材料强化–力学实验和材料性能F.ppt

第4章 材料强化 第4章 教学时数安排 4.1 概述 4.1 概 述 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强度，用σs 来表示。 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，σ是作用应力，a是裂纹尺寸。如果试样具有无限的宽度，则f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 工 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 4.2 力学实验与材料性能 4.4 固 溶 强 化 4.3 加 工 硬 化 4.5 弥 散 强 化 4.6 固态相变强化 2个学时 2个学时 2个学时 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：