屈服应力

1. 定义与基本概念

屈服应力（Yield Stress） 是材料在受力过程中，从弹性变形阶段过渡到塑性变形阶段的临界应力值。当施加的应力超过此值时，材料将发生不可逆的塑性变形，即使卸载后也无法恢复原状。

• 弹性变形：应力与应变成正比（遵循胡克定律），变形可逆。

• 塑性变形：应力超过屈服点后，材料内部结构（如金属的晶格）发生永久性位移。

2. 屈服点的确定方法

不同材料的应力-应变曲线表现各异，确定屈服点的方法主要有：

• 明显屈服点：如低碳钢，曲线出现明显的平台（屈服阶段），此时应力波动但应变显著增加。

• 无屈服平台材料（如铝、铜、高分子材料）：

  • 偏移法：通常取产生 0.2% 塑性应变 对应的应力作为屈服强度（记为 ${\sigma }_{0.2}$）。

  • 切线法：在弹性段画切线，与曲线切点的偏移量对应屈服应力。

3. 影响屈服应力的主要因素

4. 屈服准则：复杂应力状态下的判断

在多轴应力状态下，需通过屈服准则判断材料是否开始塑性变形，常用理论包括：

• Tresca准则（最大剪应力理论）：

  $${\tau }_{\text{max}}=\frac{{\sigma }_1-{\sigma }_3}{2}\ge {\tau }_y$$

  适用于金属材料，预测偏保守。

• von Mises准则（畸变能理论）：

  $$\sqrt{\frac{1}{2}[({\sigma }_1-{\sigma }_2{)}^2+({\sigma }_2-{\sigma }_3{)}^2+({\sigma }_3-{\sigma }_1{)}^2]}\ge {\sigma }_y$$

  更符合多数金属的实验数据。

5. 工程应用实例

• 机械设计：选择材料时需确保工作应力低于屈服应力。例如，桥梁用钢的屈服强度通常设计为 ≥345 MPa。

• 成型工艺：

  • 冲压：需使材料应力超过屈服点以实现塑性变形，但低于抗拉强度以防断裂。

  • 锻造：通过高温降低屈服应力，节省加工能耗。

• 安全评估：压力容器设计中，屈服强度是确定壁厚的关键参数（如ASME标准）。

6. 典型材料的屈服应力范围

7. 测试标准与方法

• 拉伸试验（ASTM E8/E8M）：最常用方法，通过万能试验机测量应力-应变曲线。

• 硬度换算：通过布氏硬度（HB）或洛氏硬度（HRC）间接估算屈服强度（经验公式）。

• 纳米压痕：微观尺度下测试局部屈服行为，适用于薄膜或微小样品。

8. 屈服应力的微观机制

• 金属材料：屈服与位错滑移启动相关。晶界、析出相阻碍位错运动，提高强度。

• 高分子材料：链段解缠结或晶体滑移主导塑性变形，屈服后可能出现“颈缩”。

• 非晶合金：通过剪切带局部软化引发屈服，表现为突发性塑性流动。

9. 前沿研究与挑战

• 高熵合金：通过多主元设计实现超高屈服强度（如CoCrFeMnNi合金可达1.5 GPa）。

• 仿生材料：模仿贝壳层状结构，提升屈服后的韧性（如金属/陶瓷复合材料）。

• 极端环境：核反应堆材料需在高温、辐射下保持稳定屈服行为。

10. 总结与展望

屈服应力是材料力学性能的核心指标，贯穿工程设计、制造与失效分析。随着计算材料学（如分子动力学模拟）和先进表征技术的发展，对屈服机制的认知正不断深入。未来，通过跨尺度设计（从原子排列到宏观结构）优化屈服行为，将推动高性能材料的创新应用。