第五章工程材料的强化理论

从图在该段中的变线段(T即为非粮馆举性段, 压液线可看出即整个拉伸过程可分为以下四个阶段。

* /）称线弹性段，其斜率即为弹性模量E,对应的最高应力值 虎克定律（r=Ec 成立。

而ab 段, 在该段内所产生的应变仍是弹性的， 但它与应力已不成正比。

b点相对立白 勺应力第五早材料力学 主讲：钱民刚 第一节 概论材料力学是研究各种类型构件（主要是杆）的强度、刚度和稳定性的学科，它提供 了有关的基本理论、计算方法和试验技术，使我们能合理地确定构件的材料、尺寸 和形状，以达到安全与经济的设计要求。

♦一、材料力学的基本思路 （一）理论公式的建立 理论公式的建立思路如下：（一）低碳钢材料拉伸和压缩时的力学性质低碳钢（通常将含碳量在0.3%以下 的钢称为低碳钢，也叫软钢）材料拉伸和压缩时的 （7- e 曲线如图5-1所示。

陶度箓n------- 搬面设计为确保构件不致因强度/、丸而破坏, 应使其最——该啊瓯丽于材料的极限应力0- u,物出射和 （力与姻（美系）* 变形外力 T ］表小，即临界前载应力力布1£配IX没有屈服阶段，也酸 _ 曲线的一条割线的斜率，作为其弹性模量。

它 1故衡量铸铁拉伸强度的唯一指标就是它被拉断时/,在较小的拉应力作用下即被拉断，且其延伸率很小，故铸铁TE与拉伸相比，可看出这类材料的抗压能力要比抗拉 事蝌性变形也较为蛾显。

破坏断口为斜断面，这表明试件是因m max对于塑性材料制成的杆，通常取屈服极限①良或名义屈服极限（T该段内应力基本上不变，但应变却在迅速增长，而且在该段内所产生的应变 成分，除弹性应变外，还包含了明显的塑性变形，该段的应力最低点 （7S 称为屈服 极限。

这时，试件上原光滑表面将会出现与轴线大致成 45。

的滑移线，这是由于试 件材料在45。

的斜截面上存在着最大剪应力而引起的。

对于塑性材料来说，由于屈 服时所产生的显著的塑性变形将会严重地影响其正常工作，故（7S 是衡量塑性材料强度的一个重要指标。

材料力学第一章拉压一、构件设计应满足的要求：1、足够的强度：即抵抗破坏的能力；2、足够的刚度：即抵抗变形的能力；3、足够的稳定性：即保持平衡的能力；二、失稳：构件在一定外力的作用下，不能保持原有的平衡形式，称为失稳；细长杆件在压缩中容易产生失稳现象。

三、材料力学的基本假设：1、连续性假设：构件的整个体积内毫无空隙的充满了物质；2、均匀性假设：认为材料是均匀的，其力学性能与构件中的位置无关；（材料在外力作用下表现出来的性能，称为力学性能或机械性能）3、各项同性假设：沿各个方向均具有相同的力学性能；（相反，存在各向异性材料，常见的有碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、陶瓷等四、杆件变形的基本形式：拉伸或压缩、弯曲和扭转。

五、内力：外力作用下，构件内部相连两部分之间的相互作用力。

六、同一杆件在受力方式变化的情况下，即使只受轴向力作用，不同部分的轴向力大小也可能不同，如在杆端和杆中点均受力，切合力为0的情况。

七、设杆件的横截面积为A，轴力为N，且为均匀性材料，则横截面上各点处的正应力均为：Pa、Mpa、Gpa）。

八、圣维南原理：力作用于杆端的方式不同，只会使于杆端距离不大于杆横向尺寸的范围受其影响。

九、拉压杆上的最大剪应力发生在于杆轴成45°的斜截面上，其值为横截面正应力的一半。

十、单位长度的变形，称为正应变。

十一、材料的应力——应变曲线：工程中常用的材料的应力应变曲线分成以下几个阶段：1、线性阶段：在拉伸的初始阶段，应力——应变为一直线；此阶段的应力最高点，为材料的比例极限；2、屈服阶段：超过比例极限之后，应力和应变之间不再保持正比例关系。

此阶段内，应力几乎不变，但变形却极具增长，材料失去抵抗继续变形的能力，此种现象称为屈服。

相应的应力称为材料的屈服应力或屈服极限。

3、强化阶段：经过屈服阶段之后，材料又增强了抵抗变形的能力，此种现象称为强化。

强化节点最高点对应的应力称为材料的强度极限。

如果材料表面光滑，当材料屈服时，试样表面将出现于轴线成45°的线纹，作用有最大剪应力。

《工程材料学》习题《工程材料学》习题第一章概论一、解释名词晶体、金属键、离子键、分子键、共价键二、填空题 1、材料科学的任务是揭示材料的之间的相互关系及变化规律。

2、材料的性能主要包括两个方面。

3、晶体物质的基本特征是。

4、固体中的结合键可分为种，它们是、、、。

三、是非题1、晶体是较复杂的聚合体。

2、结构材料是指工程上要求机械性能的材料。

3、物质的状态反映了原子或分子之间的相互作用和它们的热运动。

4、比重较大的金属是黑色金属，比重较小的金属是有色金属。

四、综合分析题1、比较离子晶体与分子晶体的结构特征及性能特点。

2、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料在结合键上的差别。

第二章金属的结构一、名词解释固溶强化弥散强化相金属化合物固溶体二、是非题1、金属化合物相与固溶体相的本质区别在于前者的硬度高、脆性大。

2、于溶质原子对位错运动具有阻碍作用，因此造成固溶体合金的强度、硬度提高。

3、固溶体的强度、硬度一定比溶剂金属的强度、硬度高。

三、选择题1、固溶体合金在结晶时a)不发生共晶转变b)要发生共晶转变c)必然有二次相析出 d)多数要发生共析转变 2、二元合金中，铸造性能最好的合金是：a)固溶体合金b)共晶合金c)共析合金d)包晶成分合金 3、同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是： a)晶粒尺寸发生变化b)过冷度发生变化c)致密度发生变化d)晶粒长大速度发生变化 4、二元合金中，压力加工性能最好的合金是a)固溶体合金b)共晶合金c)共析合金d)包晶成分合金四、填空题1、强化金属材料的基本方法：、和。

合金的两大基本相是和，其本质区别是。

第三章金属的结晶一、解释名词疲劳强度、组织、过冷度、晶格、变质处理、晶体结构、晶体二、是非题1、金属结晶的必要条件是快冷。

2、细晶粒金属的强度高但塑性差。

3、凡是液体凝固成固体的过程都是结晶过程。

4、金属的晶界是面缺陷。

晶粒越细，晶界越多，金属的性能越差。

5、纯金属的实际结晶温度与其冷却速度有关。

材料强化机制及应用材料强化机制是指通过改变材料的结构和性质，提高材料的力学性能和耐久性的过程。

材料强化机制具体包括晶体排列、晶体缺陷、相变、析出相形成等。

材料强化技术主要应用于金属、陶瓷、复合材料等材料。

本文将重点介绍常见的金属材料强化机制及其应用。

金属材料强化机制中的晶体排列是指通过控制材料的晶体结构和晶粒大小来增强材料的性能。

晶体排列可以通过变形加工（如冷拔、轧制等）和热处理（如退火、淬火等）获得。

变形加工可以使材料的晶粒细化，从而增加晶界数量，阻碍位错的移动，提高材料的强度。

热处理可以通过控制材料的冷却速率和温度来改变材料的晶体结构，从而提高材料的强度和韧性。

晶体缺陷是材料强化的另一个重要机制。

晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷是晶体内部的特定位置上缺少原子，包括空位和间隙原子。

点缺陷通过提高材料的位错密度和晶体缺陷密度来增强材料的力学性能。

线缺陷是晶体内部的一维缺陷，包括螺杂和位错。

螺杂是晶体内部的螺旋状缺陷，可以通过控制材料的冷变形和热处理来增强材料的强度和韧性。

位错是晶体中原子排列的错位，可以通过控制材料的变形加工和热处理来增强材料的强度和塑性。

面缺陷是晶体内部的二维缺陷，包括晶界、位错堆积等。

晶界是相邻晶粒的边界，可以通过控制材料的晶粒尺寸和晶界角度来强化材料。

相变是材料强化的另一个重要机制。

相变是指材料从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。

常见的相变包括相变、亚相变和析出相。

固溶体相变是指材料中的溶质原子在固溶体晶格中扩散和重新排列的过程，可以通过合金元素的加入和热处理来实现。

亚相变是指材料中的固溶体相分解成两个或多个新的相，从而提高材料的强度和硬度。

析出相是指材料中的固溶体相中形成新的相，可以通过控制材料的冷却速率和温度来实现。

材料强化技术在工程实践中有广泛的应用。

其中，冷变形是常见的材料强化技术之一。

通过冷拔、轧制等冷变形加工过程，可以使材料的晶粒细化，并增加位错密度和晶界密度，从而提高材料的强度和塑性。

第三章工程材料的强化与改性机械工程材料是机械工业、工程技术上大量使用的材料，不仅要求有高的强度，而且要有足够的塑性和韧性。

这些性能都同材料的组织、结构有密切的关系。

因此可通过各种措施，改变其组织和结构，以及使其复合，从而达到强化与强韧化。

材料的改性处理主要指钢铁材料的改性处理，包括钢的热处理和钢的表面处理两大类。

钢经过适当的热处理可提高零件的强度、硬度及耐磨性，并可改善钢的塑性和切削加工性能；而经过合理的表面处理则可提高零件的耐蚀性及耐磨性，并可装饰和美化外观，延长其使用寿命。

3.1工程材料的强化与韧化一、材料强化的概念使金属材料强度(主要是屈服强度)增大的过程称为强化。

工程材料的强度与其内部组织、结构有着密切的关系。

通过改变化学成分，进行塑性变形以及热处理等，均可以提高材料的强度。

由于塑性变形是通过位错运动实现的，因此，材料强化机制的基本出发点是造成障碍，阻碍位错运动。

二、工程材料常见的强化方式1、固溶强化固溶强化是指由于晶格内溶入溶质原子而使材料强化的现象。

固溶强化效果越大，则塑性韧性下降越多。

因此选用固溶强化元素时一定不能只着眼强化效果的大小，而应对塑性、韧性给予充分保证。

所以，对溶质的浓度应加以控制。

2、晶界强化（也称细晶强化）晶界强化是一种极为重要的强化机制。

不但可以提高强度，而且还能改善钢的韧性，这一特点是其它强化机制所不具备的。

晶界的作用有两个方面：一方面它是位错运动的障碍，另一方面又是位错聚集的地方。

所以，晶粒越细小，则晶界面积愈大，位错运动的障碍愈多，导致强度升高。

3、第二相强化第二相强化是指利用合金中的第二相进行强化的现象。

强化效果与第二相的形态、数量及其在基体上的分布方式有关。

4、冷变形强化(加工硬化或形变强化)冷变形强化是指在塑性变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。

强化的原因：一是随塑性变形量的不断增大，位错密度不断增加，并使之产生的交互作用增强，使变形抗力增加。

第二章材料的性能1、布氏硬度布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定.缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。

适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度（硬度少于450HB）。

2、洛氏硬度HRA用于测量高硬度材料，如硬质合金、表淬层和渗碳层。

HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等.HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。

洛氏硬度的优点：操作简便,压痕小，适用范围广.缺点:测量结果分散度大。

3、维氏硬度维氏硬度所用载荷小,压痕浅，适用于测量零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度，载荷可调范围大，对软硬材料都适用。

4、耐磨性是材料抵抗磨损的性能，用磨损量来表示.分类有黏着磨损（咬合磨损）、磨粒磨损、腐蚀磨损。

5、接触疲劳：（滚动轴承、齿轮）经接触压应力的反复长期作用后引起的一种表面疲劳剥落损坏的现象.6、蠕变：恒温、恒应力下,随着时间的延长，材料发生缓慢塑变的现象。

7、应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。

第三章金属的结构与结晶1、晶体中原子（分子或离子）在空间的规则排列的方式为晶体结构.为便于描述晶体结构，把每个原子抽象成一个点，把这些点用假想直线连接起来，构成空间格架，称为晶格。

晶格中每个点称为结点，由一系列原子所组成的平面成为晶面。

由任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。

组成晶格的最小几何组成单元称为晶胞。

晶胞的棱边长度、棱边夹角称为晶格常数.①体心立方晶格晶格常数用边长a表示，原子半径为√3a/4,每个晶胞包含的原子数为1/8×8+1=2（个）。

属于体心立方晶格的金属有铁、钼、铬等。

②面心立方晶格原子半径为√2a/4，每个面心立方晶胞中包含原子数为1/8×8+1/2×6=4（个）典型金属（金、银、铝、铜等)。

③密排六方晶格每个面心立方晶胞中包含原子数为为12×1/6+2*1/2+3=6（个）。

典型金属锌等.2、各向异性：晶体中不同晶向上的原子排列紧密程度及不同晶面间距是不同的，所以不同方向上原子结合力也不同，晶体在不同方向上的物理、化学、力学间的性能也有一定的差异,此特性称为各向异性。

工程材料第5章：钢铁材料引言钢铁是人类社会发展史上的重要材料之一，早在古代，人们就开始使用铁器了。

随着科技的发展，钢铁材料的生产和应用不断创新，已经成为现代工业领域中不可或缺的材料之一。

本章主要介绍钢铁的基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护。

钢铁基础知识钢铁是由铁与碳混合而成的合金，碳与铁的相互作用是决定钢铁特性的重要因素。

根据其化学成分和性质，钢铁可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢等多种类型。

除碳外，钢铁中常见的合金元素还有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。

这些元素的加入可以改善钢铁的特性，例如增强硬度、延展性、耐蚀性等。

钢铁分类根据碳含量、成分和性能，钢铁可分为以下几类：1.低碳钢：碳含量不超过0.25%，具有良好的焊接性、塑性和韧性，通常用于制造汽车、建筑、家具等产品。

2.中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%之间，硬度较高，适用于制造车轴、弹簧等产品。

3.高碳钢：碳含量在0.60%-1.5%之间，硬度特别高，但韧性和塑性较差，通常用于制造锯条、钻头、刀片等工具。

4.合金钢：在钢铁中添加一定的合金元素，具有较好的耐磨性、耐腐蚀性及高温性能，广泛用于航空、航天、机床等领域。

合金元素及其制备方法钢铁中常见的合金元素有锰、铬、镍、钼、钴、硅等。

这些元素的加入可以改变钢铁的化学成分和微观结构，从而提高钢铁的性能。

合金元素的制备方法取决于元素的化学性质、物理性质和工业生产需求。

例如，锰可采用矿物热还原法、电解法和化学还原法等多种方法制备；铬可采用硅铬还原法、电解法和铝热还原法等多种方法制备。

表面处理和防腐保护表面处理和防腐保护是钢铁材料应用中非常重要的环节。

在工程应用中，钢铁材料存在着许多易腐蚀、受潮、老化等问题，表面处理和防护是有效防止这些问题的方法。

常见的表面处理方法包括亚光处理、沙化处理、喷砂处理等。

防腐保护方法包括物理防护、化学防护、电化学防护等。

钢铁材料作为工程领域中广泛应用的材料，其基础知识、分类、合金元素及其制备方法、表面处理和防腐保护具有重要的理论意义和实践应用价值。

工程材料强化方法综述机制本科1101 杨清波摘要：从工程材料强化本质和工业上工程材料强化的工艺两方面综合介绍了工程材料的强化方法。

详细介绍了工程材料的强化本质方法和工业生产中的材料强化工艺。

分析了在工业生产中各种强化方法的特点、效果及应用范围。

介绍了一些强化工艺中的新技术。

关键词：细化晶粒，位错，固溶体，晶格畸变，强化，硬化，金属碳化物，热处理，相变0.引语强度是材料在外力作用作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

在特定的工作环境中，某些构件需要承受较大的载荷或受到较大的冲击力等，那么这些构件需要有较高的力学性能，尤其需要有较高的强度。

如何强化材料是工业生产中的一个非常重要的问题。

强化材料方法在工业生产中有广泛应用。

对材料进行强化可以扩大材料的应用范围，增加材料种类，降低生产成本。

从材料的组织结构分析可得到多种强化原理，根据强化原理可制定多种强化工艺。

下面，我对强化方法进行了初步的系统的总结。

1.工程材料强化方法原理1.1晶界强化1）界强化作用的直接体现者——细晶强化。

金属的晶粒越细，则晶界数量越多，这样，由取向差效应和晶界原子排列不规则造成的强化效果越明显。

多晶体的晶粒变形时，要求其周围的晶粒协同运动。

多晶体滑移是多系滑移，以自身变形的同时，协调、配合相邻晶粒变形。

造成位错发生交割，增大滑移变形阻力，从而使金属表现出高强度。

2）添加或减少微量元素含量，改善晶界状态。

晶界的晶体结构不规则，原子排列混乱，晶格歪扭，又存在各种晶体缺陷(如位错、空洞等)，因此晶界在高温变形时是一个薄弱环节。

在高温蠕变时，晶界形变量占总形变量的50％，因此强化晶界就成为高温合金强化的一个重要部分。

一些有害杂质元素的溶解度很小且往往偏析于晶界，生成低熔点共晶化合物。

硫在γ—Fe中的溶解度只有0.015％。

因此合金中所含的硫在铁中易形成熔点为988C的Fe+FeS 低熔点共晶。

硫在镍中会形成熔点只有644℃的Ni+Ni3S2共晶。

绪论部分荷载：直接施加在结构上的力，在工程上统称荷载。

结构：在建筑物中承受和传递荷载而起骨架作用的部分。

构件：组成结构的每一个部分。

平衡状态：建筑的结构及组成结构的各构件，都相对于地面保持着静止状态，这种状态在工程上称为平衡状态。

要保证构件的正常工作，必须同时满足三个要求：1）在荷载作用下构件不发生破坏，即应具有足够的强度2）在荷载作用下构件所产生的变形在工程的允许范围内，即应具有足够的刚度3）承受荷载作用时，构件在其原有形状下应保持稳定，即应具有足够的稳定性※构件的强度、刚度和稳定性统称为构件的承载能力建筑力学的任务是：研究和分析作用在结构（或构件）上力与平衡的关系，结构（或构件）的内力、应力、变形的计算方法以及构件的强度、刚度与稳定条件，为保证结构（或构件）既安全可靠又经济合理提供计算理论依据。

杆系结构：由杆件组成的结构。

建筑力学：是由研究建筑结构的力学计算理论和方法的一门科学。

第一章静力学的基本概念力的定义：力是物体间的相互机械运动。

用一个带有箭头的有向线段来表示一个力（注意作用点的位置）物体在受到力的作用后，产生的效应可以分成两种：外效应，也称为运动效应，使物体的运动状态发生改变。

内效应，也称为变形效应，使物体的形状发生变化。

力的三要素：大小、方向、作用点力的大小反应物体之间的相互机械作用的强弱程度力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向力的作用点是指力在物体的作用位置当接触面面积很小时，则可以将微小面积抽象为一个点，这个点称为力的作用点。

该作用力称为集中力；反之，如果接触面积较大而不能忽略时，则力在整个接触面上分布作用，此时的作用力称为分布力。

分布力的大小用单位面积上的力的大小来度量，称为荷载集度。

力是矢量，记作F刚体：在外力的作用下，不发生形变的物体。

平衡：在外力作用下，物体相对于地球保持静止或匀速直线运动状态，我们就称物体在外力作用下保持平衡。

力系分类汇交力系：力系中各力作用线汇交于一点力偶系：力系中各力可以组成若干力偶或力系由若干力偶组成平行力系：力系中各力作用线相互平行一般力系：力系中各力作用线既不完全交于一点，也不完全相互平行等效力系：若某一力系对物体产生的效应，可以用另一个力系来代替，则这两个力系称为等效力系。