大家一直爭論的的屈服強度和抗拉強度

11 人贊了文章

首先自我介紹一下，本人一直從事醫療器械產品研發管理工作，從專業角度來解釋這個問題。

什麼是的屈服強度和抗拉強度。

要說這兩個概念，先從材料是如何被破壞的說起。任何材料在受到不斷增大或者持續恆定或者持續交變的外力作用下，最終會超過某個極限而被破壞。對材料造成破壞的外力種類很多，比如拉力、壓力、剪切力、扭力等。屈服強度和抗拉強度這兩個強度，僅僅是針對拉力而言。這兩個強度是通過拉伸試驗得出的，是通過拉力試驗機（一般是萬能試驗機，可以進行各種拉和壓以及彎曲的試驗），用規定的恆定的加荷速率(就是單位時間內拉力的增加量)，對材料進行持續拉伸，直到斷裂或達到規定的破壞程度（比如有些對接焊縫強度試驗可以不拉斷），這個造成材料最終破壞的力，就是該材料的抗拉極限載荷。抗拉極限載荷是一個力的表述，單位為牛頓（N），因為牛頓是一個很小的單位，所以，大部分情況下用千牛（KN）的比較多。因為各種材料大小不一，所以抗拉極限載荷很難評判材料的強度。所以，用抗拉極限載荷除以實驗材料的截面積，就得到單位面積的抗拉極限載荷。單位面積上受的力，這是一個強度的表述，單位是帕斯卡（Pa），同樣，帕斯卡是一個極小的單位，一般都用兆帕（MPa）來表述。

所以，抗拉極限載荷與實驗材料的截面積之比，就是抗拉強度。抗拉強度是材料單位面積上所能承受外力作用的極限。超過這個極限，材料將被解離性破壞。

那什麼是屈服強度呢？屈服強度僅針對具有彈性材料而言，無彈性的材料沒有屈服強度。比如各類金屬材料、塑料、橡膠等等，都有彈性，都有屈服強度。而玻璃、陶瓷、磚石等等，一般沒有彈性，這類材料就算有彈性，也微乎其微，所以，沒有屈服強度一說。

彈性材料在受到恆定持續增大的外力作用下，直到斷裂。究竟發生了怎樣的變化呢？

首先，材料在外力作用下，發生彈性形變，遵循胡克定律。什麼叫彈性形變呢？就是外力消除，材料會恢復原來的尺寸和形狀。當外力繼續增大，到一定的數值之後，材料會進入塑性形變期。材料一旦進入塑性形變，當外力，材料的原尺寸和形狀不可恢復！而這個造成兩種形變的的臨界點的強度，就是材料的屈服強度！對應施加的拉力而言，這個臨界點的拉力值，叫屈服點。從晶體角度來說，只有拉力超過屈服點，材料的晶體結合才開始被破壞！材料的破壞，是從屈服點就已經開始，而不是從斷裂的時候開始的！

弄清楚這兩個強度怎麼來的了，所以說，屈服強度高的材料，能承受的破壞力就大，這是正確的。

但我要說的是不管哪個強度，只拿一個來說事，都不能說明這種材料安全與否或者結實與否！

咱們這裡就說鋼材吧，別的不說了。關於屈服強度和抗拉強度還有一個參數，可能知道的人不多，它究竟起什麼左右，可能知道的人更少。這個參數就是屈強比！屈強比就是屈服強度和抗拉強度的比值。範圍是0~1之間。屈強比是衡量鋼材脆性的指標之一。屈強比越大，表明鋼材屈服強度和抗拉強度的差值越小，鋼材的塑性越差，脆性就越大！

為什麼這樣說呢，這裡要引進一個新的指標——延伸率。通俗一點說就是鋼材被拉斷後，和原來比，伸長了多少。這是檢驗鋼材塑性好壞的一個重要指標。這個數值越大，表明鋼材的延展性越好。上面我說了，當鋼材拉伸超過屈服點之後，這個時候的鋼材已經不可能恢復原來的尺寸，一直到斷裂，鋼材都在不斷的被拉長。屈強比越大，屈服強度和抗拉強度的差值越小，那麼在的加荷速率不變的情況下，鋼材被拉長的時間就越短，那麼延伸率就越低。

有點羅嗦了！下面進入正題！

根據能量守恆定律，能量只能轉換或者傳遞。當鋼材被拉伸的時候，歸根結底是能量的轉換吸收。在屈服點之前，鋼材處於彈性形變期，外部拉力幾乎全部被彈力抵消（轉化為彈性勢能），外來能量並沒有多少被吸收或者轉化，只有少量轉化為熱能。當過屈服點之後，外力部分被彈力抵消（轉化為彈性勢能），而部分則被轉化為熱能，外力的作用於鋼材上的能量，主要是在塑性形變期被吸收的！

我上面提到，材料的破壞是從屈服點開始的。屈強比越低，那麼材料從開始破壞到斷裂的時間越長，屈強比越高，材料從開始破壞到斷裂的時間越短。能量在屈服點到斷裂點之間被大量轉化為熱能。

所以，單純說屈服強度高或者抗拉強度高，那麼這種材料就一定好或者更安全。未必！只有屈服強度高，同時屈強比低的鋼材，才更安全一些！可惜，這樣的鋼材成本太高，都不大可能被用於民用車輛上。

現在鋼材除強度，還有一個重要的指標就是韌性！到目前為止，我還沒有看到那一家車企對所用鋼材的韌性如何做一個描述！基本上都是對鋼材的強度大肆渲染！恰恰相反的是，在絕大多數情況下，提高鋼材的強度，往往會降低鋼材的韌性！降低韌性，就是增加脆性！而鋼材的韌性，是關係到鋼材安全的一個重要指標

有一個指標可能被車企有意無意的遺忘了——衝擊韌性或衝擊功。

用相同的力，推你一下或者猛擊你一下，哪個對你的傷害大？答案很明顯！鋼材的抗衝擊能力高低，才是關係的安全的重要因素！沒見過那次車禍是慢慢加力直到把車拉斷的吧？都是瞬間撞擊！如果你扛不住瞬間作用力，你抗拉強度再大有毛用？

從現在已經直到的鋼材來看，凡是大於1000Mpa的強度，大多是抗拉強度，屈服強度超過800Mpa也不是什麼困難的事情，比如40Cr這種常見的「萬能鋼」（基本上屬於幹啥都行的），一般的調製工藝屈服強度也能接近800Mpa,抗拉強度900MPa以上。

但是三者兼顧，高屈服、高延伸、有良好抗衝擊能力就比較難了！

幾乎所有的鋼材都存在同樣的問題，那就是在提高鋼材強度的同時，降低鋼材的抗衝擊能力！比如10.9級的高強螺栓，抗拉強度在1040-1240MPa為合格，屈服強度大於940Mpa,延伸率大於10%，衝擊韌性59J/CM2；而同材質8.8級高強螺栓（低一個級別），抗拉強度在830-1030MPa為合格，屈服強度大於660Mpa,延伸率大於12%，衝擊韌性78J/CM2。

所以，對於絕大多數金屬材料而言，在提升某些技術指標性能的同時，是以降低某些技術性能指標為代價來實現的。是不能兼顧的。鋼鐵工業是人類最成熟的工業技術之一，沒有什麼太多的秘密。鋼鐵材料的各項技術指標，並非是越高越好，或者越低越好，而是根據需要，將各項指標調整到一個能夠兼顧的範圍內。對於我們行業的人而言，鋼材除了結構上有問題外（指的產品缺陷），各項技術指標沒有好壞之分，要看你在哪裡用。只有用錯地方，而沒有用錯東西一說。