屈服强度：材料力学性能的关键指标及屈服标准解析

屈服强度是材料屈服的临界应力值。对于有明显屈服现象的材料，屈服强度就是屈服点时的应力（屈服值）；对于无明显屈服现象的材料，则是应力与应变线性关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%永久变形）时的应力。它通常作为固体材料力学性能的评价指标，是材料的实际使用极限。因为材料屈服后会收缩，应变增大，使材料失去原有的功能。

工程上常用的屈服准则有三种：

（1）国际上常用σp来表示符合线性关系的比例极限应力-应变曲线上的最高应力，当超过σp时，认为材料开始屈服。

（2）弹性极限 试件受载后再卸载，材料能够充分弹性恢复，不产生残余永久变形，国际上通常用σel表示，当应力超过σel时，认为材料开始屈服。

（3）屈服强度是以一定的残余变形为依据的。例如通常以0.2%残余变形时的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。

1. 屈服强度简介

材料的变形分为弹性变形（外力撤去后能恢复原状）和塑性变形（外力撤去后不能恢复原状，形状发生变化）。当应力超过弹性极限时，变形迅速增加，此时除弹性变形外，还会发生部分塑性变形。当应力达到B点时，塑性应变急剧增加，曲线上出现一个小的波动平台，这种现象称为屈服。此阶段的最大应力和最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值比较稳定，所以用它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度（σs或σ0.2）。

a.屈服点（σs）

试验过程中，试样继续拉伸（变形），力不增加（保持恒定）时的应力。

b. 上屈服点（σsu）

试件屈服、力首次下降前的最大应力。

c. 下屈服点（σsL）

忽略初始瞬态效应时屈服阶段的最小应力。

（1）对于具有明显屈服现象的材料，屈服强度是屈服点时的应力（屈服值）；

（2）对于无明显屈服现象的材料，应力与应变线性关系的极限偏差达到规定值（通常为原始标距的0.2%）时的应力。它通常作为固体材料力学性能的评价指标，是材料的实际使用极限。因为当应力超过材料的屈服极限时，就会发生颈缩，应变增大，导致材料损坏，无法正常使用。

有些钢材（如高碳钢）没有明显的屈服现象，通常以钢材发生轻微塑性变形（0.2%）时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。

以上图中低碳钢的典型拉伸曲线为例，钢试件在拉伸力作用下的力学行为：弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形、局部塑性变形和断裂。受力物体在外力撤除后，其变形不能完全恢复，留下永久（残余）变形，这种现象称为塑性。这种永久（残余）变形就是塑性变形。金属塑性变形有两种方式：“滑移”和“孪生”。拉伸过程中的这个阶段又可分为以下三个小阶段。

1. 屈服阶段（AB段）

此阶段开始出现微观塑性变形，如规定的非比例延伸强度Rp、规定的残余延伸强度Rr等，是与微观塑性变形相对应的各种强度指标。Z、B点所对应的特征应力分别为上、下屈服强度ReH、ReL。

（1）上屈服强度ReH：试件屈服前，外力首次减小前的最大应力。

（2）下屈服强度ReL：忽略初始瞬态效应时，屈服阶段的最小应力。

2.均匀塑性变形阶段（BC段）

此阶段的特点是拉伸试样的截面虽然在缩小（均匀缩小），但力却继续上升。其原因是变形强化（或加工硬化）起作用。所谓加工硬化，就是随着塑性变形的增加，金属材料不断得到强化，其强度和硬度上升，而塑性变坏的现象。在此阶段，试样的某一部位发生塑性变形，虽然这部分截面减小，使此处的承载能力降低，但是变形强化阻止了塑性变形在此处继续发展，变形转移到试样的其他部位。这样，变形与强化交替进行，使试样各部位产生宏观均匀的塑性变形。此阶段遵循体积不变性原理，即L0S0=L1S1=常数。

屈服强度是指金属材料，无论它们是板材、棒材还是管材。在拉伸试验中测量屈服强度时，样品总是圆棒。屈服强度反映了材料抵抗塑性变形的能力。当对样品施加连续增加的拉伸力时，随着拉伸力的增加，样品的变形将由弹性变形过渡到塑性变形。在过渡阶段测量到的最小力称为屈服强度。

屈服强度与屈服点相对应。屈服点是指金属发生塑性变形的点，对应的强度称为屈服强度。许用应力是指屈服应力除以安全系数，以保证机械零件在使用时的安全。抗拉强度是指材料抵抗外力的能力，一般指在拉伸试验中被拉断时的强度。

换算关系为：许用应力=屈服强度/安全系数

拉伸和压缩试验经常用到屈服强度和抗拉强度，而这两项指标与温度关系很大，一般来说，随着温度的升高，材料强度会降低。

逐渐增加材料上的应力，当应力超过材料的弹性极限时，变形迅速增加，此时除弹性变形外，还会产生一些塑性变形。当应力达到b点时，塑性应变急剧增加，应力和应变波动不大，这种现象称为屈服。此阶段的最大应力和最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值比较稳定，因此用作材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度（ReL或Rp0.2）。

2.金属材料的屈服强度及其影响因素

屈服强度通常作为固体材料力学性能的评价指标，是材料的实际使用极限。影响屈服强度的内在因素有：

1.金属性质与晶格类型

纯金属单晶的屈服强度是由位错运动所受到的阻力决定的。这些阻力分为晶格阻力和位错间相互作用所引起的阻力。晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而位错宽度和柏氏矢量均与晶体结构有关。位错间相互作用所引起的阻力包括平行位错相互作用所引起的阻力和移动位错与森林位错相互作用所引起的阻力。

2. 晶粒尺寸和亚结构

晶粒尺寸效应体现的是晶界效应，减小晶粒尺寸将增加位错运动的阻碍数量，减少晶粒内部位错堆积群的长度，从而提高屈服强度。

3. 溶质元素

将溶质原子掺入纯金属中，形成间隙型或置换型固溶体合金，将显著提高屈服强度，这称为固溶强化。

4. 第二阶段

工程中金属材料的微观组织一般为多相，第二相对屈服强度的影响与金属材料屈服变形过程中粒子本身是否能变形有着密切的关系，据此可将第二相粒子分为不可变形和可变形两大类。根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相粒子，要做到这一点，必须克服弯曲位错的线张力。含有不可变形第二相粒子的金属材料的屈服强度和流动应力取决于第二相粒子之间的间距。对于可变形的第二相粒子，位错可以切穿它们，使它们与基体一起变形，这样也可以提高屈服强度。

影响屈服强度的外部因素有：

1.温度

一般情况下，金属材料的屈服强度随温度升高而降低，但不同晶体结构的金属材料，其变化趋势不同，如体心立方金属的屈服强度受温度影响较大。

2. 应变速率

在拉伸过程中，加载速度增加，应变速率增大，金属材料的强度会增加。

3. 压力状态

应力状态对金属材料屈服强度的影响也十分重要，剪应力分量越大，越有利于材料塑性变形，屈服强度越低。因此扭转的屈服强度低于拉伸，拉伸的屈服强度低于弯曲。同一应力状态下材料屈服强度不同，并不是材料性能的变化，而是材料在不同条件下的力学行为不同。

3.屈服强度的工程意义

在工程设计中，屈服强度是评价材料强度和稳定性的重要参数，其标准值是根据材料的特性和实验数据确定的，而设计值则根据工程要求和安全系数确定。

1.屈服强度标准值的确定

屈服强度是材料在受力过程中开始发生塑性变形的临界点。在材料的应力-应变曲线中，屈服强度通常与某一应变值相对应。根据国际标准和相关规范，钢材屈服强度的标准值一般是指其0.2%偏移屈服强度。该值是通过大量试验得到的统计平均值，代表材料在正常条件下的强度水平。

2.设计值的确定

设计值是指工程设计中，为满足预定的安全要求，将屈服强度标准值乘以安全系数得到的值。安全系数是根据工程的具体情况和风险评估确定的，综合考虑材料的非均匀性、荷载的不确定性、结构的可靠性等因素，确保工程结构在使用寿命期间不发生失效或破坏。

3、屈服强度标准值与设计值关系

屈服强度标准值与设计值的关系可用下式表示：

设计值=屈服强度标准值×安全系数

安全系数通常是一个大于1的数值，代表设计工程中对材料强度的保守估计。通过调整安全系数的大小，可以控制设计值的大小，以满足工程的安全要求。安全系数大时，设计值会相应减小，更加保证结构的强度和稳定性；安全系数小时，设计值会相应增大，更加考虑结构的经济性和轻量化设计。在工程设计中，可以根据不同的工程要求和材料性质，选取不同的屈服强度标准值和安全系数。对于一些强度要求较高的工程，如桥梁、高层建筑等，通常选取较高的屈服强度标准值和较大的安全系数，以保证结构的安全。对于一些对成本和重量要求比较敏感的工程，如汽车、飞机等，可以选取较低的屈服强度标准值和较小的安全系数，实现轻量化和节省成本的设计。

4、屈服强度不合格的原因

屈服强度不合格的原因可根据制造工艺、材料质量等进行分析。

1.制造过程中遇到的问题：

（1）金属材料热处理时温度、时间控制不合理；

（2）机加工设备精度不高，可能出现问题，影响零件的密度和质量；

（3）焊接工艺不规范，易产生间隙或收缩，影响屈服强度；

（4）材料没有可靠的后处理，尺寸精度和表面质量无法保证。

2、材质原因：

（1）金属材料含量不足或老化；

（2）焊接材料质量差，性能不满足要求；

（3）设计结构不合理，造成零件失去正常的刚度和强度，影响屈服强度；

（4）端面加工不良，缺乏抗疲劳性能，导致部件不稳定。

5、影响焊接屈服强度的因素

1.材料选择

焊接接头材料的选择对屈服强度有重要的影响，不同材料的化学成分、晶体结构、热处理状态等都会影响焊接接头的性能，一般要求焊接材料的屈服强度与母材的屈服强度接近，以保证焊接接头的整体性能。

2.焊接参数

焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度等，这些参数的选择会直接影响焊接接头的屈服强度，焊接电流、电压过高或过低都会导致焊接接头屈服强度的下降。

3.焊接工艺

焊接工艺的选择与实施对焊接接头的屈服强度也起着关键的作用，不同的焊接工艺会产生不同的热输入和冷却速度，从而影响焊接接头的组织和力学性能。