第4章材料强化课件.ppt
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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
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