材料強化力學(xué)實驗和材料性能

材料強化力學(xué)實驗和材料性能第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第4章教學(xué)時數(shù)安排

4.1概述4.2力學(xué)實驗與材料性能4.4固溶強化4.3加工硬化4.5彌散強化4.6固態(tài)相變強化2個學(xué)時2個學(xué)時2個學(xué)時第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述

材料的強度是材料性能中最重要的一項

人類最早利用的材料性質(zhì)就是力學(xué)性質(zhì)

對于結(jié)構(gòu)材料來說，材料的強度更是決定該材料是否勝任實際要求的關(guān)鍵

第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月決定材料強度的關(guān)鍵因素1.原子之間的結(jié)合力2.位錯

不同材料有不同的力學(xué)行為,主要來自內(nèi)部原子間結(jié)合力的差異。在提高材料強度方面，一般常見的方法就是形成新的相。

除了原子間的鍵合類型和結(jié)合力外,對材料強度影響最大的因素是位錯，通過影響位錯的運動來達(dá)到強化材料的目的。近代金屬物理領(lǐng)域中的最大成果就是關(guān)于材料中的位錯的研究。第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月材料強化的方式1.合金化和冷加工2.熱處理構(gòu)件處于高應(yīng)力的塑性形變狀態(tài)。固態(tài)下要發(fā)生相變有序強化第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于那些沒有塑性變形的脆性材料，也無法利用冷加工的方法來進一步強化材料。材料強化方式實現(xiàn)的條件

如果在該材料的相圖中沒有共析相變反應(yīng)，自然不可能采用共析分解強化。第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2力學(xué)實驗與材料性能

選擇材料的一個基本原則力學(xué)性能

研究材料的力學(xué)性能，可以了解材料缺陷的本質(zhì)。必須分析材料使用的環(huán)境，以便判斷什么是材料應(yīng)該具有的最重要的性能。

第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月表征材料力學(xué)性能的最常用的參數(shù)：屈服強度、斷裂強度彎曲試驗常用來表示脆性材料的拉伸性能。硬度試驗也可在一定程度上表示材料的拉伸強度。但是，即使材料工作的應(yīng)力低于斷裂強度或屈服強度，也并不意味著材料的使用就一定安全。如果材料所受的負(fù)載是動態(tài)而不是靜態(tài)的，就要用沖擊韌性來表示它的抗斷裂性能。第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時要用斷裂韌性來表示這些裂紋在材料中的擴展行為。如果材料在高溫下使用，即使它所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力，也可能發(fā)生塑性形變。此時要用蠕變強度來表示材料的性能。如果材料所受應(yīng)力為循環(huán)狀態(tài)，那么材料的安全性也會打折扣，此時要用到疲勞強度的概念。第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1拉伸試驗4.2.2彎曲試驗4.2.3硬度試驗4.2.4沖擊試驗4.2.5斷裂韌性4.2.6蠕變4.2.7疲勞材料力學(xué)實驗第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.1拉伸試驗

拉伸試驗測定的是材料抵抗靜態(tài)或緩慢施加的負(fù)載的能力。

在拉伸試驗中，試樣的兩端固定在夾頭上，拉伸機的負(fù)載測量儀器安裝在試樣的一端，應(yīng)變測量裝置安裝在試樣的另一端，記錄材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.1拉伸試驗方法示意圖

第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.2常見的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(a)真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果計算應(yīng)力和應(yīng)變時采用的是試樣的原始截面積和原始長度，這個應(yīng)力-應(yīng)變曲線又稱為工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)力值并不是材料實際上受到的應(yīng)力，而是載荷除以材料原始截面積得到的應(yīng)力值。

由于在拉伸過程中材料的截面積和長度是變化的，故常利用真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線來表示材料的拉伸變化。第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月在真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)力σ等于負(fù)載P除以在應(yīng)變的某一階段時試樣的面積A。

上式中的ln(A0/A)必須是頸縮出現(xiàn)以后才適用。在真實應(yīng)力--應(yīng)變曲線中，頸縮出現(xiàn)之后應(yīng)力仍然繼續(xù)增大。第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月真實應(yīng)力--應(yīng)變曲線常常符合公式：

其中，n是加工硬化系數(shù)，大約為0.1-0.5，k是強度系數(shù)。

第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)應(yīng)變的增加不再產(chǎn)生負(fù)載的增加時，即dP=0時，就要出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，或者說產(chǎn)生頸縮。由于P=σA，因此:失穩(wěn)條件

在很多情況下，人們并不關(guān)心真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。因為超過屈服強度后，材料的形狀就發(fā)生了變化。如果構(gòu)件不再能維持它的形狀，那么它就已經(jīng)失效了。因此，工程應(yīng)力應(yīng)變曲線一般可以滿足實際需要。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)應(yīng)變是拉伸時，稱為彈性模量或楊氏(Yong)模量當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時，稱為剛性應(yīng)變或切變模量μ當(dāng)應(yīng)變是流體靜壓縮應(yīng)變時，稱為體積彈性模量Ｋ

應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例常量稱為彈性模量

在應(yīng)力很低的時候，形變是彈性的可逆的，遵從虎克(Hooke)定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月E:彈性模量或楊氏(Yong)模量μ:剛性應(yīng)變或切變模量Ｋ:體積彈性模量

三者關(guān)系：v:泊松比（單軸拉伸時橫向縮短與縱向伸長之比)第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)材料的形變在應(yīng)力去除之后仍不能完全恢復(fù)時，說明材料發(fā)生了塑性形變。材料開始發(fā)生塑性形變時所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強度，用σs

來表示。塑性形變對于金屬來說，這也是位錯開始滑移所需的應(yīng)力

對于沒有明顯屈服點的材料，習(xí)慣上把應(yīng)變量為0.2%所對應(yīng)的應(yīng)力規(guī)定為屈服強度，用σ0.2來表示。第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.3低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的上屈服點和下屈服點

第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

材料的抗拉強度對應(yīng)于應(yīng)力--應(yīng)變曲線的最大應(yīng)力。材料的延性為材料截面積的減少量或者伸長的百分率。

在從屈服到抗拉強度的這段應(yīng)力--應(yīng)變曲線中，應(yīng)力持續(xù)增加，這表明試樣形變時發(fā)生了硬化現(xiàn)象，這就是加工硬化。

第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

把拉伸試驗用于科學(xué)研究時，更有意義的是應(yīng)力-應(yīng)變曲線的準(zhǔn)確形狀和它的細(xì)節(jié)，以及屈服應(yīng)力與斷裂應(yīng)力隨溫度、合金化添加物與晶粒大小而變化的關(guān)系。利用拉伸試驗也可以確定斷裂的類型

“杯-錐”型斷裂

解理斷裂

晶間斷裂

第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2彎曲試驗

圖4.4不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

許多脆性材料表面存在裂紋，很難進行一般的拉伸試驗。有時，剛剛把脆性材料安裝在拉伸機的夾頭上，它就發(fā)生了斷裂。

可以采用如圖4.5所示的彎曲試驗來測定脆性材料的力學(xué)性能。

第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式中，F(xiàn)為斷裂時的負(fù)載，L為兩個向上支點之間的距離，w是試樣的寬度，h是試樣的厚度。圖4.53點彎曲試驗示意圖

第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.6彎曲試驗曲線

第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

彎曲試驗曲線的橫軸是材料的彎曲δ，彎曲試驗得到的材料的彈性模量又稱為撓曲模量,可以從彎曲試驗曲線的彈性區(qū)域的負(fù)載F和彎曲δ求出：

上式中，F(xiàn)為斷裂時的負(fù)載，L為兩個向上支點之間的距離，w是試樣的寬度，h是試樣的厚度。第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

因為裂紋在受到壓應(yīng)力時會閉合起來，所以脆性材料的使用狀態(tài)往往設(shè)計為壓應(yīng)力狀態(tài)，而不是拉應(yīng)力狀態(tài)。一般來說，脆性材料在壓應(yīng)力狀態(tài)下的抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強度。

材料抗拉強度(MPa)抗壓強度(MPa)彎曲強度(MPa)50%玻璃纖維聚酯160220310Al2O32002600340SiC1703800550表4.1部分材料的抗拉強度、抗壓強度和彎曲強度

第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的硬度定義為材料對于貫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變的能力。4.2.3硬度試驗

圖4.7硬度試驗示意圖

第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的硬度試驗方法：洛氏（Rockwell）硬度試驗、布氏（Brinell）硬度試驗、維氏（Vickers）硬度試驗等。

布氏硬度值（用HB或BHN表示）的定義為P/A，單位是N/m2，其中P是負(fù)載，A是形成壓痕的球帽表面積。

其中，d和D分別是壓痕直徑和壓球直徑，比值d/D需要保持常數(shù)并且很小。第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月另外，硬度與材料的耐磨性能關(guān)系密切。

硬度試驗簡便易行，一般只需幾分鐘就可以完成一個硬度試驗，對所測試樣不需要進行特別的加工處理，試驗本身對試樣也不會造成什么破壞，在實際工作中常用硬度值來粗略地比較材料的力學(xué)性能。

例如：金屬材料中的布氏硬度值(HB)與抗拉強度存在如下的經(jīng)驗公式：

第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4沖擊試驗

一種材料可能具有很高的抗拉強度，但是在沖擊負(fù)載條件下卻可能無法應(yīng)用。為此，常常采用沖擊試驗來測量材料承受沖擊的能力。

在沖擊試驗時，一個重物擺從高度h0

落下，打擊并擊斷試樣，然后繼續(xù)運動到較低的高度hf。從擺的起始高度h0

和最后高度hf

，可以計算其勢能差。這個勢能差就是試樣在斷裂時所吸收的能量，可以表示為材料的耐沖擊能力。這種材料抵抗沖擊的能力又稱為材料的沖擊韌性。第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

沖擊試驗有許多種方法，常用的有艾氏(Izod)沖擊試驗和夏氏(Charpy)沖擊試驗。試樣可以有切口或沒有切口。

具有V型切口的試樣適合用來測試材料抵抗裂紋擴展的能力。第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.8不銹鋼和碳鋼在不同溫度下的夏氏沖擊試驗結(jié)果

第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.9材料的韌性、脆性與溫度的關(guān)系

韌脆轉(zhuǎn)變溫度第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

材料在機械加工、制造過程中可能會出現(xiàn)切口。這些切口會引起應(yīng)力集中，降低材料的沖擊韌性。通過比較有切口和無切口的試樣的沖擊試驗結(jié)果，可以得到材料的切口敏感性。如果材料具有切口敏感性，那意味著這一材料的有切口試樣的吸收能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無切口試樣。

切口敏感性第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.10真實應(yīng)力--應(yīng)變曲線

材料的沖擊性能與其真實應(yīng)力--應(yīng)變曲線的面積有關(guān)。金屬具有較高的強度和較大的塑性，所以它的韌性較好。而陶瓷和許多復(fù)合材料雖然具有很高的強度，但是其只有很小或沒有塑性形變，韌性也差。

第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂韌性就是表示含有裂紋的材料所能承受的應(yīng)力。4.2.5斷裂韌性

沖擊韌性是材料性能的一個定性指標(biāo)，而斷裂韌性則是材料性能的一個定量指標(biāo)。

第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力強度因子K可由下式計算：圖4.11斷裂韌性試樣中的裂紋示意圖

上式中，f是試樣和裂紋的幾何因子，σ是作用應(yīng)力，a是裂紋尺寸。如果試樣具有無限的寬度，則f近似等于1.0。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用含有一個已知尺寸的裂紋的試樣，可以測得該裂紋開始擴展并導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂時的臨界K值。這個臨界應(yīng)力強度因子定義為材料的斷裂韌性Kc。Kc=裂紋擴展所需的K值第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.12斷裂韌性與試樣厚度的關(guān)系

斷裂韌性與材料試樣的厚度有關(guān)

第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）裂紋尺寸a越大，許可應(yīng)力σ越低。（2）材料發(fā)生塑性變形的能力非常重要。（3）厚試樣的斷裂韌性比薄試樣的要小。（4）增加負(fù)載速率，像沖擊試驗?zāi)菢?，往往會減小材料的斷裂韌性。（5）與沖擊試驗相同，降低溫度會減小材料的斷裂韌性。（6）減小晶粒尺寸一般可以改善斷裂韌性。材料抵抗裂紋擴展的能力與許多因素有關(guān)：第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.6蠕變

如果在高溫下給材料施加一個應(yīng)力，即使這個應(yīng)力小于該溫度下的材料屈服強度，材料也可能發(fā)生塑性變形，以至斷裂。這種現(xiàn)象就稱為蠕變。蠕變的定義是在恒定的壓力下材料的塑性流變。第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

引起材料在較低溫度下發(fā)生塑性變形的主要原因是位錯的滑移，而引起材料在高溫下發(fā)生蠕變的主要原因則是位錯的攀移。

位錯攀移，即位錯能夠在與滑移面垂直而不是平行的平面上移動。

依靠這種攀移而脫離了雜質(zhì)等束縛的位錯就可以在較低的應(yīng)力下繼續(xù)滑移，從而使材料在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生塑性形變。所以，時間是影響材料高溫形變的又一重要因素，而在室溫下，時間對材料的形變幾乎沒有影響。第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.13材料的蠕變曲線

蠕變速率=應(yīng)變的增量/時間的增量

第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4.14各種溫度下的蠕變斷裂試驗數(shù)據(jù)

第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.7疲勞

如果材料所受的應(yīng)力是重復(fù)出現(xiàn)的，那么即使這個應(yīng)力低于材料的屈服強度，材料也有可能發(fā)生破壞。這種現(xiàn)象稱為材料的