包申格效应是金属材料在某一方向发生塑性变形后，反向加载时屈服强度下降的现象。[1] 材料经预加载产生少量塑性变形（残余应变约 1%～4%）并卸载后，沿原方向继续加载时屈服强度较变形前提高，反向加载时屈服强度则较变形前降低，弹性极限在部分材料中几乎降至零。[2][3] 该现象由德国学者约翰·包申格于 1886 年在铜、铁等金属的试验中首次系统记载并据此命名，是多数多晶体金属普遍存在的力学行为，对金属成形、管道制造和疲劳寿命评估均有重要影响。[4]
定义
包申格效应描述的是金属材料的屈服强度随加载方向历史而改变的行为。材料先沿某一方向加载并产生塑性变形，卸载后若继续沿原方向加载，其屈服强度高于变形前的水平；若改为反向加载，屈服强度则低于变形前的水平，弹性极限在极端情况下接近零。[2][3] 这种正反向屈服强度的不对称，使材料表现出明显的各向异性，也使塑性加工过程中的力学分析更为复杂。[5]
该效应又称包辛格效应，英文名为 Bauschinger effect，简称 BE。[2] 它并非个别材料的特殊现象，在铁、钢、铜合金、铝合金、钛合金、镁合金等多数多晶体金属中都能观察到。[3] 由于预加载方向与量值不同，其表现程度也存在差异，通常用正向与反向屈服应力之差来表征。[6]
原理
经典理论认为，包申格效应主要源于塑性变形过程中产生的背应力。[4] 正向加载时，位错运动到晶界、第二相粒子、不动位错等障碍处受阻并聚集，该处位错密度升高，由此形成的背应力阻碍位错继续沿原方向运动，却有助于位错反向运动，同时在位错受阻的反方向留下低密度位错区。[1][6] 反向加载时，位错较容易越过这一低密度区，宏观上即表现为屈服强度下降。[6]
背应力可进一步分为晶内背应力和晶间背应力：前者源于晶粒内部位错组态的演化，后者源于相邻晶粒之间塑性应变的不相容。[7] 在塑性理论中，该效应借助随动硬化描述，屈服面在应力空间中发生平移，其中心位置由背应力张量决定；一维情形下屈服条件可写为 $|\sigma-\alpha|=\sigma_y$，其中 $\alpha$ 为背应力，$\sigma_y$ 为初始屈服应力。[8] 正向加载使 $\alpha$ 增大后，反向屈服应力的绝对值降为 $\sigma_y-\alpha$，因而低于原始屈服应力，这从力学上解释了反向软化。[8]
发展历程
1886 年，德国学者约翰·包申格在铜、铁等金属的试验中首次系统记载并论述了材料反向加载时的软化行为，该现象后来以其名字命名。[4] 20 世纪，研究者从位错理论和内应力角度对该效应进行了综述，归纳了相应的硬化模型与内应力大小的计算方法，并探讨了消除或减小该效应的途径。[9]
近二十年来，原位透射电子显微镜、高能同步辐射X射线衍射、电子背散射衍射等实验手段，以及离散位错动力学、晶体塑性有限元等计算方法被用于探讨其微观机制，研究思路从宏观唯象描述逐步转向多尺度定量预测。[4]
应用
包申格效应在金属塑性加工中影响显著，最典型的领域是螺旋焊管制造。制管时板卷经受反复的正反向弯曲变形，由此产生的包申格效应使钢管屈服强度低于原始板材，可能造成产品达不到技术条件要求。[10][11] 对某批进口 X65 卷板的统计显示，制管后屈服强度平均下降约 20 MPa，最大下降值达 56 MPa。[12]
管体取样并压平制备拉伸试样的环节也会引入包申格效应，从而影响按相关标准对管体屈服强度的表征结果。[13] 针对 X65、X70、X80 钢级螺旋埋弧焊管的研究表明，受该效应影响，X65 和 X70 钢管的屈强比较卷板有所下降，而 X80 钢管部分壁厚反而呈升高趋势，因此制管厂在制定卷板技术条件时需要加以考虑。[14]
在工程控制方面，可通过热处理使背应力释放来减弱其不利影响，例如对调质态钢在 400～600 ℃ 回火 1.5 小时后，背应力得到释放，包申格效应明显改善。[15] 在循环加载条件下，该效应是预测疲劳寿命、棘轮效应和平均应力松弛时必须考虑的力学行为，工程中通常借助随动硬化模型加以描述。[8] 它也可以被主动利用，例如自增强工艺通过引入有益的残余应力来提高构件的承载能力。[16]
局限
包申格效应使金属的塑性行为趋于复杂，可能造成对材料性能的估计偏差。在常规塑性加工的力学分析中，往往为简化计算而不予计入；但对存在往复加载与反向塑性变形的过程，则必须将其纳入考虑。[5]
描述该效应的唯象模型存在明显不足。模型中的材料参数缺乏明确的物理意义，难以与位错密度、晶粒尺寸、析出相形貌等微观结构建立联系，因而在改变材料体系或加载条件后外推预测能力有限。[4]
经典理论多建立在宏观均匀化假设之上，忽略了晶粒取向、晶界类型、第二相分布等微观结构非均匀性带来的影响，也难以准确描述高熵合金、镁合金、纳米结构金属和形状记忆合金中出现的特殊包申格效应。[4]
在模型参数标定方面，各向同性硬化与随动硬化的多种参数组合可能给出几乎相同的稳定滞回环，使参数无法唯一确定，需要设计更复杂的加载路径来分别确定屈服面的大小与中心位置。[8]
参见
参考资料
- 引文格式：魏晶磊，周存龙，魏东，等 . cnki.net [引用日期2026-09-27]
- 7A04铝合金包申格效应研究 . 万方数据知识服务平台 [引用日期2026-09-27]
- Bauschinger Effect . springer.com [引用日期2026-09-27]
- 以上两种机制是在不同材料和不同变形阶段中共同发挥作用的 . sciengine.com [引用日期2026-09-27]
- 包辛格效应_百度百科 . baidu.com [引用日期2026-09-27]
- 10CrNi5MoV钢的包申格效应研究 . 725.com.cn [引用日期2026-09-27]
- 包辛格效应和循环变形过程中产生的背应力有关，而Feaugas和Gaudin把背应力分成两个部分，即晶内背应力和晶间背应力 . ustb.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- 运动硬化模型 | Bohrium . bohrium.com [引用日期2026-09-27]
- 金属材料的包申格效应综述-中国核科技报告2002年00期-手机知网 . imac.edu.cn [引用日期2026-09-27]
- 包申格效应对螺旋焊管强度的影响-焊管1998年06期-手机知网 . 手机知网 [引用日期2026-09-27]
- 螺旋埋弧焊钢管卷制中包带格效应的机理分析 . pipechina.com.cn [引用日期2026-09-27]
- 包申格效应对X65管道钢管强度的影响 . pipechina.com.cn [引用日期2026-09-27]
- 成形内应力对油气管屈服强度的影响 . pipechina.com.cn [引用日期2026-09-27]
- 包申格效应对X 65、X70、X80钢级螺旋埋弧焊管强度的影响OA . napstic.cn [引用日期2026-09-27]
- 10CrNi8MoV钢的包申格效应及恢复热处理 . 万方数据知识服务平台 [引用日期2026-09-27]
- 包辛格效应 | Bohrium . bohrium.com [引用日期2026-09-27]
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最近更新：2026-09-27T15:49:47Z
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