武漢理工材料物理學(xué)2

1、第第4章章 材料強(qiáng)化材料強(qiáng)化 本章介紹了有關(guān)材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，本章介紹了有關(guān)材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，影響材料力學(xué)性能的因素以及強(qiáng)化材料力影響材料力學(xué)性能的因素以及強(qiáng)化材料力學(xué)性能的機(jī)制。首先，本章介紹了各種有學(xué)性能的機(jī)制。首先，本章介紹了各種有關(guān)材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，解釋了引入關(guān)材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，解釋了引入這些實(shí)驗(yàn)方法的原因和目的。然后，詳細(xì)這些實(shí)驗(yàn)方法的原因和目的。然后，詳細(xì)介紹了一些主要的材料強(qiáng)化手段，對(duì)這些介紹了一些主要的材料強(qiáng)化手段，對(duì)這些強(qiáng)化手段的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。強(qiáng)化手段的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。 本章提要本章提要第第4章章 材料強(qiáng)化材料強(qiáng)化 4.1概述4.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能

2、 4.4固 溶 強(qiáng) 化 4.3加 工 硬 化 4.5彌 散 強(qiáng) 化 4.6固態(tài)相變強(qiáng)化 2個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)2個(gè)學(xué)時(shí)4.14.1概述概述材料的強(qiáng)度是材料性能中最重要的材料的強(qiáng)度是材料性能中最重要的一項(xiàng)一項(xiàng) 人類最早利用的材料性質(zhì)就是力學(xué)性人類最早利用的材料性質(zhì)就是力學(xué)性質(zhì)。質(zhì)。 對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說，材料的強(qiáng)度更是對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說，材料的強(qiáng)度更是決定該材料是否勝任實(shí)際要求的關(guān)鍵。決定該材料是否勝任實(shí)際要求的關(guān)鍵。 4.14.1概述概述4.14.1概述概述決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素1. 原子之間的結(jié)合力原子之間的結(jié)合力2. 位錯(cuò)位錯(cuò) 我們對(duì)原子之間的鍵合類型和結(jié)合力難以施加什么我們對(duì)原

3、子之間的鍵合類型和結(jié)合力難以施加什么影響，難以去改變鍵合類型和結(jié)合力來強(qiáng)化材料。影響，難以去改變鍵合類型和結(jié)合力來強(qiáng)化材料。在這方面，一般常見的方法就是形成新的相（因?yàn)樵谶@方面，一般常見的方法就是形成新的相（因?yàn)樾孪嘀械脑渔I合類型和結(jié)合力自然不同）。新相中的原子鍵合類型和結(jié)合力自然不同）。 我們有很多方法來影響材料中的位錯(cuò)，通過影響位我們有很多方法來影響材料中的位錯(cuò)，通過影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。所以可以說，近錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。所以可以說，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(cuò)的研究。錯(cuò)的研究。 強(qiáng)化的方式強(qiáng)化的方式

4、1. 合金化和冷加工合金化和冷加工2. 熱處理熱處理構(gòu)件處于高應(yīng)力的塑性形變狀態(tài)。構(gòu)件處于高應(yīng)力的塑性形變狀態(tài)。固態(tài)下要發(fā)生相變固態(tài)下要發(fā)生相變有序強(qiáng)化有序強(qiáng)化4.14.1概述概述對(duì)于那些沒有塑性變形的脆性材料，也無法對(duì)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(jìn)一步強(qiáng)化材料。利用冷加工的方法來進(jìn)一步強(qiáng)化材料。這些強(qiáng)化方式的實(shí)現(xiàn)，是需要一定這些強(qiáng)化方式的實(shí)現(xiàn)，是需要一定的條件的。的條件的。不能說對(duì)于任何一種材料，都可以采用上述不能說對(duì)于任何一種材料，都可以采用上述某種強(qiáng)化方法來增加其強(qiáng)度。某種強(qiáng)化方法來增加其強(qiáng)度。如果在該材料的相圖中沒有共析相變反應(yīng)，如果在該材料的相圖中沒有共析相

5、變反應(yīng)，自然不可能采用共析分解強(qiáng)化。自然不可能采用共析分解強(qiáng)化。4.14.1概述概述4.24.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能 選擇材料的一個(gè)基本原則 力學(xué)性能 首先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。 研究材料的力學(xué)性能，可以了解這些缺陷的本質(zhì)。 表征材料力學(xué)性能的最常用的參數(shù)是拉伸試驗(yàn)所得到的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)常用來表示脆性材料的拉伸性能。硬度試驗(yàn)也可在一定程度上表示材料的拉伸強(qiáng)度。但是，即使材料工作的應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度或屈服強(qiáng)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(dòng)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。4.24

6、.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能 由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時(shí)要用斷由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時(shí)要用斷裂韌性來表示這些裂紋在材料中的擴(kuò)展行為。如裂韌性來表示這些裂紋在材料中的擴(kuò)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(shí)要用蠕變屈服應(yīng)力，也可能發(fā)生塑性形變。此時(shí)要用蠕變強(qiáng)度來表示材料的性能。還有，如果所受應(yīng)力為強(qiáng)度來表示材料的性能。還有，如果所受應(yīng)力為循環(huán)狀態(tài)，那么材料的安全性也會(huì)打折扣。此時(shí)循環(huán)狀態(tài)，那么材料的安全性也會(huì)打折扣。此時(shí)要用到疲勞強(qiáng)度的概念。要用到疲勞強(qiáng)度的概念。4.24.

7、2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 4.2.3硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 4.2.5斷裂韌性斷裂韌性 4.2.6蠕變?nèi)渥?4.2.7疲勞疲勞 4.24.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)測(cè)定的是材料抵抗靜態(tài)或緩慢施加拉伸試驗(yàn)測(cè)定的是材料抵抗靜態(tài)或緩慢施加的負(fù)載的能力。的負(fù)載的能力。 在拉伸試驗(yàn)中，試樣的兩端固定在夾頭上，拉在拉伸試驗(yàn)中，試樣的兩端固定在夾頭上，拉伸機(jī)的負(fù)載測(cè)量儀器安裝在試樣的一端，應(yīng)變伸機(jī)的負(fù)載測(cè)量儀器安裝在試樣的一端，應(yīng)變測(cè)量裝置安裝在試樣的另一端，測(cè)量裝置

8、安裝在試樣的另一端， 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 圖圖4.1位伸試驗(yàn)方法示意圖位伸試驗(yàn)方法示意圖 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 圖圖4.2常見的應(yīng)力常見的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (a) 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線;(b) 工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 如果計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)采用的是試樣的原始截面積和原始長度，這個(gè)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(shí)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 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) l1= (dl/l) = ln(l1/l0) = ln(A0/A) l0真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力等于負(fù)載等于負(fù)載P除以在應(yīng)變的某除

9、以在應(yīng)變的某一階段時(shí)試樣的面積一階段時(shí)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(shí)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。 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線常常符合公式：真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線常常符合公式： =kn其中，其中，n是加工硬化系數(shù)，大約為是加工硬化系數(shù)，大約為0.1-0.5，k是強(qiáng)度系數(shù)。是強(qiáng)度系數(shù)。 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 當(dāng)應(yīng)變的增加不再產(chǎn)生負(fù)載的增加時(shí)，即當(dāng)應(yīng)變的增加不再產(chǎn)生負(fù)載的增加時(shí)，即dP=0 時(shí)，就要出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，或者說產(chǎn)生時(shí)，就要出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，或者說產(chǎn)生頸縮。由于頸縮。由于P=A，因此，因此:失穩(wěn)條件失穩(wěn)條件dP=Ad+dA

10、=0在很多情況下，人們并不關(guān)心真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲在很多情況下，人們并不關(guān)心真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。因?yàn)槌^屈服強(qiáng)度后，材料的形狀就發(fā)生線。因?yàn)槌^屈服強(qiáng)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(shí)際需要。般可以滿足實(shí)際需要。4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 當(dāng)應(yīng)變是拉伸時(shí)，稱為當(dāng)應(yīng)變是拉伸時(shí)，稱為彈性模量或楊氏彈性模量或楊氏(Yong)模量模量。當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時(shí)，稱為當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時(shí)，稱為剛性應(yīng)變或切變模量剛性應(yīng)變或切變模量。當(dāng)應(yīng)變是流體靜壓縮應(yīng)變時(shí)，稱為當(dāng)應(yīng)變

11、是流體靜壓縮應(yīng)變時(shí)，稱為體積彈性模體積彈性模量量。 應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例常量稱為彈性模量。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(shí)候，形變是彈性的可逆的，遵從在應(yīng)力很低的時(shí)候，形變是彈性的可逆的，遵從虎克虎克(Hooke)定律定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) E:彈性模量或楊氏彈性模量或楊氏(Yong)模量。模量。:剛性應(yīng)變或切變模量。剛性應(yīng)變或切變模量。:體積彈性模量。體積彈性模量。 K=E/2(1-2) ; =E/2(1+) ; E=9K/(3K+)三者關(guān)系：三者關(guān)系：4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 當(dāng)材料的形變?cè)趹?yīng)力去除之后仍不

12、能完全恢當(dāng)材料的形變?cè)趹?yīng)力去除之后仍不能完全恢復(fù)時(shí)，說明材料發(fā)生了塑性形變。材料開始復(fù)時(shí)，說明材料發(fā)生了塑性形變。材料開始發(fā)生塑性形變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，發(fā)生塑性形變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用用s 來表示。來表示。 塑性形變塑性形變對(duì)于金屬來說，這也是位錯(cuò)開始滑移所需的對(duì)于金屬來說，這也是位錯(cuò)開始滑移所需的應(yīng)力。應(yīng)力。 對(duì)于沒有明顯屈服點(diǎn)的材料，習(xí)慣上把應(yīng)變對(duì)于沒有明顯屈服點(diǎn)的材料，習(xí)慣上把應(yīng)變量為量為0.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力規(guī)定為屈服強(qiáng)度，用所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力規(guī)定為屈服強(qiáng)度，用0.2來表示。來表示。 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 圖圖4.3低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變曲線中的上屈服點(diǎn)

13、和下屈服點(diǎn)的上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn) 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 材料的材料的抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的最對(duì)應(yīng)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的最大應(yīng)力。大應(yīng)力。材料的延性材料的延性為材料截面積的減少為材料截面積的減少量或者伸長的百分率。量或者伸長的百分率。 在從屈服到抗拉強(qiáng)度的這段應(yīng)力應(yīng)變曲線在從屈服到抗拉強(qiáng)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(shí)發(fā)中，應(yīng)力持續(xù)增加，這表明試樣形變時(shí)發(fā)生了硬化現(xiàn)象，這就是生了硬化現(xiàn)象，這就是加工硬化加工硬化 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 把拉伸試驗(yàn)用于科學(xué)研究時(shí)，更有意義的是應(yīng)力把拉伸試驗(yàn)用于科學(xué)研究時(shí)，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

14、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。變化的關(guān)系。 利用拉伸試驗(yàn)也可以確定斷裂的類型。利用拉伸試驗(yàn)也可以確定斷裂的類型。 “杯杯-錐錐”型斷裂型斷裂 解理斷裂解理斷裂 晶間斷裂晶間斷裂 4.2.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 圖圖4.4不同材料的應(yīng)力不同材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 許多脆性材料表面存在裂紋，很難進(jìn)行一許多脆性材料表面存在裂紋，很難進(jìn)行一般的拉伸試驗(yàn)。有時(shí)，剛剛把脆性材料安般的拉伸試驗(yàn)。有時(shí)，剛剛把脆性材料安裝在拉伸機(jī)的夾頭上，它就發(fā)

15、生了斷裂。裝在拉伸機(jī)的夾頭上，它就發(fā)生了斷裂。 可以采用如圖可以采用如圖4.5所示的彎曲試驗(yàn)來測(cè)定所示的彎曲試驗(yàn)來測(cè)定脆性材料的力學(xué)性能。脆性材料的力學(xué)性能。 斷裂模量斷裂模量 = 3FL/2wh2 上式中，上式中，F(xiàn)為斷裂時(shí)的負(fù)載，為斷裂時(shí)的負(fù)載，L為兩個(gè)向上支為兩個(gè)向上支點(diǎn)之間的距離，點(diǎn)之間的距離，w是試樣的寬度，是試樣的寬度，h是試樣的是試樣的厚度。厚度。圖圖4.5 3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 圖圖4.6 彎曲試驗(yàn)曲線彎曲試驗(yàn)曲線 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 撓曲模量撓曲模量= L3F/4wh3彎曲試驗(yàn)曲線的橫彎曲試驗(yàn)曲線的橫 軸是材料的彎曲軸是材料的

16、彎曲。彎曲試。彎曲試驗(yàn)得到的材料的彈性模量又稱為撓曲模量驗(yàn)得到的材料的彈性模量又稱為撓曲模量,可可以從彎曲試驗(yàn)曲線的彈性區(qū)域的負(fù)載以從彎曲試驗(yàn)曲線的彈性區(qū)域的負(fù)載F和彎曲和彎曲求出：求出：上式中，上式中，F(xiàn)為斷裂時(shí)的負(fù)載，為斷裂時(shí)的負(fù)載，L為兩個(gè)向上支為兩個(gè)向上支點(diǎn)之間的距離，點(diǎn)之間的距離，w是試樣的寬度，是試樣的寬度，h是試樣的是試樣的厚度。厚度。4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 因?yàn)榱鸭y在受到壓應(yīng)力時(shí)會(huì)閉合起來，所以脆因?yàn)榱鸭y在受到壓應(yīng)力時(shí)會(huì)閉合起來，所以脆性材料的使用狀態(tài)往往設(shè)計(jì)為壓應(yīng)力狀態(tài)，而性材料的使用狀態(tài)往往設(shè)計(jì)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)不是拉應(yīng)力狀態(tài)。一般

17、來說，脆性材料在壓應(yīng)力狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度。力狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度。 材料材料 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(MPa) 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度(MPa) 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度(MPa) 50%玻璃纖維聚酯 160220310Al2O3 2002600340SiC 1703800550表表4.1部分材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度部分材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度 4.2.2彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 材料的硬度材料的硬度定義為材料對(duì)于貫穿其表面的硬定義為材料對(duì)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。材料形變的能力。 4.2.

18、3硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 圖圖4.7 硬度試驗(yàn)示意圖硬度試驗(yàn)示意圖 硬度試驗(yàn)方法有十幾種，常用的有洛氏硬度試驗(yàn)方法有十幾種，常用的有洛氏（RockwellRockwell）硬度試驗(yàn)、布氏（）硬度試驗(yàn)、布氏（BrinellBrinell）硬度）硬度試驗(yàn)、維氏（試驗(yàn)、維氏（VickersVickers）硬度試驗(yàn)等。）硬度試驗(yàn)等。 4.2.3硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 布氏硬度值（用布氏硬度值（用HB或或BHN表示）的定義為表示）的定義為P/A，單位是單位是N/m2，其中，其中P是負(fù)載，是負(fù)載，A是形成壓痕的球是形成壓痕的球帽表面積。帽表面積。布氏硬度值布氏硬度值=2P/D21-(d/D)21/2 其中，其中，d和

19、和D分別是壓痕直徑和壓球直徑。比值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。需要保持常數(shù)并且很小。 在實(shí)際工作中常用硬度值來粗略地比較材料的在實(shí)際工作中常用硬度值來粗略地比較材料的力學(xué)性能。力學(xué)性能。 例如硬度與材料的耐磨性能關(guān)系密切。例如硬度與材料的耐磨性能關(guān)系密切。 4.2.3硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 硬度試驗(yàn)簡便易行，一般只需幾分鐘就可以完硬度試驗(yàn)簡便易行，一般只需幾分鐘就可以完成一個(gè)硬度試驗(yàn)，對(duì)所測(cè)試樣不需要進(jìn)行特別成一個(gè)硬度試驗(yàn)，對(duì)所測(cè)試樣不需要進(jìn)行特別的加工處理，試驗(yàn)本身對(duì)試樣也不會(huì)造成什么的加工處理，試驗(yàn)本身對(duì)試樣也不會(huì)造成什么破壞。破壞。 例如金屬材料中的布氏硬度值例如

20、金屬材料中的布氏硬度值(HB)與抗拉強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度存在如下的經(jīng)驗(yàn)公式：抗拉強(qiáng)度存在如下的經(jīng)驗(yàn)公式：抗拉強(qiáng)度=kHB 4.2.4 沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 一種材料可能具有很高的抗拉強(qiáng)度，但是在沖一種材料可能具有很高的抗拉強(qiáng)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(yàn)來測(cè)量材料承受沖擊的能力。用沖擊試驗(yàn)來測(cè)量材料承受沖擊的能力。在沖擊試驗(yàn)時(shí)，一個(gè)重物擺從高度在沖擊試驗(yàn)時(shí)，一個(gè)重物擺從高度h0 落下，打擊落下，打擊并擊斷試樣，然后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到較低的高度并擊斷試樣，然后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到較低的高度hf。從。從擺的起始高度擺的起始高度h0 和最后高度和最后高度h

21、f ，可以計(jì)算其勢(shì)，可以計(jì)算其勢(shì)能差。這個(gè)勢(shì)能差就是試樣在斷裂時(shí)所吸收的能能差。這個(gè)勢(shì)能差就是試樣在斷裂時(shí)所吸收的能量，可以表示為材料的耐沖擊能力。這種材料抵量，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?？箾_擊的能力又稱為材料的沖擊韌性。 4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)有許多種方法，常用的有艾氏沖擊試驗(yàn)有許多種方法，常用的有艾氏(Izod)沖擊試驗(yàn)和夏氏沖擊試驗(yàn)和夏氏(Charpy)沖擊試驗(yàn)。試樣可沖擊試驗(yàn)。試樣可以有切口或沒有切口。以有切口或沒有切口。具有具有V型切口的試樣適合用來測(cè)試材料抵抗型切口的試樣適合用來測(cè)試材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。裂紋擴(kuò)展的能力。

22、圖圖4.8 不銹鋼和碳鋼在不同溫度下的夏氏不銹鋼和碳鋼在不同溫度下的夏氏沖擊試驗(yàn)結(jié)果。沖擊試驗(yàn)結(jié)果。 4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 4.9材料的韌性、脆性與溫度的關(guān)系材料的韌性、脆性與溫度的關(guān)系 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 材料在機(jī)械加工、制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)切口。材料在機(jī)械加工、制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)切口。這些切口會(huì)引起應(yīng)力集中，降低材料的沖擊韌這些切口會(huì)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性。通過比較有切口和無切口的試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，可以得到材料的切口敏感性。如果材驗(yàn)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

23、一材料的有切料具有切口敏感性，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?？谠嚇拥奈漳苓h(yuǎn)遠(yuǎn)低于無切口試樣。 切口敏感性切口敏感性4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 圖圖4.10真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 材料的沖擊性能與其真材料的沖擊性能與其真實(shí)應(yīng)力實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的面應(yīng)變曲線的面積有關(guān)。金屬具有較高積有關(guān)。金屬具有較高的強(qiáng)度和較大的塑性，的強(qiáng)度和較大的塑性，所以它的韌性較好。而所以它的韌性較好。而陶瓷和許多復(fù)合材料雖陶瓷和許多復(fù)合材料雖然具有很高的強(qiáng)度，但然具有很高的強(qiáng)度，但是其只有很小或沒有塑是其只有很小或沒有塑性形變，韌性也差。性形變，韌性也差。 4.2.4沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn) 斷

24、裂韌性就是表示含有裂紋的材料所能承斷裂韌性就是表示含有裂紋的材料所能承受的應(yīng)力。受的應(yīng)力。 4.2.5斷裂韌性斷裂韌性 沖擊韌性是材料性能的一個(gè)定性指標(biāo)，而斷沖擊韌性是材料性能的一個(gè)定性指標(biāo)，而斷裂韌性則是材料性能的一個(gè)定量指標(biāo)。裂韌性則是材料性能的一個(gè)定量指標(biāo)。 應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子K可由可由下式計(jì)算：下式計(jì)算：K = f(a)1/2上式中，上式中，f是試樣和是試樣和裂紋的幾何因子，裂紋的幾何因子，是作用應(yīng)力，是作用應(yīng)力，a是裂是裂紋尺寸。如果試樣具紋尺寸。如果試樣具有無限的寬度，則有無限的寬度，則f近似等于近似等于1.0。4.2.5斷裂韌性斷裂韌性 圖圖4.11斷裂韌性試樣斷裂韌性試樣

25、中的裂紋示意圖中的裂紋示意圖 利用含有一個(gè)已知尺寸的裂紋的試樣，可以測(cè)利用含有一個(gè)已知尺寸的裂紋的試樣，可以測(cè)得該裂紋開始擴(kuò)展并導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂時(shí)的臨得該裂紋開始擴(kuò)展并導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂時(shí)的臨界界K值。這個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為材料的值。這個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為材料的斷裂韌性斷裂韌性Kc。Kc=裂紋擴(kuò)展所需的裂紋擴(kuò)展所需的K值斷裂韌性值斷裂韌性 K = f(a)1/24.2.5斷裂韌性斷裂韌性 圖圖4.12斷裂韌性與試樣厚度的關(guān)系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)斷裂韌性與材料試樣的厚度有關(guān) 4.2.5斷裂韌性斷裂韌性 （1） 裂紋尺寸裂紋尺寸a越大，許可應(yīng)力越大，許可應(yīng)力

26、越低。越低。（2） 材料發(fā)生塑性變形的能力非常重要。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。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(yàn)?zāi)菢?，往往增加?fù)載速率，像沖擊試驗(yàn)?zāi)菢?，往往?huì)減小材料的斷裂韌性。會(huì)減小材料的斷裂韌性。（5） 與沖擊試驗(yàn)相同，降低溫度會(huì)減小材料與沖擊試驗(yàn)相同，降低溫度會(huì)減小材料的斷裂韌性。的斷裂韌性。（6） 減小晶粒尺寸一般可以改善斷裂韌性。減小晶粒尺寸一般可以改善斷裂韌性。材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力與許多因素有關(guān)：材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力與許多因素有關(guān)：4.2.5斷裂韌性斷裂韌性 4.2.6蠕變?nèi)渥?如果在高溫下給材料施加一

27、個(gè)應(yīng)力，即使這如果在高溫下給材料施加一個(gè)應(yīng)力，即使這個(gè)應(yīng)力小于該溫度下的材料屈服強(qiáng)度，材料個(gè)應(yīng)力小于該溫度下的材料屈服強(qiáng)度，材料也可能發(fā)生塑性變形，以至斷裂。這種現(xiàn)象也可能發(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。材料的塑性流變。引起材料在較低溫度下發(fā)生塑性變形的主要原因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(cuò)的滑移，而引起材料在高溫下發(fā)生蠕變的是位錯(cuò)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(cuò)的攀移。主要原因則是位錯(cuò)的攀移。位錯(cuò)攀移，即位錯(cuò)能夠在與滑移面垂直而不是平位錯(cuò)攀移，即位錯(cuò)能夠在與滑移面

28、垂直而不是平行的平面上移動(dòng)。行的平面上移動(dòng)。依靠這種攀移而脫離了雜質(zhì)等束縛的位錯(cuò)就可以依靠這種攀移而脫離了雜質(zhì)等束縛的位錯(cuò)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)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(shí)間是影響材料力狀態(tài)下發(fā)生塑性形變。所以，時(shí)間是影響材料高溫形變的又一重要因素，而在室溫下，時(shí)間對(duì)高溫形變的又一重要因素，而在室溫下，時(shí)間對(duì)材料的形變幾乎沒有影響。材料的形變幾乎沒有影響。4.2.6 蠕變?nèi)渥?圖圖4.13 材料的蠕變曲線材料的蠕變曲線 4.2.6 蠕變?nèi)渥?蠕變速率=應(yīng)變的增量/時(shí)間的增量 圖圖4.14各種溫度下的蠕變斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)各種溫度下的蠕變斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù) 4.2.6 蠕變?nèi)渥?4.2.7 疲勞疲勞 如果材料所受的應(yīng)力是重復(fù)出現(xiàn)的，那么即如果材料所受的應(yīng)力是重復(fù)出現(xiàn)的，那么即使這個(gè)應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，材料也有使這個(gè)應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，材料也有可能發(fā)生破壞。這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞?？赡馨l(fā)生破壞。這