金属材料屈服强度及其影响因素.docx

金属材料屈服强度及其影响因素 屈服强度是指材材料开始产生宏观塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，屈服强度就屈服点的应力屈服值；对于屈服现象不明显的材料，通常将应力-应变曲线上以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为0.2或ys。 屈服强度通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。影响屈服强度的内在因素 影响屈服强度的内在因素有： 1. 金属本性及晶格类型纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受的阻力决定。这些阻力有晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力之分。其中晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而两者又与晶体结构有关。位错间交互产生的阻力包括平行位错间交互产生的阻力和运动位错与林位错交互产生的阻力。用公式表示：T=Gb/L,式中为比例系数，又因为密度与1/L2成正比，因此，T=Gb1/2，由此可见，密度增加，屈服强度也随之增加。 2. 晶粒大小和亚结构晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，将使屈服强度提高。许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔佩奇公式s=j+kyd-1/2,式中，j是位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，它决定于晶体结构和位错密度；ky是度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带端部的应力集中系数；d为晶粒平均尺寸。亚晶界的作用和晶界类似，也阻碍位错的运动。 3. 溶质元素纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著提高屈服强度，此即为固溶强化。这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。 4. 第二相工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的。第二相对屈服强度的影响与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可变形和可变形的两类。 根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点，为此，必须克服弯曲位错的线张力。不可变形第二相质点的金属材料，其屈服强度与流变应力就决定于第二相质点之间的间距。对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起变形，由此也能提高屈服强度。 第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性相应硬化特性、两相间的晶体学配合和界面能等因素有关。在第二相体积比相同的情况下，长形质点显著影响位错运动，因而具有此种组织的金属材料，其屈服强度就比球状的高。 综上所述，表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极其敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺可使屈服强度产生明显变化。影响屈服强度的外在因素 1. 温度 一般升高温度金属材料的屈服强度降低，但是，金属材料晶体结构不同，其变化趋势也不一样。 2. 应变速率拉伸时，加载速度增大，应变速率增大，金属材料的强度将会增加。这主要是因为，任何一种金属都有自己塑性变形的传播速度，如果加载速度大于它本身的塑性传播速度，必然会导致屈服点的提高。这是因为加载速度太快，外力方向的晶面转动不充分，滑移在试样的生长、扩展过程中就会受阻，在宏观上表现为起始塑性变形的抗力提高。此为，随着形变硬化的产生，自发消除硬化的回复无法进行，而形变硬化又会阻碍形变的继续发展，因此要达到所需的残余形变，就必须继续增大外力，这也表现为起始塑性变形抗力的提高。 3. 应力状态应力状态对金属材料屈服强度的影响也很重要。切应力分量愈大，愈有利于材料的塑性变形，屈服强度就越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。如何提高屈服强度 1.合金化改性 合金化改性是提高金属屈服强度的一种常用方法。通过在金属中添加元素，形成固溶体、沉淀硬化相或间隙固溶等，改善金属的微观结构，从而提高金属的强度。例如，铝合金中添加稀土元素，可以显著提高其屈服强度。 2.热处理 热处理包括退火、淬火和回火等方法。通过控制热处理的温度、时间和冷却速度等因素，使金属的晶粒尺寸细化、晶界纯化和位错密度增加，从而提高金属的屈服强度。例如，淬火可以显著提高钢材的屈服强度和硬度。 3.冷加工硬化 冷加工硬化是指通过金属的冷加工变形，使其位错密度增加，并且通过阻碍位错运动，增强金属的强度和硬度。通常采用压缩、拉伸、弯曲等冷加工方式。例如，铜材经过拉伸变形后可以显著提高其屈服强度。 4.晶界工程 晶界工程是利用晶界对材料性质的影响来提高金属屈服强度的方法。通过控制金属晶界的相互作用和对位错的阻碍作用，可以显著提高金属的屈服强度。例如，通过调节铜材的晶界角度和晶界形态，可以显著提高其屈服强度。 5.表面处理 表面处理是通过表面改性来提高金属屈服强度的一种方法。例如，采用化学镀铜技术可以使钢材表面形成一层均匀的铜涂层，使钢材表面形成一种新的结构和组织，从而提高了其屈服强度。