材料强化学习教案.pptx

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1、会计学1材料材料(cilio)强化强化第一页，共75页。Contents4.2 力力学学(l xu)实验实验与与材料性能材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化(qinghu)4.5 弥散弥散(msn)强化强化4.6 固态相变强化固态相变强化2第1页/共74页第二页，共75页。拉伸拉伸(l shn)试验 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。拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢(hunmn)施加的负载的能力。3第2页/共74页第三页，共75页。拉伸拉伸(l shn)(l shn)试验方法示意图试验方法示意图4第3页/共74页第四页，共75页。拉伸试

2、验的实验拉伸试验的实验(shyn)(shyn)数据数据 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。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A，将横坐标（试样长度的变化）除以原始长度L0。这就是我们所说的应力-应变(yngbin)曲线。5第4页/共74页第五页，共75页。应力应力(yngl)-(yngl)-应变曲线应变曲线(a)真实应力-应变(yngbin)曲线 (b)工程应力-应变(yngbin)曲线 6第5页/共74页第六页，共75页。应力应力(yngl)(yngl)曲线曲线工程应力-应变曲线 A代表拉伸试验前试样的原始截面积。（颈缩出现后误

3、差较大）真实应力-应变曲线 A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(fzi)的增加时，即dP=0时，就要出现塑性失稳，或者说产生颈缩。7第6页/共74页第七页，共75页。弹性形变，遵从弹性形变，遵从HookeHooke定律，应变定律，应变(yngbin)(yngbin)和应力成正比，比例常数称为弹性模量。和应力成正比，比例常数称为弹性模量。8第7页/共74页第八页，共75页。弹性弹性(tnxng)(tnxng)形变形变n n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，只能克服部分(b fen)原子间相互作用，使原子发生相对位移而改变原

4、子间距，产生弹性形变，外力去除后，恢复到平衡位置。n n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。9第8页/共74页第九页，共75页。弹性弹性(tnxng)(tnxng)形变形变它们均表示材料变形的难易程度，即引起(ynq)单位变形所需要的应力大小。10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 体积模量体积模量第9页/共74页第十页，共75页。11弹性弹性(tnxng)(tnxng)极限极限ee应力超过弹性极限以后，材料将开始应力超过弹性极限以后，材料将开始(kish)(kish)发发生塑性形变。生塑性形变。弹性弹

5、性(tnxng)(tnxng)极限极限第10页/共74页第十一页，共75页。12屈服现象：在试验过程中，外力不屈服现象：在试验过程中，外力不增加，试样仍能继续伸长，或外力增加，试样仍能继续伸长，或外力增加到一定的数值突然下降，随后增加到一定的数值突然下降，随后(suhu)(suhu)，在外力不增加或上下，在外力不增加或上下波动的情况下，试样继续伸长变形，波动的情况下，试样继续伸长变形，这就是屈服现象。这就是屈服现象。屈服屈服(qf)(qf)现象现象第11页/共74页第十二页，共75页。屈服点屈服点n n呈现屈服现象(xinxing)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屈

6、服点s。n n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上屈服点，用su表示，屈服阶段中最小的应力称为下屈服点，用sl表示。n n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屈服平台或屈服齿。13第12页/共74页第十三页，共75页。屈服屈服(qf)(qf)强度强度n n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，即屈服强度。n n为什么选下屈服点，而不是(b shi)上屈服点？n n 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。14第13页/共74页第十四页，共75页。屈服屈服(qf)(q

7、f)强度强度n n对金属来说，屈服强度时位错开始滑移所需要的应力。n n屈服现象的原因n n 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(cnzi)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，位错就可以在下屈服点的应力作用下继续滑移。15第14页/共74页第十五页，共75页。16屈服屈服(qf)(qf)强度强度ss屈服屈服(qf)(qf)强度强度许多金属材料在拉伸许多金属材料在拉伸(l(l shn)shn)试验中看不到明显试验中看不到明显的屈服现象，通常用规定的屈服现象，通常用

8、规定微量塑性伸长应力来表征微量塑性伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗材料对微量塑性变形的抗力。力。一般来说，我们规定产生一般来说，我们规定产生0.2%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0.20.2表示。表示。第15页/共74页第十六页，共75页。17抗拉强度(kn l qin d)抗拉强度抗拉强度(kn l qin(kn l qin d)d)抗拉强度是拉伸实验抗拉强度是拉伸实验时试样时试样(sh yn)(sh yn)拉断过程中最大负载拉断过程中最大负载力所对应的应力，即力所对应的应力，即工程应力工程应力-应变曲线应变曲线中的最大应力中的最

9、大应力bb。第16页/共74页第十七页，共75页。18颈缩现象颈缩现象(xinxing)(xinxing)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度时，硬化的速度就不足以弥补以弥补(mb)(mb)横截面积的横截面积的影响，使得在一局部区域内，影响，使得在一局部区域内，负载力不增加，应变也会逐负载力不增加，应变也会逐渐增大，从而出现颈缩现象。渐增大，从而出现颈缩现象。进一步的形变就限于这一区进一步的形变就限于这一区域，直

10、至断裂。断裂时的应域，直至断裂。断裂时的应力就称为断裂强度。力就称为断裂强度。第17页/共74页第十八页，共75页。不同(b tn)材料的应力-应变曲线19第18页/共74页第十九页，共75页。弯弯曲曲(wnq)试验203 3点弯曲点弯曲(wnq)(wnq)加载加载示意图示意图弯曲实验测得的是材料弯曲实验测得的是材料(cilio)(cilio)所能承受的最大弯曲所能承受的最大弯曲应力（也称为断裂模量）。应力（也称为断裂模量）。第19页/共74页第二十页，共75页。断裂断裂(dun li)(dun li)模量模量21式中，式中，M M为最大弯矩。对于为最大弯矩。对于(duy)3(duy)3点弯曲

11、加载点弯曲加载W为试样(sh yn)的抗弯截面系数。对于矩形试样(sh yn)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第20页/共74页第二十一页，共75页。弯弯曲曲(wnq)试验22第21页/共74页第二十二页，共75页。部分材料的抗拉强度、抗压强度部分材料的抗拉强度、抗压强度(kn y qin d)(kn y qin d)和弯曲和弯曲强度强度23 因为裂纹在受到压应力时会闭合起来，所以脆性材料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的使用(shyng)(shyng)状态往往设计为压应力状态，而不是拉状态往往设计为压应力状态，而不是拉应力状态。

12、一般来说，脆性材料在压应力状态下的抗压强应力状态。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。度远远大于其抗拉强度。第22页/共74页第二十三页，共75页。硬度硬度(yngd)试验材料的硬度定义材料的硬度定义(dngy)(dngy)为材料对于贯穿其表面的硬物的抵抗能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。力。材料硬度可以很方便地表示材料形变的能力。24 硬度(yngd)试验示意图 第23页/共74页第二十四页，共75页。布氏硬度试验布氏硬度试验(shyn)(shyn)压头类型：直径压头类型：直径压头类型：直径压头类型：直径(zhjng)1

13、0mm(zhjng)10mm(zhjng)10mm(zhjng)10mm钢球钢球钢球钢球压痕直径压痕直径压痕直径压痕直径(zhjng)(zhjng)(zhjng)(zhjng)：2-6mm2-6mm2-6mm2-6mmPPPP负载负载负载负载 AAAA压痕的球帽表面积压痕的球帽表面积压痕的球帽表面积压痕的球帽表面积dddd压痕直径压痕直径压痕直径压痕直径(zhjng)(zhjng)(zhjng)(zhjng)DDDD压球直径压球直径压球直径压球直径(zhjng)(zhjng)(zhjng)(zhjng)优点：压痕面积较大（反映较大区域的材料的优点：压痕面积较大（反映较大区域的材料的优点：压痕面

14、积较大（反映较大区域的材料的优点：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。平均性能），数据稳定，重复性好。平均性能），数据稳定，重复性好。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进行缺点：压痕大（不适合在成品材料上直接进行缺点：压痕大（不适合在成品材料上直接进行缺点：压痕大（不适合在成品材料上直接进行检测）检测）检测）检测）25第24页/共74页第二十五页，共75页。洛氏硬度试验洛氏硬度试验(shyn)(shyn)压头类型：小钢球（较软材料）压头类型：小钢球（较软材料）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

15、料）金刚石锥（较硬材料）金刚石锥（较硬材料）金刚石锥（较硬材料）通过测量压入深度，转换成洛氏硬度通过测量压入深度，转换成洛氏硬度通过测量压入深度，转换成洛氏硬度通过测量压入深度，转换成洛氏硬度(yngd)(yngd)(yngd)(yngd)值（根据硬度值（根据硬度值（根据硬度值（根据硬度(yngd)(yngd)(yngd)(yngd)不不不不同，选用不同的标尺）。同，选用不同的标尺）。同，选用不同的标尺）。同，选用不同的标尺）。优点：可以测量多种材料。优点：可以测量多种材料。优点：可以测量多种材料。优点：可以测量多种材料。缺点：不同硬度缺点：不同硬度缺点：不同硬度缺点：不同硬度(yngd)(y

16、ngd)(yngd)(yngd)范围内采用的标尺不同，所测得硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度范围内采用的标尺不同，所测得硬度(yngd)(yngd)(yngd)(yngd)值不能直接比较。值不能直接比较。值不能直接比较。值不能直接比较。26第25页/共74页第二十六页，共75页。硬度值与其他硬度值与其他(qt)(qt)性能关系性能关系27实际工作中常用实际工作中常用(chn yn)(chn yn)硬度值来粗略地比较材料硬度值来粗略地比较材料的力学性能。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与抗拉强度存在

17、如下的经验公式：验公式：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。第26页/共74页第二十七页，共75页。冲冲击(chngj)试验材料抵抗冲击的能力材料抵抗冲击的能力(nngl)(nngl)称为材料的冲击韧性。称为材料的冲击韧性。28冲击冲击(chngj)(chngj)试验原理图试验原理图通过对比有切口和没有切口的试样的冲击试验结果，可以得到试样的切口敏感性。通过对比有切口和没有切口的试样的冲击试验结果，可以得到试样的切口敏感性。第27页/共74页第二十八页，共75页。冲击韧性曲线冲击韧性

18、曲线(qxin)(qxin)29承受冲击负载的材料承受冲击负载的材料(cilio)(cilio)的使用温度应该高于韧脆转变温度的使用温度应该高于韧脆转变温度第28页/共74页第二十九页，共75页。冲击性能与应力冲击性能与应力-应变曲线应变曲线(qxin)(qxin)的关系的关系30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-应变曲线的面积有关。应变曲线的面积有关。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(rn xn)(rn xn)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

19、或没有塑性形变，只有很小或没有塑性形变，韧性韧性(rn xn)(rn xn)也差。也差。第29页/共74页第三十页，共75页。断裂韧性断裂韧性31v断裂韧性就是表示含有裂纹的材料断裂韧性就是表示含有裂纹的材料(cilio)(cilio)所能承受的所能承受的应力。应力。v冲击韧性是材料冲击韧性是材料(cilio)(cilio)性能的一个定性指标，而断裂性能的一个定性指标，而断裂韧性则是材料韧性则是材料(cilio)(cilio)性能的一个定量指标。性能的一个定量指标。第30页/共74页第三十一页，共75页。断裂韧性断裂韧性ff试样和裂纹的几何因子试样和裂纹的几何因子作用作用(zuyng)(zuy

20、ng)应力应力aa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生断该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临界裂时的临界K K值就定义为材料值就定义为材料的断裂韧性的断裂韧性KcKc。32断裂韧性试样断裂韧性试样(sh yn)(sh yn)中中的裂纹示意图的裂纹示意图 第31页/共74页第三十二页，共75页。断裂韧性与材料厚度断裂韧性与材料厚度(hud)(hud)的关系的关系33KIC常用来表示材料的断裂(dun li)性能第32页/共74页第三十三页，共75页。蠕蠕变(r bin)34v定义定义v 如果在高温下给材料施加一个应力，即使这个如果在高温下给材料施加一个应力，即使

21、这个(zh ge)(zh ge)应力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。这种现象就称为蠕变。蠕变是高温下金属力学性变形，以至断裂。这种现象就称为蠕变。蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。行为的一个重要特点。v发生原因发生原因v 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，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。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。第33页/共74页第三十四页，共75页。蠕蠕变(r

22、 bin)35滑移滑移(hu y)(hu y)是位错沿着滑移是位错沿着滑移(hu y)(hu y)面的方向运动，而攀移是垂直于滑面的方向运动，而攀移是垂直于滑移移(hu y)(hu y)面的方向运动。面的方向运动。位错可以位错可以(ky)(ky)依靠攀移摆脱杂质等束缚，在较低的应力下继续滑移，依靠攀移摆脱杂质等束缚，在较低的应力下继续滑移，所以材料可以所以材料可以(ky)(ky)在较低的应力下发生塑性形变。在较低的应力下发生塑性形变。第34页/共74页第三十五页，共75页。蠕变曲线蠕变曲线(qxin)(qxin)分析分析36温度和应力温度和应力(yngl)(yngl)均均为常数。为常数。蠕变曲

23、线上任一点的斜率蠕变曲线上任一点的斜率(xil)(xil)，表示该点的蠕变速率，按照蠕变速率，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。的变化情况，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。第35页/共74页第三十六页，共75页。蠕变蠕变(r bin)(r bin)曲线分析曲线分析37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

24、二阶段持续时间较长，当应力较小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至甚至(shnzh)(shnzh)不产生第三阶段，相反，如果应力较大或温度较高，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，甚至则第二阶段很短，甚至(shnzh)(shnzh)完全消失，材料在很短时间内断裂。完全消失，材料在很短时间内断裂。第36页/共74页第三十七页，共75页。疲疲劳(plo)38v定义定义v 如果材料所受的应力是重复出现的，那么即使这个应力低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，材料也有可能发生于材料的屈服强度，材料也有可能发生(fshng)(fshng)

25、破坏。这种破坏。这种现象称为材料的疲劳。现象称为材料的疲劳。v发展过程发展过程v 疲劳破坏的发生疲劳破坏的发生(fshng)(fshng)一般分为三个阶段。首先，在一般分为三个阶段。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，随着载荷周而复始的作用，这个小裂后不久就出现的。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，当材料所剩余截面积小到不足以承受纹将慢慢地扩展。最后，当材料所剩余截面积小到不足以承受载荷时，材料将发生载荷时，材料将发生(fshng)(fshng)断裂。断裂。第37页/

26、共74页第三十八页，共75页。疲疲劳(plo)39旋转式疲劳旋转式疲劳(plo)(plo)试试验示意图验示意图 第38页/共74页第三十九页，共75页。疲疲劳试验(shyn)S-N曲曲线40只要外加应力小于一个只要外加应力小于一个(y)(y)极限应力，试样就可以经得起无极限应力，试样就可以经得起无限次的外加应力，这就是疲劳极限次的外加应力，这就是疲劳极限。限。疲劳寿命：材料在某种特定应力下发生疲劳寿命：材料在某种特定应力下发生(fshng)(fshng)疲劳断裂所需的应力循环次数。疲劳断裂所需的应力循环次数。疲劳强度：在特定应力循环次数时不发生疲劳强度：在特定应力循环次数时不发生(fshng)

27、(fshng)疲劳断裂的前提下，材料所能承受疲劳断裂的前提下，材料所能承受的最大应力。的最大应力。第39页/共74页第四十页，共75页。决定决定(judng)(judng)材料强度的关材料强度的关键因素键因素n n原子之间的结合力n n难以去改变键合类型和结合力来强化材料。n n位错n n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。近代金属物理领域(ln y)中的最大成果就是关于材料中的位错的研究。41第40页/共74页第四十一页，共75页。Contents4.2 力力学学实验实验(shyn)与与材料性能材料性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化(qi

28、nghu)4.5 弥散弥散(msn)强化强化4.6 固态相变强化固态相变强化42第41页/共74页第四十二页，共75页。应变硬化应变硬化43当材料发生当材料发生(fshng)(fshng)塑性形变后会后有硬化现象出现，也就是当外力超塑性形变后会后有硬化现象出现，也就是当外力超过屈服强度后，塑性形变并不是像屈服平台那样继续流变下去，过屈服强度后，塑性形变并不是像屈服平台那样继续流变下去，而是需要不断增加外力才能继续进行，这说明材料有一种能阻止而是需要不断增加外力才能继续进行，这说明材料有一种能阻止继续塑性变形的抗力，这就是应变硬化。继续塑性变形的抗力，这就是应变硬化。v应变强化可以使金属机件具有

29、一定的抗偶然过载应变强化可以使金属机件具有一定的抗偶然过载(guzi)(guzi)能能力，保证机件安全。力，保证机件安全。v应变硬化和塑性变形适当配合可以使金属进行均匀塑性变形。应变硬化和塑性变形适当配合可以使金属进行均匀塑性变形。v应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一，也称为应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一，也称为“加工硬化加工硬化”。第42页/共74页第四十三页，共75页。4.3 加工硬化加工硬化44能够产生能够产生(chnshng)(chnshng)加工硬化的材料必须是位错能够滑移加工硬化的材料必须是位错能够滑移的塑性材料。的塑性材料。加工硬化产生加工硬化产生(chnshng)(ch

30、nshng)示示意图意图第43页/共74页第四十四页，共75页。加工硬化的原理加工硬化的原理(yunl)(yunl)45经过了冷加工的金属材料中的位错密度大大增加，位错密度越大，位经过了冷加工的金属材料中的位错密度大大增加，位错密度越大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力错之间的相互作用也越大，对位错进行滑移的阻力(zl)(zl)也随之增也随之增大。这就是加工硬化的原理。大。这就是加工硬化的原理。位错增殖位错增殖(zngzh)(zngzh)示意图（示意图（Frank-ReedFrank-Reed位位错源）错源）第44页/共74页第四十五页，共75页。加工硬化的应用加工硬化的应用(y

31、ngyng)(yngyng)46v利用加工硬化可以在获得所需的金属材料的形状的同时利用加工硬化可以在获得所需的金属材料的形状的同时提高材料的强度（例如：钉子）。尤其是对于那些不能提高材料的强度（例如：钉子）。尤其是对于那些不能采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不采用各种热处理强化方法的材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。锈钢、有色金属等，加工硬化方法显得更加重要。v各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压各种材料加工技术，如轧制、锻造、冲压(chngy)(chngy)、拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化提高材料强拉拔、挤压等等，都可以达到利用加工硬化

32、提高材料强度的目的。度的目的。第45页/共74页第四十六页，共75页。加工硬化的应用加工硬化的应用(yngyng)(yngyng)通过最后一次通过最后一次冷加工，得到冷加工，得到所需的尺寸和所需的尺寸和强度。强度。在保持尺寸的在保持尺寸的同时，消除材同时，消除材料的加工硬化。料的加工硬化。先使材料获得先使材料获得最大的冷加工最大的冷加工量，使材料的量，使材料的尺寸接近目标尺寸接近目标尺寸。尺寸。冷加工冷加工退火退火冷加工冷加工47第46页/共74页第四十七页，共75页。Contents4.2 力力学学实验实验与与材料材料(cilio)性能性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化(

33、qinghu)4.5 弥散弥散(msn)强化强化4.6 固态相变强化固态相变强化48第47页/共74页第四十八页，共75页。4.4 固溶强化固溶强化(qinghu)49v相相v相是一种结构，在一种相中，结构或者原子排列处处相相是一种结构，在一种相中，结构或者原子排列处处相同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一同，化学成分处处相同，相与周围环境或其他相之间一定定(ydng)(ydng)存在明显的界面。存在明显的界面。v固溶体固溶体v两种物质之间可以没有限度的互相溶解成为一相，称为两种物质之间可以没有限度的互相溶解成为一相，称为无限互溶。这种固相就成为无限固溶体。如果两种物质无限互溶。这

34、种固相就成为无限固溶体。如果两种物质都有一定都有一定(ydng)(ydng)的溶解度，则称为有限固溶体。的溶解度，则称为有限固溶体。固溶体和混合物不是一回事，混合物中含有固溶体和混合物不是一回事，混合物中含有2 2种以上的相，每个相都种以上的相，每个相都保持自己的特性；而固溶体本身只是一个保持自己的特性；而固溶体本身只是一个(y)(y)相，组成固溶体的各个组元相，组成固溶体的各个组元都已经相互溶解，不再保持自己的特性。都已经相互溶解，不再保持自己的特性。第48页/共74页第四十九页，共75页。4.4 固溶强化固溶强化(qinghu)50固溶强化就是通过形成固溶体合金，从而达到材料强化的目的。固

35、溶强化就是通过形成固溶体合金，从而达到材料强化的目的。固溶强化的效果固溶强化的效果(xiogu)(xiogu)取决于两个因素：取决于两个因素：溶剂原子和溶质原子的尺寸差别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，固溶强化的效果(xiogu)(xiogu)越大。越大。添加的合金元素越多，固溶强化添加的合金元素越多，固溶强化 的效果的效果(xiogu)(xiogu)也越大也越大第49页/共74页第五十页，共75页。固溶强化固溶强化(qinghu)(qinghu)的特点的特点51v合金的屈服强度合金的屈服强度(qingd)(qingd)、抗拉强、抗拉强度度(qingd)(qingd)、

36、硬度等都会超过纯金、硬度等都会超过纯金属。属。v几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。几乎所有的合金的塑性都低于纯金属。但是，铜锌合金的强度但是，铜锌合金的强度(qingd)(qingd)和和塑性都高于纯铜，这是一个例外。塑性都高于纯铜，这是一个例外。v合金的电导率大大低于纯金属。合金的电导率大大低于纯金属。v固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。固溶强化能够改善合金的抗蠕变性能。第50页/共74页第五十一页，共75页。Contents4.2 力力学学实验实验与与材料材料(cilio)性能性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化(qinghu)4.5 弥散弥散(msn)强化强化4.6 固

37、态相变强化固态相变强化52第51页/共74页第五十二页，共75页。4.5 弥散弥散(msn)强化强化53v定义定义v 弥散强化是指将多相组织混合在一起所获得的材料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。通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相强化效应。通过控制这些相的尺寸、形状、数量和单个相的性能，可以获得理想的性能组合。那些含量大的连续分的性能，可以获得理想的性能组合。那些含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物，布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物，有时这两种相也可以是同时形成的。有时这两种相也可以是同时形成的。v强化原理强化原理v 多相材料

38、中相与多相材料中相与(xingy)(xingy)相之间的界面相之间的界面v上的原子排列不再具有晶格完整性。上的原子排列不再具有晶格完整性。v在金属等塑性材料中，这些相界面在金属等塑性材料中，这些相界面v会阻碍位错的滑移，从而使材料得会阻碍位错的滑移，从而使材料得v到强化。到强化。第52页/共74页第五十三页，共75页。弥散弥散(msn)(msn)强化的要求强化的要求54v基体应该基体应该(ynggi)(ynggi)是塑性的，而析出物则应该是塑性的，而析出物则应该(ynggi)(ynggi)是脆是脆性的。性的。v脆性的析出物应该脆性的析出物应该(ynggi)(ynggi)是不连续分布的，而塑性的

39、基体则是不连续分布的，而塑性的基体则应该应该(ynggi)(ynggi)是连续分布的。是连续分布的。v析出物的尺寸应该析出物的尺寸应该(ynggi)(ynggi)小，数密度应该小，数密度应该(ynggi)(ynggi)多。多。v析出物的形状应该析出物的形状应该(ynggi)(ynggi)是圆的，而不应该是圆的，而不应该(ynggi)(ynggi)是尖是尖的或针状的。的或针状的。v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。第53页/共74页第五十四页，共75页。金属金属(jnsh)(jnsh)间化合物间化合物55 弥散强化合金中通常含有金属间化合物。定义 金属间化合物是

40、指两种或多种元素按一定比例形成的新相。金属间化合物具有一定的晶体结构和特定的性能。金属间化合物大都又硬又脆。适合作为基体中的析出物使材料发生(fshng)弥散强化。分类 金属间化合物分为化学价金属间化合物和非化学价金属间化合物。第54页/共74页第五十五页，共75页。金属金属(jnsh)(jnsh)间化合物间化合物56化学价金属间化化学价金属间化合物具有合物具有固定的固定的成分。成分。金属间化合物金属间化合物非化学价金属间非化学价金属间化合物的成分可化合物的成分可以在以在一定范围内一定范围内变化变化。第55页/共74页第五十六页，共75页。57金属金属(jnsh)(jnsh)间化合物的应用间化

41、合物的应用金属间化合物有高熔点，高硬度，抗氧化性以及抗蠕变金属间化合物有高熔点，高硬度，抗氧化性以及抗蠕变(r bin)(r bin)性能，性能，所以金属间化合物也可单独作为新材料使用。所以金属间化合物也可单独作为新材料使用。第56页/共74页第五十七页，共75页。共晶共晶(n jn)(n jn)反应反应58固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化(qinghu)(qinghu)(qinghu)(qinghu)共晶共晶(n jn)(n jn)反应反应 过共晶合金过共晶合金亚共晶合金亚共晶合金Sn-Pb相图相图应含锡量61.9%的液相含锡量19%的相+含锡量97.5%的相第57页/共74页第五十八页，共

42、75页。共晶反应共晶反应(fnyng)(fnyng)的特点的特点61v共晶组织越多，合金的强度也越高。因为在共晶组织中两个相都实现了高度弥散分布共晶组织越多，合金的强度也越高。因为在共晶组织中两个相都实现了高度弥散分布(fnb)(fnb)。v共晶反应的另一个特征就是具有很低的熔点。共晶反应的另一个特征就是具有很低的熔点。v如果共晶组织是脆性的，则不会得到弥散强化的效果。如果共晶组织是脆性的，则不会得到弥散强化的效果。v 第60页/共74页第六十一页，共75页。Contents4.2 力力学学实验实验与与材料材料(cilio)性能性能 4.3 加工硬化加工硬化4.4 固溶强化固溶强化(qingh

43、u)4.5 弥散弥散(msn)强化强化4.6 固态相变强化固态相变强化62第61页/共74页第六十二页，共75页。4.6 固固态态(gti)相相变变强化强化63v固溶强化和弥散强化和都是在材料从液相凝固成固态的过程中实现对固溶强化和弥散强化和都是在材料从液相凝固成固态的过程中实现对材料的强化的。一般只能采用一次，而控制固态相变来实现材料强化材料的强化的。一般只能采用一次，而控制固态相变来实现材料强化的方法则可多次采用。的方法则可多次采用。v可以用来强化材料的固态相变主要包括时效可以用来强化材料的固态相变主要包括时效(shxio)(shxio)强化、共析反强化、共析反应。这些固态反应都需要经过热

44、处理。应。这些固态反应都需要经过热处理。第62页/共74页第六十三页，共75页。时效时效(shxio)(shxio)强化强化64第63页/共74页第六十四页，共75页。时效时效(shxio)(shxio)强化的原理强化的原理65v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，析出物周围的基体的原子排列就会受到析出物的持特定的对应关系，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。影响。这种析出物称为共格析出物。v即使位错不是从共格析出物身上，而是从共格析出物旁边即使位错不是从

45、共格析出物身上，而是从共格析出物旁边(pngbin)(pngbin)的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。的基体滑移过时，也会受到来自共格析出物的影响。通过时效通过时效(shxio)(shxio)的方法可以获得共格析出物的方法可以获得共格析出物共格、部分共格、非共格界面结构示意 图第64页/共74页第六十五页，共75页。共格析出共格析出(xch)(xch)的步骤的步骤661.固溶强化：将合金加热到固溶线以上的温度，使合金生成均匀(jnyn)的相固溶体。2.淬火：将已经加热的合金放入水中，使合金迅速冷却，避免相出现，变成过饱和相固溶体。3.时效：将具有过饱和固溶体的合金在低于固溶度线的温

46、度下加热。Al-Cu合金(hjn)的时效强化过程第65页/共74页第六十六页，共75页。时效时效(shxio)(shxio)过程中的结构过程中的结构和强度变化和强度变化67时效过程中发生四个阶段的转变。首先在基体的某些面上发生溶质原子（时效过程中发生四个阶段的转变。首先在基体的某些面上发生溶质原子（B B组元）的偏聚，形成溶质原子的富集区称为组元）的偏聚，形成溶质原子的富集区称为 GPGP区；随时间的延长溶质原子继续偏聚同时区；随时间的延长溶质原子继续偏聚同时(tngsh)(tngsh)发生有序化称为发生有序化称为 GPGP区。之后，在区。之后，在GPGP区的基础上溶质原子继续的富集形成一种过

47、渡相，它是由两种元素组成的化合物，但是成分或结构与相图中的平衡相有差别，一般称为区的基础上溶质原子继续的富集形成一种过渡相，它是由两种元素组成的化合物，但是成分或结构与相图中的平衡相有差别，一般称为相。最后，就形成相图中的稳定相称为相。最后，就形成相图中的稳定相称为 相。相。时效时最大的硬度出现在 相阶段，当形成稳定的 相时，硬度开始下降，称为过时效。时效温度如果(rgu)越高则时效过程进行的越快，但最大的硬度值要下降。第66页/共74页第六十七页，共75页。时效合金使用时效合金使用(shyng)(shyng)限制限制68v时效温度较低时，只会出现第一和第二阶段，由于原子时效温度较低时，只会出

48、现第一和第二阶段，由于原子(yunz)(yunz)扩散能力不足不会出现后两个阶段。扩散能力不足不会出现后两个阶段。v时效强化合金只能在室温下使用。温度高于固溶度线时，析出物会重新溶化在基体中，强化作用消失；当温度低于固溶度线高于室温时，材料会出现过时效，强化效果减弱。时效强化合金只能在室温下使用。温度高于固溶度线时，析出物会重新溶化在基体中，强化作用消失；当温度低于固溶度线高于室温时，材料会出现过时效，强化效果减弱。第67页/共74页第六十八页，共75页。时效时效(shxio)(shxio)强化的条件强化的条件691.1.合金相图中必须存在这样一条固溶度线，其固溶度将随着温度的合金相图中必须存

49、在这样一条固溶度线，其固溶度将随着温度的降低降低(jingd)(jingd)而减小。而减小。2.2.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。性。3.3.合金应该能够进行淬火。合金应该能够进行淬火。4.4.合金中应该有共格析出物生成。合金中应该有共格析出物生成。第68页/共74页第六十九页，共75页。共析反应共析反应(fnyng)(fnyng)70共析固相之间的反应，固相之间的反应，可以通过热处理可以通过热处理的方式来实现。的方式来实现。共晶从一个液相转变从一个液相转变成两个固相的。成两个固相的。不能通过热处理不能通过热

50、处理的方式来实现。的方式来实现。共析反应，是固态相变共析反应，是固态相变强化的重要手段，指从强化的重要手段，指从一个固相一个固相S1S1转变成两个转变成两个(lin)(lin)固相固相S2S2和和S3S3的反应，公式为的反应，公式为第69页/共74页第七十页，共75页。铁碳相图铁碳相图(xin t)(xin t)71共析钢（含碳量共析钢（含碳量共析钢（含碳量共析钢（含碳量0.77%0.77%）第70页/共74页第七十一页，共75页。亚共析和过共析钢亚共析和过共析钢73第72页/共74页第七十三页，共75页。亚共析和过共析钢亚共析和过共析钢74亚共析钢冷却过程中的组织亚共析钢冷却过程中的组织(z