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圖1  塑性變形示意圖

實際上，很難確定材料從彈性區(qū)轉變?yōu)樗苄詤^(qū)的確切點。如圖2，繪制了應變?yōu)?/span>0.002的平行線。用該線截斷應力-應變曲線，將屈服的應力確定為屈服強度。屈服強度等于發(fā)生明顯塑性變形的應力。大多數(shù)材料并不均勻，也不是完美的理想材料，材料的屈服是一個過程，通常伴隨著加工硬化，所以不是一個具體的點。

圖2  應力-應變曲線

對于多數(shù)金屬材料應力-應變曲線看起來類似于圖3所示曲線。當加載開始以后，應力從零開始增加，應變線性增加，直到材料發(fā)生屈服以后，曲線開始偏離線性。

繼續(xù)增加應力，曲線達到最大值。最大值對應抗拉強度，這是曲線的最大應力值，由圖中的M表示。斷裂點是材料最終斷裂的點，由圖中的F表示。

圖3  工程應力-應變曲線示意圖

典型的應力-應變測試裝置、測試樣品幾何形狀如圖4所示。在拉伸試驗期間，樣品被緩慢拉動，同時記錄長度和施加力的變化，記錄力-位移曲線，利用樣品原始長度、標距長度和截面積等信息可以繪制應力-應變曲線。

圖4  應力-應變測試

對于可以發(fā)生拉伸塑性變形的材料，最常用的有兩類曲線：工程應力-工程應變曲線和真應力-真應變曲線。它們的區(qū)別在于計算應力時采用的面積不同，前者用樣品的初始面積，后者用拉伸過程中的實時橫截面積。因此，在應力-應變曲線上，真應力一般比工程應力高。

圖5 典型的拉伸曲線示意圖

圖6 多種真實金屬材料的真應力真應變曲線

最常見的拉伸曲線有兩種：其一，有明顯屈服點的拉伸曲線；其二，無明顯屈服點的拉伸曲線。屈服點代表金屬對起始塑性變形的抗力。這是工程技術上最為重要的力學性能指標之一。通常工程上不允許零件發(fā)生塑性變形，因而屈服點就顯重尤為重要了，它成為機械零件是否發(fā)生失效的關鍵指標之一。

圖7 典型拉伸曲線，帶有形變硬化

常用的金屬一般為多晶體金屬，因此工程實際金屬起始塑性變形具有非同時性特征。在拉伸曲線上具體反映就是沒有明顯的屈服點。那么，如何界定工程實際金屬發(fā)生了塑性變形呢？

殘余塑性變形量就成為重要依據(jù)，通常人為地把一定殘留塑性變形量時工程金屬對應的抗力作為屈服強度，也稱為條件屈服強度。

這很好理解，沒有明顯的塑性屈服點，就沒有明顯的屈服強度，要想知道實際金屬的屈服強度就需要一個判定條件，因此就有了條件屈服強度。

對于不同的金屬構件，其條件屈服強度對應的殘余變形量不同。對于一些苛刻的金屬構件，其殘余變形量規(guī)定應較小，而普通金屬構件條件屈服時對應的殘余變形量則較大。常用的殘余變形量為0.01%，0.05%， 0.1%，0.2%，0.5%和1.0%等。

圖8 條件屈服

金屬的屈服是位錯運動的結果，因而金屬的屈服由位錯運動的阻力來決定。對于純金屬，包括點陣阻力、位錯交互作用阻力、位錯與其它缺陷或結構交互作用阻力。

圖9 實際金屬鋁中的位錯

在拉伸曲線上的直線段，也即彈性部分對應的面積為彈性能。從彈性變形開始至斷裂過程中，樣品吸收總能量稱為斷裂功，金屬在斷裂前吸收的能量稱為斷裂韌性。

實際金屬在拉伸過程中通常伴隨著力學性能的改變，最突出的現(xiàn)象就是加工硬化。金屬的加工硬化有利于避免實際工程構件在過載時突然斷裂，造成災難性后果。

金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發(fā)生均勻塑性變形的先決條件，這就是說在多晶體金屬中，哪里發(fā)生了塑性變形，哪里就得到了強化，然后塑性變形得到抑制，使變形轉移到其它更容易的地方。

在實際的拉伸曲線上看，大多數(shù)金屬在室溫條件下發(fā)生屈服后，在屈服應力作用下，變形不會繼續(xù)，繼續(xù)變形必須增加阻力。在真應力-真應變曲線上表現(xiàn)為流變應力不斷上升，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。這樣的曲線稱為加工硬化曲線。

加工硬化指數(shù)n是一個重要的塑性指標，它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。

圖10 金屬塑性變形中的加工硬化

最后，談一下應變速率。通常測試的金屬材料的拉伸曲線都是在較低的應變速率下測試獲得的。只有一些特殊金屬構件才需要在較高應變速率下測試其力學性能，即發(fā)生高速形變的構件。正常室溫條件下應變速率拉伸，材料的變形主要以位錯的滑移或孿生為主。

圖11 鋁合金高速形變曲線

在拉伸曲線上，即工程應變-工程應變曲線上最大工程應力稱為極限拉應力，也就是抗拉強度。至于斷面收縮率和頸縮問題就不再這里詳細講解述了。