04章-材料强化

材料的性能是材料选择的重要依据。 选择材料时，除了考虑材料的来源，材料 的经济性、材料对环境的影响之外，最重要的 就是材料的性能。 选择材料的一个基本原则是希望材料具有 满足实际要求的力学性能。机械试验对于材料 力学性能的研究非常重要。
4.1 力学试验与材料性能
表征材料力学性能的最常用的参数就是拉伸 试验所得到的屈服强度和断裂强度。
优点：可测量各种材料的硬度。 缺点：由于在不同硬度范围内所采用的标尺不 同，所测硬度值不能直接换算。不同硬度的材料没 有一个连续一致的硬度指标。
4.1.3 硬度试验
维氏硬度试验
根据压痕单位面积所承受的负载来计算硬度。 维氏硬度试验的压头为金刚石四棱锥体。通过测定 压痕的对角线长度来计算硬度值。
优点：角锥压痕清晰，压入角恒定不变。 缺点：测定方法比较麻烦，工作效率低，不适 宜用于成批生产的常规检验。
2
优点：压痕面积较大，可以反映较大区域材料 的平均性能，并且试验数据稳定，重复性好。 缺点：因为压痕大，不适合在成品材料上直接 进行检验。
4.1.3 硬度试验
洛氏硬度试验
将一个小钢球（测软材料）或一个金刚石锥 （测硬材料）压入所测材料的表面。压入的深度由 测试仪器自动测得，并转换成洛氏硬度值（HR）。
K f a
f 是试样和裂纹的几何因子， 是作用应力，a是裂纹尺寸。
4.1.5 断裂韧性
利用一个含有已知尺寸的裂纹的试样，可以 测得该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临 界值。这个临界应力场强度因子定义为材料的断 裂韧性Kc 。
Kc = 裂纹扩展所需的K值 断裂韧性Kc与应力场强度因子K的关系就像 屈服强度 s与应力 的关系一样。
E
E称为弹性模量或杨氏模量， 即直线部分的斜率。
4.1.1 拉伸试验
直线部分之后是不规则的 非线性部分。在这一区域，材 料的形变在应力除去之后不能 完全恢复，产生了永久形变， 称之为塑性形变。
S
材料开始发生塑性形变时 所对应的点称为屈服点，屈服 点所对应的应力称为屈服强度。 对于金属来说， S 也是位错 用 S 来表示。 开始滑移所需的应力。
4.1.6 蠕变
如果在高温下给材料持续施加一个恒定的应力， 即使这个应力小于该温度下材料的屈服强度，材料 也可能发生塑性变形，这种现象称为蠕变。
蠕变：恒定应力下随时间缓慢塑性形变的过程 。 材料在低温下发生塑性形变的主要原因是位错 的滑移；在高温下发生蠕变的主要原因是位错的攀 移。 时间也是影响材料高温形变的一个重要因素。
材料发生蠕变断裂所需的时间称为蠕变断裂 时间 。
4.1.7 疲劳
如果材料所受的应力是循环重复出现的，那 么即使这个应力低于材料的屈服强度，材料也可 能发生破坏，这种现象称为材料的疲劳。 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— —裂纹萌生。 然后，随着载荷周而复始的作用，这个小裂纹 将慢慢地扩展——裂纹扩展。
4.1.4 冲击试验
冲击试验有许多种方法，常用的有悬臂梁（Izod氏）冲
击试验和简支梁（Charpy氏）冲击试验。
悬臂梁冲击机
简支梁冲击机
4.1.4 冲击试验
冲击是指对材料局部突然施加外力。
冲击强度定义为材料受冲击断裂过程中单位截 面积试样所吸收的能量。被用来作为材料韧性的度 量。
冲击强度的高低取决于材料分散应力的能力。
4.1.3 硬度试验
在实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的 力学性能。
例如金属材料中的布氏硬度值（HB）与拉伸强 度存在如下的经验公式： 拉伸强度＝kHB 硬度与材料的耐磨性能密切相关，一般来说， 耐磨材料必须具有很高的强度。
4.1.4 冲击试验
冲击试验用来测量材料承受冲击的能力。 在冲击试验时，一个重物摆从高度 h0落下，打 击并击断试样，然后继续运动到较低的高度 h f 。从 这个高度差，可以计算势能差。 这个势能差就是试样在断裂时所吸收的能量， 可以表示为材料的耐冲击能力。这种材料抵抗冲击 的能力又称为材料的冲击韧性。
2
应 力
上屈服点
2 1
下屈服点
O
应变
低碳钢应力-应变曲线上 的上屈服点和下屈服点
4.1.1 拉伸试验
延展性是材料发生塑性形变而不断裂的度量。 可以用断裂伸长率表示材料的延展性：

l f l0 l0
100%
表示延展性另一方法是利用样品截面积的变 化：
R
A0 Af A0
100%
4.1.1 拉伸试验
4.1.5 断裂韧性
断裂韧性与材料试样的厚度有关。
当材料试样的厚度增加时，断裂韧性会降低 至一个恒定值。这个恒定值称为平面应变断裂韧 性 K Ic。 常用平面应变断裂韧性 K Ic 来表示材料的断 裂性能。
4.1.5 断裂韧性
材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关： ◆ 裂纹尺寸 ◆ 材料的塑性 ◆ 试样的厚度 ◆ 负载速率 ◆ 温度 ◆ 晶粒尺寸
除了拉伸试验之外，弯曲试验常用来表示脆 性材料的拉伸性能。
硬度试验用来确定材料的硬度。 如果材料所受的负载是动态而不是静态的， 就要用冲击韧性来表示它的抗断裂的性能。
4.1 力学试验与材料性能
由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要 用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。 如果材料在高温下使用，即使它所受到的应 力远远低于屈服应力，也可能发生塑性形变。这 时，要用蠕变来表示材料的性能。 如果所受应力为循环状态，那么材料的安全 性无疑要打折扣，这时要用到疲劳强度的概念。
应 力
断裂
弯曲度
弯曲试验曲线
L3 F 挠（弯）曲模量定义为： E f 4wh 3
4.1.3 硬度试验
硬度是材料对于贯穿其表面的硬物的抵抗能力。
硬度试验是测定材料对于贯穿其表面的硬物的 抵抗能力。
在一定的外加负载下将一个小球体、棱锥体或 圆锥体压入金属表面，从压痕的尺寸得到硬度数值。
F D 深度 深度 钢球 金刚石锥
4.1.7 疲劳
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——材料断裂。
对应于应力-应变曲线的最大 应力称为抗拉强度（拉伸强度、 极限强度）
当材料发生断裂时，对应于 应力-应变曲线上的应力称为断裂 强度。 应力在达最大值后发生下降，减少应力还会使材料发生 应变。事实上，要使材料继续发生应变，仍然需要增加应力。
4.1.1 拉伸试验
在韧性材料的拉伸过程中，会有一个局部发 生较大的截面积收缩，使样品的截面积尺寸变得 不均匀，这个局部称为颈缩。
F
F
d
4.1.3 硬度试验
常用的硬度试验方法有：洛氏硬度试验、布氏硬
度试验、维氏硬度试验等。 布氏硬度试验 将一个小钢球（直径为10mm）压入所测材料的 表面，得到的压痕直径一般为2~6mm。布氏硬度值
(HB)的定义为F/A ，单位是N/m2。
4.1.3 硬度试验
布氏硬度值：
HB 2F d 2 D (1 1 ( ) ) D
应 力
脆性 中塑性 高塑性
应变
不同材料的 应力-应变曲线
4.1.2 弯曲试验
许多脆性材料由于表面存在裂纹，刚把试样 放上夹具就会引起开裂，无法进行正常的拉伸试 验。这时，可采用弯曲试验来测定材料的力学性 能。 在试样的中点位置上施加负载，使试样发生 弯曲，在中点处的材料就受到一个拉伸作用力， 材料的断裂也在这个位置发生。
工程应力： 工程应变：
F A0
l l0 l0
l
A0 ——样品的初始截面积； l 0——初始长度；
——外力为F时样品的长度。
4.1.1 拉伸试验
起始部分为直线，在这一区 域，应力与应变成线性关系。如 果在这一区域撤除外力，样品会 恢复测试前的初始长度，故这一 段称为弹性区。
材料在弹性区服从虎克定 律，即
4.1.4 冲击试验
温度对某些材料冲击韧性的影响十分显著，当 温度低至一定值时，冲击韧性会显著降低。这个温 度称为韧脆转变温度。
吸 收 能 量
脆性
韧性
韧脆转变温度 T 温度
k
材料的韧性、脆性与温度的关系
4.1.4 冲击试验
材料的吸收能、韧脆转变温度，与受力状态 有很大关系。 ◆ 施加负载的速率 ◆ 试样的尺寸 ◆ 切口的形状 由于很难预测或控制所有的试验条件，冲击 试验只是一个定性试验，适合在同一试验条件下 进行不同材料的比较和选择。
材料物理教案—第四章
第四章
材料强化
§4.1 力学试验与材料性能 §4.2 加工硬化
§4.3 固溶强化
§4.4 弥散强化 §4.5 固态相变强化 §4.6 复合强化
4.1 力学试验与材料性能
拉伸试验 弯曲试验 硬度试验 冲击试验 断裂韧性 蠕变 疲劳
4.1 力学试验与材料性能
4.1.6 蠕变
在蠕变试验中，测得材料的应变随时间的变化， 得到蠕变曲线。
应 变
第一阶段：位错
t

通过攀移而脱离障碍
=蠕变速率 第三 阶段 时间
0 弹性 应变
第一 阶段
t
物，然后滑移，造成 材料塑性变化。
第二阶段
材料的蠕变曲线
4.1.6 蠕变
第二阶段：位错 脱离障碍物的速率等 于位错被别的障碍物 陷住的速率，即蠕变 的稳定阶段。
4.1.1 拉伸试验
拉伸试验测定的是材料 抵抗静态或缓慢施加的负载 （外力）的能力。 在拉伸试验中，样品的 两端固定在夹头上。负载测 量仪器安装在试样的一端， 应变测量装置安装在试样的 另一端。
拉伸试验方法示意图
4.1.1 拉伸试验
如果计算应力和应变时采用的是试样的原始 截面积和原始长度，那么得到的应力和应变值就 称为工程应力和工程应变：
由于始终将初始截面积作为样品的截面积， 颈缩部分所承受的应力要远大于工程应力所反映 的值。