为什么屈服强度分3类

结论:材料是否具备明显屈服点取决于材料合金含量的多少。含量少,则明显,含量多,则不明显。

从国家标准初探端倪

其实无论哪种形式的σ-ε曲线,它们本质上都是力(或应力σ)随位移(或应变ε)的变化趋势。既然加载设备、加载方式都相同,曲线不同的原因必然在于材质本身的多样性。

工程行业多用钢材,钢材可以大致分成碳素钢(俗称“碳钢”)、合金钢两类。

熟悉材料标准的小伙伴可能会注意到,碳钢类材料标准一般将屈服强度设定为上屈服强度ReH(图1)或下屈服强度ReL(图2)。


图1 碳素钢屈服强度ReH


图2 钢筋屈服强度ReL

典型如Q235系列、钢筋HRB系列。这里提到的2种材料并非完全不含合金元素,二者化学成分要求都是C、Si、Mn、P、S,其中的Mn便是合金元素,并且相比Q235系列,钢筋HRB系列的Mn含量要高出≈14%。

细心的小伙伴可能注意到,钢筋标准里面有这么一句——“对于没有明显屈服强度的钢筋,下屈服强度特征值ReL应采用规定塑性延伸强度 Rp0.2” (图2)。小编认为这句话跟二者的Mn含量之差异是有关系的。这至少可以说明一点:随着合金元素Mn含量的升高,材料的屈服点愈发不明显了起来。

上面的推断只是小编的猜测,我们可以顺着这个猜测继续验证。

又比如,低合金钢标准GB/T 1591以及合金结构钢标准GB/T 3077。

这2本标准里面所涉材料或多或少都含有合金元素Mn、Cr、Mo、V、Ni、Al、Ti等等。虽然2本标准对屈服强度的设定不一样,你比方说GB/T 1591将屈服设定为上屈服强度ReH(图3),GB/T 3077(图4)则将之设定为下屈服强度ReL,但是二者都标注了“当屈服现象不明显时,可用规定塑性延伸强度Rp0.2取代”(图3、图4)。


图3 低合金钢屈服强度ReH


图4 合金钢屈服强度ReL

更有意思的是,到了不锈钢这里,合金含量更多,标准干脆将屈服强度设定为Rp0.2,直接不提ReH也不提ReL了!比如不锈钢螺栓标准GB/T 3098.6(图5)以及不锈钢棒标准GB/T 1220(图6)。

之所以如此,兴许是因为合金元素含量如此之高,以至于不再可能从这类材料中获取屈服点明显的σ-ε曲线了。


图5 不锈钢螺栓屈服强度Rp0.2


图6 不锈钢棒屈服强度Rp0.2

我们似乎可以这么认为:合金含量越多,屈服点越不明显。

可这依然仅仅是通过观察材料标准的要求得出的结论,依然非常肤浅。

我们需要再往深了分析,为什么合金含量越多,屈服点越不明显?

从原子立场看材料的屈服

3类“屈服强度”中提到的两种σ-ε曲线,分别如图7、图8所示。最重要的区别在于屈服阶段的走势。


图7 屈服点明显的σ-ε曲线

图8 屈服点不明显的σ-ε曲线

胡克定律”本质—弹性模量 里面稍稍涉及了材料强度的本质——原子及原子键。大概意思是这样的:
从宏观上看,构件在外荷载作用下发生变形,如果荷载足够小(弹性极限荷载以内),在卸除荷载之后构件恢复至原始尺寸;

从微观上看,原子之间存在像弹簧一样的“键(或称纽带)”把它们连接在一起,施加外力的时候,这些“弹簧”被拉伸导致原子间距变大(宏观表现为构件变形),外力不够大的时候是不足以拉断原子之间的“弹簧”的,所以,卸除外力之后,原子间的“弹簧”又把它们拉回原位置(宏观表现为构件恢复至原始尺寸)。

咱们再回到图7、图8会发现,材料的屈服点无论明显还是不明显,屈服之前的σ-ε曲线的走势都是一样的,因为这个阶段的原子键只是被拉伸而没有被破坏。

一旦进入屈服阶段,原子键的状态就变成了“拉断与再生成”的动态过程,这个过程外在表现为不可逆的塑性变形。

图7、图8的差别重点在于屈服阶段的表现,而屈服阶段的特点是原子间的“弹簧”开始局部出现“拉断与再生成”,且不可恢复(意思是不可恢复原状,但可以重新生成“键”)。

因此,我们就把分析重点范围进一步缩小至——“合金元素对屈服阶段的影响”这一话题。

合金元素对材料原子结构之影响

说起屈服阶段的表现,曲线走势不过是内部原子活动的外在表现。
如果合金含量少

拿合金元素含量较少的碳钢来说,其内部绝大部分都是Fe原子构成的晶体结构,如图9所示。


图9 Fe原子构成的结构

Fe原子之间的空隙可被其它较小的原子(如C)填充,这类原子叫做“间隙原子”(图10所示)。


图10 C原子(洋红色)与Fe原子

当加入个头较大的合金元素(例如Mn,Cr,V,Mo,Cu等)时,这类大原子会替换部分Fe原子,这类原子叫做“置换原子”(图11所示)。


图11 合金元素原子(浅绿色)与Fe原子

对于“置换原子”含量较少的碳钢或低合金钢,尤其是经过退火或正火之后,材料应力在屈服阶段会产生“骤降”现象,也就是从ReH突然降低到ReL。

那么新的问题是,为什么碳钢或低合金钢会出现强度骤降?

原因在于,这个世界上任何钢材内部原子结构都不是完美无瑕的,必然会存在一定程度的缺陷,其中之一被叫做“dislocation”,直译为“错位”,如图12所示。


图12 dislocation

理想的原子排布应当是一排排、一列列,但是总有图12中间部位(红框部分)那种情况出现——即某一列原子出现缺失。

当给图12中的结构施加向右的拉力时,红框右面的所有原子同时向右移动,红框部分也会向右移动。移动过程中,当强度达到ReH的时候,其中绿色圆圈的原子与橙色圆圈的原子之间的原子键会断裂,强度会突然降低至ReL,紧接着,白色圆圈原子与橙色圆圈的原子之间会形成新的原子键,然后强度会再逐渐升高至ReH(或低于此)。


图13 原子键断裂与再生成

整个过程如图13所示,以此类推,最终会变成图14的状态。从图12到图14的过程,可以用图15来表达σ-ε曲线的走势。当大部分dislocation消失之后,屈服阶段也随之结束,应力随应变的变大而逐渐升高。


图14 dislocation消除

图15 波纹段即是消除dislocation的过程

上面的情形针对的是合金元素含量很少的情况。如果加入更多的合金元素,情况则大不一样。

如果合金含量多

首先,上面我们提到,合金原子会部分取代Fe原子与周围Fe原子形成更强的原子键。

不过除了取代,由于dislocation区域的缝隙更大(见图12),合金原子也会更容易占据这个空隙并与Fe原子形成原子键。

这种情况下,合金原子更像是一颗颗图钉把一块布钉在了木板上。尤其是合金元素含量较高的时候,原子键尚来不及断裂,力已经传递至其它dislocation处的合金原子了,这些后面的合金原子所形成的原子键已经开始发挥作用,因此不再会出现图15那种波浪式起伏,而是应力连续升高的态势。

2 Likes