材料強(qiáng)化力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料性能

1、材料強(qiáng)化力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料性能第1頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四第4章 教學(xué)時(shí)數(shù)安排 4.1 概述4.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能 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)第2頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.1 概 述 材料的強(qiáng)度是材料性能中最重要的一項(xiàng) 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(qiáng)度更是決定該材料是否勝任實(shí)際要求的關(guān)鍵 第3頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素1. 原子之間的結(jié)合力2. 位錯(cuò) 不同

2、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(qiáng)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(qiáng)度影響最大的因素是位錯(cuò)，通過影響位錯(cuò)的運(yùn)動來達(dá)到強(qiáng)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(cuò)的研究。 第4頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四材料強(qiáng)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(qiáng)化第5頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 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(jìn)一步強(qiáng)化材料。材料強(qiáng)化方式實(shí)現(xiàn)的條件 如果在該材料的

3、相圖中沒有共析相變反應(yīng)，自然不可能采用共析分解強(qiáng)化。第6頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2 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 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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四表征材料力學(xué)性能的最常用的參數(shù)： 屈服強(qiáng)度、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)載是動態(tài)而不是靜態(tài)的

4、，就要用沖擊韌性來表示它的抗斷裂性能。第8頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 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)要用蠕變強(qiáng)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(shí)要用到疲勞強(qiáng)度的概念。第9頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.1 拉伸試驗(yàn) 4.2.2 彎曲試驗(yàn) 4.2.3 硬度試驗(yàn) 4.2.4 沖擊試驗(yàn) 4.2.5 斷裂韌性 4.2.6 蠕變 4.2.7 疲勞 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)第10

5、頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.1 拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)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(yàn)中，試樣的兩端固定在夾頭上，拉伸機(jī)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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.1 拉伸試驗(yàn)方法示意圖 第12頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.2 常見的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (a) 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (b) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線 第13頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 如果計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)采用的

6、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。 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(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來表示材料的拉伸變化。 第14頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四在真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)力等于負(fù)載P除以在應(yīng)變的某一階段時(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。 第15頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線常常符合

7、公式： 其中，n是加工硬化系數(shù)，大約為，k是強(qiáng)度系數(shù)。 第16頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四當(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)生頸縮。由于P =A，因此:失穩(wěn)條件 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(shí)際需要。第17頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四當(dāng)應(yīng)變是拉伸時(shí)，稱為彈性模量或楊氏(Yong)模量當(dāng)應(yīng)變是切應(yīng)變時(shí)，稱為剛性應(yīng)變或切變模量當(dāng)應(yīng)變是流體靜壓縮應(yīng)變時(shí)，稱為體

8、積彈性模量 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，遵從虎克(Hooke)定律,應(yīng)力與應(yīng)變成正比的關(guān)系。 第18頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四E:彈性模量或楊氏(Yong)模量:剛性應(yīng)變或切變模量:體積彈性模量 三者關(guān)系：v:泊松比（單軸拉伸時(shí)橫向縮短與縱向伸長之比)第19頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 當(dāng)材料的形變在應(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。材料開始發(fā)生塑性形變時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，用s 來表示。 塑性形變對于金屬來說，這也是位錯(cuò)開始滑移所需的應(yīng)力 對于沒有明顯屈服點(diǎn)的材

9、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(qiáng)度，用0.2來表示。 第20頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.3低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn) 第21頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 材料的抗拉強(qiáng)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(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)生了硬化現(xiàn)象，這就是加工硬化。 第22頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 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

10、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(yàn)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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.2 彎曲試驗(yàn) 圖4.4 不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 第24頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 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)，剛剛把脆性材料安裝在拉伸機(jī)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(yàn)來測定脆性材料的力學(xué)性能。 第25頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 上式中，F(xiàn)為斷裂時(shí)的負(fù)載，L為兩個(gè)向上支點(diǎn)之間的距

11、離，w是試樣的寬度，h是試樣的厚度。圖4.5 3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖 第26頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.6 彎曲試驗(yàn)曲線 第27頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 彎曲試驗(yàn)曲線的橫軸是材料的彎曲，彎曲試驗(yàn)得到的材料的彈性模量又稱為撓曲模量,可以從彎曲試驗(yàn)曲線的彈性區(qū)域的負(fù)載F和彎曲求出： 上式中，F(xiàn)為斷裂時(shí)的負(fù)載，L為兩個(gè)向上支點(diǎn)之間的距離，w是試樣的寬度，h是試樣的厚度。第28頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 因?yàn)榱鸭y在受到壓應(yīng)力時(shí)會閉合起來，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)，而不是拉應(yīng)力狀態(tài)。一般來說，脆

12、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。 材 料 抗拉強(qiáng)度(MPa) 抗壓強(qiáng)度(MPa) 彎曲強(qiáng)度(MPa) 50%玻璃纖維聚酯 160220310Al2O3 2002600340SiC 1703800550表4.1部分材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度 第29頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四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(yàn) 圖4.7 硬度試驗(yàn)示意圖 第30頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四常用的硬度試驗(yàn)方法：洛氏（Rockwell）硬度試驗(yàn)、布氏（Brin

13、ell）硬度試驗(yàn)、維氏（Vickers）硬度試驗(yàn)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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四另外，硬度與材料的耐磨性能關(guān)系密切。 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)，對所測試樣不需要進(jìn)行特別的加工處理，試驗(yàn)本身對試樣也不會造成什么破壞，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。 例如：金屬材料中的布氏硬度值(HB)與抗拉強(qiáng)度存在如下的經(jīng)驗(yàn)公式： 第32頁，共53頁，2

14、022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.4 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h0 落下，打擊并擊斷試樣，然后繼續(xù)運(yùn)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(jì)算其勢能差。這個(gè)勢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。這種材料抵抗沖擊的能力又稱為材料的沖擊韌性。 第33頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 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(Charpy)沖擊試驗(yàn)。試樣可以有切

15、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(kuò)展的能力。第34頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.8 不銹鋼和碳鋼在不同溫度下的夏氏沖擊試驗(yàn)結(jié)果 第35頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.9 材料的韌性、脆性與溫度的關(guān)系 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 第36頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 材料在機(jī)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(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，那意味著這一材料的有切口試樣的吸收能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無切口試樣。

16、 切口敏感性第37頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.10 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 材料的沖擊性能與其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的面積有關(guān)。金屬具有較高的強(qiáng)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(qiáng)度，但是其只有很小或沒有塑性形變，韌性也差。 第38頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四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(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)。 第39頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四應(yīng)力強(qiáng)度因子K可由下式計(jì)算：圖4.11斷裂韌性

17、試樣中的裂紋示意圖 上式中，f是試樣和裂紋的幾何因子，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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 利用含有一個(gè)已知尺寸的裂紋的試樣，可以測得該裂紋開始擴(kuò)展并導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂時(shí)的臨界K值。這個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為材料的斷裂韌性Kc。Kc= 裂紋擴(kuò)展所需的K值 第41頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四（1） 裂紋尺寸a越大，許可應(yīng)力越低。（2） 材料發(fā)生塑性

18、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(yàn)?zāi)菢?，往往會減小 材料的斷裂韌性。（5） 與沖擊試驗(yàn)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(kuò)展的能力與許多因素有關(guān)：第43頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.6 蠕變 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，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四 引起材料在較低溫度下發(fā)生塑

19、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(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)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)間對材料的形變幾乎沒有影響。第45頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.13 材料的蠕變曲線 蠕變速率=應(yīng)變的增量/時(shí)間的增量 第46頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四圖4.14 各種溫度下的蠕變斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù) 第47頁，共53頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)13分，星期四4.2.7 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(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。 疲勞破壞的發(fā)生一般分為三個(gè)階段。首先，在材料的表面出現(xiàn)一個(gè)非常小的裂紋