材料强化

1. 材料物理(下) 材料强化

2. 学习内容: (一)概述 (二)力学实验与材料性能 (三)固溶强化 (四) 弥散强化 (五)固态相变强化 (六)复合强化

3. 结构材料 材料强度是决定该材料是否胜任实际要求的关键 一、概述 人类最早利用的材料性质——力学性质 强度 ∴设计和生产在室温及高温下都具有相当强度的 材料有着十分重要的实际意义！

4. 原子之间的键合类型 结合力 位错 难以改变 形成新的相 合金化 冷加工 热处理 易于改变 强化材料 理论成熟 同素异构转变 一、概述 决定材料强度关键因素

5. 二、力学实验与材料性能 学习内容: 1、拉伸试验 2、弯曲试验 3、硬度试验冲击试验 4、蠕变

6. 拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓设施加的负载能力拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓设施加的负载能力 A1 1、拉伸试验 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。 通常利用电动机驱动夹具的方法来施加应变，试样的伸长用夹具的相对移动量来表示。引起试样伸长的载荷可以从梁或检验环的弹性变形来测量。

7. ：工程应力-应变曲线 应力-应变曲线（一） 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-应变曲线称为工程应力-应变曲线 σb 错觉:认为此时减少应力还会使材料发生应变 其实:要使材料继续发生应变，仍然需要增加应力; 颈缩出现后，试样的拉伸载荷在减少，不过试 样的截面积减少得更多 在该曲线中，应力达到抗拉强度而出现颈缩后应力随着应变的增加反而下降! 特点：

8. 应力-应变曲线（二）：真实应力-应变曲线 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: 由于在拉伸过程中材料的截面积和长度是在变化的！ 在由初始长度 l。至最终长度 l1的形变期间，总的真实应变为:

9. 失稳条件 真实应力-应变曲线常常符合公式： 加工硬化系数，0.1~0.5 强度系数 当应变的增加不再产生负载的增加时 → dP=0 →出现塑性失稳 — 缩颈 ∵P=σA ∴dP=Adσ+σdA=0

10. 说明一 ★一般，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； ★工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线的最大区别在于颈缩出现之后。但是，颈缩一旦出现，这个构件就已经大大变形，不再满足原来的使用条件。 ∴工程应力-应变曲线一般可以满足实际需要！

11. 精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度 应力和应变之间的比例常量称为弹性模量！ 应变是拉伸时，称为弹性模量或杨氏模量（E） 应变是切应变时，称为刚性应变或切变模量(μ) 应变是流体静压缩应变时，称为体积弹性模量(K) 应力很低的时，形变是弹性的可逆的，遵从虎克定律，应力与应变成正比的关系 说明二 应变形式不同，弹性模量有不同的意义！

12. 引子 2、弯曲试验 弯曲试验方法的应力状态介于拉伸和扭转试验方法之间，常用于测定脆性材料的力学性能。一般: 金属材料(钢铁材料)，结构钢常温下的力学性能由 拉伸试验评定； 结构材料的热变形性能由扭转试验评定； 工具钢常温下的力学性能由弯曲试验评定。

13. 脆性 应力 中塑性 高塑性 采用弯曲实验测量力学性能 0 应变 当材料硬度高脆性大时，如用拉伸试验，拉伸试棒两端容易有应力集中和表面缺陷，装夹试样时稍有不对中，就会引起附加弯曲应力，这都会造成拉伸数据的散乱，而用光滑的矩形、方形和圆形试样进行弯曲试验，就可避免应力集中的影响，操作也很简便。 脆性材料不适于进行拉伸实验！

14. 试样中点位置上施加负载，使试样发生弯曲，在中点处的材料就受到一个拉伸作用力，材料在该位置处断裂！试样中点位置上施加负载，使试样发生弯曲，在中点处的材料就受到一个拉伸作用力，材料在该位置处断裂！ 试验过程 F-断裂时负载 L-支点间距离 ω-试样的宽度 h-试样的厚度 断裂模量 强度表示方法？

15. 拉伸试验：应变ε 弯曲试验：弯曲δ 弯曲试验曲线与拉伸试验曲线区别： 横坐标 弯曲试验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量

16. 应用最广泛的力学性能试验方法 3、硬度 轴向拉伸实验 硬度— 反映金属材料软硬程度的一种性能指标，表示　 　　　 材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能 　　　 力，是表征材料性能的一个综合指标。

17. 生产上应用最广 表征金属弹性 变形功的大小 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 表征金属的塑性变形 抗力及应变硬化能力 方法 表征金属对切断的抗力 弹性回跳法—肖氏硬度 压入法 划痕法—莫氏硬度

18. F D h d (a)压头压入试样表面 (b)试样表面残留压痕 1）布氏硬度HB — 不标出单位 实验原理：根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值 a) 直径D(mm)的钢球 淬火球或硬质合金球 →压头; b) 施以一定的试验力F(N),将其压入试样表面; c) 经规定保持时间 t (s)后卸除试验力; d) 试样表面将残留压痕。

19. D2 F2 得到计算公式： D1 F1 φ d1 d2 式中：d—压痕平均直径(mm); A—压痕球形表面积(mm2) ↑，HB↓ 说明： ①试验时只需测出压痕的平均直径即可。 ②对于材料相同而厚薄不同的工件，为测得相同HB →保证得到几何相似的压痕（压入角 φ保持不变）

20. D2 F2 D1 F1 φ d1 d2 ③为保证值的准确性，要求压痕直 径d与压头直径D的比值在一定 范围内 — 0.2 D < d <0.5 D ④优点：适应于测定粗大晶粒或组 成相的金属材料；压痕大 — 实验数据稳定，重复性强。 ⑤缺点：不宜用于测定太薄、太硬的材料; 对不同材 料需更换压头直径和改变试验力；压痕大 — 不宜在成品上进行实验

21. 为保证压头与试样表面接触良好 h0 h0 h1 (b)加上试验力F1 (a)加初始试验力F0 2）洛氏硬度HR — 压痕深度表示 压头：圆锥角为1200的金刚石圆锥 体或一定直径的小淬火钢球 测定过程： a)加初始试验力F0— 深度 h0的压痕 注：测量压痕深度的指针 — 指零 b)加上试验力F1 — 压头压入深度h1 ①表盘上指针以逆时针方向转动到相 应刻度位置； ②试验力F1→产生的总变形 h1中 包括弹性变形与塑性变形。

22. 总变形中的弹性变形恢复 h1-h h0 h1 (c )卸除主试验力 c) F1卸除后 — 压头回升一段距离（h1 – h） ①压痕深度— 试样表面残留的塑性变形深度h ②随着弹性变形的恢复，指针顺时 针转动，停止时所指的数值 — 压痕深度h 洛氏硬度计算公式 K 为常数 0.002mm为一个洛氏硬度单位

23. 说明： ①∵h↑ ,硬度值愈低，反之则愈高。 ∴为照顾习惯上数值愈大硬度愈高的的概念—一 般常用常数 k减去h来计算硬度值，并规定每 0.002mm为一个洛氏硬度单位。 ②使用金刚石圆锥压头 —k取0.2mm; 使用小淬火钢球压头 — k取0.26mm。 ③为能在一台硬度计上测定不同软硬、厚薄试样的 硬度，采用不同压头和试验力组合成几种不同的 洛氏硬度标尺，以字母A、B、C…K表示，其中 HRA、HRB、HRC三种洛氏硬度最为常用。

24. ④优点：应用最广； 操作简便迅速，硬度值可直接读出； 压痕较小，可在工件上进行实验； 采用不同的标尺可测定各种软硬不同的金属 和厚薄不一的试样的硬度。 ⑤缺点：压痕小 →代表性差； 缺陷存在 →所测硬度值重复性差分散度大； 不能直接比较不同标尺测得的硬度值。

25. 纳米压痕

26. 4、蠕变 引子： 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温条件下服役。对于制造这类机件的金属材料，如果仅考虑常温短时静载下的力学性能，显然是不够的。因为，温度对金属材料的力学性能影响很大；在高温下，载荷持续时间对力学性能也有很大影响。 例如：蒸汽锅炉及化工设备中的一些高温高压管道，虽然所承受的应力小于该工作温度下材科的屈服强度，但在长期使用过程中，会产生缓慢而连续的塑性变形(蠕变现象)，使管径逐渐增大。如设计、选材不当或使用中疏忽，将导致管道破裂。高温下钢的抗拉强度也随载荷持续时间的增长而降低。 综上所述，金属材料在高温下的力学性能，必须考虑温度与时间两个因素，研究温度、应力、应变与时间的关系，才能建立评定金属高温力学性能的指标！

27. ? 高温促进原子的扩散，原子可以扩散到位错线上，也可从位错扩散出去。原子的这种扩散使得位错能够攀移 依靠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形变 蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后 导致金属材料的断裂称为蠕变断裂 高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变！ 解释： 较低温度下塑性变形主要原因：位错的滑移； 高温下发生蠕变的主要原因是：位错的攀移。

28. A 蠕变试验中，测得材料的应变随时间的变化— 蠕变曲线 稳定阶段的蠕变曲线的斜率称为蠕变速率，表示： 蠕变速率=应变的增量/时间的增量 第一阶段：许多位错通过攀移而脱离障碍物，然后滑 移，造成材料塑性变化； 特点： 随时间延长，蠕变速率逐渐减小； 到A点，达到最小值

29. 第二阶段：位错脱离障碍物的速率等于位错被别的障第二阶段：位错脱离障碍物的速率等于位错被别的障 碍物陷住的速率 —— 蠕变的稳定阶段； 特点：蠕变速率几乎保持不变 第三阶段：材料出现颈缩，应力增加，试样以更高的速率 发生塑性变形，直至断裂。

30. 三、固溶强化 概念： 合金中的相： 合金中结构相同、成分和性能均一 并以界面相互分开的组成部分 单相合金：由一种固相组成的合金 多相合金：由几种不同固相组成的合金 Cu-Zn (wZn =40%)合金是两相合金 → CuZn 固溶体相和金属化合物β’-Cu-Zn 相 举例：Cu-Zn (wZn =30%)合金是单相合金 （单相黄铜→ Zn 溶入Cu中的固溶体 ）

31. 没有溶解度限制的固溶体称为无限固溶体 固溶体 镍和铜之间可以无限互溶：如果把液态的镍和液态的铜混合在一起，它们能够形成均匀的一种液相。而且这个均匀的液态镍铜合金冷却成固体时，均匀形成一种固相，称为白铜 — 凝固后，镍和铜仍然不会分离开来。在铜镍合金这样的固相中，成分、结构和性质均处处相同，不存在任何将铜原子和镍原子分割开来的界面。 无限互溶：两种物质之间可以没有限度地相互溶解成为 一相。 镍和铜 锌和铜 有限固溶体

32. 固 溶 强 化 金属强化机制 1.40 (0.17) 1.46(0.11) 外来溶质原子溶入溶剂基体中引起晶格畸变，↑位错运动阻力，使金属的滑移变形困难→↑合金的强度和硬度 1.72(0.15) 1.62 (0.05) 1.82(0.25) 固溶强化的效果取决于两个因素： 1.53(0.04) 一、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； Cu 1.57

33. 1.40 (0.17) 1.46(0.11) 1.72(0.15) 1.62 (0.05) 1.82(0.25) 1.53(0.04) Cu 1.57 固溶强化的效果取决于两个因素： 原因： ∵尺寸差别大的溶质原子进入 溶剂后，造成的晶格畸变也大 → 给位错的滑移 ↑ 困难 二、添加的合金元素越多， 固溶强化的效果也越大。

34. 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。但是例外，铜锌 合金 的强度和塑性都高于纯铜。 (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。

35. ? 四、弥散强化 弥散强化:指将多相组织混合在一起所获得的材料强 化效应——如果其中一相为细小的颗粒并 弥散分布在材料内，则这种材料的强度往 往会增加，这种强化方法称为弥散强化。 若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。在这两种相之间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! 产生原因:

36. 初晶Si Al基体 共晶AlSi Al-Si合金 含量大的连续分布的相称为基体 一般数量较少的析出物为第二相

37. 阻碍位错的滑移，使材料强化 如果连续分布，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塑性的基体与析出物之间的相界面所阻挡，难以扩展。 Al-Sr 在弥散强化中，基体与析出物之间关系: (1)基体应该是塑性的，而析出物则应该是脆性的。 (2)塑性的基体应该是连续分布,脆性的析出物应该 是不连续分布的。

38. 圆形的析出物产生裂纹的可能性要小，而具有尖锐边缘的析出物则有可能产生裂纹，或者其本身就容易成为缺口！圆形的析出物产生裂纹的可能性要小，而具有尖锐边缘的析出物则有可能产生裂纹，或者其本身就容易成为缺口！ 在弥散强化中，基体与析出物之间关系: (3)析出物的尺寸应该小，数密度应该多—— 增加阻碍 位错滑移的可能性。 (4)析出物的形状应该是圆的，面不应该是尖或针状的 (5)析出物的数量越多，合金的强度越高。

39. 两种或多种元素按一 定比例形成的新相 ④合金中出现金属化合物时 合金的强度、硬度及 耐热性↑（塑性和韧性有所↓）。 通过使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！ ①金属化合物的晶格类型及性能均不同于任一组元， 一般可用分子式表示起组成； ②金属化合物中，离子键、共价键和金属键参与作 用 — 其具有一定的金属性质（导电性） ③举例：碳钢中的Fe3 C, 铝合金中的CuAl2

40. 纯 Al Al-5Ti-1B 50 mm

41. Al Ti 举例：TiAl(γ合金) 有序结构的产生使得位错滑移更加困难： 因为位错滑移过有序结构后，会使有序结构受到破坏 —— 材料的有序化↓材料的塑性； 另一方面，有序化也↑原子扩散的难度，因此↑材料的高温蠕变强度。

42. 若弥散的颗粒相有较高的强度与硬度，位错运动时不能切过颗粒，则位错线会在两颗粒间弓出，在颗粒周围形成位错环，位错线则继续向前运动若弥散的颗粒相有较高的强度与硬度，位错运动时不能切过颗粒，则位错线会在两颗粒间弓出，在颗粒周围形成位错环，位错线则继续向前运动 颗粒对位错运动的阻碍和钉札示意图 

43. 颗粒钉札作用的电子显微镜照片 铜合金中的位错线绕过SiO2颗粒（黑色的圆颗粒）后在颗粒周围留下一个位错环，黑色的曲线则是位错线！ 错线弓出需要的应力为： Sp为颗粒间的间距 弥散的颗粒愈多，颗粒间距Sp愈小，位错滑移所需切应力愈大，材料强化愈显著！

44. 自学 根据Sn-Pd相图,解释不同含锡量范围的锡铅二元合金的强化手段? P70-71(尤其解释共晶组织的强化过程及结论)

45. 复习 电子浓度 c 电子— 合金中的价电子数与其原子数之比 VA 、VB分别是溶剂和溶质的原子价 r 为溶质 B 的物质的量比 电子浓度越↓— 形成固溶体的倾向越大； 电子浓度越↑—固溶体变得不稳定，形成金属化合物 的倾向增大

46. CuZn Cu5 Zn8 电子浓度不同，所形成的化合物的晶格类型不同； 电子浓度为7/5时,具有面心立方结构晶格 →简称为 α相 电子浓度为 3/2（21/14）时，具有体心立方晶格， → 简称为β相 电子浓度为 21/13 时，为复杂立方晶格→ 称为 γ相

47. 需要经过热处理 五、固态相变强化 ——通过控制凝固过程实现的材料强化方法！ 时效强化 共析反应 非平衡态的马氏体相变

48. ？ 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—— 保持特定的对应关系，那么析出物周围的基体的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。 共格析出物的结构与基体的结构不是完全相同，基体原子要与析出物保持一种对应关系，必然要改变自己原来的排列方式。 ∴即使位错不是从共格析出物身上，而是从共格析 出物旁边的基体滑移过时，也会受到来自共格析 出物的影响！

49. 复习： 相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面 非共格界面 半共格界面 共格界面 界面上的原子同时位于两相晶格结点上，为两种晶格所共有界面上原子的排列规律 具有完善共格关系的相界，在相界上，两相原子匹配得很好，几乎没有畸变—这种相界的能量最低，但这种相界很少 既符合这个相晶粒内原子排列规律，又符合另一个相晶粒内原子排列的规律 弹性畸变的共格相界

50. 相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面 非共格界面 半共格界面 共格界面 界面两边原子排列相差越大，则弹性畸变越大，从而使相界的能量提高，当相界的畸变能高至不能维持共相关系时，则共相关系破坏，变成非共格相界