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金属的力学性能ppt课件
采用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm的淬火钢球作为压头,直接测量压痕深度 来表示材料的硬度值。
试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到 规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来 确定材料的硬度值。
15
2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛
8
二、塑性
定义： 材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。
(1)断后伸长率
公式：A = （Lu- L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm）
Lu—试样拉断后的标距长度（mm）
(2)断面收缩率
公式： Z = （S0 - Su）/S0 ×100% 式中： S0—试样原始横截面面积（mm2）
2
一、强度
1）定义 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能
力。 2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
3
1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。 把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施 加拉力，使之不断变形直到拉断为止。
压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度 越高。
8
11
2)布氏硬度的符号及表示方法 布氏硬度的符号用 HBS或HBW表示。
① HBS表示压头为淬火 钢球，用于测定布氏 硬度值在450N/mm2（MPa）以下的金属材料，如 软钢、灰铸铁和有色金属等。对于较硬的钢或较薄 的板材不适用。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压 痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
试验时先施加初载荷，使压头与试样表面接 触良好，保证测量准确，再施加主载荷，保持到 规定的时间后再卸除主载荷，依据压痕的深度来 确定材料的硬度值。
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2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛
8
二、塑性
定义： 材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。
(1)断后伸长率
公式：A = （Lu- L0）/L0 ×100% 式中： L0—试样原标距的长度（mm）
Lu—试样拉断后的标距长度（mm）
(2)断面收缩率
公式： Z = （S0 - Su）/S0 ×100% 式中： S0—试样原始横截面面积（mm2）
2
一、强度
1）定义 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能
力。 2）分类
根据载荷作用方式不同： a）抗拉强度——主要的常用强度指标； b）抗压强度； c）抗剪强度； d）抗扭强度； e）抗弯强度。
3
1.拉伸试样
形状：根据国家标准（GB/T228——2002） 有：圆形、矩形、六方形。
强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。 把标准试样装夹在试验机上，然后对试样缓慢施 加拉力，使之不断变形直到拉断为止。
压痕直径（d）越小，数值越大，表示硬度 越高。
8
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2)布氏硬度的符号及表示方法 布氏硬度的符号用 HBS或HBW表示。
① HBS表示压头为淬火 钢球，用于测定布氏 硬度值在450N/mm2（MPa）以下的金属材料，如 软钢、灰铸铁和有色金属等。对于较硬的钢或较薄 的板材不适用。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压 痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
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为塑性变形。
F F F
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
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F F F
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拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
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3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
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金属材料的力学性能-课件
❖ 金属材料旳力学性能是指在承受多种外加载荷（拉 伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时， 对变形与断裂旳抵抗能力及发生变形旳能力。
强度与塑性
❖ 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性 变形和断裂旳能力。
❖ 塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变 形而不致引起破坏旳能力。
❖ 金属材料旳强度和塑性旳判据可经过拉伸试验 测定。
断后伸长率（ δ ）
l1-l0
δ=
×100%
l0
l1——试样拉断后旳标距,mm; l0——试样旳原始标距,mm。
断面收缩率（ψ）
ψ= S0-S1 ×100% S0
S0——试样原始横截面积,mm2； S1——颈缩处旳横截面积,mm2 。
屈服现象
❖ 在金属拉伸试验过程中， 当应力超出弹性极限后， 变形增长较快，此时除 了弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当外力 增长到一定数值时忽然 下降，随即，在外力不 增长或上下波动情况下， 试样继续伸长变形，在 力－伸长曲线出现一种 波动旳小平台，这便是 屈服现象。
强度
屈服点
在伸长过程中力不增长（保持恒定），试样仍能继续
伸长时旳应力，单位为MPa，即：
S
FS Ao
式中：Fs——材料屈服时旳拉伸力，（ N ）； Ao——试样原始截面积，（ mm2 ）。
要求残余延伸强度
❖ 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验 中没有明显旳屈服现象，无法拟定其屈服强 度。
❖ 国标GB228-2023要求，一般要求以试样到 达一定残余伸长率相应旳应力作为材料旳屈 服强度，称为要求残余延伸强度，一般记作 Rr。例如Rr0.2表达残余伸长率为0.2%时旳 应力。
要求残余延伸应力
F0.2 A0
强度与塑性
❖ 强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性 变形和断裂旳能力。
❖ 塑性是指金属材料在静载荷作用下产生塑性变 形而不致引起破坏旳能力。
❖ 金属材料旳强度和塑性旳判据可经过拉伸试验 测定。
断后伸长率（ δ ）
l1-l0
δ=
×100%
l0
l1——试样拉断后旳标距,mm; l0——试样旳原始标距,mm。
断面收缩率（ψ）
ψ= S0-S1 ×100% S0
S0——试样原始横截面积,mm2； S1——颈缩处旳横截面积,mm2 。
屈服现象
❖ 在金属拉伸试验过程中， 当应力超出弹性极限后， 变形增长较快，此时除 了弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当外力 增长到一定数值时忽然 下降，随即，在外力不 增长或上下波动情况下， 试样继续伸长变形，在 力－伸长曲线出现一种 波动旳小平台，这便是 屈服现象。
强度
屈服点
在伸长过程中力不增长（保持恒定），试样仍能继续
伸长时旳应力，单位为MPa，即：
S
FS Ao
式中：Fs——材料屈服时旳拉伸力，（ N ）； Ao——试样原始截面积，（ mm2 ）。
要求残余延伸强度
❖ 对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验 中没有明显旳屈服现象，无法拟定其屈服强 度。
❖ 国标GB228-2023要求，一般要求以试样到 达一定残余伸长率相应旳应力作为材料旳屈 服强度，称为要求残余延伸强度，一般记作 Rr。例如Rr0.2表达残余伸长率为0.2%时旳 应力。
要求残余延伸应力
F0.2 A0
金属工艺学第一章金属材料性能ppt课件.ppt
拉伸试验
强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和 断裂的能力。
塑性：材料在外力作用下产生永久变形而 不破坏的能力。
硬度
硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的 能力，衡量材料的软硬程度。
硬度试验方法很多，机械工业普遍采用 压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、 洛氏硬度、维氏硬度等。
布氏硬度是用单位压痕面积的力作 为布氏硬度值的计量，符号HBS、HBW
洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏 硬度值的计量即，符号HR
维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为 硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角 为136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度用符 号HV表示。
冲击韧性和疲劳强度
冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断 裂的能力。
疲劳强度：金属材料在无数次重复或交变 载荷作用下而不致引起断裂的 最大应力。
使用性能：金属材料在使用过程中所表现出来 的性能。
（物理性能、化学性能、力学性能） 工艺性能：金属材料在各种加工过程中所表现
出来的性能。 （铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能）
1. 金属材料的力学性能
力学性能：指金属材料在外力（载荷）作用下 所表现出的抵抗变形和破坏的能力。
强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。
2.金属材料物理性能和化学性能
物理性能：密度、熔点、导热性、导电 性金属材料的工艺性能（略）
工艺性能：铸造性能、锻造性能、 焊接性能、切削加工性能
金属材料的强度和韧性
金属材料的强度和韧性1.定义：强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1）抗拉强度：金属材料在拉伸过程中所能承受的最大拉力。
（2）抗压强度：金属材料在压缩过程中所能承受的最大压力。
（3）抗弯强度：金属材料在弯曲过程中所能承受的最大力矩。
（4）抗剪强度：金属材料在剪切过程中所能承受的最大剪力。
3.影响因素：（1）材料的化学成分：合金元素的加入可以提高金属材料的强度。
（2）材料的微观结构：晶粒大小、晶界、位错等微观缺陷会影响金属材料的强度。
（3）温度：金属材料在高温下的强度会降低。
（4）应变速率：应变速率越快，金属材料的强度越高。
1.定义：韧性是指金属材料在断裂前吸收塑性变形能量的能力。
（1）冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下的韧性。
（2）断裂韧性：金属材料在拉伸载荷作用下的韧性。
3.影响因素：（1）材料的化学成分：合金元素的加入可以提高金属材料的韧性。
（2）材料的微观结构：晶粒大小、晶界、位错等微观缺陷会影响金属材料的韧性。
（3）温度：金属材料在低温下的韧性会降低。
（4）应力状态：三向应力状态下，金属材料的韧性优于单向应力状态。
三、强度和韧性的关系1.强度和韧性往往存在一定的矛盾：强度高的材料，韧性往往较低；韧性好的材料，强度往往较低。
2.衡量强度和韧性的指标：韧脆转变温度（DBTT），即材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度。
3.如何在保证强度的同时提高韧性：（1）合金化：通过加入适当的合金元素，提高金属材料的强度和韧性。
（2）热处理：通过改变材料的微观结构，提高金属材料的强度和韧性。
（3）微观缺陷控制：通过控制晶粒大小、晶界和位错等微观缺陷，提高金属材料的强度和韧性。
四、应用实例1.航空领域：高性能铝合金、钛合金等材料在航空器结构件中的应用，要求材料具有高强度和良好韧性。
2.汽车领域：钢铁、铝合金等材料在汽车零部件中的应用，要求材料具有适当的强度和韧性。
3.建筑领域：不锈钢、钢筋等材料在建筑结构中的应用，要求材料具有高强度和良好韧性。
金属材料力学性能测试.pptx
添加实物图
Q235-10mmx10mmx55mmV型缺口试样
五、低温冲击
冷脆转变温度Tk：由于温度 降低造成金属由韧性状态 转变为脆性状态的温度。 测定Tk的方法： （1）能量法：冲击吸收功 降低到某一个具体数值时 的温度定为Tk。 （2）端口形貌法：端口形 貌中纤维区所占面积下降 到50%时所对应的温度。
当l0=10d0 时，伸长率用10 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。
显然5> 10 ③ < 5%时，无颈缩，为脆性材料表征
>5% 时，有颈缩，为塑性材料表征
弯曲
技术指标： 最大压力:100KN 速率：0-120mm/min
特点： （1）试样形状简单、操作方便。常用 于测定铸铁、铸造合金、工具钢和硬质 合金等脆性和低塑形材料的强度和显示 塑性的差别。 （2）弯曲试样表面应力最大， 可较灵敏地反映材料表面缺陷。
一、金属材料力学性能简介
力学性能
材 料
使用性能
物理性能 化学性能
的
性
铸造性能
能
工艺性能
锻压性能 焊接性能
热处理性能
力学性能
静载时 动载时
——材料抵抗各种外加载荷的能力。 弹性：弹性形变 刚度：产生弹性变形的难易程度 强度：抵抗永久变形和断裂的能力 塑性：塑性变形 硬度：抵抗硬物压入的能力
韧性：塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力
高温电子万能材料试验机
高温拉伸试样-加引伸计
高温拉伸试样-加引伸计பைடு நூலகம்
拉断前
拉断后
四、常温冲击
• 冲击韧性：是指材料抵 抗冲击载荷作用而不破 坏的能力。
指标为冲击 韧性值ak(通 过冲击实验 测得)。
金属材料的力学性能PPT课件
材料的ak值愈大，韧性就愈好； 材料的ak值愈小，材料的脆性愈大。 通常把ak值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。
43
2. 断裂韧性
低应力脆断 工程零（构）件有时在应力低于许用应力的情况
下也会发生突然断裂，称为低应力脆断。
低应力脆断的原因 由于实际应用的材料中常常存在一些裂纹和本身
缺陷，如夹杂物、气孔等或加工和使用过程中产生 的缺陷，裂纹在应力的作用下失稳而扩展，最终导 致零（构）件断裂。
44
1.1.5 疲劳强度
① 疲劳破坏
零件、工具等即使在低于材料屈服强度的交变载荷作用下， 经过一定的循环次数后也会发生突然断裂，这种现象称为疲劳 断裂。 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
（4）应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度 检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。
39
1.1.4 冲击韧性
1. 冲击韧性
是指金属材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
冲击韧性的测定方法
摆锤式一次冲击试验 小能量多次冲击试验
40
摆锤式一次冲击试验 摆锤式冲击实验机
41
试验原理
14
拉伸试验（应力—应变）曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
（缩颈点） K — 断裂点
15
拉伸过程变化的三个阶段
（1） 弹性变形阶段 （2） 屈服变形阶段 （3） 强化阶段 （4） 缩颈阶段
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
16
弹性与塑性
弹性: 金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能回复 其原来形状的性能，叫做弹性。 弹性变形: 随着外力消失而消失的变形，叫做弹性变形。 塑性变形: 在外力消失后留下来的这部分不可恢复的变形，叫 做塑性变形。
《金属材料力学性能》课件
《金属材料力学性能》PPT课件
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
3-金属材料的性能PPT模板
1.587 5 mm的钢球作为压头，以 一定的压力挤压材料表面，根据 压痕的深度计算材料的硬度。根 据试验压力的不同，可分为三种
适用于测定布氏硬度 值大于450或尺寸较小 的工件
标度：HRA，HRB和HRC
以相对面夹角为136°的正四棱锥
形 金 刚 石 作 为 压 头 ， 以 49.03 ～ 由于压痕较小，适用
应用范围
采用直径为D的淬火钢球或硬质 合金钢球作为压头，以规定压力P 挤压材料表面并保持规定的时间， 测量圆形压痕的直径d，利用公式 求出硬度值，或从专门编制的硬 度表中查出对应的硬度值
适用于测定各种退火 及调质的钢材、非铁 合金及铸铁等不太硬 的工件，不适合测定 太薄的工件
采用120°顶角的金刚石或直径为
图3-8 冲击试验原理简图
试验中测定的冲击吸收功不能直接用于工程计算，只能作为判断材料冲 击韧性的定性指标。
9
1.1.5 疲劳强度
零件在承受外部载荷作用时内部会产生应力，当外部载荷呈周期性变化 时，应力也会作周期性变化，称为交变应力或循环应力
机械零件工作时需要承受交变应力的作用，虽然应力水平低于材料的屈 服强度，但经过长时间的反复作用后，零件会产生裂纹或突然发生断裂破坏， 这种现象称为金属的疲劳破坏，简称疲劳
需要不断地增加拉力，试样才能继续伸长。随着塑性 变形的增大，试样抵抗变形的内力也逐渐增大，这种现 象称为形变强化。 为整个拉伸过程中的最大拉力
拉力达到最大值后，试样中间某处的直径会发生局部 收缩，称为“缩颈”。由于横截面积减小，拉力不断减 小
力学特性
6
1.1.2 塑性
塑性是指金属断裂前发生不可逆永久变形的能力 塑性好的金属材料容易发生塑性变形，从而容易进行压力加工成形
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2）弥散粒子的相变临界直径 考虑界面能之差S，以一个直径为D的颗粒为例说明相变时的临界直径：
S D2 (Gchem － UT + Ua )D3
在一定温度和应力条件下，相应有一个发生相变的临界ZrO2粒子直径Dc ：
Dc= S / (Gchem － UT + Ua ) 相变能量条件：(Gchem － UT + Ua ) S / Dc
1. 金属与无机材料的复合 ------增韧相弥散于材料中
增韧相的作用：
1.金属与无机材料的复合
2.材料中的裂纹尖端增韧作 用区
3.基体中设置裂纹扩展势垒 -----纤维增强
4.减缓裂纹尖端的应力集中 效应
起附加能量吸收的作用，使裂纹尖端高度集中的应力
得以部分消除，抑制可能到达临界状态的裂纹数量，提高 材料抵抗裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。
变动力）
Gchem ----单斜相和四方相之间的自由能之差；（相变动力） UT ------相变弹性应变能的变化；（相变阻力） Ua ------ 激发相变时，外应力所消耗能量；（相变动力） S------单斜相与基体间的界面能和四方相与基体间的界面能之差,
常被忽略。（相变阻力）
四方相向单斜相的转化能否发生，取决于转化后系统的 自由能是否下降，即转化的能量条件为：
通过裂纹尖端塑性形变的作用吸收能量。裂纹尖端的
原子发生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹 性应变能，使裂纹扩展的动力减弱。
金属对材料的增韧具备如下条件：
在显微结构方面 金属相与无机相能否均匀分散成彼此交错
的网络结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用。
金属对材料具有很好的润湿性。否则，材料自成为连续
2.6 材料的脆性和克服脆性的途径
2.6.1 材料的脆性 1. 材料脆性的特点
材料的脆性:特点,改善韧性提高强度 克服材料脆性断裂的途径
脆性是无机材料的特征 它间接地反映材料较低的抗机械冲击
强度。
脆性表现:一旦受到临界的外加负荷，材料的断裂则具有爆发性的
特征和灾难性的后果。
原因：1. 脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统。在受力状态下难于 发生滑移使应力松弛。
当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能 态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能 量。
能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
量
四方相
G
Ua
Gchem
单斜相
受基体抑制
UT
高温向低温的相转变方向 相变反应过程中的能量变化
无抑制 T
ZrO2粒子发生相变时的自由能平衡关系式为：
GM/T= － Gchem +UT－Ua+S GM/T ------单位体积四方相向单斜相转化引起的自由能变化；（相
相变粒子增韧：
利用 ZrO2 四方相转变成 ZrO2 单斜相的马氏体相变来实现增韧。
马氏体相变的特点：
相变前后无成分变化；
原子的配位不变；
原子的位移不超过一个原子间距；
无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近 似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大2～3倍， 为吸收断裂能和增韧提供必要条件。
裂纹尖端出现微裂纹区时，将导 致弹性能的松弛和应力再分布。
1） ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件 2）弥散粒子的相变临界直径 3）化学因素的影响
(1)影响ZrO2相变的因素：
1） ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件
在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳定相在低于相 变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方ZrO2相保持 其介稳状态；
2. 显微结构的脆性根源是材料内部存在裂纹，易于导致高度的
应力集中。
裂纹扩展的速度是脆性的一种量度 裂纹扩展速度
决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，塑性形变需要一定的起 始时间，若裂纹扩展的很快，则发生脆断。
断裂能、 th /th 也是材料脆性的一种量度.
th /th
NaCl 0.49
D值越小，由于单位体积粒子的比表面积越大，则其S也越大，即相变 势垒越高，四方晶相更能保持其界稳状态，直到更低的温度才转化为单斜相。
相，金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制， 脆性改善有限。
有希望的系统：ZrO2－TaW系统, (Cr·Al)2O3－Cr·Mo·W系统。
此种复合材料的缺点：金属在高温下，易氧化会损害材料的耐
热性。
2. 材料中的裂纹尖端增韧作用区 ------相变粒子弥散
(1) 影响ZrO2相变的因素 (2) 增韧机制 (3) 主裂纹尖端增韧作用区的控制原则 (4) 表面韧化
相变伴随有体积变化------高温相向低温相转化引起体积膨胀。
相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等） 的影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温 度而不是一个特定的温度点。
增韧机制：
应力诱导相变增韧
相变诱发微裂纹增韧
微裂纹分岔增韧。
应 力
Kl(2πr)-1/2
δ
与裂纹尖端距离 r
提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；
减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力 集中效应。
强度
强度－韧性－裂纹 尺寸的关系
ao
断裂韧性 K1c
裂纹长度的倒数
工程陶瓷的发展 沿着既提高断裂韧性,又降低裂纹尺寸 的途径,大幅度地提高材料的强度.
2.6.2 克服材料脆性断裂的途径
GM/T 0 或 Gchem UT－Ua 引起相变单位体积弹性应变能的变化（UT）的根源是 单斜相和四方相密度的差别。
有 UT =E2/2 E ------两相的平均弹性模量； ------相变引起的应变。 借助于外应力a激发相变时，Ua =aV /2 ， 其中，体积为单位体积V=1, a =2Ua / 得相变的应力条件： a 2（ UT－ Gchem ）/
金刚石 1.16
铜和银 30
2. 改善材料韧性，提高材料强度
材料脆性的本质难以改变
在一定的条件下，晶体
中的滑移系统的数目及其可动程度，是物质本质结构所决定的；
任务 根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对
裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。
从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：