拉伸试验和加工硬化 理论求助

学工

回复 20# aaron01


1、我对你说固溶强话能提升断裂强度不苟同：原因是我手里一本材料上提高在做高碳马氏体的拉伸试验时，材料呈脆性断裂，同时得到的是断裂强度，根据试验还测的随C增加 断裂强度降低（原因是C削弱了原子键合力）  所以我觉得断裂强度和原子键合力有关系，而固溶强化完全只是阻碍位错（换言之就提升屈服强度和抗拉强度）
2、对于脆性材料难道不能以应力集中来说吗？ 要不然怎么可能在不变形的情况下（抗拉强度降低）就断裂呢？

aaron01

我说的是一般规律，谁都知道高碳淬火马氏体的脆性问题，那是有别的因素在里面的（我不想在这里展开，又够写一本书的了），难道你认为高碳马氏体的断裂强度比20号钢淬火组织低？那你能给我个解释为什么20号钢比T8钢强度低吗？
另外，应力和力你怎么老混呢？应力集中是指说的什么？说的是同样的外力下，小截面的地方应力高，这和材料的性能有关系吗？材料机械性能是内因，我已经说了啊。应力集中会引起断裂，但应力集中不可能影响材料的断裂强度吧？

学工

回复 22# aaron01


谢谢专家回复，
“另外，应力和力你怎么老混呢？应力集中是指说的什么？说的是同样的外力下，小截面的地方应力高，这和材料的性能有关系吗？材料机械性能是内因，”
1、我们在测拉伸试验的数据（如测组织性能） 这测出的抗拉强度 屈服强度 是应力吗？ 照这样外力又得大很多咯？？  
2、你说小截面应力高，对于高强度的钢 塑性差的 在大的截面也会存在很高的应力集中不是吗？

aaron01

应力=外力/面积。低碳钢和高碳钢拉伸试棒，你给一样的力（大到低碳钢颈缩出现），低碳钢受的应力大，高碳钢受的应力小，这时再继续加外力，低碳钢断了，断裂强度比方说是1000MPa,而此时高碳钢没断（假定高碳钢受的应力此时是800），再继续加压，高碳钢一直要到2000MPa才断。这样说你明白了吗？断裂强度是其固有的特性，应力集中不会改变这个特性，他还是要到2000MPa才会断。

学工

回复 24# aaron01


    嗯，谢谢。 一下就清醒了，但这只是对钢而言吧？

比如钢和铸铁比较呢？ 这时铸铁的强度低了吧？

aaron01

金属材料都有固溶强化作用的。
铸铁强度低是因为石墨的量多啊，石墨能起固溶强化作用吗？只有在奥氏体里的C才会固溶到奥氏体晶格间隙里去啊，碳化物和石墨都没有进入奥氏体，谈什么固溶强化。我们要考虑的是奥氏体含碳量，不是钢铁的化学成分，球磨铸铁塑性好，其含碳量你应该看成是中低碳钢，而不要去考虑石墨。

学工

回复 26# aaron01

专家你好,谢谢帖子里耐心为我讲解,可能我还有足不之处 这里想再次麻烦你

1、材料的强度等是固有特性(但加入元素如C,固溶强化 对于提高强度我只理解到了位错阻碍运动),但对于你说的提高断裂强度我还是不理解.
2、材料提高强度后,则需要更大的里才能运动. 对于材料强度不高的则运动到一定程度则应力使其破坏,对于材料强度高的材料在使更大应力位错(这里更大应力难道不能使其破坏? 它们金属键都一样的啊)

其实我现在混淆的就是 强化的一个理论概念,比如固溶强化等,..
想麻烦专家能也用比喻的方式帮我讲解下,(如对其使用力受 阻碍等..)

aaron01

由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
  这主要是由于晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。请注意，位错不是因为固溶产生的，固溶强化由于晶格畸变，使得材料在受应力作用时，位错的移动变得困难，也就是说位错移动在这种情况下需要更多的能量，从而造成塑性下降，强度提高。
这个固溶强化作用是非常明显的，比如高碳钢屈服强度很多都能达到2000MPa数量级，尽管由于其塑性差，断裂强度和屈服强度数值都差不多，但不管怎样，总要先过了弹性极限、再塑性变形、再断裂是吧？就是这样也要比低碳钢的断裂强度高出太多。

学工

回复 28# aaron01


    金属受力位错移动困难，但此时力几乎集中在这一点。如低碳钢断裂时所需的力，在高碳钢还没变形，但那时所需的力不会破坏其集中的那点吗？

aaron01

怎么又绕回去了，是应力，不是力，应力大了才断的，怎么还要去想应力集中？根本不需要考虑应力集中，就考虑应力大小就行了，讨论这个问题的时候，请暂时把应力集中忘记！！！
另外，屈服以下是弹性变形啊，不是不变形，高碳钢弹性区大，塑性区小；低碳钢相反。这都说了弹性变形了，何来应力集中？集中在哪里？
高碳钢弹性极限大是因为在外加应力情况下，位错移动困难，需要很大的应力才能使其发生滑移现象，因为没有位错移动，发生的都是可恢复的弹性形变。
高碳钢塑性差，一旦应力达到使位错发生滑移，再略增大就会断。

学工

回复 30# aaron01


    “这都说了弹性变形了，何来应力集中？集中在哪里？”
比如脆性材料 不都在弹性变形区加大力 然后应力大了就断裂吗 都没屈服的迹象。

比如说低碳钢 塑性区大 滑移后工件拉长 缩小。 而高碳钢 塑性区小，塑性变形也小 然后缩小也小。 这时相同的的一个位置（比如相同的一平方毫米） 为什么高碳钢断裂的强度会高？？ 这难道不和键合力有关吗？ 高碳钢的变形小 原子都比较接近 所以影响到那个位置的键合力比较大（这个我就理解成你开始说的强度是固有的特性 可以吗？）。

aaron01

我无语了，你从头到尾想的就是拉伸的截面积问题，我再说一遍：材料的强度是其固有的特性，在讨论其强度好坏原因的时候，请不要考虑拉伸试验，不管你怎么拉，都是应力-应变的问题。你需要想明白这个。
另外，你去看看位错理论方面的资料吧，不看书这样凭空想象怎么行？基本的一些东西还是要靠看书的，我和你在这里谈不可能把整本晶体学的书都谈完的。

motion_0576

回复LZ“学工”
1  金属材料室温拉伸曲线应该理解成：它是表征材料变形特点的一种试验方法，通常工程上用应力—应变（σ—ε曲线）或者真实应力—应变（S—l）曲线表示。当ε值较大时，用后者更符合实际情况。
2  对于低碳钢退火状态的拉伸曲线，教材中都是做为典型曲线来进行讲解的。实际上“aarono1”前面已经说的很明白，可惜LZ好像没理解。讨论“颈缩”要引入形变硬化指数概念（σ=kεⁿ）。颈缩的本质是塑性下降的重要原因，是失稳阶段开始。从拉伸角度应变增加就意味着试样截面的减小，此时在试样中心产生“三向应力状态”，随着截面积减小，承载力下降，试样中心将出现“空洞裂纹”，在宏观上表现为“颈缩”。
3  从微观角度看，金属塑性变形可以看成是在应力场作用下，位错、空穴的聚集和定向移动的过程；它的主要形式是滑移，当然也可能存在孪生、晶间移动、晶粒转动。
4  滑移、孪生、晶间滑动都可能对塑性做出贡献，但是，贡献大小和晶体类型、晶体点阵常数、晶粒大小、温度、应变速率有关。也即与加工硬化快慢有关。
5  加工硬化现象可以用位错理论来解释，拉伸的屈服现象与加工硬化快慢有直接关系。也就是说，在慢速拉伸有明显宏观屈服现象的试样，如果在较快的拉伸试验条件下，宏观上可能没有明显屈服现象。

学工

回复 32# aaron01


    不好意思 让你这么费神，我可能把结合之类有点混淆，总觉得截面不容易形变其内结合力就大（就是你说的老想截面 ）

对于你说的金属的强度是有固有的特性（ 我在看金属结合的时候上面只说金属原子在一起时产生电子结合 从而强度也高）  那么固溶体加入会与C原子形成键的结合吗？

aaron01

C和Fe原子不结合，如果结合就形成碳化物了。
在1930年代以前，材料塑性力学行为的微观机理一直是严重困扰材料科学家重大难题。1926年，苏联物理学家雅科夫·弗仑克尔（Jacov Frenkel）从理想完整晶体模型出发，假定材料发生塑性切变时，微观上对应着切变面两侧的两个最密排晶面（即相邻间距最大的晶面）发生整体同步滑移。根据该模型计算出的理论临界分剪应力τm 为[4]：τm =G/2π
其中G 为剪切模量。一般常用金属的G 值约为10⁴MPa～10⁵MPa，由此算得的理论切变强度应为10³MPa～10⁴MPa。然而在塑性变形试验中，测得的这些金属的屈服强度仅为0.5～10MPa，比理论强度低了整整3个数量级。这是一个令人困惑的巨大矛盾。

1934年，埃贡·欧罗万（Egon Orowan），迈克尔·波拉尼（Michael Polanyi）和 G.I. 泰勒（G. I. Taylor）三位科学家几乎同时提出了塑性变形的位错机制理论，解决了上述理论预测与实际测试结果相矛盾的问题[5]，[6]，[7]。位错理论认为，之所以存在上述矛盾，是因为晶体的切变在微观上并非一侧相对于另一侧的整体刚性滑移，而是通过位错的运动来实现的。一个位错从材料内部运动到了材料表面，就相当于其位错线扫过的区域整体沿着该位错伯格斯矢量方向滑移了一个单位距离（相邻两晶面间的距离）。这样，随着位错不断地从材料内部发生并运动到表面，就可以提供连续塑性形变所需的晶面间滑移了。与整体滑移所需的打断一个晶面上所有原子与相邻晶面原子的键合相比，位错滑移仅需打断位错线附近少数原子的键合，因此所需的外加剪应力将大大降低。

由位错理论可见，影响材料强度的，并不是什么原子间的结合力，而是位错是否容易滑移，两者的影响程度差了3个数量级。

学工

回复 35# aaron01

谢谢专家耐心答复
其实看着这些也感觉挺抽象的，但了解了一点：位错滑移，只要能阻碍位错滑移的则能提高强度（屈服和抗拉强度）。  

但这断裂强度应该和阻碍位错没什么关系吧？应该直接关系到键合力上（就是这让我很混淆）

aaron01

我在35楼的答复已经回答你的问题了啊！
打个不恰当比方吧，如果没有位错滑移，那么按照理想完整的晶体结构，金属的塑性变形是由原子间的结合力来决定的，那么其强度应该是现在的1000倍，也就是上面文章里说的3个数量级。正是因为晶体里存在位错，位错能够滑移，使得强度只有纯理论计算的1/1000。黑体字的部分是35楼的要点。
这样你还认为结合力的作用是决定因素吗？
还有，建议你把整个帖子从头到尾再看一遍，看下28楼的帖子说的就是断裂强度和屈服强度。

学工

回复 37# aaron01


    谢谢专家。现在明白了，都是先屈服才会断裂（我以前想的只是单方面的断裂强度 没有考虑到前面的屈服 总是拿着相同大小的 不同成分的材料去比较断裂强度）

看了你的讲解我现在有一点想法：当存在位错等时 由位错决定键合力，如果位错阻碍大，则最后断裂时的键合力也大，位错阻碍小 则易位错滑移 所以导致其最后的键合力也小。

aaron01

回复 38# 学工


    ”看了你的讲解我现在有一点想法：当存在位错等时 由位错决定键合力，如果位错阻碍大，则最后断裂时的键合力也大，位错阻碍小 则易位错滑移 所以导致其最后的键合力也小。“

补充，位错是金属晶体里普遍存在的现象，由位错的移动能力决定了材料的强度和塑性的好坏。

另外，材料中的位错密度会随着塑性形变的进行而增加，这是属于金属的另外一种强化方式，加工硬化。前面10楼和33楼两位朋友的回复内容，是非常经典的补充，建议楼主仔细加以揣摩。为了要突出碳在铁晶体里的分布（固溶强化和弥散析出强化）这一重要因素，我没有过多地谈论这些其他强化机制，建议你也看一下我在论坛里的另外一个讨论影响塑性因素的帖子里的回复。http://www.rclbbs.com/viewthread.php?tid=56936&extra=page%3D1
应该说碳在铁里的分布状况是最重要因素，可以解释很多材料的强度、塑性方面的问题，
但不是唯一因素，还有加工硬化、晶界强化、结晶强化等其他种类型。
所有这些因素，都通过影响材料内位错的移动能力来影响材料的塑性和强度。

zjxhut

1.材料拉伸时首先发生弹性变形，对理想材料在弹性变形阶段卸载，变形恢复到零，材料中应力也完全消失，而实际材料中会残留应力。当变形超过弹性极限后，材料就发生塑性变形，一般材料的弹性极限很小。从理论上说，在外力作用下材料中的位错开始移动表示材料开始屈服，此时的强度为屈服强度，但这在测量上很困难，所以工程上将变形达到某一数值（0.3%或0.5%）对应的强度记为屈服强度，称为条件屈服强度。
2.加工硬化过程与程度与位错运动、位错相互作用、位错组态等相关。简单地说，外力作用下位错运动导致变形，变形过程产生新的位错，高密度位错形成的应力场大，对位错运动产生阻力，所以需要更大外力才能使位错移动，即使材料进一步变形。