對應施加的拉力而言,這個臨界點的拉力值,叫屈服點。從晶體角度來說,只有拉力超過屈服點,材料的晶體結合才開始被破壞!材料的破壞,是從屈服點就已經開始,而不是從斷裂的時候開始的!弄清楚這兩個強度怎么來的了,所以說,屈服強度高的材料,能承受的破壞力就大,這是正確的。
 但我要說的是不管哪個強度,只拿一個來說事,都不能說明這種材料安全與否或者結實與否!咱們這里就說鋼材吧,別的不說了。關于屈服強度和抗拉強度還有一個參數,可能知道的人不多,它究竟起什么左右,可能知道的人更少。這個參數就是屈強比!屈強比就是屈服強度和抗拉強度的比值。范圍是0~1之間。屈強比是衡量鋼材脆性的指標之一。屈強比越大,表明鋼材屈服強度和抗拉強度的差值越小,鋼材的塑性越差,脆性就越大!為什么這樣說呢,這里要引進一個新的指標——延伸率。通俗一點說就是鋼材被拉斷后,和原來比,伸長了多少。這是檢驗鋼材塑性好壞的一個重要指標。這個數值越大,表明鋼材的延展性越好。上面我說了,當鋼材拉伸超過屈服點之后,這個時候的鋼材已經不可能恢復原來的尺寸,一直到斷裂,鋼材都在不斷的被拉長。屈強比越大,屈服強度和抗拉強度的差值越小,那么在的加荷速率不變的情況下,鋼材被拉長的時間就越短,那么延伸率就越低。有點羅嗦了!下面進入正題!根據能量守恒定律,能量只能轉換或者傳遞。當鋼材被拉伸的時候,歸根結底是能量的轉換吸收。在屈服點之前,鋼材處于彈性形變期,外部拉力幾乎全部被彈力抵消(轉化為彈性勢能),外來能量并沒有多少被吸收或者轉化,只有少量轉化為熱能。當過屈服點之后,外力部分被彈力抵消(轉化為彈性勢能),而部分則被轉化為熱能,外力的作用于鋼材上的能量,主要是在塑性形變期被吸收的!我上面提到,材料的破壞是從屈服點開始的。屈強比越低,那么材料從開始破壞到斷裂的時間越長,屈強比越高,材料從開始破壞到斷裂的時間越短。能量在屈服點到斷裂點之間被大量轉化為熱能。
 所以,單純說屈服強度高或者抗拉強度高,那么這種材料就一定好或者更安全。未必!只有屈服強度高,同時屈強比低的鋼材,才更安全一些!可惜,這樣的鋼材成本太高,都不大可能被用于民用車輛上。現在鋼材除強度,還有一個重要的指標就是韌性!到目前為止,我還沒有看到那一家車企對所用鋼材的韌性如何做一個描述!基本上都是對鋼材的強度大肆渲染!恰恰相反的是,在絕大多數情況下,提高鋼材的強度,往往會降低鋼材的韌性!降低韌性,就是增加脆性!而鋼材的韌性,是關系到鋼材安全的一個重要指標有一個指標可能被車企有意無意的遺忘了——沖擊韌性或沖擊功。用相同的力,推你一下或者猛擊你一下,哪個對你的傷害大?答案很明顯!鋼材的抗沖擊能力高低,才是關系的安全的重要因素!沒見過那次車禍是慢慢加力直到把車拉斷的吧?都是瞬間撞擊!如果你扛不住瞬間作用力,你抗拉強度再大有毛用?從現在已經直到的鋼材來看,凡是大于1000Mpa的強度,大多是抗拉強度,屈服強度超過800Mpa也不是什么困難的事情,比如40Cr這種常見的“萬能鋼”(基本上屬于干啥都行的),一般的調制工藝屈服強度也能接近800Mpa,抗拉強度900MPa以上。但是三者兼顧,高屈服、高延伸、有良好抗沖擊能力就比較難了!
 幾乎所有的鋼材都存在同樣的問題,那就是在提高鋼材強度的同時,降低鋼材的抗沖擊能力!比如10.9級的高強螺栓,抗拉強度在1040-1240MPa為合格,屈服強度大于940Mpa,延伸率大于10%,沖擊韌性59J/CM2;而同材質8.8級高強螺栓(低一個級別),抗拉強度在830-1030MPa為合格,屈服強度大于660Mpa,延伸率大于12%,沖擊韌性78J/CM2。所以,對于絕大多數金屬材料而言,在提升某些技術指標性能的同時,是以降低某些技術性能指標為代價來實現的。是不能兼顧的。鋼鐵工業是人類最成熟的工業技術之一,沒有什么太多的秘密。鋼鐵材料的各項技術指標,并非是越高越好,或者越低越好,而是根據需要,將各項指標調整到一個能夠兼顧的范圍內。對于我們行業的人而言,鋼材除了結構上有問題外(指的產品缺陷),各項技術指標沒有好壞之分,要看你在哪里用。只有用錯地方,而沒有用錯東西一說。