1、第四章第四章4.1 概述概述 v力学性能是材料的基本性质。力学性能是材料的基本性质。v材料的强度是材料力学性能中最重要的一项。对材料的强度是材料力学性能中最重要的一项。对于结构材料和功能材料来说，都是非常重要的。于结构材料和功能材料来说，都是非常重要的。2材料物理材料物理Contents4.2 力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化4.5 弥散强化弥散强化4.6 固态相变强化固态相变强化3材料物理材料物理4.2.1 拉伸试验拉伸试验 v 表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所得到的屈服强度和抗拉强度。
2、得到的屈服强度和抗拉强度。v 拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加的负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。载的能力。4材料物理材料物理拉伸试验方法示意图拉伸试验方法示意图5材料物理材料物理拉伸试验的实验数据拉伸试验的实验数据 v拉伸试验所得到的实验数据是试样长度随着负载拉伸试验所得到的实验数据是试样长度随着负载力的变化而产生的变化。力的变化而产生的变化。v 为了便于不同尺寸材料的比较，通常将纵坐标为了便于不同尺寸材料的比较，通常将纵坐标（负载力）除以试样的横截面积（负载力）除以试样的横截面积A A，将横坐标（试，将横坐标（试样长度的变化）除以原始长度样长度的变化）除以原始长度
3、L L0 0。这就是我们所。这就是我们所说的应力说的应力-应变曲线。应变曲线。6材料物理材料物理应力应力-应变曲线应变曲线(a)真实应力真实应力-应变曲线应变曲线 (b)工程应力工程应力-应变曲线应变曲线 7材料物理材料物理应力曲线应力曲线v工程应力工程应力-应变曲线应变曲线 A A代表拉伸试验前试样的原始截面积。（颈缩出现后误代表拉伸试验前试样的原始截面积。（颈缩出现后误差较大）差较大）v真实应力真实应力-应变曲线应变曲线 A A代表拉伸试验中试样某一阶段的截面积。代表拉伸试验中试样某一阶段的截面积。颈缩：当应变的增加不再产生负载的增加时，即颈缩：当应变的增加不再产生负载的增加时，即dP=0
4、dP=0时，时，就要出现塑性失稳，或者说产生颈缩。就要出现塑性失稳，或者说产生颈缩。8材料物理材料物理截面积）A负载；P应力；（AP弹性形变，遵从弹性形变，遵从Hooke定律，应定律，应变和应力成正比，变和应力成正比，比例常数称为弹比例常数称为弹性模量。性模量。9材料物理材料物理弹性形变弹性形变v材料未受外力时，原子处于平衡位置，原子间的材料未受外力时，原子处于平衡位置，原子间的斥力和引力相平衡，当外力不大时，只能克服部斥力和引力相平衡，当外力不大时，只能克服部分原子间相互作用，使原子发生相对位移而改变分原子间相互作用，使原子发生相对位移而改变原子间距，产生弹性形变，外力去除后，恢复到原子间距
5、，产生弹性形变，外力去除后，恢复到平衡位置。平衡位置。v弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小，弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小，原子间结合力越大，其弹性模量越高。原子间结合力越大，其弹性模量越高。10材料物理材料物理弹性形变弹性形变它们均表示材料变形的难易程度，即引起单位变形它们均表示材料变形的难易程度，即引起单位变形所需要的应力大小。所需要的应力大小。11材料物理材料物理正应力正应力 杨氏模量杨氏模量切应力切应力 切变模量切变模量体积压缩应力体积压缩应力 体积模量体积模量12材料物理材料物理弹性极限弹性极限e应力超过弹性极限以后，材料将开始发生塑性形变。应力超过弹性极限以后，
6、材料将开始发生塑性形变。弹性极限弹性极限13材料物理材料物理屈服现象屈服现象：在试验过程中，外在试验过程中，外力不增加，试样仍能继续伸长，力不增加，试样仍能继续伸长，或外力增加到一定的数值突然或外力增加到一定的数值突然下降，随后，在外力不增加或下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下，试样继续上下波动的情况下，试样继续伸长变形，这就是屈服现象。伸长变形，这就是屈服现象。屈服现象屈服现象屈服点屈服点v呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点屈服点s。v试样发生屈服，上下波动的应力首次下
7、降前的最试样发生屈服，上下波动的应力首次下降前的最大应力称为大应力称为上屈服点上屈服点，用，用su表示，屈服阶段中最表示，屈服阶段中最小的应力称为小的应力称为下屈服点下屈服点，用，用sl表示。表示。v在屈服过程中产生的伸长称为屈服伸长。屈服伸在屈服过程中产生的伸长称为屈服伸长。屈服伸长对应的水平线段或曲线称为长对应的水平线段或曲线称为屈服平台或屈服齿屈服平台或屈服齿。14材料物理材料物理屈服强度屈服强度v通常，用应力表示的屈服点或下屈服点就用来表通常，用应力表示的屈服点或下屈服点就用来表示材料对微量塑性变形的抵抗力，即示材料对微量塑性变形的抵抗力，即屈服强度屈服强度。v为什么选下屈服点，而不是
8、上屈服点？为什么选下屈服点，而不是上屈服点？上屈服点波动性很大，对试验条件的变化很敏感，上屈服点波动性很大，对试验条件的变化很敏感，而在正常试验条件下，下屈服点的再现性较好。而在正常试验条件下，下屈服点的再现性较好。15材料物理材料物理屈服强度屈服强度v对金属来说，屈服强度时位错开始滑移所需要的对金属来说，屈服强度时位错开始滑移所需要的应力。应力。v屈服现象的原因屈服现象的原因 本来材料在下屈服点所对应的应力下就能发生塑本来材料在下屈服点所对应的应力下就能发生塑性形变，但是由于位错周围存在一些小的间隙杂性形变，但是由于位错周围存在一些小的间隙杂质原子，阻碍了位错的滑移，使得屈服应力增加质原子，
9、阻碍了位错的滑移，使得屈服应力增加到上屈服点，一旦位错在上屈服点应力的作用下到上屈服点，一旦位错在上屈服点应力的作用下开始滑移，摆脱了杂质原子的阻碍之后，位错就开始滑移，摆脱了杂质原子的阻碍之后，位错就可以在下屈服点的应力作用下继续滑移。可以在下屈服点的应力作用下继续滑移。16材料物理材料物理17材料物理材料物理屈服强度屈服强度s屈服强度屈服强度许多金属材料在拉伸试验许多金属材料在拉伸试验中看不到明显的屈服现象，中看不到明显的屈服现象，通常用规定微量塑性伸长通常用规定微量塑性伸长应力来表征材料对微量塑应力来表征材料对微量塑性变形的抗力。性变形的抗力。一般来说，我们规定产生一般来说，我们规定产生
10、0.2%的塑性伸长率所对应的塑性伸长率所对应的应力称为屈服强度，用的应力称为屈服强度，用0.2表示。表示。18材料物理材料物理抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度是拉伸实是拉伸实验时试样拉断过程验时试样拉断过程中最大负载力所对中最大负载力所对应的应力，即工程应的应力，即工程应力应力-应变曲线中的应变曲线中的最大应力最大应力b。0maxAPb19材料物理材料物理颈缩现象颈缩现象硬化现象使材料的承载能力硬化现象使材料的承载能力增大，可以补偿因试样截面增大，可以补偿因试样截面积减小而引起的承载力的下积减小而引起的承载力的下降。当横截面积减小到一定降。当横截面积减小到一定程度时，硬化的速度就不足程
11、度时，硬化的速度就不足以弥补横截面积的影响，使以弥补横截面积的影响，使得在一局部区域内，负载力得在一局部区域内，负载力不增加，应变也会逐渐增大，不增加，应变也会逐渐增大，从而出现从而出现颈缩现象颈缩现象。进一步。进一步的形变就限于这一区域，直的形变就限于这一区域，直至断裂。断裂时的应力就称至断裂。断裂时的应力就称为为断裂强度断裂强度。不同材料的应力不同材料的应力-应变曲线应变曲线20材料物理材料物理4.2.2 弯曲试验弯曲试验21材料物理材料物理3 3点弯曲加载示意图点弯曲加载示意图弯曲实验测得的是材料所能承受的最大弯曲应力弯曲实验测得的是材料所能承受的最大弯曲应力（也称为断裂模量）。（也称为
12、断裂模量）。断裂模量断裂模量22材料物理材料物理WMmax式中，式中，M为最大弯矩。对于为最大弯矩。对于3 3点弯曲加载点弯曲加载4FLM W为试样的抗弯截面系数。对于矩形试样为试样的抗弯截面系数。对于矩形试样62whW 其中，其中，w为试样宽度，为试样宽度，h为试样高度为试样高度由上式得由上式得2max23whFL4.2.2 弯曲试验弯曲试验23材料物理材料物理334LwhF挠曲模量部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度24材料物理材料物理4.2.3 硬度试验硬度试验材料的硬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定义为材料对于贯穿其表面的硬物
13、的抵抗能力。材料硬度可以很方便地表示材料形变的能力。力。材料硬度可以很方便地表示材料形变的能力。25材料物理材料物理 硬度试验示意图硬度试验示意图 布氏硬度试验布氏硬度试验压头类型：直径压头类型：直径10mm10mm钢球钢球压痕直径：压痕直径：2-6mm2-6mmPP负载负载 AA压痕的球帽表面积压痕的球帽表面积dd压痕直径压痕直径DD压球直径压球直径优点：压痕面积较大（反映较大区域的材优点：压痕面积较大（反映较大区域的材料的平均性能），数据稳定，重复性好。料的平均性能），数据稳定，重复性好。缺点：压痕大（不适合在成品材料上直接缺点：压痕大（不适合在成品材料上直接进行检测）进行检测）26材料物
14、理材料物理)(11(22DdPHB2DAP洛氏硬度试验洛氏硬度试验压头类型：小钢球（较软材料）压头类型：小钢球（较软材料）金刚石锥（较硬材料）金刚石锥（较硬材料）通过测量压入深度，转换成洛氏硬度值（根据硬度不同，选用不同的标通过测量压入深度，转换成洛氏硬度值（根据硬度不同，选用不同的标尺）。尺）。优点：可以测量多种材料。优点：可以测量多种材料。缺点：不同硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度值不能直接比较。缺点：不同硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度值不能直接比较。27材料物理材料物理硬度值与其他性能关系硬度值与其他性能关系28材料物理材料物理实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的力学性能。实
15、际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的力学性能。金属材料中的布氏硬度值金属材料中的布氏硬度值(HB)(HB)与抗拉强度存在如下的经验与抗拉强度存在如下的经验公式：公式：抗拉强度抗拉强度=kHB =kHB （k k随材料不同而不同）随材料不同而不同）硬度与材料的耐磨性能也有密切关系。硬度与材料的耐磨性能也有密切关系。4.2.4 冲击试验冲击试验材料抵抗冲击的能力称为材料的冲击韧性。材料抵抗冲击的能力称为材料的冲击韧性。29材料物理材料物理冲击试验原理图冲击试验原理图通过对比有切口和通过对比有切口和没有切口的试样的没有切口的试样的冲击试验结果，可冲击试验结果，可以得到试样的切口以得到试样的切口敏感性
16、。敏感性。冲击韧性曲线冲击韧性曲线30材料物理材料物理承受冲击负载的材料的使用温度应该高于韧脆转变温度承受冲击负载的材料的使用温度应该高于韧脆转变温度冲击性能与应力冲击性能与应力-应变曲线的关系应变曲线的关系31材料物理材料物理材料的冲击性能与其真实材料的冲击性能与其真实应力应力-应变曲线的面积有应变曲线的面积有关。关。金属具有较高的强度和较金属具有较高的强度和较大的塑性，所以它的韧性大的塑性，所以它的韧性较好。较好。陶瓷和许多复合材料虽然陶瓷和许多复合材料虽然具有很高的强度，但是其具有很高的强度，但是其只有很小或没有塑性形变，只有很小或没有塑性形变，韧性也差。韧性也差。4.2.5 断裂韧性断
17、裂韧性32材料物理材料物理v 断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力。断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承受的应力。v 冲击韧性是材料性能的一个定性指标，而断裂韧性则是材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。料性能的一个定量指标。4.2.5 断裂韧性断裂韧性f试样和裂纹的几何因子试样和裂纹的几何因子作用应力作用应力a左图里定义的裂纹尺寸左图里定义的裂纹尺寸该裂纹开始扩展并导致材料发该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临界生断裂时的临界K值就定义值就定义为材料的为材料的断裂韧性断裂韧性Kc。33材料物理材料物理断裂韧性试样中的裂纹示意图断裂韧性试样中的裂纹
18、示意图 afK应力场强度因子断裂韧性与材料厚度的关系断裂韧性与材料厚度的关系34材料物理材料物理KIC常用来表示材料的断裂性能常用来表示材料的断裂性能4.2.6 蠕变蠕变35材料物理材料物理v 定义定义 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，材料也可能会在一定时间后发生塑性变形，以至断裂。材料屈服强度，材料也可能会在一定时间后发生塑性变形，以至断裂。这种现象就称为这种现象就称为蠕变蠕变。蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。v 发生原因发生原因 引起材料在较低温
19、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。引起材料在高温下发生蠕变的主要原因则是位错的攀移。4.2.6 蠕变蠕变36材料物理材料物理滑移是位错沿着滑移面的方向运动，而攀移是垂直于滑移面的方向运动。滑移是位错沿着滑移面的方向运动，而攀移是垂直于滑移面的方向运动。位错可以依靠攀移摆脱杂质等束缚，在较低的应力下继续滑移，位错可以依靠攀移摆脱杂质等束缚，在较低的应力下继续滑移，所以材料可以在较低的应力下发生塑性形变。所以材料可以在较低的应力下发生塑性形变。蠕变曲线分析蠕变曲线分析37材料物理材料
20、物理温度和应力均为常数。温度和应力均为常数。蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率，按照蠕变速率的蠕变曲线上任一点的斜率，表示该点的蠕变速率，按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变分为三个阶段。变化情况，可将蠕变分为三个阶段。减速蠕变阶段减速蠕变阶段恒速蠕变阶段恒速蠕变阶段加速蠕变阶段加速蠕变阶段通常所说的金属的蠕变速率，通常所说的金属的蠕变速率，就是用这一阶段的速率表示的。就是用这一阶段的速率表示的。蠕变曲线分析蠕变曲线分析38材料物理材料物理同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同同一材料的蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而不同 ，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，当
21、应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至不产生第三阶段，相反，如果应力较大或温度较高，甚至不产生第三阶段，相反，如果应力较大或温度较高，则第二阶段很短，甚至完全消失，材料在很短时间内断裂。则第二阶段很短，甚至完全消失，材料在很短时间内断裂。4.2.7 疲劳疲劳39材料物理材料物理v 定义定义 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。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。v 发展过程发展过程 疲劳破坏的发生一般分为三个阶段。首先，在材料
22、的表面出现一个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。剩余截面积小到不足以承受载荷时，材料将发生断裂。4.2.7 疲劳疲劳40材料物理材料物理旋转式疲劳试验示意图旋转式疲劳试验示意图 疲劳试验疲劳试验S-NS-N曲线曲线41材料物理材料物理只要外加应力小于一个极限应只要外加应力小于一个极限应力
23、，试样就可以经得起无限次力，试样就可以经得起无限次的外加应力，这就是的外加应力，这就是疲劳极限疲劳极限。疲劳寿命疲劳寿命：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。：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。疲劳强度疲劳强度：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：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。承受的最大应力。决定材料强度的关键因素决定材料强度的关键因素v原子之间的结合力原子之间的结合力难以去改变键合类型和结合力来强化材料。难以去改变键合类型和结合力来强化材料。v位错位错有很多方法来影响材料中的位错，通过影响位错的运动有很
24、多方法来影响材料中的位错，通过影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。成果就是关于材料中的位错的研究。42材料物理材料物理Contents4.2 力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化4.5 弥散强化弥散强化4.6 固态相变强化固态相变强化43材料物理材料物理应变硬化应变硬化44材料物理材料物理当材料发生塑性形变后会后有硬化现象出现，也就是当外力超当材料发生塑性形变后会后有硬化现象出现，也就是当外力超过屈服强度后，塑性形变并不是像屈服平台那样继续流变
25、下去，过屈服强度后，塑性形变并不是像屈服平台那样继续流变下去，而是需要不断增加外力才能继续进行，这说明材料有一种能阻止而是需要不断增加外力才能继续进行，这说明材料有一种能阻止继续塑性变形的抗力，这就是继续塑性变形的抗力，这就是应变硬化应变硬化。v 应变强化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保应变强化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。证机件安全。v 应变硬化和塑性变形适当配合可以使金属进行均匀塑性变应变硬化和塑性变形适当配合可以使金属进行均匀塑性变形。形。v 应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一，也称为应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一，也称为“加工加工硬化硬化”。4
26、.3 加工硬化加工硬化45材料物理材料物理能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。加工硬化产生示意图加工硬化产生示意图加工硬化的原理加工硬化的原理46材料物理材料物理经过了冷加工的金属材料中的位错密度大大增加，位错密度经过了冷加工的金属材料中的位错密度大大增加，位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也随之增大。这就是也随之增大。这就是加工硬化的原理加工硬化的原理。位错增殖示意图（位错增殖示意图（Frank-ReedFrank-Reed位错源）位错源）加工硬化
27、的应用加工硬化的应用47材料物理材料物理v 利用加工硬化可以在获得所需的金属材料的形状的同时提利用加工硬化可以在获得所需的金属材料的形状的同时提高材料的强度（例如：钉子）。尤其是对于那些不能采用高材料的强度（例如：钉子）。尤其是对于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。v 各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压、拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化提高材料强度的目的。等，都可以达到利用加工硬化提高
28、材料强度的目的。加工硬化的应用加工硬化的应用通过最后一次通过最后一次冷加工，得到冷加工，得到所需的尺寸和所需的尺寸和强度。强度。在保持尺寸的在保持尺寸的同时，消除材同时，消除材料的加工硬化。料的加工硬化。先使材料获得先使材料获得最大的冷加工最大的冷加工量，使材料的量，使材料的尺寸接近目标尺寸接近目标尺寸。尺寸。冷加工冷加工退火退火冷加工冷加工48材料物理材料物理Contents4.2 力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化4.5 弥散强化弥散强化4.6 固态相变强化固态相变强化49材料物理材料物理4.4 固溶强化固溶强化50材料物理材料物理v 相
29、相相是一种结构，在一种相中，结构或者原子排列处处相同，化学成相是一种结构，在一种相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明显的界面。分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定存在明显的界面。v 固溶体固溶体两种物质之间可以没有限度的互相溶解成为一相，称为无限互溶。两种物质之间可以没有限度的互相溶解成为一相，称为无限互溶。这种固相就成为无限固溶体。如果两种物质都有一定的溶解度，则这种固相就成为无限固溶体。如果两种物质都有一定的溶解度，则称为有限固溶体。称为有限固溶体。固溶体和混合物不是一回事，混合物中含有固溶体和混合物不是一回事，混合物中含有2 2种以上的
30、相，每个相都种以上的相，每个相都保持自己的特性；而固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元保持自己的特性；而固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持自己的特性。都已经相互溶解，不再保持自己的特性。4.4 固溶强化固溶强化51材料物理材料物理固溶强化固溶强化就是通过形成固溶体合金，从而达到材料强化的目的。就是通过形成固溶体合金，从而达到材料强化的目的。固溶强化的效果取决于两个因素：固溶强化的效果取决于两个因素：1.1.溶剂原子和溶质原子的尺寸差别溶剂原子和溶质原子的尺寸差别 越大，固溶强化的效果越大。越大，固溶强化的效果越大。2.2.添加的合金元素越多，固溶强化添加的
31、合金元素越多，固溶强化 的效果也越大的效果也越大固溶强化的特点固溶强化的特点52材料物理材料物理v 合金的屈服强度、抗拉强度、硬合金的屈服强度、抗拉强度、硬度等都会超过纯金属。度等都会超过纯金属。v 几乎所有的合金的塑性都低于纯几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是，铜锌合金的强度和金属。但是，铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这是一个例外。塑性都高于纯铜，这是一个例外。v 合金的电导率大大低于纯金属。合金的电导率大大低于纯金属。v 固溶强化能够改善合金的抗蠕变固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。性能。Contents4.2 力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固
32、溶强化固溶强化4.5 弥散强化弥散强化4.6 固态相变强化固态相变强化53材料物理材料物理4.5 弥散强化弥散强化54材料物理材料物理v 定义定义 弥散强化弥散强化是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。通是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。那些含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一的性能组合。那些含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物，有时这两种相也可以是同时形成的。般是数量较少的析出物，有时这两种相也可以是同时形成的。
33、v 强化原理强化原理 多相材料中相与相之间的界面多相材料中相与相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。到强化。弥散强化的要求弥散强化的要求55材料物理材料物理v 基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的。基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的。v 脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应该脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应该是连续分布的。是连续分布的。v 析出物的尺寸应该小，数密度应该多。析出物的尺寸应该小，
34、数密度应该多。v 析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的。析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的。v 析出物的数量越多，合金的强度越高。析出物的数量越多，合金的强度越高。金属间化合物金属间化合物56材料物理材料物理 弥散强化合金中通常含有金属间化合物。弥散强化合金中通常含有金属间化合物。v 定义定义 金属间化合物金属间化合物是指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属是指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又硬又脆。适合作为基体中的析出物使材料发生弥散强化。硬又
35、脆。适合作为基体中的析出物使材料发生弥散强化。v 分类分类 金属间化合物分为化学价金属间化合物和非化学价金属间化合物。金属间化合物分为化学价金属间化合物和非化学价金属间化合物。金属间化合物金属间化合物材料物理材料物理57化学价金属间化化学价金属间化合物具有合物具有固定的固定的成分。成分。金属间化合物金属间化合物非化学价金属间非化学价金属间化合物的成分可化合物的成分可以在以在一定范围内一定范围内变化变化。材料物理材料物理58金属间化合物的应用金属间化合物的应用金属间化合物有高熔点，高硬度，抗氧化性以及抗蠕变性能，所以金属金属间化合物有高熔点，高硬度，抗氧化性以及抗蠕变性能，所以金属间化合物也可单
36、独作为新材料使用。间化合物也可单独作为新材料使用。共晶反应共晶反应59材料物理材料物理 过共晶合金过共晶合金亚共晶合金亚共晶合金Sn-Pb相图相图应含锡量61.9%的液相含锡量19%的相+含锡量97.5%的相共晶反应共晶反应材料物理材料物理60含锡量含锡量61.9%的液相的液相含锡量含锡量19%的的相相+含锡量含锡量97.5%的的相相共晶合金冷却过程中组织转变示意图共晶合金冷却过程中组织转变示意图亚共晶反应亚共晶反应材料物理材料物理61v 亚共晶合金从液相冷却亚共晶合金从液相冷却时，首先凝固的是时，首先凝固的是相，相，称为初相，稍后形成共称为初相，稍后形成共晶组织，并将早些时形晶组织，并将早些
37、时形成的成的相包围在里面。相包围在里面。v 可以通过控制合金中各可以通过控制合金中各组分的含量，来控制合组分的含量，来控制合金中初相和共晶组织的金中初相和共晶组织的相对数量。相对数量。亚共晶合金冷却过程中组织转变示意图亚共晶合金冷却过程中组织转变示意图共晶反应的特点共晶反应的特点62材料物理材料物理v 共晶组织越多，合金的共晶组织越多，合金的强度也越高。因为在共强度也越高。因为在共晶组织中两个相都实现晶组织中两个相都实现了高度弥散分布。了高度弥散分布。v 共晶反应的另一个特征共晶反应的另一个特征就是具有很低的熔点。就是具有很低的熔点。v 如果共晶组织是脆性的，如果共晶组织是脆性的，则不会得到弥
38、散强化的则不会得到弥散强化的效果。效果。Contents4.2 力学实验与材料性能力学实验与材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化4.5 弥散强化弥散强化4.6 固态相变强化固态相变强化63材料物理材料物理4.6 固态相变强化固态相变强化64材料物理材料物理v 固溶强化和弥散强化和都是在材料从液相凝固成固态的过程中固溶强化和弥散强化和都是在材料从液相凝固成固态的过程中实现对材料的强化的。一般只能采用一次，而控制固态相变来实现对材料的强化的。一般只能采用一次，而控制固态相变来实现材料强化的方法则可多次采用。实现材料强化的方法则可多次采用。v 可以用来强化材料的固态相变主要包括
39、时效强化、共析反应。可以用来强化材料的固态相变主要包括时效强化、共析反应。这些固态反应都需要经过热处理。这些固态反应都需要经过热处理。时效强化时效强化65材料物理材料物理时效强化的原理时效强化的原理66材料物理材料物理v 析出物里的原子排列与周围基体的原子排列保持一种共格关系，析出物里的原子排列与周围基体的原子排列保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，析出物周围的基体的原子排列就会受即保持特定的对应关系，析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物的影响。这种析出物称为共格析出物。到析出物的影响。这种析出物称为共格析出物。v 即使位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物旁边的基即使位错不是从共
40、格析出物身上，而是从共格析出物旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。通过通过时效的方法可以获得共格析出物时效的方法可以获得共格析出物共格、部分共格、非共格界面结构示意图共格析出的步骤共格析出的步骤67材料物理材料物理1.固溶强化固溶强化：将合金加热到：将合金加热到固溶线以上的温度，使合固溶线以上的温度，使合金生成均匀的金生成均匀的相固溶体。相固溶体。2.2.淬火淬火：将已经加热的合金：将已经加热的合金放入水中，使合金迅速冷放入水中，使合金迅速冷却，避免却，避免相出现，变成过相出现，变成过饱和饱和相固溶体。相固溶体。3.3.时效时效：将具有过
41、饱和固溶：将具有过饱和固溶体的合金在低于固溶度线体的合金在低于固溶度线的温度下加热。的温度下加热。Al-Cu合金的时效强化过程合金的时效强化过程时效过程中的结构和强度变化时效过程中的结构和强度变化68材料物理材料物理时效过程中发生四个阶段的转变。时效过程中发生四个阶段的转变。首先在基体的某些面上发生溶质首先在基体的某些面上发生溶质原子（原子（B组元）的偏聚，形成溶组元）的偏聚，形成溶质原子的富集区称为质原子的富集区称为GP区；区；随时间的延长溶质原子继续偏聚随时间的延长溶质原子继续偏聚同时发生有序化称为同时发生有序化称为GP区。区。之后，在之后，在GP区的基础上溶质区的基础上溶质原子继续的富集
42、形成一种过渡相，原子继续的富集形成一种过渡相，它是由两种元素组成的化合物，它是由两种元素组成的化合物，但是成分或结构与相图中的平衡但是成分或结构与相图中的平衡相有差别，一般称为相有差别，一般称为相。最后，相。最后，就形成相图中的稳定相称为就形成相图中的稳定相称为相。相。时效时最大的硬度出现在时效时最大的硬度出现在相阶段，当形成稳定的相阶段，当形成稳定的相时，硬度开始下降，相时，硬度开始下降，称为过时效。时效温度如果越高则时效过程进行的越快，但最大的硬度值要下降称为过时效。时效温度如果越高则时效过程进行的越快，但最大的硬度值要下降。时效合金使用限制时效合金使用限制69材料物理材料物理v 时效温度
43、较低时，只会出现第一和第二阶段，由于原子扩散能力不足时效温度较低时，只会出现第一和第二阶段，由于原子扩散能力不足不会出现后两个阶段。不会出现后两个阶段。v 时效强化合金只能在室温下使用。温度高于固溶度线时，析出物会重时效强化合金只能在室温下使用。温度高于固溶度线时，析出物会重新溶化在基体中，强化作用消失；当温度低于固溶度线高于室温时，新溶化在基体中，强化作用消失；当温度低于固溶度线高于室温时，材料会出现过时效，强化效果减弱。材料会出现过时效，强化效果减弱。时效强化的条件时效强化的条件70材料物理材料物理1.1.合金相图中必须存在这样一条固溶度线，其固溶度将随着合金相图中必须存在这样一条固溶度线
44、，其固溶度将随着温度的降低而减小。温度的降低而减小。2.2.基体应该比较软，具有塑性。而析出物则应该比较硬，且基体应该比较软，具有塑性。而析出物则应该比较硬，且具有脆性。具有脆性。3.3.合金应该能够进行淬火。合金应该能够进行淬火。4.4.合金中应该有共格析出物生成。合金中应该有共格析出物生成。共析反应共析反应71材料物理材料物理共析固相之间的反应，固相之间的反应，可以通过热处理可以通过热处理的方式来实现。的方式来实现。共晶从一个液相转变从一个液相转变成两个固相的。成两个固相的。不能通过热处理不能通过热处理的方式来实现。的方式来实现。共析反应共析反应，是固态相变强，是固态相变强化的重要手段，指
45、从一个化的重要手段，指从一个固相固相S1转变成两个固相转变成两个固相S2和和S3的反应，公式为的反应，公式为321SSS铁碳相图铁碳相图72材料物理材料物理0.0218%2.11%0.09%BCC FCC BCCC1394C912oo相相相 共析反应共析反应材料物理材料物理73含碳量含碳量0.77%的的相相含碳量含碳量0.0218%的的相相+含碳量含碳量6.67%的的Fe3C共析钢冷却过程中的组织转变示意图共析钢冷却过程中的组织转变示意图亚共析和过共析钢亚共析和过共析钢材料物理材料物理74亚共析和过共析钢亚共析和过共析钢材料物理材料物理75亚共析钢冷却过程中的组织转变示意图亚共析钢冷却过程中的组织转变示意图过共析钢冷却过程中的组织转变示意图过共析钢冷却过程中的组织转变示意图
