第八章 金属材料的屈服强度与强化

金属材料的力学性能任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。

如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。

这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。

这种能力就是材料的力学性能。

金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。

钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。

在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。

金属材料的机械性能1、弹性和塑性：弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。

力和变形同时存在、同时消失。

如弹簧：弹簧靠弹性工作。

塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。

（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。

塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。

2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。

强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。

材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。

是确定各种工程设计参数的主要依据。

这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。

对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。

弹性阶段的力学性能有：比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。

当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。

弹性极限：弹性阶段的应力最高限。

金属材料基础知识，金属材料的力学性能金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。

一般分为黑色金属和有色金属两种。

黑色金属包括铁、铬、锰等。

其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。

由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。

但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。

一、力学性能--强度强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。

1．拉伸测试拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。

利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。

2．力－伸长曲线弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段3．强度指标（1）屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。

（2）抗拉强度Rm ：材料在断裂前所能承受的最大的应力。

二、力学性能--塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。

1．断后伸长率A ：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。

2．断面收缩率Z ：试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率三、力学性能--硬度硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。

1．布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为Pa，但一般均不标出：表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。

当保持时间为10～15s时可不标。

应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。

金属材料的四种强化方式最全总结固溶强化1. 定义合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。

2. 原理溶入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。

这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。

在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。

3. 影响因素溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。

溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。

间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。

溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。

4. 固溶强化的程度主要取决于以下因素基体原子和溶质原子之间的尺寸差别。

尺寸差别越大，原始晶体结构受到的干扰就越大，位错滑移就越困难。

合金元素的量。

加入的合金元素越多，强化效果越大。

如果加入过多太大或太小的原子，就会超过溶解度。

这就涉及到另一种强化机制，分散相强化。

间隙型溶质原子比置换型原子具有更大的固溶强化效果。

溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。

5. 效果屈服强度、拉伸强度和硬度都要强于纯金属；大部分情况下，延展性低于纯金属；导电性比纯金属低很多；抗蠕变，或者在高温下的强度损失，通过固溶强化可以得到改善。

加工硬化1. 定义随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度提高，但塑性、韧性有所下降。

2. 简介金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。

又称冷作硬化。

产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。

金属材料的强化和韧化一、金属材料的强化1.1材料强化简介材料强度：强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。

通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。

随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度；高温条件静态拉伸所测的持久强度。

强化机理主要有：固溶强化、形变强化、细晶强化和第二相弥散强化等四种，以下将分别予以介绍。

1.2 固溶强化即利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化。

合金元素的固溶强化效果一般可以表示为：△σs= K i C i n式中，K i为系数；C i n为固溶度。

对于C、N等间隙原子，n=0.33～2.0；对于Mo、Si、Mn等置换原子，n=0.5～1.0。

固溶强化的机理：原子固溶与钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，宏观上即表现为提高了材料的强度。

1.3 形变强化金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难—位错强化。

作用是为了提高材料的强度，使变形更均匀，防止材料偶然过载引起破坏。

金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错密度愈高，位错运动愈困难，金属抵抗塑性变形的能力就愈大，表现在力学性能上，金属强度提高，即当造成金属晶体内部位错大量增殖时，金属表现出强化效果。

理论研究同时也说明：制成无缺陷，几乎不存在“位错”的完整晶体，使金属晶体强度接近理论强度，则会使金属强化效果表现得更为突出。

因此，金属有两种强化途径：一是对有晶体缺陷的实际金属，即存在位错金属，可以通过位错增殖而强化，二是制成无晶体缺陷的理想金属，使晶体中几乎不存在位错，则金属强化效果会更大。

形变强化遵循以下规律:第一，随着变形量增加，强度提高而塑性和韧性逐渐降低，逐渐接近于零。

工程材料力学性能课后题答案第三版（束德林）第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。

（1）弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

（2）滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。

（3）循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。

（4）包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。

（5）解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。

（6）塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。

脆性：指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

（7）解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为 b 的台阶。

（8）河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。

是解理台阶的一种标志。

（9）解理面：是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。

（10）穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。

（11）韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变。

2、说明下列力学性能指标的意义。

答：（1）E（G）分别为拉伸杨氏模量和切边模量，统称为弹性模量表示产生 100％弹性变所需的应力。

（2）σr 规定残余伸长应力，试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。

金属材料屈服强度及其影响因素屈服强度是指材材料开始产生宏观塑性变形时的应力。

对于屈服现象明显的材料，屈服强度就屈服点的应力—屈服值；对于屈服现象不明显的材料，通常将应力-应变曲线上以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为σ0.2或σys。

屈服强度通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。

影响屈服强度的因素影响屈服强度的内在因素有：1.金属本性及晶格类型——纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受的阻力决定。

这些阻力有晶格阻力和位错间交互作用产生的阻力之分。

其中晶格力与位错宽度和柏氏矢量有关，而两者又与晶体结构有关。

位错间交互产生的阻力包括平行位错间交互产生的阻力和运动位错与林位错交互产生的阻力。

用公式表示：T=αGb/L,式中α为比例系数，又因为密度ρ与1/L2成正比，因此，T=αGb ρ1/2，由此可见，密度增加，屈服强度也随之增加。

2.晶粒大小和亚结构——晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，将使屈服强度提高。

许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔佩奇公式σs=σj +kyd-1/2,式中，σj是位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，它决定于晶体结构和位错密度；ky是度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带端部的应力集中系数；d为晶粒平均尺寸。

亚晶界的作用和晶界类似，也阻碍位错的运动。

3.溶质元素——纯金属中融入溶质原子形成间隙型或置换型固溶合金将会显著提高屈服强度，此即为固溶强化。

这主要是由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场，该应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而提高屈服强度。

4.第二相——工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的。

第二相对屈服强度的影响与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。

据此可将第二相质点分为不可变形和可变形的两类。

金属屈服强度、抗拉强度、硬度知识钢材机械性能介绍1.屈服点（σs）钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。

设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）2.屈服强度（σ0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。

3.抗拉强度（σb）材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。

它表示钢材抵抗断裂的能力大小。

与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。

设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo （MPa）。

4.伸长率（δs）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。

5.屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。

屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。

6.硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。

它是金属材料的重要性能指标之一。

一般硬度越高，耐磨性越好。

常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

⑴布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。

⑵洛氏硬度（HR）当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。

它是用一个支持角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。