材料强化-力学实验和材料性能F.ppt

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1、第4章 材料强化,本章首先介绍了各种有关材料力学性能的实验方法，解释了引入这些实验方法的原因和目的。然后，详细介绍了一些主要的材料强化手段，对这些强化手段的特点进行了分析。,本章提要,第4章 教学时数安排,4.1 概 述,材料的强度是材料性能中最重要的一项,人类最早利用的材料性质就是力学性质,对于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实际要求的关键,决定材料强度的关键因素,1. 原子之间的结合力,2. 位错,不同材料有不同的力学行为,主要来自内部原子间结合力的差异。在提高材料强度方面，一般常见的方法就是形成新的相。,除了原子间的键合类型和结合力外,对材料强度影响最大的因素是位错，通过影

2、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。,材料强化的方式,1. 合金化和冷加工,2. 热处理,构件处于高应力的塑性形变状态。,固态下要发生相变,有序强化,对于那些没有塑性变形的脆性材料，也无法利用冷加工的方法来进一步强化材料。,材料强化方式实现的条件,如果在该材料的相图中没有共析相变反应，自然不可能采用共析分解强化。,4.2 力学实验与材料性能,选择材料的一个基本原则,力学性能,研究材料的力学性能，可以了解材料缺陷的本质。,必须分析材料使用的环境，以便判断什么是材料应该具有的最重要的性能。,表征材料力学性能的最常用的参数： 屈服强度、断裂强度

3、弯曲试验常用来表示脆性材料的拉伸性能。 硬度试验也可在一定程度上表示材料的拉伸强度。 但是，即使材料工作的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着材料的使用就一定安全。 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，即使它所受应力远远低于屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变强度来表示材料的性能。 如果材料所受应力为循环状态，那么材料的安全性也会打折扣，此时要用到疲劳强度的概念。,4.2.1 拉伸试验,4.2.2 弯曲试验,4.2.3 硬度试验,4.2.4

4、 冲击试验,4.2.5 断裂韧性,4.2.6 蠕变,4.2.7 疲劳,材料力学实验,4.2.1 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的能力。,在拉伸试验中，试样的两端固定在夹头上，拉伸机的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，记录材料应力-应变曲线。,图4.1 拉伸试验方法示意图,图4.2 常见的应力-应变曲线,(a) 真实应力-应变曲线; (b) 工程应力-应变曲线,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，这个应力-应变曲线又称为工程应力-应变曲线。,工程应力-应变曲线中的应力值并不是材料实际上受到的应力，而是载荷除以材料原始截面积得

5、到的应力值。,由于在拉伸过程中材料的截面积和长度是变化的，故常利用真实应力-应变曲线来表示材料的拉伸变化。,在真实应力-应变曲线中，应力等于负载P除以在应变的某一阶段时试样的面积A。,上式中的ln(A0/A)必须是颈缩出现以后才适用。在真实应力-应变曲线中，颈缩出现之后应力仍然继续增大。,真实应力-应变曲线常常符合公式：,其中，n是加工硬化系数，大约为0.1-0.5，k是强度系数。,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。由于P =A，因此:,失稳条件,在很多情况下，人们并不关心真实应力应变曲线。因为超过屈服强度后，材料的形状就发生了变化。如果构

6、件不再能维持它的形状，那么它就已经失效了。因此，工程应力应变曲线一般可以满足实际需要。,当应变是拉伸时，称为弹性模量或杨氏(Yong)模量,当应变是切应变时，称为刚性应变或切变模量,当应变是流体静压缩应变时，称为体积弹性模量,应力和应变之间的比例常量称为弹性模量,在应力很低的时候，形变是弹性的可逆的，遵从虎克(Hooke)定律,应力与应变成正比的关系。,E:弹性模量或杨氏(Yong)模量,:刚性应变或切变模量,:体积弹性模量,三者关系：,v:泊松比（单轴拉伸时横向缩短与纵向伸长之比),当材料的形变在应力去除之后仍不能完全恢复时，说明材料发生了塑性形变。材料开始发生塑性形变时所对应的应力称为屈服

7、强度，用s 来表示。,塑性形变,对于金属来说，这也是位错开始滑移所需的应力,对于没有明显屈服点的材料，习惯上把应变量为0.2%所对应的应力规定为屈服强度，用0.2来表示。,图4.3低碳钢应力-应变曲线中 的上屈服点和下屈服点,材料的抗拉强度对应于应力-应变曲线的最大应力。材料的延性为材料截面积的减少量或者伸长的百分率。,在从屈服到抗拉强度的这段应力-应变曲线中，应力持续增加，这表明试样形变时发生了硬化现象，这就是加工硬化。,把拉伸试验用于科学研究时，更有意义的是应力-应变曲线的准确形状和它的细节，以及屈服应力与断裂应力随温度、合金化添加物与晶粒大小而变化的关系。,利用拉伸试验也可以确定断裂的类

8、型,“杯-锥”型断裂,解理断裂,晶间断裂,4.2.2 弯曲试验,图4.4 不同材料的应力-应变曲线,许多脆性材料表面存在裂纹，很难进行一般的拉伸试验。有时，刚刚把脆性材料安装在拉伸机的夹头上，它就发生了断裂。,可以采用如图4.5所示的弯曲试验来测定脆性材料的力学性能。,上式中，F为断裂时的负载，L为两个向上支点之间的距离，w是试样的宽度，h是试样的厚度。,图4.5 3点弯曲试验示意图,图4.6 弯曲试验曲线,弯曲试验曲线的横轴是材料的弯曲，弯曲试验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量,可以从弯曲试验曲线的弹性区域的负载F和弯曲求出：,上式中，F为断裂时的负载，L为两个向上支点之间的距离，w是试样

9、的宽度，h是试样的厚度。,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。,表4.1部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度,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。,4.2.3 硬度试验,图4.7 硬度试验示意图,常用的硬度试验方法： 洛氏（Rockwell）硬度试验、布氏（Brinell）硬度试验、维氏（Vickers）硬度试验等。,布氏硬度值（用HB或BHN表示）的定义为P/A，单位是N/m2，其中P是负载，A是形成压痕的球帽表面

10、积。,其中，d和D分别是压痕直径和压球直径，比值d/D需要保持常数并且很小。,另外，硬度与材料的耐磨性能关系密切。,硬度试验简便易行，一般只需几分钟就可以完成一个硬度试验，对所测试样不需要进行特别的加工处理，试验本身对试样也不会造成什么破坏，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)与抗拉强度存在如下的经验公式：,4.2.4 冲击试验,一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲击负载条件下却可能无法应用。为此，常常采用冲击试验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hf。从摆的起始

11、高度h0 和最后高度hf ，可以计算其势能差。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。,冲击试验有许多种方法，常用的有艾氏(Izod)冲击试验和夏氏(Charpy)冲击试验。试样可以有切口或没有切口。,具有V型切口的试样适合用来测试材料抵抗裂纹扩展的能力。,图4.8 不锈钢和碳钢在不同温度下的 夏氏冲击试验结果,4.9 材料的韧性、脆性与温度的关系,韧脆转变温度,材料在机械加工、制造过程中可能会出现切口。这些切口会引起应力集中，降低材料的冲击韧性。通过比较有切口和无切口的试样的冲击试验结果，可以得到材料的切口敏感性。如果材

12、料具有切口敏感性，那意味着这一材料的有切口试样的吸收能远远低于无切口试样。,切口敏感性,图4.10 真实应力-应变曲线,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。而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。,断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力。,4.2.5 断裂韧性,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。,应力强度因子K可由下式计算：,图4.11断裂韧性试样中的裂纹示意图,上式中，f是试样和裂纹的几何因子，是作用应力，a是裂纹尺寸。如果试样具有无限的宽度，则f

13、近似等于1.0。,利用含有一个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K值。这个临界应力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,图4.12 断裂韧性与试样厚度的关系,断裂韧性与材料试样的厚度有关,（1） 裂纹尺寸a越大，许可应力越低。 （2） 材料发生塑性变形的能力非常重要。 （3） 厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。 （4） 增加负载速率，像冲击试验那样，往往会减小 材料的断裂韧性。 （5） 与冲击试验相同，降低温度会减小材料的断裂 韧性。 （6） 减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。,材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关：,4.2.6 蠕变

14、,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，材料也可能发生塑性变形，以至断裂。这种现象就称为蠕变。蠕变的定义是在恒定的压力下材料的塑性流变。,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。,位错攀移，即位错能够在与滑移面垂直而不是平行的平面上移动。,依靠这种攀移而脱离了杂质等束缚的位错就可以在较低的应力下继续滑移，从而使材料在较低应力状态下发生塑性形变。所以，时间是影响材料高温形变的又一重要因素，而在室温下，时间对材料的形变几乎没有影响。,图4.13 材料的蠕变曲线,蠕变速率=应变的增量/时间的增量,图

15、4.14 各种温度下的蠕变断裂试验数据,4.2.7 疲劳,如果材料所受的应力是重复出现的，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。,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。,人们设计出了各种类型的疲劳试验机器。在这些机器中，所加的应力状态不同，比如弯曲、扭转、拉伸或者压缩，但是有一点却是相同的，即测量物质所受的应力循环是固定的。为了表示出应力的特征，通常需要注意三个问题，即最大应力范围、平均应力、应力循环周期。,图4.15应力循环的几种类型 (a) 反转；(b) 交替；(c) 涨落；(d) 重复,应力循环的四种不同的类型,旋转悬臂梁试验,图4.16 旋转悬臂梁疲劳试验,图4.17 疲劳实验的S-N曲线,疲劳极限,疲劳寿命指的是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。,疲劳强度指的是在特定应力循环次数时不发生疲劳断裂的前提下，材料所能承受的最大应力。,有些材料，例如钢铁，其疲劳极限大约等于屈服强度的一半。所谓的耐疲劳比可由下式定义： 耐疲劳比=疲劳极限/屈服强度0.5 可以从屈服强度和耐疲劳比来估算材料的疲劳极限。,