金屬材料拉伸試驗是測試其力學性能的基本方法之一，廣泛應用于航空航天、核電、軍工、汽車、機械設備、電子器材、醫療器械、建筑等各個行業，本文將從細觀尺度的晶粒、晶面、位錯、滑移等方面探討拉伸試驗變形的本質。

彈性的不完整性

完整的彈性應該是加載時立即變形，卸載時立即恢復原狀，應力-應變曲線上加載線與卸載線完全重合，即應力和應變同相。但是實際上，彈性變形時加載線與卸載線并不重合，應變落后于應力，存在著彈性后效、滯彈性和包申格(Bauschinger)效應，這些效應的存在說明宏觀彈性變形并非理想的彈性變形，即宏觀的彈性變形中存在著非彈性變形。

多個研究表明：在外力作用下，部分位錯會先達到臨界切應力而滑移(產生微屈服)，值得注意的是位錯滑移不僅取決于促使位錯開動的臨界切應力，同時也取決于位錯的取向因子μ。

非彈性變形、微屈服現象、位錯滑移均為塑性變形的表現形式，宏觀線性階段的微屈服現象研究最多的材料當屬鈹材，有研究者歸納出了鈹材產生一個單位(10-6)微屈服σmys與規定塑性延伸強度Rp0.2的經驗公式為：Rp0.2＝171.0＋2.728σmys。事實證明拉伸試驗的彈性階段確實存在著塑性變形，彈性性能宏觀上呈近似線性特征。

彈性的本質

彈性在微觀上表現為原子間的作用力與原子間的位移，對于理想晶體而言，

式中：P表示原子間的作用力；r表示原子間距；A表示原子間吸引力常數，B表示原子間排斥力常數，A和B均與原子本性和晶格類型有關。

由上式可知，原子間作用力與原子間距并不是成正比關系，這從本質上反映了Hooke定律的近似性而不是絕對性。彈性性能與特征是原子間結合力的宏觀體現，而r值非常小，在此情況下，宏觀上表現出的彈性性能呈現近似線性特征。

工程中大多數金屬材料為多晶體材料，其中各個晶粒的空間取向是不同的，而發生形變的晶體中位錯和缺陷的分布也是不均勻的，存在明顯的局部成簇傾向。在外力作用下，彈性變形尚小時微屈服首先在這些達到位錯滑移條件的晶粒內開始。此后隨著應力的增大，產生塑性變形的晶粒越來越多，塑性變形量也越來越大以至于宏觀上可以觀測到。即多晶體中各個晶粒的塑性變形具有不同時性和不均勻性，這種不均勻性不僅反映在同一晶粒內部的不同區域、不同晶粒之間，而且也反映在試樣的不同區域之間。因此，理想的彈性是不存在的，塑性變形是絕對的，而彈性變形是相對或者近似的。

拉伸試驗過程中各階段變形行為的本質

眾所周知，根據非連續屈服試樣的拉伸應力-應變曲線特征，為簡單起見可將其大致分為4個階段，即：彈性階段、屈服階段、均勻塑性變形階段、頸縮階段。當然，對于連續屈服試樣，其屈服階段和均勻塑性變形階段可認為是一個階段。

由上述彈性的不完整性和彈性的本質分析可知，拉伸試驗的宏觀彈性階段也存在微區塑性變形，并貫穿于拉伸試驗的各個階段。塑性變形的主要機制為滑移和孿生，而孿生能夠提供的塑性變形量相比滑移來說是非常有限的，在探討塑性變形時該文主要考慮滑移的影響。

為此，有必要引入以下兩個公式

式中：ε表示塑性應變速率；b表示位錯Burgers矢量的模；ρ表示位錯密度；v表示位錯運動速率。

式中：τ為作用于位錯滑移面上的切應力；τ0為位錯以單位速率運動所需要的切應力；m表示位錯運動速率的應力敏感性指數。

1、頸縮階段

為了敘述的方便同時也考慮到塑性變形的明顯性，先分析頸縮階段的本質。為分析方便，引入一個公式如下

dP＝AdS－SdA       （3）

式中：dP表示拉伸過程中瞬時力值的增加量；A表示拉伸試樣某時刻的截面積；dA表示截面積瞬時減小量；S表示某時刻截面上的應力；dS表示加工硬化造成的應力瞬時增加量。

頸縮前試樣平行部分各處的塑性變形宏觀上呈近似均勻變形，頸縮開始后變形主要集中于頸部區域，這時dP＝AdS－SdA＝0，即AdS＝SdA，加工硬化和試樣截面積的減少對試樣承載力的影響達到平衡，力值不再增加，對應拉伸曲線的抗拉強度點位置。隨著應變的增加，dP＝AdS－SdA＜0，即AdS＜SdA，此時試樣截面積減小的影響占主導，力值持續減小直至斷裂。

2、屈服階段和均勻塑性變形階段

由式(1)可知，試樣微區的塑性應變速率由Burgers矢量、位錯密度、位錯運動速率三者的乘積決定。隨著塑性變形的增加，位錯密度快速增加使得位錯運動速率降低。

由式(2)可知，位錯運動速率的降低必然會使切應力降低，從而造成試樣整體應力的下降，這即為拉伸曲線上觀察到的上屈服點和屈服下降的本質。

屈服的整個過程與上屈服點和屈服下降的本質是一樣的，所不同的僅僅是應力的增加與否或增加快慢的問題，而這主要取決于式(3)中的各個變量。式(3)亦可解釋連續屈服和非連續屈服，連續屈服時AdS永遠大于SdA，非連續屈服時將多次或者長時間出現AdS＝SdA的現象，從真應力-真應變曲線來看，連續屈服和非連續屈服的圖形均為向上的拋物線，兩者并無本質區別，反映在人為的日常所見的應力-應變曲線上才出現了連續屈服和非連續屈服現象。值得注意的是，鑒于位錯滑移的本質和特性，屈服階段和均勻塑性變形階段從細觀的層面來研究的話也具有不同時性和不均勻性。

為了表述清晰，定義一個微頸縮的概念，即不同時性和不均勻性的位錯滑移必將在試樣局部微區域產生不均勻塑性變形(局部微區域產生微頸縮)。在定義了這樣一個概念之后，就可以從細觀層面描述屈服階段和均勻塑性變形階段，即該階段自始至終都在不同的微區、不同的時間不間斷地產生一個個不同的微頸縮，當某些微頸縮達到一定程度時就不再繼續，而未達到微頸縮停止條件的則繼續進行，這樣一個動態不均勻過程產生了屈服階段和均勻塑性變形階段宏觀上近似的均勻變形。

3、拉伸總體過程

至此，結合細觀和宏觀現象，可以對拉伸過程進行總體描述，即整個拉伸過程中均伴隨有微區域不同時性和不均勻性的微塑性變形和微頸縮現象，這種微塑性形變和微頸縮的不均勻程度不僅與材料特性相關，同時也與拉伸各個階段的應變速率或應力速率有關。

結論

（1）拉伸試驗的彈性階段也存在不同時性、不均勻性的塑性變形或微塑性變形，彈性性能在宏觀上呈現近似線性特征。

（2）微塑性變形的動態不均勻過程產生了宏觀上近似均勻變形的屈服階段和均勻塑性變形階段。

（3）頸縮階段微塑性變形的動態不均勻過程在宏觀上表現得最為明顯。