第3章 材料的力学性能1

1、第三章 材料的力学性能内内 容容最常用的力学性质最常用的力学性质力学实验力学实验加工硬化原理加工硬化原理 蠕变蠕变 疲劳疲劳材料强化方法材料强化方法材料物理与性能材料物理与性能最常用的力学性质最常用的力学性质n人类最早利用的材料性质就是力学性质n材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外应力作用下的行为。n形变形变材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。n 最常用的力学性质包括最常用的力学性质包括：最常用的力学性质最常用的力学性质抗拉强度抗拉强度bb 表示材料最大的抵抗能力。屈服强度屈服强度ss 材料开始发生塑性变形时对应的应力。弹性模量弹性模量E E 描述应力和应变之间的比例关系。 延

2、伸率延伸率表征材料的塑性程度。断面伸缩率断面伸缩率 冲击韧性冲击韧性kk 抗冲击的能力（主要用于低温）硬度硬度G G描述材料软硬的程度等。疲劳疲劳 使用寿命。力学性能力学性能n材料的强度是材料力学性能中最重要的一项，尤其对于结构材料来说，材料的强度更是决定该材料是否胜任实际要求的关键。所以设计和生产在室温及高温、低温下都具有相对强度的材料有着十分重要的实际意义。力学性能力学性能决定材料强度的关键因素决定材料强度的关键因素 1. 原子之间的结合力原子之间的结合力 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什么影响，

3、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）。（因为新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。力学性能力学性能2. 位错位错 我们有很多方法来影响材料中的位错，通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。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。果就是关于材料中的位错的研究。力学性能力学性能提高材料屈服强度的方法很多提高材料屈服强度的方法很多： （

4、1 1）通过热处理方法）通过热处理方法方便，但要求它在固态下发生相变，满足这种要求的合金包括在固态下经历有序无序转变的合金，伴随这一过程出现的材料强化称为有序强化有序强化，它在许多方面类似于沉淀强化。通常利用的与热处理有关的强化方式是过饱和固溶体的沉淀强化和共析分解反应的共析强化。如果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。力学性能力学性能（2）对于没有塑性变形的脆性材料，无法利用冷加工方法来强化材料。 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

5、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。力学性能力学性能 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

6、扣。此时要用应力为循环状态，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。到疲劳强度的概念。力学实验与材料性能力学实验与材料性能选材原则选材原则： 分析材料使用环境判断材料应具有什么性能? 材料应具有强度、刚度、韧性？ 材料承受的载荷周期性变化的、冲击、高温？拉伸实验拉伸实验试验机试验机：一般常用机械拉伸机、液压拉伸机。拉伸实验拉伸实验弯曲试验弯曲试验 对于塑性材料来说，工程应力应变曲线通常会出现一个最大值。这个值就是塑性材料的抗拉强度。材料发生断裂时的工程应力却比较低，这是因为颈缩的出现减少了实际承载负荷的截面积。 对于大多数脆性材料来说，材料断裂发生在最大负载状态下，此时抗拉强度和

7、断裂强度相等。对于极脆的材料，例如陶瓷，其屈服强度、抗拉强度和断裂强度完全相等，如图所示。弯曲试验弯曲试验a) 三点弯曲加载 b) 四点弯曲加载 硬度试验硬度试验定义：定义：表示材料抵抗他物压入的能力。它在机械制造中具有特殊的意义。由硬度可大体推测材料的其它性质，如强度限、塑性等，利用硬度还可检查材料性质是否均匀以及构件表面处理的情况。 常用的硬度试验常用的硬度试验： 布氏硬度布氏硬度：只能测硬度小于HB450的材料 洛氏硬度洛氏硬度：可测各种材料的硬度。但由于在不同硬度范围内所采用的标尺不同，所测硬度值不能直接换算。HRC一般最大为70。 为了使不同硬度材料有一个连续一致的硬度指标，所以引入

8、了维氏维氏硬度硬度。HV可以到2000以上。而HRC70=HV1037；HB450HRC47。冲击试验冲击试验 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。例如， 45钢抗拉强度为b=600kg/cm2、 K =2.5kgm/cm2, 但起重机的吊钩就不能使用，要用20钢（b=410kg/cm2、 K =5kgm/cm2）。冲击试验冲击试验n 对于具有体心立方结构的碳钢来说，当温度低至一定值时，其冲击韧性会显著降低。例如，低碳钢A3（Q235）冲击韧性随温度的降低而减小，当温度降低到某一数值时，冲击韧度值突然降低（低碳钢的临界温度约为3040），见图所示。所以起重机安全

9、规程要求环境温度低于20时，受力件必须采用16Mn钢。n冲击试验适用 于在同一试验 条件下进行不 同材料的比较 和选择。冲击试验冲击试验断裂韧性断裂韧性 前面所述材料的抗拉强度都是建立在材料中没有裂纹的前提下。事实上，许多情况下材料在远未达到抗拉强度时就发生了断裂，这种现象是材料中的裂纹所造成的。材料的断裂行为与材料中的裂纹有关。材料的断裂行为与材料中的裂纹有关。 断裂韧性断裂韧性表示含有裂纹的材料所能承受的应力。 断裂韧性与许多因素有关： （1）裂纹尺寸越大，许可应力越低； （2）断裂韧性与材料的塑性变形能力有关。在塑性材料中，裂纹尖端附近的材料会发生塑性变形，从而导致裂纹尖端变钝，阻止了裂

10、纹的扩展而高强度材料往往塑性差，所以断裂韧性也低。断裂韧性断裂韧性（3）厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。 （4）增加负载速率，像冲击试验那样，往往会减小材料的断裂韧性。 （5）与冲击试验相同，降低温度会减小材料的断裂韧性。 （6）减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。 一般而言，金属屈服强度低，断裂韧度就高，由裂纹引起的应力集中区域内会引起大量位错；如果材料的屈服强度高，断裂韧度就低，它的断裂就是脆断，即裂纹一发展就迅速断裂。这样的材料包括陶瓷、玻璃等。因为这些材料里由裂纹产生的应力集中区无法产生大量的位错，不能象金属一样通过塑性形变把集中的应力释放掉，裂纹发展的很迅速就显得很脆。这就是为什么金属

11、有较好的韧性，而陶瓷和玻璃韧性很差的原因。断裂韧性断裂韧性 钢的基体相一般为面心立方和体心立方两种铁的固溶体。从滑移塑性变形的角度来看，面心立方固溶体容易产生滑移塑性变形而使得断裂韧性高。所以奥氏体钢比铁素体钢和马氏体钢的断裂韧度高。蠕变蠕变 高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。 当金属承受恒定负荷或恒定压力时，经过一段时间后，它可能进行递增的塑性变形。这种与时间有关的应变，称为，称为蠕变蠕变。（在恒定压力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增。（在恒定压力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象。）大的现象。） 引起材料在较低温度下发生塑性变形的主要原因是位错是位错的滑移的滑移，而引

12、起材料在高温下发生蠕变高温下发生蠕变的主要原因则是位错是位错的攀移的攀移。 蠕变蠕变 高温促进了原子的扩散，此时原子可以扩散到位错线上，也可以从位错扩散出去。原子的这种扩散使得位错能够攀移，即能够在滑移面垂直而不是平行的平面上移动。依靠这种攀移而脱离了杂质等束缚的位错就可以在较低的应力下继续滑移，从而使材料在较低应力状态下发生塑性变形。所以时间是影响材料高温形变的一个重要因素，而在室温下，时间对材料的形变几乎没有影响。蠕变蠕变n由于金属在长时高温载荷作用下会产生蠕变，因此，对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道法兰的紧固螺栓、用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮等，就可能

13、随时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断地转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效。蠕变蠕变蠕变变形机理（蠕变理论）蠕变变形机理（蠕变理论） 1、位错滑移蠕变、位错滑移蠕变（位错蠕变理论认为）（位错蠕变理论认为） 在常温下，若滑移面上的位错运动受阻产生塞积，滑移便不能继续进行，只有在更大的切应力作用下，才能使位错重新运动和增殖。但在高温下，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服某些短程障碍，从而使变形不断产生。在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错，在高温下由于热运动增大了原子的能量，使得位错能够克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。温度越高，位错运动的速度越快，蠕变也越大

14、。蠕变蠕变2、扩散蠕变、扩散蠕变（理论）（理论） 扩散蠕变是在较高温度（约比温度大大超过0.5）下的一种蠕变变形机理。它是在高温条件下大量原子和空位定向移动造成的。材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是应力作用下空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）扩散的一种形式。蠕变蠕变n所谓温度的“高”和“低”是相对于该金属熔点而言的，故采用“约比温度（t/tm）”更为合理（t为试验温度，tm为金属熔点，都用热力学温度表示）。当t/tm0.5时为“高温”，反之则为“低温”。蠕变蠕变3、晶界滑动蠕变、晶界滑动蠕变（理论）（理论） 在常温下晶界的滑动变形是极不明显的，可以忽略不计。但在高温条

15、件下，由于晶界上的原子容易扩散，受力后容易产生滑动，故促进蠕变进行。随温度升高，应力降低，晶粒度减小，晶界滑动对蠕变的作用越来越大。但总的来说，它在总蠕变量中所占的比例并不大，一般约为10%左右。多晶陶瓷材料由于存在大量晶界，当晶界位相差大时，可把晶界看成是非晶体，在温度较高时，晶界黏（nian）度迅速下降，应力使得晶界发生黏性流动而导致蠕变。疲劳疲劳 金属零件在工作中经常要承受周期应力，这种零件会在比承受单一静负荷低得多的应力下失效，这种失效称为疲劳失效疲劳失效。 工程中很多机件和构件都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其失效形式主要是疲劳断裂。据统计，疲劳

16、破坏在整个失效件中约占80%左右。疲劳疲劳 疲劳破坏一般分三个阶段： 材料表面出现微小裂纹； 小裂纹随交变载荷的作用逐渐扩展； 材料剩余截面积不足以承受载荷时，发生断裂。疲劳疲劳应力循环的四种不同类型应力循环的四种不同类型 反转反转交替交替疲劳疲劳涨落涨落重复重复疲劳疲劳 最大应力最大应力 max 最小应力最小应力 min 平均应力平均应力 m =1/2（max+min） maxminr疲劳疲劳（1）对称交变应力，如图（a）所示， m =0，r=1。大多数旋转轴类零件的循环应力就是这种情况。 （2）不对称交变应力，如图如图（b）所示， 1r0。发动机连杆的循环应力就是这种情况。疲劳疲劳（3）波

17、动应力，如图如图（c）所示， ma，0r1。 发动机缸盖螺栓的循环应力就是这种情况。 （4）脉动应力，如图如图（d）所示， m =a0，r=0。 齿轮齿根的循环弯曲应力就是这种情况。轴承应力为循环脉动压应力，m =a0,r=。 加工硬化加工硬化 加工硬化加工硬化在常温下经过塑性变形后材料的强度提在常温下经过塑性变形后材料的强度提高，塑性降低的现象。高，塑性降低的现象。 加工硬化是由于位错增殖所引起的，所以能够产生加工硬化的材料必须是位错能够滑移的材料。像陶瓷等脆性材料不会出现加工硬化。有时，热弹性高分子也会出现硬化现象，但它的变形机制与金属塑性形变完全不同。加工硬化加工硬化 热弹性高分子材料在

18、塑性变形时的硬化现象，其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。当所加应力超过热弹性高分子材料如聚乙烯的屈服强度时，分子链之间的极化键发生断裂，分子链被拉长，并沿拉伸方向重新排列。所以经过冷加工后的高分子材料的强度，尤其是沿着拉伸方向的强度会增加。加工硬化加工硬化加工硬化的变形机制加工硬化的变形机制 图4.19 是最常见的塑性材料的应力应变曲线。 如果所加的应力1大于屈服强度，材料将发生永久变形1。即使在移去应力1以后，这个应变1仍然会存在，不会消失。如果利用已经发生过应变1的材料再次进行拉伸试验，就会发现它的应力应变曲线不再与图4.19（a）相同，而是如图4.19（b）所示。在

19、这个新的拉伸试验中，材料的屈服强度不再是f，而是1，同时，延伸率也小于前次拉伸试验。如果此时将应力增加到2后，再次移去应力，材料的屈服强度又会增加到2。这样在每次拉伸试验中增加一点应力，可以使材料的屈服强度逐渐增高，同时作为材料塑性指标的延伸率逐渐降低。加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化晶体结构对于加工硬化的重要性晶体结构对于加工硬化的重要性 在六方晶系中，位错的滑移只是在一族平行于基面的滑移面上进行，所以六方晶系的金属的加工硬化指数相对较小。另一方面，在立方晶系中，位错以更复杂的方式在多个滑移系统上滑移，因此在正常的情况下这类金属表现出很强的加工硬化性。其中，面心立方金属比体心立方金属具有更大

20、的加工硬化指数。加工硬化加工硬化加工硬化的原理加工硬化的原理 如图4.20 所示，当外加应力超过屈服强度时，位错开始滑移。如果位错在滑移面上遇上障碍物，就会被障碍物钉住而难以继续滑移。加工硬化加工硬化n 图4.20（a）表示的就是一段位错线的两端被障碍物钉住的情况。继续增大的应力使位错线不断弯曲（如图4.20（b）（c）并扩展，以求滑移。最后，相互接近的两段位错刚好具有相反的性质（伯氏矢量相同，位错线方向相反），它们会相互靠近，以致消失。 这样的结果是原来的一段位错线仍然被钉在障碍物上，但在这段位错线的外围却多出来一个位错环（图4.20（d）。这就是Frank-Reed位错源的机理。位错密度越

21、大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力也增大。这就是加工硬化的原理加工硬化的原理。加工硬化加工硬化 加工硬化发生时，材料的屈服强度增加了，但材料的抗拉强度一般不会变化。 陶瓷中也会有一些位错，所以也会出现很小程度的加工硬化。但是陶瓷很脆，在低温时不可能发生明显的塑性变形，只有在高温下才会有塑性变形。同样，像硅这样的共价键结合的材料都是脆性材料，不会出现加工硬化现象。 有时需要消除冷加工所产生的加工硬化。在这种情况下，可以对材料进行退火。退火后的材料既可以保持冷加工所得到的精确尺寸和良好表面，又可以恢复材料的塑性。退火后的材料可以继续进行冷加工。固溶强化固溶强化n“相相”是指一种结构

22、。在一个相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其它相之间一定存在明确的界面。 两种物质之间可以没有限度的相互溶解成为一相，称为无限互溶。 固溶体固溶体：当金属元素与其它金属元素或非金属元素组成合金时，会形成一个、两个、或更多的相，统称为合金相。当合金相的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相称为固溶体。固溶强化固溶强化固溶体与混合物的区别固溶体与混合物的区别： 混合物中含有两种以上的相，这些相依然保持各自的特性。 固溶体本身只是一个相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持组元自己的特性。固溶强化固溶强化 通过形成固溶体合金，可以实现固溶强化的目的。固溶强化的

23、效果取决于两个因素固溶强化的效果取决于两个因素： （1）溶剂原子和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化的效果越大。因为尺寸大的溶质原子进入溶剂后，造成的晶格畸变也大，从而给位错的滑移增加困难。 （2）添加的合金元素越多，固溶强化的效果越大。固溶强化固溶强化固溶强化对材料性质的影响固溶强化对材料性质的影响 （1）合金的屈服强度、抗拉强度、硬度等都会超过纯金属。（2）几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是铜锌合金的强度和塑性都高于纯铜，这是一个例外。 所使用的许多高温合金也部分采用了固溶强化方法。 固溶强化固溶强化（3）合金的电导率大大低于纯金属。所以不应该用固溶强化的铜合金或铝合金作导线。 （4）固

24、溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。高温环境不会明显损害固溶强化效果。飞机发动机所使用的许多高温合金也部分采用了固溶强化方法。弥散强化弥散强化 弥散强化弥散强化是指将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。（溶质原子的添加量超过了溶解限度即固溶度时，就会出现新相，新相会使材料强化，这种机制叫弥散强化） 如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化。这就是弥散弥散强化的由来强化的由来。弥散强化弥散强化 弥散强化中，基体与析出物之间具有如下关系：弥散强化

25、中，基体与析出物之间具有如下关系： （1）基体应该是塑性的，而析出物应该是脆性的）基体应该是塑性的，而析出物应该是脆性的。此时析出物阻碍位错的滑移，使材料强化。而较软的基体则给整个合金提供所需的塑性。 （2）脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应）脆性的析出物应该是不连续分布的，而塑性的基体则应该是连续的该是连续的。如果析出物连续分布，裂纹就可能在整个结构中传播，使材料发生脆性断裂。而不连续分布的析出物内的裂纹则可能被基体与析出物之间的相界面所阻挡，难以扩展。弥散强化弥散强化（3）析出物的尺寸应该小，数密度应该多）析出物的尺寸应该小，数密度应该多。这样才能增加阻碍位错滑移的可能性。

26、（4）析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的）析出物的形状应该是圆的，而不应该是尖的或针状的。因为圆形的析出物产生裂纹的可能性小，而具有尖锐边缘的析出物则可能产生裂纹，或者其本身就容易成为缺口。 （5）析出物的数量越多，合金的强度越高）析出物的数量越多，合金的强度越高。 弥散强化合金中常常含有金属间化合物（两种或多种元素按一定比例形成的新相）。通过金属间化合物在塑性基体中弥散分布来强化材料是常见的方法。弥散强化弥散强化 利用共晶反应也能够获得弥散强化的材料。 共晶共晶液相完全互溶，固相部分互溶。 偏晶偏晶液相不完全互溶（具有溶解度间隙）。 在共晶反应中，会生成相和相两种固相，这两种固相

27、总是相互叠合在一起，这种组织常称为共晶组织。这样弥散分布的相和相能够使合金获得很好的弥散强化效果。但如果共晶组织是脆性的，会使整个材料变脆，这种合金在变形时会沿着脆性的共晶组织发生脆断。固态相变强化固态相变强化 顾名思义，固态相变强化就是通过控制固态顾名思义，固态相变强化就是通过控制固态相变来强化材料。相变来强化材料。 通过控制凝固过程实现材料强化的方法（例如，快速冷却细化晶粒），只能在材料冶炼制备过程中采用一次。因为重溶、二次甚至三次重溶成本太高。但是控制固态相变来实现材料强化的方法，则可以多次使用。固态相变强化固态相变强化 固态相变强化包括：固态相变强化包括： （都需经过热处理都需经过热处

28、理） 共格析出物共格析出物如果析出物里的原子排列与周围基体的原子排列保持一种共格关系，即保持特定的对应关系，那么析出物周围的基体原子排列就会受到析出物的影响。这种析出物称为共格析出物。（能够影响周围基体原子排列的析出物称为共格析出物）马氏体相变共析反应时效强化固态相变强化固态相变强化 通过时效的方法获得共格析出物通过时效的方法获得共格析出物 共格析出的热处理有以下共格析出的热处理有以下3个步骤个步骤 （1）将合金加热到固溶度线以上的温度，使合金生成均匀的相固溶体。这个过程称为固溶化处理。相也就是固态相固态相。（2）经固溶化处理后，合金内只有相。此时再让合金迅速冷却，一般可以将已经加热的合金放入

29、水中（或油中），达到迅速冷却的目的。这就是淬火。 （3）最后将具有过饱和固溶体的合金在低于固溶度线的温度下进行加热。这个过程称为时效。固态相变强化固态相变强化 要获得时效强化效应，应具有要获得时效强化效应，应具有4 4个条件个条件 （1）合金相图中必须存在这样一条固溶度线，其固溶度将随温度的降低而减小。这样在将合金加热到固溶度线以上时，可以得到单相组织。而冷却到固溶度线以下时，则可以得到两相组织。（2）基体应该比较软，具有塑性。而析出物则应该比较硬，且具有脆性。在大多数时效强化合金中，析出物是又硬又脆的金属间化合物。固态相变强化固态相变强化（3）合金应该能进行淬火。有些合金即使通过快速冷却也不

30、能抑制析出物的产生。这样的合金自然不能进行时效强化。 （4）合金中应该有共格析出物生成。 许多重要合金，如不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、铜合金等都满足上述条件。能够进行时效强化。固态相变强化固态相变强化 共析反应共析反应从一个固相转变成两个固相的反应。是固态相变强化的重要手段，可以通过热处理的方式实现强化。 共晶反应共晶反应从一个液相转变成两个固相的反应。所以不能通过热处理的方式来实现。固态相变强化固态相变强化 与共晶反应一样，共析反应生成的两个新相的成分是不一样的，通过控制合金的成分，可以改变硬脆的第二相数量。 在共析反应过程中原子需要进行扩散。比如钢铁中发生的共析反应需要铁和碳原子进行扩散才能够完成，在淬火条件