武汉理工-材料物理学课件2

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第4章 材料强化 本章提要本章介绍了有关材料力学性能的实验方法,影响材料力学性能的因素以及强化材料力学性能的机制。首先,本章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。 第4章 材料强化 4.1概述 2个学时4.2力学实验与材料性能 4.3加 工 硬 化 2个学时 4.4固 溶 强 化 4.5弥 散 强 化 2个学时4.6固态相变强化 4.1概述 4.1概述?人类最早利用的材料性质就是力学性质。 ?材料的强度是材料性能中最重要的一项 ?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。 4.1概述 ?决定材料强度的关键因素 1. 原子之间的结合力我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么影响,难以去改变键合类型和结合力来强化材料。在这方面,一般常见的方法就是形成新的相(因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同)。 2. 位错 我们有很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。所以可以说,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。 4.1概述?强化的方式1. 合金化和冷加工构件处于高应力的塑性形变状态。2. 热处理固态下要发生相变 有序强化 4.1概述 ?这些强化方式的实现,是需要一定 的条件的。不能说对于任何一种材料,都可以采用上述某种强化方法来增加其强度。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。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。 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 首先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。 ?研究材料的力学性能,可以了解这些缺陷的本质。 4.2力学实验与材料性能 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断裂强度。弯曲试验常用来表示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程度上表示材料的拉伸强度。但是,即使材料工作的应力低于断裂强度或屈服强度,也并不意味着材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是动态而不是静态的,就要用冲击韧性来表示它的抗断裂性能。 4.2力学实验与材料性能 由于材料中总是免不了有裂纹产生,此时要用断裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如果材料在高温下使用,即使它所受应力远远低于屈服应力,也可能发生塑性形变。此时要用蠕变强度来表示材料的性能。还有,如果所受应力为循环状态,那么材料的安全性也会打折扣。此时要用到疲劳强度的概念。 4.2力学实验与材料性能 4.2.1拉伸试验 4.2.2弯曲试验 4.2.3硬度试验 4.2.4冲击试验 4.2.5断裂韧性 4.2.6蠕变 4.2.7疲劳 4.2.1拉伸试验 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。 在拉伸试验中,试样的两端固定在夹头上,拉伸机的负载测量仪器安装在试样的一端,应变测量装置安装在试样的另一端, 4.2.1拉伸试验 图4.1位伸试验方法示意图 4.2.1拉伸试验 图4.2常见的应力应变曲线 (a) 真实应力应变曲线;(b) 工程应力应变曲线 4.2.1拉伸试验 如果计算应力和应变时采用的是试样的原始截面积和原始长度,这个应力应变曲线又称为工程应力应变曲线。 工程应力应变曲线中的应力值并不是材料实际上受到的应力,而是载荷除以材料原始截面积得到的应力值 4.2.1拉伸试验 真实应力σ等于负载P除以在应变的某 一阶段时试样的面积A。 l1 ε=∫ (dl/l) = ln(l1/l0) = ln(A0/A) l0上式中的ln(A0/A)必须是颈缩出现以后才适用。在真实应力应变曲线中,颈缩出现之后应力仍然继续增大。 4.2.1拉伸试验 真实应力应变曲线常常符合公式: σ=kεn其中,n是加工硬化系数,大约为0.1-0.5,k是强度系数。 4.2.1拉伸试验 失稳条件 当应变的增加不再产生负载的增加时,即 dP=0 时,就要出现塑性失稳,或者说产生 颈缩。由于P=σA,因此: dP=Adσ+σdA=0在很多情况下,人们并不关心真实应力应变曲线。因为超过屈服强度后,材料的形状就发生了变化。如果构件不再能维持它的形状,那么它就已经失效了。因此,工程应力应变曲线一般可以满足实际需要。 4.2.1拉伸试验 在应力很低的时候,形变是弹性的可逆的,遵从虎克(Hooke)定律,应力与应变成正比的关系。 应力和应变之间的比例常量称为弹性模量。 当应变是拉伸时,称为弹性模量或杨氏(Yong)模量。当应变是切应变时,称为刚性应变或切变模量μ。当应变是流体静压缩应变时,称为体积弹性模量K。 4.2.1拉伸试验 三者关系: K=E/2(1-2ν) ; μ=E/2(1+ν) ; E=9Kμ/(3K+μ) E:弹性模量或杨氏(Yong)模量。 μ:刚性应变或切变模量。 K:体积弹性模量。 4.2.1拉伸试验 塑性形变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。 对于金属来说,这也是位错开始滑移所需的应力。 对于没有明显屈服点的材料,习惯上把应变量为0.2%所对应的应力规定为屈服强度,用σ0.2来表示。 4.2.1拉伸试验 图4.3低碳钢应力-应变曲线中 的上屈服点和下屈服点 4.2.1拉伸试验 材料的抗拉强度对应于应力应变曲线的最大应力。材料的延性为材料截面积的减少量或者伸长的百分率。 在从屈服到抗拉强度的这段应力应变曲线 中,应力持续增加,这表明试样形变时发 生了硬化现象,这就是加工硬化 4.2.1拉伸试验 把拉伸试验用于科学研究时,更有意义的是应力-应变曲线的准确形状和它的细节,以及屈服应力与断裂应力随温度、合金化添加物与晶粒大小而变化的关系。 利用拉伸试验也可以确定断裂的类型。 ?“杯-锥”型断裂 ?解理断裂 ?晶间断裂 4.2.2弯曲试验 图4.4不同材料的应力应变曲线 4.2.2弯曲试验 许多脆性材料表面存在裂纹,很难进行一般的拉伸试验。有时,刚刚把脆性材料安装在拉伸机的夹头上,它就发生了断裂。 可以采用如图4.5所示的弯曲试验来测定 脆性材料的力学性能。 4.2.2弯曲试验 图4.5 3点弯曲试验示意图 断裂模量 = 3FL/2wh2 上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的厚度。 4.2.2弯曲试验 图4.6 弯曲试验曲线 4.2.2弯曲试验 弯曲试验曲线的横 轴是材料的弯曲δ。弯曲试验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量,可以从弯曲试验曲线的弹性区域的负载F和弯曲δ求出: 挠曲模量= L3F/4wh3δ 上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支 点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的 厚度。 4.2.2弯曲试验 因为裂纹在受到压应力时会闭合起来,所以脆 性材料的使用状态往往设计为压应力状态,而 不是拉应力状态。一般来说,脆性材料在压应 力状态下的抗压强度远远大于其抗拉强度。 表4.1部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度 材料 抗拉强度 抗压强度 弯曲强度 (MPa) (MPa) (MPa) 50%玻璃纤 160 220 310 维聚酯 Al2O3 200 2600 340 SiC 170 3800 550 4.2.3硬度试验 材料的硬度定义为材料对于贯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变的能力。 图4.7 硬度试验示意图 4.2.3硬度试验 硬度试验方法有十几种,常用的有洛氏(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。 布氏硬度值=2P/{πD2[1-(d/D)2]1/2} 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。 4.2.3硬度试验 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:抗拉强度=kHB 例如硬度与材料的耐磨性能关系密切。 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
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