材料拉伸变形过程中,外载荷对材料做机械功,材料发生变形的同时内能发生相应的增加,本文以软钢和陶瓷的单向拉伸试验进行说明。
软钢拉伸过程中,经历弹性变形(0e)、屈服(s)、形变硬化(sb)、裂纹形核、裂纹扩展以至断裂(bk)。整个拉伸过程中,应力与应变存在相应的函数关系,一般地,表述为 σ= f(ε),如图1所示。考察某时刻在应力σt= ft(ε)发生微变形dε,则外载荷所做的功或样品新积储的内能 Nt=σtdε,其量纲是牛顿/平方米·米/米=焦耳/立方米,物理意义是外载荷对单位体积所作的功(比功)或单位体积增加的内能(比能)。考察整个拉伸过程的能 量变化,在整个变形长度上对Nt进行积分,有,由图1看,软钢拉伸曲线下的面积,是外载荷在拉伸过程中对材料单位体积所做的总功的平均值,或外载荷在拉伸过程中对材料所做的比功。
现在分段进行考察,在弹性变形阶段0e(e与s很接近,取相同值),应力与应变有,外载荷所做的弹性比功,此阶段材料在拉伸载荷作用下,晶格发生可逆的变形,变形行为与弹性模量E相关,外载荷所做的弹性比功在图1中表达为0e曲线下的面积。
软钢在s点发生屈服以后,进入形变硬化阶段,应力与应变有关系,其中A是材料常数,n是材料形变硬化指数。很容易理解,因为塑性变形的不均匀特征,此处的应力和应变是某时刻的真应力和真应变,此阶段外载荷所做的功表达为,在这个阶段中,材料发生宏观塑性变形同时发生加工硬化:在s点材料发生屈服,此时材料启动単系滑移,具有应力增加不大但应变量较大的宏观特征;应力继续增加,使晶粒内几个滑移系同时达到临界分切应力,材料发生多系滑移,滑移系的交割使形变强化急剧增加;随着应力继续增加,晶粒的滑移系之间发生交滑移,滑移能垒降低,形变强化降低,宏观表现为变形加 快,逐步发生颈缩。此处所述晶面滑移均通过位错的移动而实现,在实现晶面滑移同时,在晶粒内部增殖大量的位错、位错缠结、位错胞、亚晶以至晶粒细化。在此阶段,外载荷所做的比功在图1中表达为sb曲线下的面积,对于正火退火结构钢而言,发生塑性变形因为加工硬化在材料内部蓄积很大的形变能,能够提供构件在偶然过载时承载能力,保证服役的安 全性。点发生屈服以后,进入形变硬化阶段,应力与应变有关系
当达到b点后,拉伸曲线进入裂纹形核长大以至断裂(k)。首先,因为颈缩截面部位具有至大应力,在此截面上,当夹杂物和基体界面上位错塞积超过临界值,裂纹开始在界面形核,随即在应力作用下快速扩展,由于试样有 效截面积减小使得维持应变的应力值降低,拉伸曲线呈现低头直到断裂。在此阶段,外载荷所做的比功在图1中表达为bk曲线下的面积,此部分面积说明材料内部存在裂纹时,使裂纹失稳启动、发生扩展所需要满足的能 量条件,可以和断裂力学相关的能 量参数互相对照。
由图1可见,陶瓷在拉伸过程中,应力增长很快,弹性模量很大,说明材料内部原子的共价键结合非常强,拉伸时原子间距的微小变化即共价键伸长导致键合强度剧烈增加;陶瓷拉伸时基本上是弹性变形,因为宏观塑性变形对应的微观机制是位错移动,一般而言,陶瓷材料中的位错激 活能大于其键合强度,换言之,拉伸应力作用使位错启动之前,原子键合已经破坏即材料已经断裂;陶瓷拉伸曲线顶端有一小段较低应力下变形过程,对应裂纹扩展到断裂。与软钢拉伸曲线比较,陶瓷拉伸曲线包括弹性变形部分和裂纹形核扩展部分,没有塑性变形。对应力-应变曲线积分,只有弹性比功和裂纹形核扩展比功,后者所占比例非常小,因为陶瓷断裂时,裂纹尖 端没有塑性变形,裂纹扩展所需的能 量临界值低,属于脆性断裂。
(资料来源于网络)