拉伸试验过程中各阶段变形行为的本质

众所周知，根据非连续屈服试样的拉伸应力-应变曲线特征，为简单起见可将其大致分为4个阶段，即：弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段、颈缩阶段。当然，对于连续屈服试样，其屈服阶段和均匀塑性变形阶段可认为是一个阶段。

由上述弹性的不完整性和弹性的本质分析可知，拉伸试验的宏观弹性阶段也存在微区塑性变形，并贯穿于拉伸试验的各个阶段。塑性变形的主要机制为滑移和孪生，而孪生能够提供的塑性变形量相比滑移来说是非常有限的，在探讨塑性变形时该文主要考虑滑移的影响。

为此，有必要引入以下两个公式

式中：ε表示塑性应变速率；b表示位错Burgers矢量的模；ρ表示位错密度；v表示位错运动速率。

式中：τ为作用于位错滑移面上的切应力；τ₀为位错以单位速率运动所需要的切应力；m表示位错运动速率的应力敏感性指数。

为了叙述的方便同时也考虑到塑性变形的明显性，先分析颈缩阶段的本质。为分析方便，引入一个公式如下

dP＝AdS－SdA       （3）

式中：dP表示拉伸过程中瞬时力值的增加量；A表示拉伸试样某时刻的截面积；dA表示截面积瞬时减小量；S表示某时刻截面上的应力；dS表示加工硬化造成的应力瞬时增加量。

颈缩前试样平行部分各处的塑性变形宏观上呈近似均匀变形，颈缩开始后变形主要集中于颈部区域，这时dP＝AdS－SdA＝0，即AdS＝SdA，加工硬化和试样截面积的减少对试样承载力的影响达到平衡，力值不再增加，对应拉伸曲线的抗拉强度点位置。随着应变的增加，dP＝AdS－SdA＜0，即AdS＜SdA，此时试样截面积减小的影响占主导，力值持续减小直至断裂。

由式(1)可知，试样微区的塑性应变速率由Burgers矢量、位错密度、位错运动速率三者的乘积决定。随着塑性变形的增加，位错密度快速增加使得位错运动速率降低。

由式(2)可知，位错运动速率的降低必然会使切应力降低，从而造成试样整体应力的下降，这即为拉伸曲线上观察到的上屈服点和屈服下降的本质。

屈服的整个过程与上屈服点和屈服下降的本质是一样的，所不同的仅仅是应力的增加与否或增加快慢的问题，而这主要取决于式(3)中的各个变量。式(3)亦可解释连续屈服和非连续屈服，连续屈服时AdS永远大于SdA，非连续屈服时将多次或者长时间出现AdS＝SdA的现象，从真应力-真应变曲线来看，连续屈服和非连续屈服的图形均为向上的抛物线，两者并无本质区别，反映在人为的日常所见的应力-应变曲线上才出现了连续屈服和非连续屈服现象。值得注意的是，鉴于位错滑移的本质和特性，屈服阶段和均匀塑性变形阶段从细观的层面来研究的话也具有不同时性和不均匀性。

至此，结合细观和宏观现象，可以对拉伸过程进行总体描述，即整个拉伸过程中均伴随有微区域不同时性和不均匀性的微塑性变形和微颈缩现象，这种微塑性形变和微颈缩的不均匀程度不仅与材料特性相关，同时也与拉伸各个阶段的应变速率或应力速率有关。

（1）拉伸试验的弹性阶段也存在不同时性、不均匀性的塑性变形或微塑性变形，弹性性能在宏观上呈现近似线性特征。

（2）微塑性变形的动态不均匀过程产生了宏观上近似均匀变形的屈服阶段和均匀塑性变形阶段。

（3）颈缩阶段微塑性变形的动态不均匀过程在宏观上表现得最为明显。