材料物理第四章

材料物理第四章第一頁，共九十二頁，2022年，8月28日1

③彈性模量E

—描述應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例關(guān)系。

④延伸率δ—

⑤斷面伸縮率Ψ—

⑥沖擊韌性αk

—抗沖擊的能力（主要用于低

溫）

⑦硬度G—描述材料軟硬的程度等。第二頁，共九十二頁，2022年，8月28日2

材料的強(qiáng)度是材料力學(xué)性能中最重要的一項(xiàng)，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)材料來說，材料的強(qiáng)度更是決定該材料是否勝任實(shí)際要求的關(guān)鍵。所以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在室溫及高溫、低溫下都具有相對(duì)強(qiáng)度的材料有著十分重要的實(shí)際意義。

決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素

1.原子之間的結(jié)合力

我們對(duì)原子之間的鍵合類型和結(jié)合力難以施加什么影響，難以去改變鍵合類型和結(jié)合力來強(qiáng)化材料。在這方面，一般常見的方法就是形成新的相（因?yàn)樾孪嘀械脑渔I合類型和結(jié)合力自然不同）。第三頁，共九十二頁，2022年，8月28日32.位錯(cuò)我們有很多方法來影響材料中的位錯(cuò)，通過影響位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。所以可以說，近代金屬物理領(lǐng)域中的最大成果就是關(guān)于材料中的位錯(cuò)的研究。第四頁，共九十二頁，2022年，8月28日4

提高材料屈服強(qiáng)度的方法很多：

（1）通過熱處理方法—方便，但要求它在固態(tài)下發(fā)生相變，滿足這種要求的合金包括在固態(tài)下經(jīng)歷有序—無序轉(zhuǎn)變的合金，伴隨這一過程出現(xiàn)的材料強(qiáng)化稱為有序強(qiáng)化，它在許多方面類似于沉淀強(qiáng)化。通常利用的與熱處理有關(guān)的強(qiáng)化方式是過飽和固溶體的沉淀強(qiáng)化和共析分解反應(yīng)的共析強(qiáng)化。如果該材料的相圖中沒有共析相變反應(yīng)，自然不可能采用共析分解強(qiáng)化。第五頁，共九十二頁，2022年，8月28日5

（2）對(duì)于沒有塑性變形的脆性材料，無法利用冷加工方法來強(qiáng)化材料。

表征材料力學(xué)性能的最常用的參數(shù)是拉伸試驗(yàn)所得到的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)常用來表示脆性材料的拉伸性能。硬度試驗(yàn)也可在一定程度上表示材料的拉伸強(qiáng)度。但是，即使材料工作的應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，也并不意味著材料的使用就一定安全。如果材料所受的負(fù)載是動(dòng)態(tài)而不是靜態(tài)的，就要用沖擊韌性來表示它的抗斷裂性能。第六頁，共九十二頁，2022年，8月28日6

由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時(shí)要用斷裂韌性來表示這些裂紋在材料中的擴(kuò)展行為。如果材料在高溫下使用，即使它所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力，也可能發(fā)生塑性形變。此時(shí)要用蠕變強(qiáng)度來表示材料的性能。還有，如果所受應(yīng)力為循環(huán)狀態(tài)，那么材料的安全性也會(huì)打折扣。此時(shí)要用到疲勞強(qiáng)度的概念。第七頁，共九十二頁，2022年，8月28日74.2力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能

選材原則：

①分析材料使用環(huán)境—判斷材料應(yīng)具有什么性能?

②材料應(yīng)具有—強(qiáng)度、剛度、韌性？③材料承受的載荷—周期性變化的、沖擊、高溫？第八頁，共九十二頁，2022年，8月28日8

對(duì)實(shí)際晶體材料來說，制備再小心，也總會(huì)有一些點(diǎn)陣缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響那些對(duì)晶體結(jié)構(gòu)敏感的材料的力學(xué)性能。

硬度—耐磨性能。

沖擊—抗斷裂能力，用于動(dòng)載荷，如吊鉤。延伸率—表征材料的塑性程度。

疲勞—

使用壽命。第九頁，共九十二頁，2022年，8月28日9

拉伸實(shí)驗(yàn)

屈服強(qiáng)度—開始發(fā)生塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，用σs

來表示。對(duì)于金屬來說，也是位錯(cuò)開始滑移所需的應(yīng)力。

試驗(yàn)機(jī)：一般常用機(jī)械拉伸機(jī)、液壓拉伸機(jī)。圖4.1拉伸試驗(yàn)方法示意圖第十頁，共九十二頁，2022年，8月28日10

標(biāo)準(zhǔn)試件：試件中部等截面段的直徑為d，試件中段用來測(cè)量變形的長(zhǎng)度l叫標(biāo)距，通常取l=5d或l=10d。第十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日11

試驗(yàn)時(shí)，將試件兩端裝入試驗(yàn)機(jī)卡頭內(nèi)，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件加拉力P，其大小可由試驗(yàn)機(jī)上的測(cè)力裝置讀出。載荷P由零緩慢增加，同時(shí)試件逐漸伸長(zhǎng)，標(biāo)距段的伸長(zhǎng)Δl可用測(cè)量變形的儀表（引伸儀或變形儀）量得。將直至拉斷前拉伸過程中的載荷P和對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)Δl記錄下來，以Δl為橫坐標(biāo)，以P為縱坐標(biāo)就可畫出P—Δl曲線。這曲線叫拉伸圖。它描寫了從開始加載到破壞為止，試件承受的載荷和變形發(fā)展的全過程。第十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日12

低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性質(zhì)

應(yīng)力：應(yīng)變：第十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日13

（1）彈性階段OA

從應(yīng)力—應(yīng)變曲線上看出，這階段應(yīng)變值始終很小。而且如果將載荷卸去，變形立即全部恢復(fù)，這種變形稱作彈性變形。稱這一階段為彈性階段。在這一直線線段內(nèi)材料服從虎克定律。超過A點(diǎn)，試件除彈性變形外還產(chǎn)生塑性變形，即超過A點(diǎn)后如將載荷撤掉，彈性變形完全恢復(fù)，而另外遺留下來的變形不能恢復(fù)，稱為塑性變形。第十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日14

（2）流動(dòng)階段BC

應(yīng)力超過A點(diǎn)后，σ—ε曲線漸彎，到達(dá)B點(diǎn)后，圖形上出現(xiàn)一條水平線BC，即應(yīng)力幾乎不增加而應(yīng)變卻大量增長(zhǎng)，材料好像暫時(shí)失去了對(duì)變形的抵抗能力。這種現(xiàn)象稱為屈服。這時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度。在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上有時(shí)可以看到上下屈服點(diǎn)，這部分放大后如下圖所示。本來，材料在下屈服點(diǎn)σ1對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作用下就能發(fā)生塑性變形，但由于位錯(cuò)周圍存在一些小的間隙型雜質(zhì)原子，阻礙了位錯(cuò)的滑移，使得屈服應(yīng)力增加到上屈服點(diǎn)σ2。一旦位錯(cuò)在上屈服點(diǎn)應(yīng)力σ2的作用第十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日15

下開始滑移，擺脫了那些雜質(zhì)原子的阻礙后，位錯(cuò)就可以在下屈服點(diǎn)的應(yīng)力σ1作用下繼續(xù)滑移。第十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日16

（3）強(qiáng)化階段CD

在CD段應(yīng)力持續(xù)增加，這表明試樣形變時(shí)發(fā)生了硬化現(xiàn)象，這就是加工硬化（冷作硬化—加工過程中表面層產(chǎn)生的塑性變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，并產(chǎn)生晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，引起材料的強(qiáng)化，這就是冷作硬化現(xiàn)象。也可定義為：在常溫下經(jīng)過塑性變形后材料的強(qiáng)度提高，塑性降低的現(xiàn)象）。在試件內(nèi)所有晶粒都發(fā)生了滑移之后，沿晶粒錯(cuò)動(dòng)面產(chǎn)生了新的阻力。要使試件繼續(xù)變形，第十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日17

必須增加外力，這種現(xiàn)象稱為材料強(qiáng)化。例如，對(duì)起重機(jī)的鋼絲繩采用冷拔工藝，對(duì)某些型鋼采用冷軋工藝均可使材料強(qiáng)度有所提高。

（4）頸縮階段DED點(diǎn)過后，試件局部顯著變細(xì)，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。由于“頸縮”，試件截面顯著縮小，因此使試件繼續(xù)變形所需的載荷反而減小了。到達(dá)E點(diǎn)試件斷裂。

σs和σb

是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)

σs

—表示材料進(jìn)入塑性變形；

σb

—表示材料最大的抵抗能力，D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。第十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日18圖4.5不同材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線第十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日19

彎曲試驗(yàn)

1.彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)彎曲試驗(yàn)作為一種試驗(yàn)方法，具有以下兩個(gè)方面的特點(diǎn)。

(1)彎曲試驗(yàn)的試樣形狀簡(jiǎn)單、操作方便，不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣偏斜（力的作用線不能準(zhǔn)確通過拉伸試樣的軸線而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并可用試樣彎曲的撓度顯示材料的塑性。因此，彎曲試驗(yàn)方法常用于測(cè)定鑄鐵、鑄造合金、工具港及硬質(zhì)合金等脆性與低塑性材料的強(qiáng)度和顯示塑性的差別。

(2)彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣表面應(yīng)力最大，可較靈敏地反映材料表面缺陷。因此，常用來比較和鑒別滲碳層和表面淬火層等表面熱處理機(jī)件的質(zhì)量和性能。第二十頁，共九十二頁，2022年，8月28日20

2.彎曲試驗(yàn)作彎曲試驗(yàn)時(shí)，將圓柱形或矩形試樣放置在一定跨距Ls的支座上，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲（如圖4.6a）或四點(diǎn)率曲（圖4.6b）加載，通過記錄彎曲力F和試樣撓度f之間的關(guān)系曲線（圖4.7），確定金屬在彎曲力作用下的力學(xué)性能。第二十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日21

試樣在彈性范圍內(nèi)彎曲時(shí)，受拉側(cè)表面的最大彎曲應(yīng)力α按下式計(jì)算：（4-1）式中M——最大彎矩；對(duì)于三點(diǎn)彎曲加載（4-2）對(duì)于四點(diǎn)彎曲加載（4-3）

W——試樣抗彎截面系數(shù)。對(duì)于直徑為d的圓柱試樣，W=(πd2)/32；對(duì)于寬度為b、高度為h的矩形試樣，W=(bh2)/6。第二十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日22

脆性或低塑性金屬材料的彎曲試驗(yàn)可測(cè)定下列主要性能指標(biāo)。

(1)規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力σph

試樣彎曲時(shí)，外側(cè)表面上的非比例彎曲應(yīng)變（εph）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，按彈性彎曲應(yīng)力公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，稱為規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力。例如，規(guī)定非比例彎曲應(yīng)變?chǔ)舙h為0.01%或0.2%時(shí)的彎曲應(yīng)力，分別記為σph0.01或σph0.2。在圖4.7所示的彎曲力-撓度曲線上，過O點(diǎn)截取相應(yīng)于規(guī)定非比例彎曲應(yīng)變的線段OC，其長(zhǎng)度按下式計(jì)算：第二十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日23

在圖4.7所示的彎曲力-撓度曲線上，過O點(diǎn)截取相應(yīng)于規(guī)定非比例彎曲應(yīng)變的線段OC，其長(zhǎng)度按下式計(jì)算：對(duì)于三點(diǎn)彎曲加載（4-4）

對(duì)于四點(diǎn)彎曲加載（4-5）

式中n——撓度放大系數(shù)；

Y——圓形試樣的半徑（d/2）或矩形試樣的制備（h/2）。第二十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日24

過C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力值與所測(cè)得規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力Fph，然后按式4-2或式4-3計(jì)算出最大彎矩M，再按式4-1計(jì)算出規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力。圖4.7第二十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日25

(2)抗彎曲強(qiáng)度σbb

試樣彎曲至斷裂前達(dá)到最大彎曲力，按彈性彎曲公式計(jì)算的最大彎曲應(yīng)力，稱為抗彎強(qiáng)度。從圖4.7所示的曲線上B點(diǎn)讀取相應(yīng)的最大彎曲應(yīng)力Fbb，或從試驗(yàn)機(jī)測(cè)力度盤上直接讀出Fbb，然后按式4-2或4-3計(jì)算出斷裂前的最大彎曲，再按式4-1計(jì)算出彎曲強(qiáng)度。此外，從彎曲力-撓度曲線上還可測(cè)出彎曲彈性模量Eb、斷裂撓度fb及斷裂能量U（曲線下所包圍的面積）等性能指標(biāo)。彎曲試樣所用圓形截面試樣的直徑d為5~45mm，矩形截面試樣的h×b為5mm×7.5mm（或5mm×5mm）至30mm×40mm（或30×30mm）。試樣的跨距Ls為直徑d或高度h的10倍。要求試樣有一定的加工精度，但對(duì)鑄件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的鑄造試樣表面可不加工。第二十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日26

硬度試驗(yàn)

定義：表示材料抵抗他物壓入的能力。它在機(jī)械制造中具有特殊的意義。由硬度可大體推測(cè)材料的其它性質(zhì)，如強(qiáng)度限、塑性等，利用硬度還可檢查材料性質(zhì)是否均勻以及構(gòu)件表面處理的情況。第二十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日27

金屬硬度試驗(yàn)與軸向拉伸試驗(yàn)一樣，也是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法。硬度試驗(yàn)的方法很多，大體上可分為彈性回跳法（如肖氏硬度）、壓入法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）和劃痕法（如莫氏硬度）等三類。所謂“肖氏”、“布氏”、“維氏”等是以首先提出這種硬度試驗(yàn)方法的人的姓氏或以首先產(chǎn)生這種硬度計(jì)的廠名來命名的。硬度試驗(yàn)一般僅在金屬表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，因而很多機(jī)件可在成品上試驗(yàn)，而無需專門加工試樣。采用硬度試驗(yàn)也是易于檢查金屬表面層的質(zhì)量（如脫碳）、表面淬火和化學(xué)熱處理后的表面性能等。第二十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日28

硬度試驗(yàn)由于設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便迅速，同時(shí)又能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的差異，因而被廣泛用于檢查金屬材料的性能、加工工藝的質(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。因此，硬度試驗(yàn)特別是壓入硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)及科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)幾種常見的硬度試驗(yàn)分述如下。第二十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日291.布氏硬度試驗(yàn)

布氏硬度試驗(yàn)的原理是用一定直徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的試驗(yàn)力F（kfg或N），將其壓入試樣表面（圖4.8a），經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間t（s）后卸除試驗(yàn)力，試驗(yàn)表面將殘留壓痕（圖4.8b）。測(cè)量壓痕平均直徑d（mm），求得壓痕球形面積A（mm2）。布氏硬度值（HB）就是試驗(yàn)力F除以壓痕球形表面積A所得的商，其計(jì)算公式為

（4-6）

通常，布氏硬度值不標(biāo)出單位。第三十頁，共九十二頁，2022年，8月28日30

由于壓頭的材料不同，因此布氏硬度值用不同的符號(hào)表示，以示區(qū)別。當(dāng)壓頭為淬火鋼球時(shí)，其符號(hào)為HBS（適用于布氏硬度值在450以下的材料）；當(dāng)壓頭為硬質(zhì)合金時(shí)，其符號(hào)為HBW（適用于布氏硬度值在450~650以上的材料）。第三十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日31

對(duì)于材料相同而厚度不同的工件，味蕾測(cè)得相同的布氏硬度值，在選配壓頭直徑D及試驗(yàn)力F時(shí)，應(yīng)保證得到幾何相似的壓痕（即壓痕的壓入角ф保持不變），如圖4.9所示。為此，應(yīng)使第三十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日32

對(duì)于軟硬不同的材料，為了測(cè)得統(tǒng)一的、可比較的硬度值，應(yīng)選用不同的F/D2比值，以便將壓入角ф限制在28°~74°范圍內(nèi)（實(shí)踐表明，當(dāng)在這一范圍內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)力的變化對(duì)布氏硬度值不會(huì)產(chǎn)生太大的影響），與此相應(yīng)的壓痕直徑d應(yīng)控制在（0.24~0.6）D之間。布氏硬度試驗(yàn)用的壓頭直徑有10、5、2.5、1.25、和1七種。主要根據(jù)所試材料的種類及硬度范圍再按照表4-4的規(guī)定進(jìn)行選擇。第三十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日33

當(dāng)壓頭直徑D及F/D2的比值選定后，試驗(yàn)力F也就隨之確定了。對(duì)于黑色金屬，試驗(yàn)力的保持時(shí)間為10~15s，對(duì)于有色金屬為30s，對(duì)于<35HBS的材料為60s。第三十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日34

布氏硬度試驗(yàn)一般采用直徑較大的壓頭，因而所得壓痕面積較大。壓痕面積大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其硬度只能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響。因此，布氏硬度試驗(yàn)特別是用于測(cè)定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度。壓痕較大的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對(duì)不同材料需更換壓頭直徑和改變?cè)囼?yàn)力，壓痕直徑的測(cè)量也較麻煩，因而用于自動(dòng)檢測(cè)時(shí)受到限制；當(dāng)壓痕直徑較大時(shí)不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)。第三十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日35

2.洛氏硬度試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏不同。它不是以測(cè)定壓痕的面積來計(jì)算硬度值，而是以測(cè)定壓痕深度來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭有兩種。一種是圓錐角α=120°的金剛石圓錐體；另一種是一定直徑的小淬火鋼球。圖4.10為用金剛石圓錐體測(cè)定硬度過程示意圖。為保證壓頭與試樣表面接觸良好，試驗(yàn)時(shí)先加初始試驗(yàn)力F0，在試驗(yàn)表面得一壓痕，深度為h0。此時(shí)，測(cè)量壓痕深度的指針在表盤上指示為零（圖4.10a）。然后加上主試驗(yàn)力F1，壓頭壓入深度為h1。表盤上指針以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)刻度位置（圖4.10b）。試樣在F1作用下產(chǎn)生的總變形h1中包括彈性變形與塑性變形。當(dāng)將F1卸除后，總變形量中的彈性變形恢復(fù)，使壓頭回升一段距離（h1-h）（圖4.10c）。這時(shí)試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度。隨著彈性變形的恢復(fù)，指針順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí)所指的數(shù)值就是壓痕深度h。第三十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日36第三十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日37

洛氏硬度值就是以壓痕深度h來計(jì)算的。h越大，硬度值就越低，反之則增高。為了照顧習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，一般用常數(shù)k減去h來計(jì)算硬度值，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位。于是洛氏硬度值的計(jì)算式為（4-7）式中HR——洛氏硬度的符號(hào)。當(dāng)使用金剛石圓錐壓頭時(shí)，k取0.2mm；當(dāng)使用小淬火鋼球壓頭時(shí)，k取0.26mm。實(shí)際測(cè)定洛氏硬度時(shí)，由于硬度及上方測(cè)量壓痕深度的百分表表盤上的刻度已換算為相應(yīng)的硬度值，因此可直接從表盤上指針的指示值讀出硬度值。第三十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日38

為了能在一臺(tái)硬度計(jì)上測(cè)定不同軟、硬或厚、薄試樣的硬度，可采用不同的壓頭和試驗(yàn)力，組合成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺，以字母A、B、C等表示。用不同標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度符號(hào)在HR后面加標(biāo)尺字母表示。我國規(guī)定的洛氏硬度標(biāo)尺有九種，其中以HRA、HRB及HRC三種洛氏硬度最為常用。洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便迅速，硬度值可直接讀出，壓痕較小，可在工件上進(jìn)行試驗(yàn)，采用不同標(biāo)尺可測(cè)定各種軟硬不同的金屬核薄厚不一的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質(zhì)量的檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)是壓痕較小，代表性差，由于材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，致使所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。此外，用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接進(jìn)行比較。第三十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日39

3.維氏硬度試驗(yàn)維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力進(jìn)行計(jì)算硬度值。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體，而是兩對(duì)面夾角α為136°的金剛石四錐體，如圖4.11所示。壓頭在試驗(yàn)力F(N)作用下，將試樣表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)一定保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量出壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d[d=(d1+d2)/2]，用以計(jì)算壓痕的表面積A(mm2)。維氏硬度值（HV）為試驗(yàn)力F除以壓痕面積A所得的商值，并按下式進(jìn)行計(jì)算：第四十頁，共九十二頁，2022年，8月28日40

與布氏硬度一樣，維氏硬度值也不標(biāo)注單位。維氏硬度試驗(yàn)之所以采用正四錐體壓頭，是為了當(dāng)改變?cè)囼?yàn)力時(shí)，壓痕的幾何形狀總是保持相似，而不致影響硬度值。根據(jù)材料的軟硬、厚薄及所測(cè)部位的特性不同，需要在不同試驗(yàn)力范圍內(nèi)測(cè)定維氏硬度。為此，我國制定了三個(gè)維氏硬度試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)。第四十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日41

(1)GB4340-84《金屬維氏硬度試驗(yàn)方法》試驗(yàn)力范圍為49.03~980.7N，共分六級(jí)。主要用于測(cè)定較大工件和較深表面層的硬度。

(2)GB5030-85《金屬小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)方法》驗(yàn)力范圍為1.961~<49.03N，共分七級(jí)。主要用于測(cè)定較薄工件和工具的表面層或鍍層的硬度，也可測(cè)定試樣截面的硬度梯度。

(3)GB/T4342-91《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》驗(yàn)力范圍為

~98.07×10-3<1.961N，共分七級(jí)。主要用于測(cè)定金屬箔、極薄的表面層的硬度一級(jí)合金各種組成相的硬度。第四十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日42

維氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是不存在布氏硬度試驗(yàn)時(shí)要求試驗(yàn)力F與壓頭直徑D之間所規(guī)定條件的約束，也不存在洛氏硬度試驗(yàn)時(shí)不同標(biāo)尺的硬度值無法統(tǒng)一的弊端。維氏硬度試驗(yàn)時(shí)不僅試驗(yàn)力可任意選取，而且壓痕測(cè)量的精度較高，硬度值較為精確。唯一的缺點(diǎn)氏硬度只需通過測(cè)定壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度后才能進(jìn)行計(jì)算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低很多。除了上述三種常用的硬度試驗(yàn)方法外，還有金屬努氏硬度試驗(yàn)以及肖氏硬度試驗(yàn)等等，本書不做贅述，感興趣的同學(xué)可查閱相關(guān)書籍。第四十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日43HV可以到2000以上。而HRC70=HV1037；HB450≈HRC47。

沖擊試驗(yàn)

一種材料可能具有很高的抗拉強(qiáng)度，但是在沖擊負(fù)載條件下卻可能無法應(yīng)用。例如，

45﹟鋼抗拉強(qiáng)度為σb=600kg/cm2、

αK=2.5kgm/cm2,

但起重機(jī)的吊鉤就不能使用，要用20﹟鋼（σb=410kg/cm2、αK=5kgm/cm2）。沖擊韌性—材料抵抗沖擊的能力。第四十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日44

對(duì)于具有體心立方結(jié)構(gòu)的碳鋼來說，當(dāng)溫度低至一定值時(shí)，其沖擊韌性會(huì)顯著降低。例如，低碳鋼A3（Q235）沖擊韌性隨溫度的降低而減小，當(dāng)溫度降低到某一數(shù)值時(shí)，沖擊韌度值突然降低（低碳鋼的臨界溫度約為－30℃～－40℃），見圖所示。所以起重機(jī)安全規(guī)程要求環(huán)境溫度低于－20℃時(shí)，受力件必須采用16Mn鋼。

第四十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日45

沖擊試驗(yàn)適用于在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行不同材料的比較和選擇。第四十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日46

斷裂韌性前面所述材料的抗拉強(qiáng)度都是建立在材料中沒有裂紋的前提下。事實(shí)上，許多情況下材料在遠(yuǎn)未達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)就發(fā)生了斷裂，這種現(xiàn)象是材料中的裂紋所造成的。材料的斷裂行為與材料中的裂紋有關(guān)。斷裂韌性—表示含有裂紋的材料所能承受的應(yīng)力。斷裂韌性與許多因素有關(guān)：

（1）裂紋尺寸越大，許可應(yīng)力越低；

（2）斷裂韌性與材料的塑性變形能力有關(guān)。在塑性材料中，裂紋尖端附近的材料會(huì)發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致裂紋尖端變鈍，阻止了裂紋的擴(kuò)展第四十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日47

而高強(qiáng)度材料往往塑性差，所以斷裂韌性也低。

（3）厚試樣的斷裂韌性比薄試樣的要小。

（4）增加負(fù)載速率，像沖擊試驗(yàn)?zāi)菢?，往往?huì)減小材料的斷裂韌性。

（5）與沖擊試驗(yàn)相同，降低溫度會(huì)減小材料的斷裂韌性。

（6）減小晶粒尺寸一般可以改善斷裂韌性。一般而言，金屬屈服強(qiáng)度低，斷裂韌度就高，由裂紋引起的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)會(huì)引起大量位錯(cuò)；如果材料的屈服強(qiáng)度高，斷裂韌度就低，它的斷裂就是脆斷，即裂紋一發(fā)展就迅速斷裂。這第四十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日48

樣的材料包括陶瓷、玻璃等。因?yàn)檫@些材料里由裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)無法產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，不能象金屬一樣通過塑性形變把集中的應(yīng)力釋放掉，裂紋發(fā)展的很迅速就顯得很脆。這就是為什么金屬有較好的韌性，而陶瓷和玻璃韌性很差的原因。鋼的基體相一般為面心立方和體心立方兩種鐵的固溶體。從滑移塑性變形的角度來看，面心立方固溶體容易產(chǎn)生滑移塑性變形而使得斷裂韌性高。所以奧氏體鋼比鐵素體鋼和馬氏體鋼的斷裂韌度高。第四十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日49

蠕變高溫下金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是產(chǎn)生蠕變。當(dāng)金屬承受恒定負(fù)荷或恒定壓力時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，它可能進(jìn)行遞增的塑性變形。這種與時(shí)間有關(guān)的應(yīng)變，稱為蠕變。（在恒定壓力作用下材料的應(yīng)變隨時(shí)間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。）引起材料在較低溫度下發(fā)生塑性變形的主要原因是位錯(cuò)的滑移，而引起材料在高溫下發(fā)生蠕變的主要原因則是位錯(cuò)的攀移。第五十頁，共九十二頁，2022年，8月28日50

高溫促進(jìn)了原子的擴(kuò)散，此時(shí)原子可以擴(kuò)散到位錯(cuò)線上，也可以從位錯(cuò)擴(kuò)散出去。原子的這種擴(kuò)散使得位錯(cuò)能夠攀移，即能夠在滑移面垂直而不是平行的平面上移動(dòng)。依靠這種攀移而脫離了雜質(zhì)等束縛的位錯(cuò)就可以在較低的應(yīng)力下繼續(xù)滑移，從而使材料在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生塑性變形。所以時(shí)間是影響材料高溫形變的一個(gè)重要因素，而在室溫下，時(shí)間對(duì)材料的形變幾乎沒有影響。由于金屬在長(zhǎng)時(shí)高溫載荷作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變，因此，對(duì)于在高溫下工作并依靠原始彈性第五十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日51

變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件，如高溫管道法蘭的緊固螺栓、用壓緊配合固定于軸上的汽輪機(jī)葉輪等，就可能隨時(shí)間的延長(zhǎng)，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，從而使工作?yīng)力逐漸降低，以致失效。

蠕變變形機(jī)理（蠕變理論）

1、位錯(cuò)滑移蠕變（位錯(cuò)蠕變理論認(rèn)為）在常溫下，若滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻產(chǎn)生塞積，滑移便不能繼續(xù)進(jìn)行，只有在更大的切應(yīng)力作用下，才能使位錯(cuò)重新運(yùn)動(dòng)和增殖。但在高溫下，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位第五十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日52

擴(kuò)散來克服某些短程障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生。在低溫下受到阻礙而難以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，在高溫下由于熱運(yùn)動(dòng)增大了原子的能量，使得位錯(cuò)能夠克服阻礙發(fā)生運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致材料的蠕變。溫度越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度越快，蠕變也越大。

2、擴(kuò)散蠕變（理論）擴(kuò)散蠕變是在較高溫度（約比溫度大大超過0.5）下的一種蠕變變形機(jī)理。它是在高溫條件下大量原子和空位定向移動(dòng)造成的。材料在高溫下的蠕變現(xiàn)象與晶體中的擴(kuò)散現(xiàn)象類似，蠕變過程是應(yīng)力作用下空位沿應(yīng)力作用方向（或晶粒沿相反方向）擴(kuò)散的一種形式。第五十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日53

所謂溫度的“高”和“低”是相對(duì)于該金屬熔點(diǎn)而言的，故采用“約比溫度（t/tm）”更為合理（t為試驗(yàn)溫度，tm為金屬熔點(diǎn)，都用熱力學(xué)溫度表示）。當(dāng)t/tm＞0.5時(shí)為“高溫”，反之則為“低溫”。

3、晶界滑動(dòng)蠕變（理論）在常溫下晶界的滑動(dòng)變形是極不明顯的，可以忽略不計(jì)。但在高溫條件下，由于晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后容易產(chǎn)生滑動(dòng)，故促進(jìn)蠕變進(jìn)行。隨溫度升高，應(yīng)力降低，晶粒度減小，晶界滑動(dòng)對(duì)蠕變的作用越來越大。但總的來說，它第五十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日54

在總?cè)渥兞恐兴嫉谋壤⒉淮?，一般約為10%左右。多晶陶瓷材料由于存在大量晶界，當(dāng)晶界位相差大時(shí)，可把晶界看成是非晶體，在溫度較高時(shí)，晶界黏（nian）度迅速下降，應(yīng)力使得晶界發(fā)生黏性流動(dòng)而導(dǎo)致蠕變。

疲勞金屬零件在工作中經(jīng)常要承受周期應(yīng)力，這種零件會(huì)在比承受單一靜負(fù)荷低得多的應(yīng)力下失效，這種失效稱為疲勞失效。工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動(dòng)載荷下工作的，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)?、葉片第五十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日55

及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞破壞在整個(gè)失效件中約占80%左右。疲勞破壞一般分三個(gè)階段：

①材料表面出現(xiàn)微小裂紋；

②小裂紋隨交變載荷的作用逐漸擴(kuò)展；

③材料剩余截面積不足以承受載荷時(shí)，發(fā)生斷裂。第五十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日56

應(yīng)力循環(huán)的四種不同類型

反轉(zhuǎn)交替第五十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日57

最大應(yīng)力σmax

最小應(yīng)力σmin

平均應(yīng)力σm=1/2（σmax+σmin）漲落重復(fù)第五十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日58

應(yīng)力幅σa=1/2（σmax－σmin）

應(yīng)力比

（1）對(duì)稱交變應(yīng)力，如圖（a）所示，

σm=0，r=－1。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸類零件的循環(huán)應(yīng)力就是這種情況。

（2）不對(duì)稱交變應(yīng)力，如圖如圖（b）所示，－1＜r＜0。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的循環(huán)應(yīng)力就是這種情況。第五十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日59

（3）波動(dòng)應(yīng)力，如圖如圖（c）所示，

σm＞σa，0＜r＜1。發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力就是這種情況。

（4）脈動(dòng)應(yīng)力，如圖如圖（d）所示，

σm=σa＞0，r=0。齒輪齒根的循環(huán)彎曲應(yīng)力就是這種情況。軸承應(yīng)力為循環(huán)脈動(dòng)壓應(yīng)力，σm=σa＜0,r=－∞。第六十頁，共九十二頁，2022年，8月28日60

疲勞特點(diǎn)

（1）疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂。其斷裂應(yīng)力水平往往低于抗拉強(qiáng)度，甚至屈服強(qiáng)度。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高則壽命短，應(yīng)力低則壽命長(zhǎng)。

（2）疲勞是脆性斷裂。由于一般疲勞的應(yīng)力水平比屈服強(qiáng)度低，所以不管是韌性材料或脆性材料，在疲勞斷裂前均不會(huì)發(fā)生塑性變形及有形變預(yù)兆，它是在長(zhǎng)期積累損傷的過程中，經(jīng)過裂紋萌生和裂紋緩慢擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)才突然發(fā)生的，因此，疲勞是一種潛在的突發(fā)性斷裂，容易造成事故和經(jīng)濟(jì)損失。第六十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日61

（3）疲勞對(duì)缺口（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。由于疲勞破壞是從局部開始的，所以其對(duì)缺陷具有高度的選擇性。缺口和裂紋因應(yīng)力集中增大對(duì)材料的損傷作用，組織缺陷（夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等）降低材料的局部強(qiáng)度，二者都會(huì)加快疲勞破壞的開始和發(fā)展。

（4）疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴(kuò)展過程。因應(yīng)力水平低，所以具有明顯的裂紋萌生和緩慢擴(kuò)展階段，相應(yīng)的斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)，只是在裂紋最后失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)才形成了瞬時(shí)斷裂區(qū)。第六十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日62

4.3加工硬化

加工硬化—在常溫下經(jīng)過塑性變形后材料的強(qiáng)度提高，塑性降低的現(xiàn)象。加工硬化是由于位錯(cuò)增殖所引起的，所以能夠產(chǎn)生加工硬化的材料必須是位錯(cuò)能夠滑移的材料。像陶瓷等脆性材料不會(huì)出現(xiàn)加工硬化。有時(shí)，熱彈性高分子也會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，但它的變形機(jī)制與金屬塑性形變完全不同。熱彈性高分子材料在塑性變形時(shí)的硬化現(xiàn)象，其原因不是加工硬化，而是長(zhǎng)鏈分子發(fā)生了重新排列甚至晶化。當(dāng)所加應(yīng)力超過熱彈性高分第六十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日63

子材料如聚乙烯的屈服強(qiáng)度時(shí)，分子鏈之間的極化鍵發(fā)生斷裂，分子鏈被拉長(zhǎng)，并沿拉伸方向重新排列。所以經(jīng)過冷加工后的高分子材料的強(qiáng)度，尤其是沿著拉伸方向的強(qiáng)度會(huì)增加。

加工硬化的變形機(jī)制圖4.19是最常見的塑性材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。如果所加的應(yīng)力σ1大于屈服強(qiáng)度，材料將發(fā)生永久變形ε1。即使在移去應(yīng)力σ1以后，這個(gè)應(yīng)變?chǔ)?仍然會(huì)存在，不會(huì)消失。如果利用已第六十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日64

經(jīng)發(fā)生過應(yīng)變?chǔ)?的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)力—應(yīng)變曲線不再與圖4.19（a）相同，而是如圖4.19（b）所示。在這個(gè)新的拉伸試驗(yàn)中，材料的屈服強(qiáng)度不再是σf，而是σ1，同時(shí)，延伸率也小于前次拉伸試驗(yàn)。如果此時(shí)將應(yīng)力增加到σ2后，再次移去應(yīng)力，材料的屈服強(qiáng)度又會(huì)增加到σ2。這樣在每次拉伸試驗(yàn)中增加一點(diǎn)應(yīng)力，可以使材料的屈服強(qiáng)度逐漸增高，同時(shí)作為材料塑性指標(biāo)的延伸率逐漸降低。第六十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日65

圖4.19加工硬化產(chǎn)生機(jī)制第六十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日66

晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于加工硬化的重要性在六方晶系中，位錯(cuò)的滑移只是在一族平行于基面的滑移面上進(jìn)行，所以六方晶系的金屬的加工硬化指數(shù)相對(duì)較小。另一方面，在立方晶系中，位錯(cuò)以更復(fù)雜的方式在多個(gè)滑移系統(tǒng)上滑移，因此在正常的情況下這類金屬表現(xiàn)出很強(qiáng)的加工硬化性。其中，面心立方金屬比體心立方金屬具有更大的加工硬化指數(shù)。

加工硬化的原理如圖4.20所示，當(dāng)外加應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，位錯(cuò)開始滑移。如果位錯(cuò)在滑移面上遇上障礙物，就會(huì)被障礙物釘住而難以繼續(xù)滑移。第六十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日67

圖4.20位錯(cuò)增殖示意圖圖4.20（a）表示的就是一段位錯(cuò)線的兩端被障礙物釘住的情況。繼續(xù)增大的應(yīng)力使位錯(cuò)線不斷彎曲（如圖4.20（b）（c））并擴(kuò)展，以求滑移。最后，相互接近的兩段位錯(cuò)剛好具有相反的性質(zhì)（伯氏矢量相同，位錯(cuò)線方向相反），它們會(huì)相互靠近，以致消失。第六十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日68

這樣的結(jié)果是原來的一段位錯(cuò)線仍然被釘在障礙物上，但在這段位錯(cuò)線的外圍卻多出來一個(gè)位錯(cuò)環(huán)（圖4.20（d））。這就是Frank-Reed位錯(cuò)源的機(jī)理。位錯(cuò)密度越大，位錯(cuò)之間的相互作用也越大，對(duì)位錯(cuò)進(jìn)行滑移的阻力也增大。這就是加工硬化的原理。加工硬化發(fā)生時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度增加了，但材料的抗拉強(qiáng)度一般不會(huì)變化。陶瓷中也會(huì)有一些位錯(cuò)，所以也會(huì)出現(xiàn)很小程度的加工硬化。但是陶瓷很脆，在低溫時(shí)不可能發(fā)生明顯的塑性變形，只有在高溫下才會(huì)有第六十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日69

塑性變形。同樣，像硅這樣的共價(jià)鍵結(jié)合的材料都是脆性材料，不會(huì)出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。有時(shí)需要消除冷加工所產(chǎn)生的加工硬化。在這種情況下，可以對(duì)材料進(jìn)行退火。退火后的材料既可以保持冷加工所得到的精確尺寸和良好表面，又可以恢復(fù)材料的塑性。退火后的材料可以繼續(xù)進(jìn)行冷加工。

4.4固溶強(qiáng)化

“相”是指一種結(jié)構(gòu)。在一個(gè)相中，結(jié)構(gòu)或者原子排列處處相同，化學(xué)成分處處相同，相與周圍環(huán)境或其它相之間一定存在明確的界面。第七十頁，共九十二頁，2022年，8月28日70

兩種物質(zhì)之間可以沒有限度的相互溶解成為一相，稱為無限互溶。

固溶體：當(dāng)金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素組成合金時(shí)，會(huì)形成一個(gè)、兩個(gè)、或更多的相，統(tǒng)稱為合金相。當(dāng)合金相的晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，這種相稱為固溶體。

固溶體與混合物的區(qū)別：混合物中含有兩種以上的相，這些相依然保持各自的特性。固溶體本身只是一個(gè)相，組成固溶體的各個(gè)組元都已經(jīng)相互溶解，不再保持組元自己的特性。第七十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日71

通過形成固溶體合金，可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化的目的。固溶強(qiáng)化的效果取決于兩個(gè)因素：

（1）溶劑原子和溶質(zhì)原子的尺寸差別越大，固溶強(qiáng)化的效果越大。因?yàn)槌叽绱蟮娜苜|(zhì)原子進(jìn)入溶劑后，造成的晶格畸變也大，從而給位錯(cuò)的滑移增加困難。

（2）添加的合金元素越多，固溶強(qiáng)化的效果越大。

固溶強(qiáng)化對(duì)材料性質(zhì)的影響

（1）合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度等都會(huì)超過純金屬。第七十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日72

（2）幾乎所有的合金的塑性都低于純金屬。但是銅鋅合金的強(qiáng)度和塑性都高于純銅，這是一個(gè)例外。所使用的許多高溫合金也部分采用了固溶強(qiáng)化方法。

（3）合金的電導(dǎo)率大大低于純金屬。所以不應(yīng)該用固溶強(qiáng)化的銅合金或鋁合金作導(dǎo)線。

（4）固溶強(qiáng)化能夠改善合金的抗蠕變性能。高溫環(huán)境不會(huì)明顯損害固溶強(qiáng)化效果。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的許多高溫合金也部分采用了固溶強(qiáng)化方法。第七十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日73

4.5彌散強(qiáng)化

彌散強(qiáng)化—是指將多相組織混合在一起所獲得的材料強(qiáng)化效應(yīng)。（溶質(zhì)原子的添加量超過了溶解限度即固溶度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)新相，新相會(huì)使材料強(qiáng)化，這種機(jī)制叫彌散強(qiáng)化）如果材料中添加的合金元素太多，以致超過了其溶解度，就會(huì)出現(xiàn)第二相，形成兩相合金。在這兩種相的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金屬等塑性材料中，這些相界面會(huì)阻礙位錯(cuò)的滑移，從而使材料得到強(qiáng)化。這就是彌散強(qiáng)化的由來。第七十四頁，共九十二頁，2022年，8月28日74

彌散強(qiáng)化中，基體與析出物之間具有如下關(guān)系：

（1）基體應(yīng)該是塑性的，而析出物應(yīng)該是脆性的。此時(shí)析出物阻礙位錯(cuò)的滑移，使材料強(qiáng)化。而較軟的基體則給整個(gè)合金提供所需的塑性。

（2）脆性的析出物應(yīng)該是不連續(xù)分布的，而塑性的基體則應(yīng)該是連續(xù)的。如果析出物連續(xù)分布，裂紋就可能在整個(gè)結(jié)構(gòu)中傳播，使材料發(fā)生脆性斷裂。而不連續(xù)分布的析出物內(nèi)的裂紋則可能被基體與析出物之間的相界面所阻擋，難以擴(kuò)展。第七十五頁，共九十二頁，2022年，8月28日75

（3）析出物的尺寸應(yīng)該小，數(shù)密度應(yīng)該多。這樣才能增加阻礙位錯(cuò)滑移的可能性。

（4）析出物的形狀應(yīng)該是圓的，而不應(yīng)該是尖的或針狀的。因?yàn)閳A形的析出物產(chǎn)生裂紋的可能性小，而具有尖銳邊緣的析出物則可能產(chǎn)生裂紋，或者其本身就容易成為缺口。

（5）析出物的數(shù)量越多，合金的強(qiáng)度越高。彌散強(qiáng)化合金中常常含有金屬間化合物（兩種或多種元素按一定比例形成的新相）。通過金屬間化合物在塑性基體中彌散分布來強(qiáng)化材料是常見的方法。第七十六頁，共九十二頁，2022年，8月28日76

利用共晶反應(yīng)也能夠獲得彌散強(qiáng)化的材料。

共晶—液相完全互溶，固相部分互溶。

偏晶—液相不完全互溶（具有溶解度間隙）。在共晶反應(yīng)中，會(huì)生成α相和β相兩種固相，這兩種固相總是相互疊合在一起，這種組織常稱為共晶組織。這樣彌散分布的α相和β相能夠使合金獲得很好的彌散強(qiáng)化效果。但如果共晶組織是脆性的，會(huì)使整個(gè)材料變脆，這種合金在變形時(shí)會(huì)沿著脆性的共晶組織發(fā)生脆斷。第七十七頁，共九十二頁，2022年，8月28日77

4.6固態(tài)相變強(qiáng)化顧名思義，固態(tài)相變強(qiáng)化就是通過控制固態(tài)相變來強(qiáng)化材料。通過控制凝固過程實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化的方法（例如，快速冷卻細(xì)化晶粒），只能在材料冶煉制備過程中采用一次。因?yàn)橹厝?、二次甚至三次重溶成本太高。但是控制固態(tài)相變來實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化的方法，則可以多次使用。

固態(tài)相變強(qiáng)化包括：

（都需經(jīng)過熱處理）第七十八頁，共九十二頁，2022年，8月28日78

共格析出物—如果析出物里的原子排列與周圍基體的原子排列保持一種共格關(guān)系，即保持特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么析出物周圍的基體原子排列就會(huì)受到析出物的影響。這種析出物稱為共格析出物。（能夠影響周圍基體原子排列的析出物稱為共格析出物）

通過時(shí)效的方法獲得共格析出物共格析出的熱處理有以下3個(gè)步驟

（1）將合金加熱到固溶度線以上的溫度，使合金生成均勻的α相固溶體。這個(gè)過程稱為固溶化處理。α相—也就是固態(tài)相。第七十九頁，共九十二頁，2022年，8月28日79

（2）經(jīng)固溶化處理后，合金內(nèi)只有α相。此時(shí)再讓合金迅速冷卻，一般可以將已經(jīng)加熱的合金放入水中（或油中），達(dá)到迅速冷卻的目的。這就是淬火。

（3）最后將具有過飽和固溶體的合金在低于固溶度線的溫度下進(jìn)行加熱。這個(gè)過程稱為時(shí)效。

要獲得時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，應(yīng)具有4個(gè)條件

（1）合金相圖中必須存在這樣一條固溶度線，其固溶度將隨溫度的降低而減小。這樣在將合金加熱到固溶度線以上時(shí)，可以得到單相組織。而冷卻到固溶度線以下時(shí)，則可以得到兩相組織。第八十頁，共九十二頁，2022年，8月28日80

（2）基體應(yīng)該比較軟，具有塑性。而析出物則應(yīng)該比較硬，且具有脆性。在大多數(shù)時(shí)效強(qiáng)化合金中，析出物是又硬又脆的金屬間化合物。

（3）合金應(yīng)該能進(jìn)行淬火。有些合金即使通過快速冷卻也不能抑制析出物的產(chǎn)生。這樣的合金自然不能進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化。

（4）合金中應(yīng)該有共格析出物生成。許多重要合金，如不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、鎳合金、銅合金等都滿足上述條件。能夠進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化。第八十一頁，共九十二頁，2022年，8月28日81

共析反應(yīng)—從一個(gè)固相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的反應(yīng)。是固態(tài)相變強(qiáng)化的重要手段，可以通過熱處理的方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。

共晶反應(yīng)—從一個(gè)液相轉(zhuǎn)變成兩個(gè)固相的反應(yīng)。所以不能通過熱處理的方式來實(shí)現(xiàn)。與共晶反應(yīng)一樣，共析反應(yīng)生成的兩個(gè)新相的成分是不一樣的，通過控制合金的成分，可以改變硬脆的第二相數(shù)量。在共析反應(yīng)過程中原子需要進(jìn)行擴(kuò)散。比如鋼鐵中發(fā)生的共析反應(yīng)需要鐵和碳原子進(jìn)行擴(kuò)散第八十二頁，共九十二頁，2022年，8月28日82

才能夠完成，在淬火條件下，這些鐵和碳還來不及擴(kuò)散，溫度就已經(jīng)下降到平衡的共析溫度以下了。此時(shí)γ相不再轉(zhuǎn)變成珠光體，而是轉(zhuǎn)變成具有體心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體。馬氏體具有很高的強(qiáng)度，這就是所有鋼鐵材料要進(jìn)行淬火的理由。（有關(guān)馬氏體相變的內(nèi)容，第九章講）

4.7復(fù)合強(qiáng)化

復(fù)合強(qiáng)化—是指將兩種不同的材料復(fù)合在一起以獲得比原始材料更高的強(qiáng)度。通常有三種形式：第八十三頁，共九十二頁，2022年，8月28日83

（1）顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料—例如，在混凝土是由水泥和沙石組成的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。