材料破坏与屈服强度、抗拉强度的关系及拉伸试验解析

要讲这两个概念，先从材料是如何被破坏开始说起。任何材料在受到不断增大、恒定或交变的外力作用时，最终都会超过一定的极限而遭到破坏。造成材料破坏的外力有很多种，比如拉力、压力、剪切力、扭转等等。屈服强度和抗拉强度只是针对拉伸而言的。这两个强度是通过拉伸试验得到的。它们是利用拉力试验机（一般是万能试验机，可以做各种拉伸、压缩、弯曲试验）以规定的恒定加载速率（即单位时间内拉力的增加量）不断拉伸材料，直到断裂或达到规定的破坏程度（比如某些对接焊缝强度试验，可以不断裂地进行）。导致材料最终破坏的力就是材料的拉伸极限载荷。拉伸极限载荷是力的一种表示，单位是牛顿（N）。因为牛顿是一个非常小的单位，所以大多数情况下使用得比较多的是千牛顿（KN）。 由于各种材料大小不一，很难用拉伸极限荷载来判断材料的强度。因此，将拉伸极限荷载除以试验材料的横截面积，即可得到单位面积的拉伸极限荷载。单位面积的力是强度的表示，单位是帕斯卡（Pa）。同样，帕斯卡是一个非常小的单位，一般用兆帕斯卡（MPa）来表示。

所以拉伸极限荷载与试验材料截面积的比值就是拉伸强度，拉伸强度是材料在单位面积上所能承受的外力的极限，超过这个极限，材料就会解离、破坏。

那么什么是屈服强度呢？屈服强度只适用于弹性材料。非弹性材料没有屈服强度。例如，各种金属材料、塑料、橡胶等，都是有弹性的，都有屈服强度。但是，玻璃、陶瓷、砖石等，一般没有弹性。这些材料即使有弹性，也是非常小的，所以不存在屈服强度。

弹性材料受到恒定且不断增加的外力直至断裂。究竟会发生什么？

首先，在外力作用下，材料发生弹性变形，遵循胡克定律。什么是弹性变形？当外力消除后，材料会恢复到原来的尺寸和形状。当外力继续增大，达到一定值时，材料就会进入塑性变形期。材料一旦进入塑性变形，再施加外力，材料就无法恢复到原来的尺寸和形状了！引起两次变形的临界点的强度就是材料的屈服强度！对于对应施加的拉力，这个临界点的拉力值就叫做屈服点。从晶体角度来说，只有当拉力超过屈服点时，材料的晶体结合才开始被破坏！材料的破坏是从屈服点开始的，而不是从断裂的时候开始的！

现在我们弄清楚了这两种强度是怎么来的，那么说屈服强度高的材料能够承受更大的破坏力是正确的。

但我想说的是，无论哪种强度，只拿其中一种为例并不能证明这种材料是否安全、是否坚固！

这里就只说钢材，不说别的。关于屈服强度和抗拉强度还有一个参数，可能很多人都不知道，知道它到底起什么作用的人就更少了。这个参数就是屈强比！屈强比就是屈服强度和抗拉强度的比值，取值范围在0~1之间。屈强比是衡量钢材脆性的指标之一，屈强比越大，钢材的屈服强度和抗拉强度差值越小，钢材的塑性越差，脆性越大！

为什么这么说呢？这里需要介绍一个新的指标——伸长率。简单来说就是钢筋被拉断之后相对于原来的长度被拉长了多少。这是检验钢筋塑性的一个重要指标，这个数值越大，钢筋的延展性就越好。上面我说了，当钢筋被拉长到屈服点之后，这时候钢筋是不可能再恢复到原来的尺寸了，钢筋会不断地被拉长，直到被拉断。屈强比越大，屈服强度和抗拉强度之间的差值就越小，那么在加载速率不变的情况下，钢筋被拉长的时间越短，伸长率就越低。

说得有点啰嗦！让我们直奔主题吧！

根据能量守恒定律，能量只能转换或转移，钢材受拉时，归根结底是能量的转换和吸收。在屈服点前，钢材处于弹性变形期，外加拉力几乎全部被弹力抵消（转化成弹性势能），吸收或转换的外加能量不多，只有少部分转化成热能。屈服点后，外力一部分被弹力抵消（转化成弹性势能），一部分转化成热能。外力作用于钢材的能量，主要在塑性变形期被吸收！

上面我提到过，材料的破坏都是从屈服点开始的，屈服强度比越低，材料从破坏开始到断裂的时间就越长，屈服强度比越高，材料从破坏开始到断裂的时间就越短，在屈服点到断裂点之间，大量的能量转化成了热能。

所以，简单地说一种材料屈服强度高或抗拉强度高就一定更好或更安全。不一定！只有屈服强度高、屈强比低的钢材才更安全！可惜这样的钢材太贵，不太可能用在民用车上。

除了强度，钢材还有一个重要指标就是韧性！至今为止，我还没看到哪家车企描述所用钢材的韧性！基本上都是夸大钢材的强度！相反，大多数情况下，提高钢材的强度往往是降低钢材的韧性！降低韧性就意味着增加脆性！钢材的韧性是关系到钢材安全性的重要指标。

有一个指标可能被车企有意无意地忘记了——冲击韧性或者冲击功。

同样力度的推撞和撞击，哪个伤害更大？答案显而易见！钢材的抗冲击性是汽车安全性最重要的因素！你见过车祸中慢慢施力直至汽车损坏的吗？都是瞬间的撞击！如果承受不了瞬间的力，你的抗拉强度有什么用呢？

从目前已获得的钢材来看，强度大于1000Mpa的大多是抗拉强度，而屈服强度超过800Mpa并不难。例如常见的“万能钢”（基本上什么都能做）40Cr，经过一般的调制工艺，其屈服强度接近800Mpa，抗拉强度可达900MPa以上。

然而，要同时兼顾高屈服强度、高伸长率和良好的抗冲击性是相当困难的！

几乎所有的钢材都存在着同样的问题，那就是在提高钢材强度的同时，钢材的抗冲击性能却降低了！例如10.9级高强螺栓的抗拉强度在1040-1240MPa合格，屈服强度大于940Mpa，伸长率大于10%，冲击韧性为59J/CM2；而同材质的8.8级高强螺栓（低一个级别）的抗拉强度在830-1030MPa合格，屈服强度大于660Mpa，伸长率大于12%，冲击韧性为78J/CM2。

所以，对于大多数金属材料来说，在提高某些技术指标性能的同时，都是以降低某些技术性能指标为代价来实现的，不能两者兼顾。钢铁工业是人类最成熟的工业技术之一，并没有太多的秘密。钢铁材料的各项技术指标，并不是越高越好，也不是越低越好，而是根据需要，将各项指标调整到一个可以兼顾的范围内。对于我们行业人士来说，除了结构性问题（指产品缺陷）外，钢铁的各项技术指标没有好坏之分，就看你用在什么地方。没有用错的东西，只有用在错误的地方

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