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金屬材料拉伸試驗是測試其力學(xué)性能的基本方法之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、軍工、汽車、機械設(shè)備、電子器材、醫(yī)療器械、建筑等各個行業(yè)，本文將從細(xì)觀尺度的晶粒、晶面、位錯、滑移等方面探討拉伸試驗變形的本質(zhì)。

彈性的不完整性

完整的彈性應(yīng)該是加載時立即變形，卸載時立即恢復(fù)原狀，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上加載線與卸載線完全重合，即應(yīng)力和應(yīng)變同相。但是實際上，彈性變形時加載線與卸載線并不重合，應(yīng)變落后于應(yīng)力，存在著彈性后效、滯彈性和包申格(Bauschinger)效應(yīng)，這些效應(yīng)的存在說明宏觀彈性變形并非理想的彈性變形，即宏觀的彈性變形中存在著非彈性變形。

多個研究表明：在外力作用下，部分位錯會先達到臨界切應(yīng)力而滑移(產(chǎn)生微屈服)，值得注意的是位錯滑移不僅取決于促使位錯開動的臨界切應(yīng)力，同時也取決于位錯的取向因子μ。

非彈性變形、微屈服現(xiàn)象、位錯滑移均為塑性變形的表現(xiàn)形式，宏觀線性階段的微屈服現(xiàn)象研究最多的材料當(dāng)屬鈹材，有研究者歸納出了鈹材產(chǎn)生一個單位(10-6)微屈服σmys與規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2的經(jīng)驗公式為：Rp0.2＝171.0＋2.728σmys。事實證明拉伸試驗的彈性階段確實存在著塑性變形，彈性性能宏觀上呈近似線性特征。

彈性的本質(zhì)

彈性在微觀上表現(xiàn)為原子間的作用力與原子間的位移，對于理想晶體而言，

式中：P表示原子間的作用力；r表示原子間距；A表示原子間吸引力常數(shù)，B表示原子間排斥力常數(shù)，A和B均與原子本性和晶格類型有關(guān)。

由上式可知，原子間作用力與原子間距并不是成正比關(guān)系，這從本質(zhì)上反映了Hooke定律的近似性而不是絕對性。彈性性能與特征是原子間結(jié)合力的宏觀體現(xiàn)，而r值非常小，在此情況下，宏觀上表現(xiàn)出的彈性性能呈現(xiàn)近似線性特征。

工程中大多數(shù)金屬材料為多晶體材料，其中各個晶粒的空間取向是不同的，而發(fā)生形變的晶體中位錯和缺陷的分布也是不均勻的，存在明顯的局部成簇傾向。在外力作用下，彈性變形尚小時微屈服首先在這些達到位錯滑移條件的晶粒內(nèi)開始。此后隨著應(yīng)力的增大，產(chǎn)生塑性變形的晶粒越來越多，塑性變形量也越來越大以至于宏觀上可以觀測到。即多晶體中各個晶粒的塑性變形具有不同時性和不均勻性，這種不均勻性不僅反映在同一晶粒內(nèi)部的不同區(qū)域、不同晶粒之間，而且也反映在試樣的不同區(qū)域之間。因此，理想的彈性是不存在的，塑性變形是絕對的，而彈性變形是相對或者近似的。

拉伸試驗過程中各階段變形行為的本質(zhì)

眾所周知，根據(jù)非連續(xù)屈服試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，為簡單起見可將其大致分為4個階段，即：彈性階段、屈服階段、均勻塑性變形階段、頸縮階段。當(dāng)然，對于連續(xù)屈服試樣，其屈服階段和均勻塑性變形階段可認(rèn)為是一個階段。

由上述彈性的不完整性和彈性的本質(zhì)分析可知，拉伸試驗的宏觀彈性階段也存在微區(qū)塑性變形，并貫穿于拉伸試驗的各個階段。塑性變形的主要機制為滑移和孿生，而孿生能夠提供的塑性變形量相比滑移來說是非常有限的，在探討塑性變形時該文主要考慮滑移的影響。

為此，有必要引入以下兩個公式

式中：ε表示塑性應(yīng)變速率；b表示位錯Burgers矢量的模；ρ表示位錯密度；v表示位錯運動速率。

式中：τ為作用于位錯滑移面上的切應(yīng)力；τ0為位錯以單位速率運動所需要的切應(yīng)力；m表示位錯運動速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)。

1、頸縮階段

為了敘述的方便同時也考慮到塑性變形的明顯性，先分析頸縮階段的本質(zhì)。為分析方便，引入一個公式如下

dP＝AdS－SdA       （3）

式中：dP表示拉伸過程中瞬時力值的增加量；A表示拉伸試樣某時刻的截面積；dA表示截面積瞬時減小量；S表示某時刻截面上的應(yīng)力；dS表示加工硬化造成的應(yīng)力瞬時增加量。

頸縮前試樣平行部分各處的塑性變形宏觀上呈近似均勻變形，頸縮開始后變形主要集中于頸部區(qū)域，這時dP＝AdS－SdA＝0，即AdS＝SdA，加工硬化和試樣截面積的減少對試樣承載力的影響達到平衡，力值不再增加，對應(yīng)拉伸曲線的抗拉強度點位置。隨著應(yīng)變的增加，dP＝AdS－SdA＜0，即AdS＜SdA，此時試樣截面積減小的影響占主導(dǎo)，力值持續(xù)減小直至斷裂。

2、屈服階段和均勻塑性變形階段

由式(1)可知，試樣微區(qū)的塑性應(yīng)變速率由Burgers矢量、位錯密度、位錯運動速率三者的乘積決定。隨著塑性變形的增加，位錯密度快速增加使得位錯運動速率降低。

由式(2)可知，位錯運動速率的降低必然會使切應(yīng)力降低，從而造成試樣整體應(yīng)力的下降，這即為拉伸曲線上觀察到的上屈服點和屈服下降的本質(zhì)。

屈服的整個過程與上屈服點和屈服下降的本質(zhì)是一樣的，所不同的僅僅是應(yīng)力的增加與否或增加快慢的問題，而這主要取決于式(3)中的各個變量。式(3)亦可解釋連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服，連續(xù)屈服時AdS永遠(yuǎn)大于SdA，非連續(xù)屈服時將多次或者長時間出現(xiàn)AdS＝SdA的現(xiàn)象，從真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線來看，連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服的圖形均為向上的拋物線，兩者并無本質(zhì)區(qū)別，反映在人為的日常所見的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上才出現(xiàn)了連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服現(xiàn)象。值得注意的是，鑒于位錯滑移的本質(zhì)和特性，屈服階段和均勻塑性變形階段從細(xì)觀的層面來研究的話也具有不同時性和不均勻性。

為了表述清晰，定義一個微頸縮的概念，即不同時性和不均勻性的位錯滑移必將在試樣局部微區(qū)域產(chǎn)生不均勻塑性變形(局部微區(qū)域產(chǎn)生微頸縮)。在定義了這樣一個概念之后，就可以從細(xì)觀層面描述屈服階段和均勻塑性變形階段，即該階段自始至終都在不同的微區(qū)、不同的時間不間斷地產(chǎn)生一個個不同的微頸縮，當(dāng)某些微頸縮達到一定程度時就不再繼續(xù)，而未達到微頸縮停止條件的則繼續(xù)進行，這樣一個動態(tài)不均勻過程產(chǎn)生了屈服階段和均勻塑性變形階段宏觀上近似的均勻變形。

3、拉伸總體過程

至此，結(jié)合細(xì)觀和宏觀現(xiàn)象，可以對拉伸過程進行總體描述，即整個拉伸過程中均伴隨有微區(qū)域不同時性和不均勻性的微塑性變形和微頸縮現(xiàn)象，這種微塑性形變和微頸縮的不均勻程度不僅與材料特性相關(guān)，同時也與拉伸各個階段的應(yīng)變速率或應(yīng)力速率有關(guān)。

結(jié)論

（1）拉伸試驗的彈性階段也存在不同時性、不均勻性的塑性變形或微塑性變形，彈性性能在宏觀上呈現(xiàn)近似線性特征。

（2）微塑性變形的動態(tài)不均勻過程產(chǎn)生了宏觀上近似均勻變形的屈服階段和均勻塑性變形階段。

（3）頸縮階段微塑性變形的動態(tài)不均勻過程在宏觀上表現(xiàn)得最為明顯。