第八章 金属材料的屈服强度与强化
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。
如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。
这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。
这种能力就是材料的力学性能。
金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。
钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。
在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。
金属材料的机械性能1、弹性和塑性：弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
力和变形同时存在、同时消失。
如弹簧：弹簧靠弹性工作。
塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。
（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。
塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。
2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。
材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。
是确定各种工程设计参数的主要依据。
这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。
对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。
弹性阶段的力学性能有：比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。
当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。
弹性极限：弹性阶段的应力最高限。
金属材料基础知识,金属材料的力学性能
金属材料基础知识，金属材料的力学性能金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。
一般分为黑色金属和有色金属两种。
黑色金属包括铁、铬、锰等。
其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。
由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。
但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。
一、力学性能--强度强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
1．拉伸测试拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。
利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。
2．力－伸长曲线弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段3．强度指标（1）屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。
（2）抗拉强度Rm ：材料在断裂前所能承受的最大的应力。
二、力学性能--塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。
1．断后伸长率A ：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
2．断面收缩率Z ：试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率三、力学性能--硬度硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。
1．布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为Pa，但一般均不标出：表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。
当保持时间为10～15s时可不标。
应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。
金属材料的四种强化方式最全总结
金属材料的四种强化方式最全总结固溶强化1. 定义合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
2. 原理溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
3. 影响因素溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
4. 固溶强化的程度主要取决于以下因素基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。
尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。
合金元素的量。
加入的合金元素越多，强化效果越大。
如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。
这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。
间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。
溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
5. 效果屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；大部分情况下，延展性低于纯金属；导电性比纯金属低很多；抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。
加工硬化1. 定义随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。
2. 简介金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。
又称冷作硬化。
产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度强
金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度：强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。
强化机理主要有：固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种，以下将分别予以介绍。
1.2 固溶强化即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。
合金元素的固溶强化效果一般可以表示为：△σs= K i C i n式中，K i为系数；C i n为固溶度。
对于C、N等间隙原子，n=0.33～2.0；对于Mo、Si、Mn等置换原子，n=0.5～1.0。
固溶强化的机理：原子固溶与钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，宏观上即表现为提高了材料的强度。
1.3 形变强化金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难—位错强化。
作用是为了提高材料的强度，使变形更均匀，防止材料偶然过载引起破坏。
金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。
理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。
因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。
形变强化遵循以下规律:第一，随着变形量增加，强度提高而塑性和韧性逐渐降低，逐渐接近于零。
工程材料力学性能（束德林）-第三版-课后题答案
工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。
韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为 b 的台阶。
（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。
（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。
2、说明下列力学性能指标的意义。
答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生 100％弹性变所需的应力。
（2）σr 规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。
金属材料屈服强度的影响因素.
金属材料屈服强度及其影响因素屈服强度是指材材料开始产生宏观塑性变形时的应力。
对于屈服现象明显的材料，屈服强度就屈服点的应力—屈服值；对于屈服现象不明显的材料，通常将应力-应变曲线上以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。
屈服强度通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。
影响屈服强度的因素影响屈服强度的内在因素有：1.金属本性及晶格类型——纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受的阻力决定。
这些阻力有晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力之分。
其中晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而两者又与晶体结构有关。
位错间交互产生的阻力包括平行位错间交互产生的阻力和运动位错与林位错交互产生的阻力。
用公式表示：T=αGb/L,式中α为比例系数，又因为密度ρ与1/L2成正比，因此，T=αGb ρ1/2，由此可见，密度增加，屈服强度也随之增加。
2.晶粒大小和亚结构——晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，将使屈服强度提高。
许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔佩奇公式σs=σj +kyd-1/2,式中，σj是位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，它决定于晶体结构和位错密度；ky是度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带端部的应力集中系数；d为晶粒平均尺寸。
亚晶界的作用和晶界类似，也阻碍位错的运动。
3.溶质元素——纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著提高屈服强度，此即为固溶强化。
这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。
4.第二相——工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的。
第二相对屈服强度的影响与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。
据此可将第二相质点分为不可变形和可变形的两类。
Lecture8-金属的物理屈服和形变强化
强化方法; (4) 形变强化可降低塑性, 改善低碳钢切削加工性能。
17
形变强化的影响因素
金属本性和晶格类型 层错能低的金属材料容易产生比较高的应力集中, 应变 硬化程度高； FCC金属中, 层错能低的扩展位错宽度大, 难以合并为全 位错, 很难交滑移, 所以形变趋势大；层错能高的形变强 化趋势低； 体心立方金属中位错很难扩展， 所以强阶段
形变强化速率大,θII≈G/300, 变形曲线为直线, 多个滑移系 被开动, 产生多系交叉滑移, 形成割阶、固定位错和胞状
结构等障碍, 阻碍位错运动, 表现为形变强化速率升高.
第III阶段：抛物线强化阶段
强化曲线呈抛物线状, θIII随变形增 加而减少。对于那些容易交滑移 的晶体, 如BCC金属和层错能高的 FCC等, 其第II阶段很短, 位错滑移 快速进入第III阶段。
部分金属的层错能和应变硬化指数n
金属
晶体结构 层错能/mJ﹒m-2 应变硬化指数n
奥氏体不锈钢 FCC
＜10
≈0.45
铜
FCC
≈90
≈0.40
铝
FCC
≈250
≈0.25
铁素体(α-Fe) BCC
≈259
≈0.20
14
ln S ln K nln e
e与S之间对数呈线性关系, 常用这 lg s
金属的物理屈服现象与机理 金属的形变强化 影响形变强化的因素 金属的颈缩现象和抗拉强度
2
金属的物理屈服
金属的物理屈服现象
在应力-应变曲线上出现应力不增加, 时而有所降低, 而 变形仍在继续进行的现象, 称为物理屈服现象。
3
金属的应变时效
对于出现物理屈服的金属，在 均匀塑性变形阶段卸载后，把 试件在100-200℃下回火2h， 再加载，则屈服强度升高，且 又出现物理屈服现象，称之为 应变时效。
金属屈服强度、抗拉强度、硬度知识
金属屈服强度、抗拉强度、硬度知识钢材机械性能介绍1.屈服点（σs）钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2.屈服强度（σ0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。
3.抗拉强度（σb）材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。
它表示钢材抵抗断裂的能力大小。
与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。
设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo （MPa）。
4.伸长率（δs）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。
5.屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。
屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。
6.硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。
它是金属材料的重要性能指标之一。
一般硬度越高，耐磨性越好。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
⑴布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
⑵洛氏硬度（HR）当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。
它是用一个支持角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。
8金属材料的强化途径及其概念
粉末冶金，又称弥散强化
措施：互不相容的弥散颗粒（如氧化物 ）和金属粉末均匀混合后压实再高温烧结
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理 二、金属材料的强化途径
实际中，大多数金属多是几种强化共同作用。
金属材料工程第八讲
胡燕燕
金属材料工程基础知识 一、金属材料的强化原理
金属的屈服强度可在很大范围内变化，它对金属的纯度、 成分以及热处理状态的变化很敏感。而金属的强化一般通 过增大位错阻力实现。
位错
金属材料工义：金属材料在再结晶温度以下塑性变形（冷塑性变形）时强度和硬度升高，
小资料：钢板轧制过程中，越炸越硬，以致轧制开裂。可按中间退火工序，通过 加热消除加工硬化现象——称为“再结晶退火”，使钢件内部回到变形前状态，塑 性得到复原，进行继续轧制。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
2、固溶强化： 定义：合金元素溶于金属基体中形成固溶体使其强度、硬度升高，塑性、韧性
下降的现象。
原理：溶质原子的溶入使金属的晶格发生畸变，从而产生附加应力场，阻碍位错运动
溶质原子常常被吸附在位错线的附近，降低位错的能量，阻碍其运动。
强化效果影响因素：
溶质原子和溶剂原子的直径，电化学特征差异。 固溶体的类型，间隙固溶体合金效果比置换式固溶体合金好 溶质的加入量，溶解度范围内，越多越好。
金属材料工程基础知识
二、金属材料的强化途径
金属强化中最受重视， 在生产被广泛应用
3、细晶强化：
定义：通过减小材料的晶粒度来提高金属强度的方法
原理：源于晶界是位错运动的最大阻碍
优点：不仅能量显著的提高材料的强度，而且能提高塑性和韧性。
第八章 金属材料的屈服强度与强化
刃位错原子错排能随位错中心位置变化
Gb 4w πx U x exp sin π1 b b 式中， x为位错中心位置坐标
2
d 2w为位错中心区宽度 w 21
三、位错运动的阻力
晶体中位错运动的阻力来源于位错中心区的原子错排能及 中心区以外的弹性应变能。
P- N d
•位错移动的晶格阻力τ P-N
——Peierls-Nabarro力，简称P-N力，是位错移动的 基本阻力，与晶格中原子排列方式密切相关，是位错 中心从一个平衡位置移动一个柏氏矢量的距离到达下 一个平衡位置过程中遇到的阻力。
均匀分布钉扎点的强化效果
C 2T cos 2 C lb
l 2rcos 2
C
不均匀分布钉扎点的强化效果 •强钉扎
Friedel计算机模拟
——Fmax/2T ≥0.6，则φC <100º
2T cosC 2 Fmax C 0.8 0.8 lb lb
•
塑性变形失效的原因：
——载荷与温度变化 •2010年11月18日上午9时15分许， 嘉兴发电厂三期码头取水口工地，43 岁的湖北黄石人范声家在水下钻孔钢 护筒内作业时，因海水涨潮，水压增 大，致使护筒突然发生变形。 •出事的钢护筒位于一座向海面延伸的 平台中，平台高出海平面6米。 •护筒整体长24米，除了连接平台的6 米位于海平面以上外，护筒有18米的 筒身位于海平面以下。 •发生变形的位置在平台以下8至10米 的位置，直径1米的筒体最窄的地方 已经被压到了只有3厘米宽。
体心立方晶体 • 滑移面： {110} • 滑移方向：<-111>
金属材料强化方式
一、形变强化（或应变强化，加工硬化）01定义材料屈服以后，随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
02机理随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式图片，可知强度与位错密度ρ的二分之一次方成正比，位错的伯氏矢量b越大，强化效果越显著。
03方法冷变形，比如冷压、滚压、喷丸等。
04例子冷拔钢丝可使其强度成倍增加。
05形变强化的实际意义(利与弊)（1）利：①形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料，可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加。
②是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形。
③形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
（2）弊：①形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，始继续变形带来困难，需要消耗更多的功率。
②为了能让材料继续变形，中间需要进行再结晶退火，使材料可以继续变形而不至开裂，增加了生产成本。
二、固溶强化01定义随溶质原子含量的增加，固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫固溶强化。
02机理(1) 溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用。
(2) 位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力。
(3) 溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻碍位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
03规律①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大②溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，强化效果越显著。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。
如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。
这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。
这种能力就是材料的力学性能。
金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。
钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。
在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。
金属材料的机械性能1、弹性和塑性：弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
力和变形同时存在、同时消失。
如弹簧：弹簧靠弹性工作。
塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。
（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。
塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。
2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。
材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。
是确定各种工程设计参数的主要依据。
这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力-应变曲线。
对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。
弹性阶段的力学性能有：比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。
当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。
弹性极限：弹性阶段的应力最高限。
金属材料的强化机理
材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。
金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。
关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc.Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition一、金属的强化通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
屈服强度
试验时，当测力度盘的指针首次停止转动的恒定力或者指针首次回转前的最大力或者不到初始瞬时效应的最 小力，分别对应着屈服强度、上屈服强度、下屈服强度。
影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。
随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感， 这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应 力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。
屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服 强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度 是材料性能中不可缺少的重要指标。
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屈服强度
科技术语
01 概念解释
03 测定 05 影响因素
目录
02 类型 04 标准 06 工程意义
屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服现象出 现的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值作为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。
大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限 的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。
金属材料强度及变形性能分析
金属材料强度及变形性能分析简介：金属材料的强度和变形性能是决定材料使用和应用范围的重要性能指标。
强度指材料抵抗外力破坏的能力，而变形性能则表征材料在外力作用下的形变特性。
本文将重点分析金属材料的强度和变形性能，并对其影响因素进行深入探讨。
一、金属材料的强度分析：1. 抗拉强度：金属材料的抗拉强度是指材料在拉伸力作用下抵抗破坏的能力。
抗拉强度取决于材料的原子结构、晶粒尺寸、晶体缺陷等因素。
常见的金属材料如钢、铝、铜等具有不同的抗拉强度。
2. 屈服强度：屈服强度是金属材料在拉伸过程中，从线性弹性阶段到非线性弹性阶段的临界点。
屈服强度是材料首次发生可见塑性变形的应力水平。
屈服强度反映了金属材料在外力作用下的抗变形能力。
3. 延伸率和断裂伸长率：延伸率和断裂伸长率是反映材料延展性能的重要参数。
延伸率指的是材料在断裂前的拉伸程度，断裂伸长率是指材料在断裂时相对于原始长度的变化程度。
较高的延伸率和断裂伸长率意味着材料具有良好的可塑性和变形能力。
二、金属材料的变形性能分析：1. 弹性变形：弹性变形是指金属材料在外力作用下具有恢复性的形变。
弹性变形区域内，材料的形状通过去除外力而恢复到初始状态。
弹性变形的特点是应变与应力呈线性关系，且应力和应变之间的关系服从胡克定律。
2. 塑性变形：塑性变形是指金属材料在外力作用下发生的不可逆形变，形变后无法完全恢复到初始状态。
金属材料的塑性变形可以通过冷加工、热加工等方式实现。
塑性变形主要由材料内部的晶格滑移、位错等现象引起。
3. 硬化和回弹：硬化是指金属材料在塑性变形过程中变得更加坚硬和脆性的现象。
在连续塑性变形中，材料会经历晶格被位错锁定的过程，导致材料的硬度增加。
回弹是指金属材料在去除外力后，部分形变恢复到原始状态的现象。
三、影响金属材料强度和变形性能的因素：1. 材料的组成和制备工艺：不同元素的添加和不同的制备工艺会对金属材料的强度和变形性能产生重要影响。
2. 晶体结构和晶粒尺寸：晶体结构的不同会导致材料的强度和塑性发生变化，较大的晶粒尺寸能够提高材料的强度，但会降低塑性。
金属材料的强化方法 细晶强化 沉淀强化 固溶强化 第二相强化 形变强化
有色金属的强度一般较低。
例如, 常用的有色金属铝、铜、钛在退火状态的强度极限分别只有80～100MPa 、220MPa 和450～600MPa 。
因此, 设法提高有色金属的强度一直是有色冶金工作者的一个重要课题。
目前, 工业上主要采用以下几种强化有色金属的方法。
1 固溶强化纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。
合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。
形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。
固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。
绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。
替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。
间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。
纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。
固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。
合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。
畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。
位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。
此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。
在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。
固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。
材料屈服强度
材料屈服强度材料屈服强度是指材料在受力作用下开始发生塑性变形的临界点。
在材料力学中，屈服强度是一个非常重要的参数，它可以用来评估材料的强度和塑性变形能力。
在工程设计和材料选择中，了解材料的屈服强度对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。
材料的屈服强度通常是通过拉伸试验来确定的。
在拉伸试验中，材料在受到逐渐增大的拉伸力作用下，会发生从弹性变形到塑性变形的转变，这个转变点就是材料的屈服点。
通过拉伸试验得到的应力-应变曲线可以清晰地显示出材料的屈服点，从而确定材料的屈服强度。
材料的屈服强度受到许多因素的影响，其中包括材料的成分、晶粒结构、工艺处理等。
不同的材料具有不同的屈服强度，例如金属材料通常具有较高的屈服强度，而塑料和橡胶等非金属材料的屈服强度相对较低。
在工程实践中，了解材料的屈服强度对于正确选择材料并合理设计结构至关重要。
如果材料的屈服强度不足，就可能导致结构在受力时发生过度变形甚至破坏，从而带来安全隐患。
因此，在工程设计中需要充分考虑材料的屈服强度，选择合适的材料并合理设计结构，以确保结构的安全可靠。
此外，材料的屈服强度还可以通过合理的工艺处理来提高。
例如金属材料可以通过热处理、冷加工等工艺来提高其屈服强度，从而满足特定工程需求。
因此，在材料加工和制造过程中，需要充分考虑材料的屈服强度特性，采取合适的工艺措施来提高材料的强度和塑性。
总之，材料的屈服强度是一个重要的材料力学参数，它直接影响着材料的强度和塑性变形能力。
在工程设计和材料选择中，需要充分了解材料的屈服强度特性，选择合适的材料并合理设计结构，以确保结构的安全可靠。
同时，在材料加工和制造过程中，也需要考虑材料的屈服强度特性，采取合适的工艺措施来提高材料的强度和塑性，满足特定工程需求。
钢的屈强化的名词解释
钢的屈强化的名词解释钢是一种常用的金属材料，具有高强度、耐磨性和可塑性等优点，被广泛应用于建筑、桥梁、汽车制造和船舶建造等众多领域。
然而，由于多种原因，如设计制造不精确、外界应力超载以及长期使用导致的疲劳等，钢材往往会出现塑性变形、蠕变和断裂等损伤。
为了延长钢材的寿命和提高其使用性能，科学家和工程师们提出了各种方法来增强钢材的屈强化能力。
屈强化这一概念源于材料工程学。
它是指通过在材料中引入外部应力或通过其他手段，使其在外力作用下发生塑性变形前呈现出更高的抗拉强度和屈服强度。
简单来说，屈强化是一种提高材料耐受外部应力的能力的方法。
屈强化的方法有很多，下面我们将介绍几种常见的屈强化方式。
一种常见的屈强化方法是冷加工。
冷加工是指在室温下对钢材进行塑性变形，如拉拔、轧制等。
这种方法通过引入冷变形应力，使钢材的晶界和晶粒发生改变，从而提高其屈强化能力。
冷加工可以增加钢材的屈服强度和硬度，并提高其耐磨性。
此外，冷加工还能改善钢材的综合性能，使其具有更好的可塑性和韧性。
另一种常见的屈强化方法是热处理。
热处理是指将钢材加热到一定温度，并在适当的时间内冷却至室温。
热处理可以改变钢材的晶体结构和相组织，从而提高其屈强化能力。
常见的热处理方法包括退火、正火、淬火等。
这些方法可以调控钢材的硬度、强度和韧性，使其适应不同的使用环境和要求。
此外，应变干预也是一种常用的屈强化方法。
在应变干预中，外界应力被施加到钢材中，以改变其塑性和屈服特性。
通过应变干预，钢材的晶粒尺寸和晶界结构得到改善，从而提高其屈强化能力。
应变干预可以通过机械压缩、热应变、撞击等方式实现。
这种方法可以增加钢材的屈服强度和韧性，提高其耐疲劳和抗断裂能力。
屈强化是一项复杂的工程问题，在钢材的制造和使用过程中起着至关重要的作用。
通过屈强化方法，钢材可以在外界应力的作用下更好地抵抗塑性变形和损伤，提高其使用寿命和性能。
然而，屈强化方法的选择和应用需要根据具体情况和需求进行科学的评估和设计。
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how materials are shaped
the chemical makeup of a material
——强化
材料塑性变形的微观机理 •常温(室温或不太高温度)
位错滑移
机械孪生
•较高温度 (T > 0.3Tm)
(1)位错滑移 (2)位错交滑移及攀移 (3)原子扩散 (4)晶界相对滑动
一、理论屈服强度
晶界强化/细晶强化
(4)三维缺陷——第二相质点 沉淀强化/弥散强化 •纯金属单晶体 •常规多晶金属材料 ——多重强化 低碳钢淬火处理：马氏体强化 固溶强化＋加工硬化
(固溶C原子) (高密度位错)
四、点钉扎强化的一般规律
• 钉扎点与点钉扎强化
——阻碍位错运动障碍物的几何尺寸远远小于障碍物间距 ——钉扎点阻碍位错运动 固溶原子、林位错或第二相粒子
（ 2）
th
x<b/2—— 弹性变形
按照Hooke定律
x a
s
Gb 2a
G 2
G G
因原子间斥力的短程性，能量曲线不是正弦形的，所以， 上述估计值过高，实验测定的切变强度比理论切变强度低2~4 个数量级。
？
二、塑性变形的位错理论 塑性变形是通过位错的移 动来完成。 位错移动将理想晶体中 相邻两层原子的一致性相对 切动转化成局部切动，因此 降低了所需作用应力。
均匀分布钉扎点的强化效果
C 2T cos 2 C lb
l 2rcos 2
C
不均匀分布钉扎点的强化效果 •强钉扎
Friedel计算机模拟
——Fmax/2T ≥0.6，则φC <100º
2T cosC 2 Fmax C 0.8 0.8 lb lb
图8-2 单位长度的位错中心区错排 能随着位错中心位置x的变化规律
刃位错原子错排能随位错中心位置变化
Gb 4w πx U x exp sin π1 b b 式中， x为位错中心位置坐标
2
d 2w为位错中心区宽度 w 21
P ( xx yy zz ) / 3
第八章 金属材料的屈服与强化
材料学院 叶荣昌
主要内容及要求
1.了解材料的理论屈服强度
2.了解位错移动的点阵阻力及其与材料中各种缺 陷的交互作用
3.掌握点钉扎的强化机理 4.掌握固溶强化、第二相强化、加工硬化、晶界 强化的机制
5.掌握时效过程中强度变化规律性及其原因
强度
安全 范围
变形抗力
断裂抗力
反映材料抵抗弹性 变形的能力，用弹 性极限σe表示。
3、温度对晶格阻力影响
位错形成双弯跨越Peierls势垒示意图
•温度极低时，位错整体越过Peierls势垒。 •温度升高，热激活能使位错线局部率先跨越Peierls势垒， 形成双弯折，通过其侧向移动使整条位错越过势垒，位错移 动阻力明显降低。
•FCC金属，P-N力很低，温度影响很小
•陶瓷材料，位错双弯形成能过高，在通常温度下热激活能 不够，P-N力始终保持高值，位错难于滑移 •BCC金属，P-N力受温度影响大 ——存在韧 - 脆转变，脆化温 度对应于P－N力开始发挥主导 作用的温度。
三、位错运动的阻力
晶体中位错运动的阻力来源于位错中心区的原子错排能及 中心区以外的弹性应变能。
P- N d
•位错移动的晶格阻力τ P-N
——Peierls-Nabarro力，简称P-N力，是位错移动的 基本阻力，与晶格中原子排列方式密切相关，是位错 中心从一个平衡位置移动一个柏氏矢量的距离到达下 一个平衡位置过程中遇到的阻力。
极端情况：Fmax ≥ 2T，φC＝0
•弱钉扎 ——Fmax/2T <0.6 ，即φC >100º
C
2T cos
3 2
lb
C 2 Fmax Fmax
lb 2T
1
2
点钉扎强化例——固溶强化
——合金元素固溶于基体相中形成固溶体而使其强化 溶质原子在尺寸、弹性模量、电子浓度、化学性 质等方面与基体存在差异，导致晶格畸变。 当位错经过其附近时，二者之间发生交互作用， 系统能量变化：1+1<2，对位错移动造成阻力，产生 强化。 •弹性交互作用 •静电交互作用
• 强化效果分析
一条在滑移面上移 动的位错，遇到钉扎 点而被钉扎住。 在外力作用下，位 错段发生弯曲。
点钉扎示意图
——定性分析
弱钉扎
强钉扎
——定量分析
钉扎点Q处位错元受力分析
2T cos FQ 2
位错段上位错元受力分析
点钉扎示意图
br T
Fmax 2Tcos c 2τ cbrcos C 2 2
预防塑性变形失效的措施： ——提高构件的承载能力 •增加构件尺寸
•增加强度储备
其中，
s
n
影响材料塑变抗力的因素：
mechanical, physical and chemical properties
how materials are made
the arrangement of atoms Fig.1 The tetrahedron of materials science and engineering (MSE) 几乎所有的金属材料都可以通过合金化改变其成分，通过热处 理改变其微观组织结构，从而达到调整材料塑变抗力的目的。
弹性变 形抗力
塑性变 形抗力
反映材料抵抗塑 性变形的能力
初始塑性 变形抗力
继续塑性 变形抗力 抗拉强度σb对应 材料的最大均匀 塑性变形抗力。
屈服强度 σs或σ0.2
塑性变形的危害
机械传动 化工设备
塑性变形的工程意义
• •
提高工件抵抗的过载抗力
松弛应力集中，使应力重新分配
•
保证工件在特殊条件（环境）中的安全运行 塑性加工成型，如锻、轧、冲压、拉拔等
晶格阻力的影响因素： P- N
2G 4w exp 1 b
w
•位错的中心区宽度
d 21
•位错Burgers矢量 b 1、位错滑移必然采取使晶格阻力降至最低的方式 ——滑移面为最密排面、滑移方向为最密排方向
面心立方晶体 • 滑移面： {111} • 滑移方向：<-110>
体心立方晶体 • 滑移面： {110} • 滑移方向：<-111>
2、结合键类型及晶体结构的影响 (1)金属键材料 ——FCC结构金属，位错的中心宽度较大，P-N力低 ——BCC结构金属，位错的中心宽度较小，P-N力较高 (2)离子键材料 ——P-N力很高 •位错的柏氏矢量因异号离子的静电作用而较大 •位错的中心宽度很小 (3)共价键材料 ——P-N力很高 •共价键方向性原子排列不致密，位错的柏氏矢量较大 •位错的中心宽度很小 (4)金属间化合物材料 ——P-N力介于金属与陶瓷之间 •位错中心宽度较小，柏氏矢量也较大
Pd80Si20非晶合金的弹性 应力－应变曲线
位错运动引起的塑性变形 ——位错运动引起滑移面两侧产生相对位移b，从而产生永久变 形，这是塑性变形的根本原因。
切应变
p Vb x
p Vbv 切变速率
塑性变形与材料内部 位错的运动密切相关
注：该关系对螺、刃位错都成立；但攀移引起的应变是正应变
•点缺陷
——在三维空间尺寸很小，与原子大小相同的数量级，相对于整 个晶体来说，可以看成是零维的
——空位、间隙原子（自间隙型、杂质型）、置换型杂质原子
•线缺陷
——严重畸变范围是线型的，二个方向上的尺寸很小，第三 个方向上的尺寸却很大，如位错 位错—晶体中某处有一列或 若干列原子发生有规律的错排
•面缺陷
——一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大， 如晶体的外表面，各种内界面（晶界、孪晶界、亚晶界、相 界、层错等）。
金
属
真空各 空气种 外 部 介 质
孪 晶 及 孪 晶 界
亚 晶 及 亚 晶 界
•体缺陷
——三个方向上的尺寸都较大，如第二相粒子
各类晶体缺陷的强化方式
(1)零维缺陷——点缺陷 (2)一维缺陷——位错 (3)二维缺陷——界面 固溶强化 加工硬化
•化学交互作用
（一）位错与溶质原子的弹性交互作用
(a) spherical distortion
(b) tetragonal distortion
——产生球对称畸变的溶质原子 与刃位错存在较大相互作用，与 螺位错相互作用较小。
——产生非球对称畸变的溶质原 子与刃位错及螺位错 均存在较大 相互作用。
•
塑性变形失效的原因：
——载荷与温度变化 •2010年11月18日上午9时15分许， 嘉兴发电厂三期码头取水口工地，43 岁的湖北黄石人范声家在水下钻孔钢 护筒内作业时，因海水涨潮，水压增 大，致使护筒突然发生变形。 •出事的钢护筒位于一座向海面延伸的 平台中，平台高出海平面6米。 •护筒整体长24米，除了连接平台的6 米位于海平面以上外，护筒有18米的 筒身位于海平面以下。 •发生变形的位置在平台以下8至10米 的位置，直径1米的筒体最窄的地方 已经被压到了只有3厘米宽。
相互作用的一个重要结果是产生气团，即为了减小体系的相互作 用能，溶质原子向位错线附近聚集。 •Cottrell气团 •置换型溶 质原子
•间隙型溶 质原子 •Snoek气团 ——间隙溶质原子在螺型位错周围形成局部有序化分布
1、尺寸效应 •球对称畸变固溶强化 ——考虑置换式固溶原子与刃位错的交互作用，且只考虑固溶原 子与基体原子之间的尺寸差作用。 刃位错应力场的水静压力为
max
U x