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屈服应力

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中文名;屈服应力 外文名;yield stress 别称;流动应力 含 义;使材料发生屈服时的正应力 影响因素;温度、变形速度、应力状态等 学 科;材料力学

在材料拉伸或压缩过程中，当应力达到一定值时，应力有微小的增加，而应变却急剧增长的现象，称为屈服，使材料发生屈服时的正应力就是材料的屈服应力。流体的屈服应力是指对于某些非牛顿流体，施加的剪应力较小时流体只发生变形，不产生流动。当剪应力增大到某一定值时流体才开始流动，此时的剪应力称为该流体的屈服应力。

定义描述

应力去除时能产生永久变形的最小应力值可作为屈服应力的简单定义。虽说这个定义对金属材料是适用的，但在高聚物的场合就不同了，因为此时弹性可逆形变与塑性不可逆形变之间的差别变得不那么明显了。在高聚物的多种场合，例如拉伸试验，屈服现象与由荷重-伸长曲线中观察到的负荷极大值是一回事。因此，对高聚物的屈服应力还可定义为荷重-伸长曲线中负荷极大值时的真应力。由于该应力值在样品伸长较小时即可达到，因此人们通常使用屈服应力的工程定义，即负荷极大值除以起始截面积。

在某些情形下观察不到荷重-伸长曲线中的负荷降，这就需要再给出屈服应力的其他定义。有一种定义是取荷重-伸长曲线转折处两侧的切线，其交点所对应的应力值作为屈服应力。另外一种方法是取应力一应变曲线的起始部分的斜率，然后偏移一个应变量，例如0.2%，再按此斜率作一平行线，它与应力一应变曲线的交点定义的应力值，叫做偏移应力或检验应力，可以此定为屈服应力。

此外，屈服应力还描述为：材料在单向拉伸（或压缩）过程中，由于加工硬化，塑性流动所需的应力值随变形量增大而增大。对应于变形过程某一瞬时进行塑性流动所需的真实应力叫做该瞬时的屈服应力，亦称流动应力。如果忽略材料的加工硬化，可以认为屈服应力为一常数，并近似等于屈服极限（σs）。实际上，屈服应力是一个由形变速度、形变温度、形变程度决定的函数，且这些参数彼此相互影响，并通常与材料特性相关。

确定方法

在金属的弹性变形达到极限后，其强度就会发生小范围的波动，这时也就是塑性变形开始了。这个点即是屈服点，这时所受的应力就叫做屈服应力或屈服强度。屈服点之前一般金属的变形量与拉力接近一次线性关系，屈服点之后就变为二次线性关系（抛物线），即拉力增加不大，但产生的变形量却相对较大。

对于多晶体材料而言，材料塑性变形的屈服应力一般取残余应变为0.2%时所加的应力，即所谓的σ0.2，如图9-19中的图（a）所示。另一种方法是把应力-应变曲线的弹性阶段及塑性阶段曲线外推的交点作为屈服应力，如图9-19中的图（b）所示。

有些钢材（如高碳钢）无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形（0.2%）时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。

测量

屈服应力是一个应力界限，应力低于它时材料具固体特性，不会流动，应力高于屈服应力时，开始流动并产生无限的形变，显示牛顿粘性。

用控制应力（CS）型流变仪测量屈服应力最理想，用这种类型的流变仪测量时，向转子施加受控应力，当应力小于样品的屈服应力时，转子被样品“夹住”不能动，因为转子不能动，仪器便测不到有效的剪切速率，流动曲线与应力轴完全重叠，一旦应力超过屈服值，转子开始转动，应力随剪切速率而增加，流动曲线以一定斜率上升，如图1中的圆点曲线，屈服应力可精确得到。

如果用控制速率（CR）型流变仪，这种仪器的马达接了测速发电机，使马达以设定的转速旋转并驱动转子，马达开始缓慢旋转，其转速由测速发电机的电信号检测，在达到屈服应力前，虽然转子被样品“夹住”不能动，扭矩弹簧略却会微偏转（偏转的程度与弹簧的软硬程度有关），因此这段的流动曲线不是沿应力轴上升，而是一条偏离应力轴的直线，

如图1中的三角点曲线，它只是来自测速发电机及扭矩弹簧的信号，而不是样品的流变曲线。当剪切样品的应力随剪切速率而增加并达到屈服应力时，转子才开始旋转（从静止状态立即加速到马达的转速），流动曲线的斜率急剧改变，转子转速与马达转速同步增长。用CR型流变仪测量屈服阻力时，将流动曲线斜率发生突变点的剪切应力值定义为样品的屈服应力，这样测得的屈服值通常要比用CS模式测得的值略大些。因此用带有软弹簧扭矩传感器的CR型流变仪测量屈服应力，尤其是低屈服值的样品的测量结果是会受到质疑的。图2中的三角点曲线是用带有全量程扭转为90°的软弹簧的CR型流变仪测得的。有些CR型流变仪的扭矩弹簧已用硬弹簧，如HAAKE的RTl0流变仪用的硬弹簧的扭矩全量程仅扭转0.5°，大大提高了测量屈服应力韵可靠性。

图2是用HAAKE的RSl00犁流变仪试验的两种西红柿酱的流动曲线涮试验用两种模式（CS与CR）组合运行，小于屈服应力用CS模式，以后用CR模式。可以看出在屈服应力前的“流动曲线”仍然略偏离应力轴，这种现象被解释为在屈服应力前样品有某种程度的蠕变，也许还发生一些弹性形变。

影响因素

有Hall-Petch公式可见，屈服应力既受晶内的成分、组织的影响，又受晶粒尺寸、晶界组织的影响。所以，与弹性模量不同，它是一个内部因素即成分、组织敏感的力学性能；另一方面，它又与诸多外部因素如温度、变形速度和应力状态等有密切关系，而且这些关系都是材料力学性能分析和试验研究中经常要注意到的问题，所以，以下主要讨论这些外部因素对屈服应力的影响。

温度

温度升高，屈服应力下降。通常有两方面的原因：其一是随温度上升，原子热振动增大，点阵间距增加，弹性模量下降，晶格对位错运动的阻力也下降。不过，不同基体的晶体结构对温度的敏感性不同，三种常见结构的单晶体的临界分切应力与温度的关系是，体心立方结构最敏感，密排六方次之之，面心立方最不暾感。其二是温度上升，阻碍位错运动的因素可借热激活和原子扩散等过程得到克服。

变形速度

凡和原子扩散有关的位错运动阻力必然要受到变形速度的影响。一般说来，变形速度上升相当于温度下降，通过测试普通碳钢的屈服应力与加载速度的关系。可得在加载速度≈10N/mm2/s附近时大致相当于得到最低和稳定的屈服应力值。所以，为了测得可比的屈服应力，标准试验方法中通常规定的加载速度应<30N/mm2/s。

应力状态

同一材料在不同加载方式下，有着不同的屈服应力。这是因为，从实质上看只有切应力才引起材料的塑性变形，而不同的应力状态下，材料中一点所受到的切应力分量和正应力分量的比值不同，即软性系数α不同。α愈大即切应力相对愈大的应力状态下，其有效屈服强度就愈低，反之愈高。所以，按不同加载方式如扭转，拉伸，弯曲，三向不等拉伸所得到的有效屈服强度一个比一个高。

反载软化现象

在塑性变形阶段，实际应力曲线上每一点的应力值，都可理解为材料在相应的变形程度下的屈服点。

如果卸载后反向加载，由拉伸改为压缩，应力与应变的关系又会产生什么样的变化呢？试验表明，反向加载时，材料的屈服应力较拉伸时的屈服应力有所降低，出现所谓反载软化现象。反向加载时屈服应力的降低量，视材料的种类及正向加载的变形程度不同而异。关于反载软化现象，有人认为可能是因为正向加载时材料中的残余应力引起的。

结构屈服应力的求法，一般借用前期固结压力求结构屈服应力,其主要方法有:Casagrande法和Schmertman法等方法。

参考来源

6.4 管道膨胀节应力校核 应力可小于2倍屈服应力