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1、材料强化,第四章,4.1 概述,力学性能是材料的基本性质。材料的强度是材料力学性能中最重要的一项。对于结构材料和功能材料来说，都是非常重要的。,2,材料物理,Contents,4.2 力学实验与材料性能,4.3 加工硬化,4.4 固溶强化,4.5 弥散强化,4.6 固态相变强化,3,材料物理,拉伸试验,表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所得到的屈服强度和抗拉强度。拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加的负载的能力。,4,材料物理,拉伸试验方法示意图,5,材料物理,拉伸试验的实验数据,拉伸试验所得到的实验数据是试样长度随着负载力的变化而产生的变化。为了便于不同尺寸材料的比较，通常将纵坐标（
2、负载力）除以试样的横截面积A，将横坐标（试样长度的变化）除以原始长度L0。这就是我们所说的应力-应变曲线。,6,材料物理,应力-应变曲线,(a)真实应力-应变曲线(b)工程应力-应变曲线,7,材料物理,应力曲线,工程应力-应变曲线 A代表拉伸试验前试样的原始截面积。（颈缩出现后误差较大）真实应力-应变曲线 A代表拉伸试验中试样某一阶段的截面积。颈缩：当应变的增加不再产生负载的增加时，即dP=0时，就要出现塑性失稳，或者说产生颈缩。,8,材料物理,弹性形变，遵从Hooke定律，应变和应力成正比，比例常数称为弹性模量。,9,材料物理,弹性形变,材料未受外力时，原子处于平衡位置，原子间的斥力和引力相
3、平衡，当外力不大时，只能克服部分原子间相互作用，使原子发生相对位移而改变原子间距，产生弹性形变，外力去除后，恢复到平衡位置。弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小，原子间结合力越大，其弹性模量越高。,10,材料物理,弹性形变,它们均表示材料变形的难易程度，即引起单位变形所需要的应力大小。,11,材料物理,12,材料物理,弹性极限e,应力超过弹性极限以后，材料将开始发生塑性形变。,弹性极限,13,材料物理,屈服现象：在试验过程中，外力不增加，试样仍能继续伸长，或外力增加到一定的数值突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下，试样继续伸长变形，这就是屈服现象。,屈服现象,屈服点,呈现屈服现
4、象的金属材料在拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点s。试样发生屈服，上下波动的应力首次下降前的最大应力称为上屈服点，用su表示，屈服阶段中最小的应力称为下屈服点，用sl表示。在屈服过程中产生的伸长称为屈服伸长。屈服伸长对应的水平线段或曲线称为屈服平台或屈服齿。,14,材料物理,屈服强度,通常，用应力表示的屈服点或下屈服点就用来表示材料对微量塑性变形的抵抗力，即屈服强度。为什么选下屈服点，而不是上屈服点？上屈服点波动性很大，对试验条件的变化很敏感，而在正常试验条件下，下屈服点的再现性较好。,15,材料物理,屈服强度,对金属来说，屈服强度时位错开始滑移所需要的应力。屈服现象的原因
5、 本来材料在下屈服点所对应的应力下就能发生塑性形变，但是由于位错周围存在一些小的间隙杂质原子，阻碍了位错的滑移，使得屈服应力增加到上屈服点，一旦位错在上屈服点应力的作用下开始滑移，摆脱了杂质原子的阻碍之后，位错就可以在下屈服点的应力作用下继续滑移。,16,材料物理,17,材料物理,屈服强度s,屈服强度,许多金属材料在拉伸试验中看不到明显的屈服现象，通常用规定微量塑性伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗力。一般来说，我们规定产生0.2%的塑性伸长率所对应的应力称为屈服强度，用0.2表示。,18,材料物理,抗拉强度,抗拉强度,抗拉强度是拉伸实验时试样拉断过程中最大负载力所对应的应力，即工程应力-应
6、变曲线中的最大应力b。,19,材料物理,颈缩现象,硬化现象使材料的承载能力增大，可以补偿因试样截面积减小而引起的承载力的下降。当横截面积减小到一定程度时，硬化的速度就不足以弥补横截面积的影响，使得在一局部区域内，负载力不增加，应变也会逐渐增大，从而出现颈缩现象。进一步的形变就限于这一区域，直至断裂。断裂时的应力就称为断裂强度。,不同材料的应力-应变曲线,20,材料物理,弯曲试验,21,材料物理,3点弯曲加载示意图,弯曲实验测得的是材料所能承受的最大弯曲应力（也称为断裂模量）。,断裂模量,22,材料物理,式中，M为最大弯矩。对于3点弯曲加载,W为试样的抗弯截面系数。对于矩形试样,其中，w为试样宽
7、度，h为试样高度由上式得,弯曲试验,23,材料物理,部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度,24,材料物理,因为裂纹在受到压应力时会闭合起来，所以脆性材料的使用状态往往设计为压应力状态，而不是拉应力状态。一般来说，脆性材料在压应力状态下的抗压强度远远大于其抗拉强度。,硬度试验,材料的硬度定义为材料对于贯穿其表面的硬物的抵抗能力。材料硬度可以很方便地表示材料形变的能力。,25,材料物理,硬度试验示意图,布氏硬度试验,压头类型：直径10mm钢球压痕直径：2-6mmP负载 A压痕的球帽表面积d压痕直径D压球直径优点：压痕面积较大（反映较大区域的材料的平均性能），数据稳定，重复性好。缺点：压痕大（不适
8、合在成品材料上直接进行检测）,26,材料物理,洛氏硬度试验,压头类型：小钢球（较软材料）金刚石锥（较硬材料）通过测量压入深度，转换成洛氏硬度值（根据硬度不同，选用不同的标尺）。优点：可以测量多种材料。缺点：不同硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度值不能直接比较。,27,材料物理,硬度值与其他性能关系,28,材料物理,实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的力学性能。金属材料中的布氏硬度值(HB)与抗拉强度存在如下的经验公式：抗拉强度=kHB（k随材料不同而不同）硬度与材料的耐磨性能也有密切关系。,冲击试验,材料抵抗冲击的能力称为材料的冲击韧性。,29,材料物理,冲击试验原理图,通过对比有切口和没
9、有切口的试样的冲击试验结果，可以得到试样的切口敏感性。,冲击韧性曲线,30,材料物理,承受冲击负载的材料的使用温度应该高于韧脆转变温度,冲击性能与应力-应变曲线的关系,31,材料物理,材料的冲击性能与其真实应力-应变曲线的面积有关。金属具有较高的强度和较大的塑性，所以它的韧性较好。陶瓷和许多复合材料虽然具有很高的强度，但是其只有很小或没有塑性形变，韧性也差。,断裂韧性,32,材料物理,断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力。冲击韧性是材料性能的一个定性指标，而断裂韧性则是材料性能的一个定量指标。,断裂韧性,f试样和裂纹的几何因子作用应力a左图里定义的裂纹尺寸该裂纹开始扩展并导致材料发生断
10、裂时的临界K值就定义为材料的断裂韧性Kc。,33,材料物理,断裂韧性试样中的裂纹示意图,断裂韧性与材料厚度的关系,34,材料物理,KIC常用来表示材料的断裂性能,蠕变,35,材料物理,定义 如果在高温下给材料施加一个应力，即使这个应力小于该温度下的材料屈服强度，材料也可能会在一定时间后发生塑性变形，以至断裂。这种现象就称为蠕变。蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。发生原因 引起材料在较低温度下发生塑性变形的主要原因是位错的滑移，而引起材料在高温下发生蠕变的主要原因则是位错的攀移。,蠕变,36,材料物理,滑移是位错沿着滑移面的方向运动，而攀移是垂直于滑移面的方向运动。,位错可以依靠攀移摆脱杂
11、质等束缚，在较低的应力下继续滑移，所以材料可以在较低的应力下发生塑性形变。,蠕变曲线分析,37,材料物理,温度和应力均为常数。,蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率，按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变分为三个阶段。,减速蠕变阶段,恒速蠕变阶段,加速蠕变阶段,通常所说的金属的蠕变速率，就是用这一阶段的速率表示的。,蠕变曲线分析,38,材料物理,同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至不产生第三阶段，相反，如果应力较大或温度较高，则第二阶段很短，甚至完全消失，材料在很短时间内断裂。,疲劳,39,材料物理,定义 如果材料所受的应力是
12、重复出现的，那么即使这个应力低于材料的屈服强度，材料也有可能发生破坏。这种现象称为材料的疲劳。发展过程 疲劳破坏的发生一般分为三个阶段。首先，在材料的表面出现一个非常小的裂纹。这个小裂纹常常是在加载后不久就出现的。然后，随着载荷周而复始的作用，这个小裂纹将慢慢地扩展。最后，当材料所剩余截面积小到不足以承受载荷时，材料将发生断裂。,疲劳,40,材料物理,旋转式疲劳试验示意图,疲劳试验S-N曲线,41,材料物理,只要外加应力小于一个极限应力，试样就可以经得起无限次的外加应力，这就是疲劳极限。,疲劳寿命：材料在某种特定应力下发生疲劳断裂所需的应力循环次数。疲劳强度：在特定应力循环次数时不发生疲劳断裂
13、的前提下，材料所能承受的最大应力。,决定材料强度的关键因素,原子之间的结合力难以去改变键合类型和结合力来强化材料。位错有很多方法来影响材料中的位错，通过影响位错的运动来达到强化材料的目的。近代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位错的研究。,42,材料物理,Contents,4.2 力学实验与材料性能,4.3 加工硬化,4.4 固溶强化,4.5 弥散强化,4.6 固态相变强化,43,材料物理,应变硬化,44,材料物理,当材料发生塑性形变后会后有硬化现象出现，也就是当外力超过屈服强度后，塑性形变并不是像屈服平台那样继续流变下去，而是需要不断增加外力才能继续进行，这说明材料有一种能阻止继续塑性
14、变形的抗力，这就是应变硬化。,应变强化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。应变硬化和塑性变形适当配合可以使金属进行均匀塑性变形。应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一，也称为“加工硬化”。,4.3 加工硬化,45,材料物理,能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。,加工硬化产生示意图,加工硬化的原理,46,材料物理,经过了冷加工的金属材料中的位错密度大大增加，位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也随之增大。这就是加工硬化的原理。,位错增殖示意图（Frank-Reed位错源）,加工硬化的应用,47,材料物理,利用加工硬化可以在获得所需的金属材料
15、的形状的同时提高材料的强度（例如：钉子）。尤其是对于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化提高材料强度的目的。,加工硬化的应用,48,材料物理,Contents,4.2 力学实验与材料性能,4.3 加工硬化,4.4 固溶强化,4.5 弥散强化,4.6 固态相变强化,49,材料物理,4.4 固溶强化,50,材料物理,相相是一种结构，在一种相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明显的界面。固溶体两种物质之间可以没有限度
16、的互相溶解成为一相，称为无限互溶。这种固相就成为无限固溶体。如果两种物质都有一定的溶解度，则称为有限固溶体。,固溶体和混合物不是一回事，混合物中含有2种以上的相，每个相都保持自己的特性；而固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持自己的特性。,4.4 固溶强化,51,材料物理,固溶强化就是通过形成固溶体合金，从而达到材料强化的目的。固溶强化的效果取决于两个因素：溶剂原子和溶质原子的尺寸差别 越大，固溶强化的效果越大。添加的合金元素越多，固溶强化 的效果也越大,固溶强化的特点,52,材料物理,合金的屈服强度、抗拉强度、硬度等都会超过纯金属。几乎所有的合金的塑性都低于纯金属
17、。但是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这是一个例外。合金的电导率大大低于纯金属。固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。,Contents,4.2 力学实验与材料性能,4.3 加工硬化,4.4 固溶强化,4.5 弥散强化,4.6 固态相变强化,53,材料物理,4.5 弥散强化,54,材料物理,定义 弥散强化是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。那些含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物，有时这两种相也可以是同时形成的。强化原理 多相材料中相与相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑
18、性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。,弥散强化的要求,55,材料物理,基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的。脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应该是连续分布的。析出物的尺寸应该小，数密度应该多。析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的。析出物的数量越多，合金的强度越高。,金属间化合物,56,材料物理,弥散强化合金中通常含有金属间化合物。定义 金属间化合物是指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又硬又脆。适合作为基体中的析出物使材料发生弥散强化。分类 金属间化合物分为化学价金属间化合物和非化学
19、价金属间化合物。,金属间化合物,材料物理,57,材料物理,58,金属间化合物的应用,金属间化合物有高熔点，高硬度，抗氧化性以及抗蠕变性能，所以金属间化合物也可单独作为新材料使用。,共晶反应,59,材料物理,固溶强化,共晶反应,过共晶合金,亚共晶合金,Sn-Pb相图应,含锡量61.9%的液相含锡量19%的相+含锡量97.5%的相,共晶反应,材料物理,60,含锡量61.9%的液相含锡量19%的相+含锡量97.5%的相,共晶合金冷却过程中组织转变示意图,亚共晶反应,材料物理,61,亚共晶合金从液相冷却时，首先凝固的是相，称为初相，稍后形成共晶组织，并将早些时形成的相包围在里面。可以通过控制合金中各组
20、分的含量，来控制合金中初相和共晶组织的相对数量。,亚共晶合金冷却过程中组织转变示意图,共晶反应的特点,62,材料物理,共晶组织越多，合金的强度也越高。因为在共晶组织中两个相都实现了高度弥散分布。共晶反应的另一个特征就是具有很低的熔点。如果共晶组织是脆性的，则不会得到弥散强化的效果。,Contents,4.2 力学实验与材料性能,4.3 加工硬化,4.4 固溶强化,4.5 弥散强化,4.6 固态相变强化,63,材料物理,4.6 固态相变强化,64,材料物理,固溶强化和弥散强化和都是在材料从液相凝固成固态的过程中实现对材料的强化的。一般只能采用一次，而控制固态相变来实现材料强化的方法则可多次采用。
21、可以用来强化材料的固态相变主要包括时效强化、共析反应。这些固态反应都需要经过热处理。,时效强化,65,材料物理,时效强化的原理,66,材料物理,析出物里的原子排列与周围基体的原子排列保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物的影响。这种析出物称为共格析出物。即使位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。,通过时效的方法可以获得共格析出物,共格、部分共格、非共格界面结构示意图,共格析出的步骤,67,材料物理,1.固溶强化：将合金加热到固溶线以上的温度，使合金生成均匀的相固溶体。2.淬火：将已经加热的合金放入水
22、中，使合金迅速冷却，避免相出现，变成过饱和相固溶体。3.时效：将具有过饱和固溶体的合金在低于固溶度线的温度下加热。,Al-Cu合金的时效强化过程,时效过程中的结构和强度变化,68,材料物理,时效过程中发生四个阶段的转变。首先在基体的某些面上发生溶质原子（B组元）的偏聚，形成溶质原子的富集区称为GP区；随时间的延长溶质原子继续偏聚同时发生有序化称为GP区。之后，在GP区的基础上溶质原子继续的富集形成一种过渡相，它是由两种元素组成的化合物，但是成分或结构与相图中的平衡相有差别，一般称为相。最后，就形成相图中的稳定相称为相。,时效时最大的硬度出现在相阶段，当形成稳定的相时，硬度开始下降，称为过时效。
23、时效温度如果越高则时效过程进行的越快，但最大的硬度值要下降。,时效合金使用限制,69,材料物理,时效温度较低时，只会出现第一和第二阶段，由于原子扩散能力不足不会出现后两个阶段。时效强化合金只能在室温下使用。温度高于固溶度线时，析出物会重新溶化在基体中，强化作用消失；当温度低于固溶度线高于室温时，材料会出现过时效，强化效果减弱。,时效强化的条件,70,材料物理,合金相图中必须存在这样一条固溶度线，其固溶度将随着温度的降低而减小。基体应该比较软，具有塑性。而析出物则应该比较硬，且具有脆性。合金应该能够进行淬火。合金中应该有共格析出物生成。,共析反应,71,材料物理,共析反应，是固态相变强化的重要手段，指从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的反应，公式为,铁碳相图,72,材料物理,共析钢（含碳量0.77%）,共析反应,材料物理,73,含碳量0.77%的相含碳量0.0218%的相+含碳量6.67%的Fe3C,共析钢冷却过程中的组织转变示意图,亚共析和过共析钢,材料物理,74,亚共析和过共析钢,材料物理,75,亚共析钢冷却过程中的组织转变示意图,过共析钢冷却过程中的组织转变示意图,
