1、第三章 材料的力學(xué)性能內(nèi)內(nèi) 容容最常用的力學(xué)性質(zhì)最常用的力學(xué)性質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)加工硬化原理加工硬化原理 蠕變?nèi)渥?疲勞疲勞材料強(qiáng)化方法材料強(qiáng)化方法材料物理與性能材料物理與性能最常用的力學(xué)性質(zhì)最常用的力學(xué)性質(zhì)n人類最早利用的材料性質(zhì)就是力學(xué)性質(zhì)n材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在外應(yīng)力作用下的行為。n形變形變材料在外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化，稱為形變。n 最常用的力學(xué)性質(zhì)包括最常用的力學(xué)性質(zhì)包括：最常用的力學(xué)性質(zhì)最常用的力學(xué)性質(zhì)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度bb 表示材料最大的抵抗能力。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度ss 材料開始發(fā)生塑性變形時對應(yīng)的應(yīng)力。彈性模量彈性模量E E 描述應(yīng)力和應(yīng)變之間的比例關(guān)系。 延

2、伸率延伸率表征材料的塑性程度。斷面伸縮率斷面伸縮率 沖擊韌性沖擊韌性kk 抗沖擊的能力（主要用于低溫）硬度硬度G G描述材料軟硬的程度等。疲勞疲勞 使用壽命。力學(xué)性能力學(xué)性能n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)計和生產(chǎn)在室溫及高溫、低溫下都具有相對強(qiáng)度的材料有著十分重要的實(shí)際意義。力學(xué)性能力學(xué)性能決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素 1. 原子之間的結(jié)合力原子之間的結(jié)合力 我們對原子之間的鍵合類型和結(jié)合力難以施加我們對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)化材什么影響，

3、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）。（因?yàn)樾孪嘀械脑渔I合類型和結(jié)合力自然不同）。力學(xué)性能力學(xué)性能2. 位錯位錯 我們有很多方法來影響材料中的位錯，通我們有很多方法來影響材料中的位錯，通過影響位錯的運(yùn)動來達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。過影響位錯的運(yùn)動來達(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)于材料中的位錯的研究。果就是關(guān)于材料中的位錯的研究。力學(xué)性能力學(xué)性能提高材料屈服強(qiáng)度的方法很多提高材料屈服強(qiáng)度的方法很多： （

4、1 1）通過熱處理方法）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。力學(xué)性能力學(xué)性能（2）對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)

5、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。力學(xué)性能力學(xué)性能 由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時要用斷裂韌性由于材料中總是免不了有裂紋產(chǎn)生，此時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。此時要用蠕變強(qiáng)度來表示材料的性能。還有，如果所受變。此時要用蠕變強(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打折

6、扣。此時要用應(yīng)力為循環(huán)狀態(tài)，那么材料的安全性也會打折扣。此時要用到疲勞強(qiáng)度的概念。到疲勞強(qiáng)度的概念。力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能選材原則選材原則： 分析材料使用環(huán)境判斷材料應(yīng)具有什么性能? 材料應(yīng)具有強(qiáng)度、剛度、韌性？ 材料承受的載荷周期性變化的、沖擊、高溫？拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)：一般常用機(jī)械拉伸機(jī)、液壓拉伸機(jī)。拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn) 對于塑性材料來說，工程應(yīng)力應(yīng)變曲線通常會出現(xiàn)一個最大值。這個值就是塑性材料的抗拉強(qiáng)度。材料發(fā)生斷裂時的工程應(yīng)力卻比較低，這是因?yàn)轭i縮的出現(xiàn)減少了實(shí)際承載負(fù)荷的截面積。 對于大多數(shù)脆性材料來說，材料斷裂發(fā)生在最大負(fù)載狀態(tài)下，此時抗拉強(qiáng)度和

7、斷裂強(qiáng)度相等。對于極脆的材料，例如陶瓷，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度完全相等，如圖所示。彎曲試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)a) 三點(diǎn)彎曲加載 b) 四點(diǎn)彎曲加載 硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)定義：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。 常用的硬度試驗(yàn)常用的硬度試驗(yàn)： 布氏硬度布氏硬度：只能測硬度小于HB450的材料 洛氏硬度洛氏硬度：可測各種材料的硬度。但由于在不同硬度范圍內(nèi)所采用的標(biāo)尺不同，所測硬度值不能直接換算。HRC一般最大為70。 為了使不同硬度材料有一個連續(xù)一致的硬度指標(biāo)，所以引入

8、了維氏維氏硬度硬度。HV可以到2000以上。而HRC70=HV1037；HB450HRC47。沖擊試驗(yàn)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b=600kg/cm2、 K =2.5kgm/cm2, 但起重機(jī)的吊鉤就不能使用，要用20鋼（b=410kg/cm2、 K =5kgm/cm2）。沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)n 對于具有體心立方結(jié)構(gòu)的碳鋼來說，當(dāng)溫度低至一定值時，其沖擊韌性會顯著降低。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，沖擊韌度值突然降低（低碳鋼的臨界溫度約為3040），見圖所示。所以起重機(jī)安全

9、規(guī)程要求環(huán)境溫度低于20時，受力件必須采用16Mn鋼。n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。沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)斷裂韌性斷裂韌性 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)。材料的斷裂行為與材料中的裂紋有關(guān)。 斷裂韌性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發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致裂紋尖端變鈍，阻止了裂

10、紋的擴(kuò)展而高強(qiáng)度材料往往塑性差，所以斷裂韌性也低。斷裂韌性斷裂韌性（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)菢樱鶗p小材料的斷裂韌性。 （5）與沖擊試驗(yàn)相同，降低溫度會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)會引起大量位錯；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，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

11、有較好的韌性，而陶瓷和玻璃韌性很差的原因。斷裂韌性斷裂韌性 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。蠕變?nèi)渥?高溫下金屬力學(xué)行為的一個重要特點(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，經(jīng)過一段時間后，它可能進(jìn)行遞增的塑性變形。這種與時間有關(guān)的應(yīng)變，稱為，稱為蠕變?nèi)渥儭＃ㄔ诤愣▔毫ψ饔孟虏牧系膽?yīng)變隨時間增加而逐漸增。（在恒定壓力作用下材料的應(yīng)變隨時間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。）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是位錯的滑移的滑移，而引

12、起材料在高溫下發(fā)生蠕變高溫下發(fā)生蠕變的主要原因則是位錯是位錯的攀移的攀移。 蠕變?nèi)渥?高溫促進(jìn)了原子的擴(kuò)散，此時原子可以擴(kuò)散到位錯線上，也可以從位錯擴(kuò)散出去。原子的這種擴(kuò)散使得位錯能夠攀移，即能夠在滑移面垂直而不是平行的平面上移動。依靠這種攀移而脫離了雜質(zhì)等束縛的位錯就可以在較低的應(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。所以時間是影響材料高溫形變的一個重要因素，而在室溫下，時間對材料的形變幾乎沒有影響。蠕變?nèi)渥僴由于金屬在長時高溫載荷作用下會產(chǎn)生蠕變，因此，對于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(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

13、隨時間的延長，在總變形量不變的情況下，彈性變形不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力逐漸降低，以致失效。蠕變?nèi)渥內(nèi)渥冏冃螜C(jī)理（蠕變理論）蠕變變形機(jī)理（蠕變理論） 1、位錯滑移蠕變、位錯滑移蠕變（位錯蠕變理論認(rèn)為）（位錯蠕變理論認(rèn)為） 在常溫下，若滑移面上的位錯運(yùn)動受阻產(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，才能使位錯重新運(yùn)動和增殖。但在高溫下，位錯可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(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)動的位錯，在高溫下由于熱運(yùn)動增大了原子的能量，使得位錯能夠克服阻礙發(fā)生運(yùn)動而導(dǎo)致材料的蠕變。溫度越高，位錯運(yùn)動的速度越快，蠕變也越大

14、。蠕變?nèi)渥?、擴(kuò)散蠕變、擴(kuò)散蠕變（理論）（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。蠕變?nèi)渥僴所謂溫度的“高”和“低”是相對于該金屬熔點(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/tm0.5時為“高溫”，反之則為“低溫”。蠕變?nèi)渥?、晶界滑動蠕變、晶界滑動蠕變（理論）（理論） 在常溫下晶界的滑動變形是極不明顯的，可以忽略不計。但在高溫條

15、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，故促進(jìn)蠕變進(jìn)行。隨溫度升高，應(yīng)力降低，晶粒度減小，晶界滑動對蠕變的作用越來越大。但總的來說，它在總?cè)渥兞恐兴嫉谋壤⒉淮螅话慵s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，可把晶界看成是非晶體，在溫度較高時，晶界黏（nian）度迅速下降，應(yīng)力使得晶界發(fā)生黏性流動而導(dǎo)致蠕變。疲勞疲勞 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疲勞失效。 工程中很多機(jī)件和構(gòu)件都是在變動載荷下工作的，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、輥?zhàn)印⑷~片及橋梁等，其失效形式主要是疲勞斷裂。據(jù)統(tǒng)計，疲勞

16、破壞在整個失效件中約占80%左右。疲勞疲勞 疲勞破壞一般分三個階段： 材料表面出現(xiàn)微小裂紋； 小裂紋隨交變載荷的作用逐漸擴(kuò)展； 材料剩余截面積不足以承受載荷時，發(fā)生斷裂。疲勞疲勞應(yīng)力循環(huán)的四種不同類型應(yīng)力循環(huán)的四種不同類型 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)交替交替疲勞疲勞漲落漲落重復(fù)重復(fù)疲勞疲勞 最大應(yīng)力最大應(yīng)力 max 最小應(yīng)力最小應(yīng)力 min 平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m =1/2（max+min） maxminr疲勞疲勞（1）對稱交變應(yīng)力，如圖（a）所示， m =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）不對稱交變應(yīng)力，如圖如圖（b）所示， 1r0。發(fā)動機(jī)連桿的循環(huán)應(yīng)力就是這種情況。疲勞疲勞（3）波

17、動應(yīng)力，如圖如圖（c）所示， ma，0r1。 發(fā)動機(jī)缸蓋螺栓的循環(huán)應(yīng)力就是這種情況。 （4）脈動應(yīng)力，如圖如圖（d）所示， m =a0，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)脈動壓應(yīng)力，m =a0,r=。 加工硬化加工硬化 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。高，塑性降低的現(xiàn)象。 加工硬化是由于位錯增殖所引起的，所以能夠產(chǎn)生加工硬化的材料必須是位錯能夠滑移的材料。像陶瓷等脆性材料不會出現(xiàn)加工硬化。有時，熱彈性高分子也會出現(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。加工硬化加工硬化 熱彈性高分子材料在

18、塑性變形時的硬化現(xiàn)象，其原因不是加工硬化，而是長鏈分子發(fā)生了重新排列甚至晶化。當(dāng)所加應(yīng)力超過熱彈性高分子材料如聚乙烯的屈服強(qiáng)度時，分子鏈之間的極化鍵發(fā)生斷裂，分子鏈被拉長，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)度會增加。加工硬化加工硬化加工硬化的變形機(jī)制加工硬化的變形機(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1大于屈服強(qiáng)度，材料將發(fā)生永久變形1。即使在移去應(yīng)力1以后，這個應(yīng)變1仍然會存在，不會消失。如果利用已經(jīng)發(fā)生過應(yīng)變1的材料再次進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，就會發(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

19、這個新的拉伸試驗(yàn)中，材料的屈服強(qiáng)度不再是f，而是1，同時，延伸率也小于前次拉伸試驗(yàn)。如果此時將應(yīng)力增加到2后，再次移去應(yīng)力，材料的屈服強(qiáng)度又會增加到2。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，同時作為材料塑性指標(biāo)的延伸率逐漸降低。加工硬化加工硬化加工硬化加工硬化晶體結(jié)構(gòu)對于加工硬化的重要性晶體結(jié)構(gòu)對于加工硬化的重要性 在六方晶系中，位錯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)相對較小。另一方面，在立方晶系中，位錯以更復(fù)雜的方式在多個滑移系統(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

20、的加工硬化指數(shù)。加工硬化加工硬化加工硬化的原理加工硬化的原理 如圖4.20 所示，當(dāng)外加應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時，位錯開始滑移。如果位錯在滑移面上遇上障礙物，就會被障礙物釘住而難以繼續(xù)滑移。加工硬化加工硬化n 圖4.20（a）表示的就是一段位錯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剛好具有相反的性質(zhì)（伯氏矢量相同，位錯線方向相反），它們會相互靠近，以致消失。 這樣的結(jié)果是原來的一段位錯線仍然被釘在障礙物上，但在這段位錯線的外圍卻多出來一個位錯環(huán)（圖4.20（d）。這就是Frank-Reed位錯源的機(jī)理。位錯密度越

21、大，位錯之間的相互作用也越大，對位錯進(jìn)行滑移的阻力也增大。這就是加工硬化的原理加工硬化的原理。加工硬化加工硬化 加工硬化發(fā)生時，材料的屈服強(qiáng)度增加了，但材料的抗拉強(qiáng)度一般不會變化。 陶瓷中也會有一些位錯，所以也會出現(xiàn)很小程度的加工硬化。但是陶瓷很脆，在低溫時不可能發(fā)生明顯的塑性變形，只有在高溫下才會有塑性變形。同樣，像硅這樣的共價鍵結(jié)合的材料都是脆性材料，不會出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。 有時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。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化n“相相”是指一種結(jié)構(gòu)

22、。在一個相中，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。 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，會形成一個、兩個、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，這種相稱為固溶體。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化固溶體與混合物的區(qū)別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相，組成固溶體的各個組元都已經(jīng)相互溶解，不再保持組元自己的特性。固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 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

23、效果取決于兩個因素固溶強(qiáng)化的效果取決于兩個因素： （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)化固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化對材料性質(zhì)的影響固溶強(qiáng)化對材料性質(zhì)的影響 （1）合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、硬度等都會超過純金屬。（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。 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化（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

24、溶強(qiáng)化能夠改善合金的抗蠕變性能。高溫環(huán)境不會明顯損害固溶強(qiáng)化效果。飛機(jī)發(fā)動機(jī)所使用的許多高溫合金也部分采用了固溶強(qiáng)化方法。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 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，就會出現(xiàn)新相，新相會使材料強(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，這些相界面會阻礙位錯的滑移，從而使材料得到強(qiáng)化。這就是彌散彌散強(qiáng)化的由來強(qiáng)化的由來。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化中，基體與析出物之間具有如下關(guān)系：彌散強(qiáng)化

25、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）基體應(yīng)該是塑性的，而析出物應(yīng)該是脆性的。此時析出物阻礙位錯的滑移，使材料強(qiáng)化。而較軟的基體則給整個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)）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)的該是連續(xù)的。如果析出物連續(xù)分布，裂紋就可能在整個結(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。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化（3）析出物的尺寸應(yīng)該小，數(shù)密度應(yīng)該多）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滑移的可能性。

26、（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）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）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。彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 利用共晶反應(yīng)也能夠獲得彌散強(qiáng)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（具有溶解度間隙）。 在共晶反應(yīng)中，會生成相和相兩種固相，這兩種固相

27、總是相互疊合在一起，這種組織常稱為共晶組織。這樣彌散分布的相和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，會使整個材料變脆，這種合金在變形時會沿著脆性的共晶組織發(fā)生脆斷。固態(tài)相變強(qiáng)化固態(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)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。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)橹厝堋⒍紊踔寥沃厝艹杀咎摺５强刂乒虘B(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)化固態(tài)相變強(qiáng)化 固態(tài)相變強(qiáng)化包括：固態(tài)相變強(qiáng)化包括： （都需經(jīng)過熱處理都需經(jīng)過熱處

28、理） 共格析出物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，即保持特定的對應(yīng)關(guān)系，那么析出物周圍的基體原子排列就會受到析出物的影響。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）馬氏體相變共析反應(yīng)時效強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化 通過時效的方法獲得共格析出物通過時效的方法獲得共格析出物 共格析出的熱處理有以下共格析出的熱處理有以下3個步驟個步驟 （1）將合金加熱到固溶度線以上的溫度，使合金生成均勻的相固溶體。這個過程稱為固溶化處理。相也就是固態(tài)相固態(tài)相。（2）經(jīng)固溶化處理后，合金內(nèi)只有相。此時再讓合金迅速冷卻，一般可以將已經(jīng)加熱的合金放入

29、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。這個過程稱為時效。固態(tài)相變強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化 要獲得時效強(qiáng)化效應(yīng)，應(yīng)具有要獲得時效強(qiáng)化效應(yīng)，應(yīng)具有4 4個條件個條件 （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，可以得到單相組織。而冷卻到固溶度線以下時，則可以得到兩相組織。（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)時效強(qiáng)化合金中，析出物是又硬又脆的金屬間化合物。固態(tài)相變強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化（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

30、能抑制析出物的產(chǎn)生。這樣的合金自然不能進(jìn)行時效強(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)行時效強(qiáng)化。固態(tài)相變強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化 共析反應(yīng)共析反應(yīng)從一個固相轉(zhuǎn)變成兩個固相的反應(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)共晶反應(yīng)從一個液相轉(zhuǎn)變成兩個固相的反應(yīng)。所以不能通過熱處理的方式來實(shí)現(xiàn)。固態(tài)相變強(qiáng)化固態(tài)相變強(qiáng)化 與共晶反應(yīng)一樣，共析反應(yīng)生成的兩個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)散才能夠完成，在淬火條件