# 为什么屈服强度分3类

**URL:** <https://www.cax.do/t/topic/233>\
**Category:** Theoretical\
**Tags:** material\
**Created:** [2024 年12 月 21 日 10:30 UTC](https://www.cax.do/t/topic/233 "2024-12-21T10:30:28Z")\
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作者： ![Sbadakesi](https://www.cax.do/user_avatar/www.cax.do/sbadakesi/32/5_2.png) [@Sbadakesi](https://www.cax.do/u/Sbadakesi)\
发布日期： [2024 年12 月 21 日 10:30 UTC](https://www.cax.do/t/topic/233/1 "2024-12-21T10:30:28Z")

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> **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）。

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图1 碳素钢屈服强度ReH

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/f/f6f14c1d2ddbcac23da450a9d34a77132f6957a8.jpeg)

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%。

可以看出到，钢筋标准里面：“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）。  
这句话跟二者的Mn含量的差异是有关系的。至少可以说明：随着合金元素Mn含量的升高，材料的屈服点愈发不明显。

上面的推断只是猜测，可以顺着猜测继续验证。

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，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）。

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图3 低合金钢屈服强度ReH

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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，标准将屈服强度设定为Rp0.2，而不提ReH，也不提ReL！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。

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图5 不锈钢螺栓屈服强度Rp0.2

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/e/e2e174f2be36548dc5bf41c264e4977b94ff84a4.jpeg)

图6 不锈钢棒屈服强度Rp0.2

故似乎可以这么认为：合金含量越多，屈服点越不明显。

但这依然仅是通过观察材料标准的要求得出的结论。

需要再往深分析：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**

在[**3类“屈服强度”**](https://www.cax.do/t/topic/232)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。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/1X/38b85578c84c1b5c879c66a152d21a691ac14bb4.jpeg)

图7 屈服点明显的σ-ε曲线

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/1X/2c6f1b363e7cc64395ae508b899d30a64fce560f.png)

图8 屈服点不明显的σ-ε曲线

在 [胡克定律”本质—弹性模量](https://www.cax.do/t/topic/234) 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）。

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，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。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/e/eb5b6da74fadaa631ce62995d3b1320c5a5ebbdb.jpeg)

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）。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/d/d741d114ffaf31c8715eda9ca30e4f49e820fdb1.jpeg)

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）。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/6/6b95b6a162ee8edfe1b0474d8544df9f9e3d8cb0.jpeg)

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。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/d/dfdff7b5be34e7fc85f4f22db1170431794c263b.jpeg)

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）。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/e/e919a9f77267b36769388954cbb8442cfa665f40.jpeg)

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。

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/d/d1242738166992861c1f441ad8cb69c526aeccd5.jpeg)

图14 dislocation消除

 ![image](https://www.cax.do/uploads/default/original/2X/e/e3c52b3845365f4dde84e545ee1951c67e610e19.jpeg)

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。