第 4章 材料强化
本章介绍了有关材料力学性能的实验方法，
影响材料力学性能的因素以及强化材料力
学性能的机制。首先，本章介绍了各种有
关材料力学性能的实验方法，解释了引入
这些实验方法的原因和目的。然后，详细
介绍了一些主要的材料强化手段，对这些
强化手段的特点进行了分析。
本章提要
第 4章 材料强化
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
4.4固 溶 强 化
4.3加 工 硬 化
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
2个学时
2个学时
4.1概述
?材料的强度是材料性能中最重要的
一项
?人类最早利用的材料性质就是力学性
质。
?对于结构材料来说，材料的强度更是
决定该材料是否胜任实际要求的关键。
4.1概述
4.1概述 ?决定材料强度的关键因素
1,原子之间的结合力
2,位错
我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么
影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。
在这方面，一般常见的方法就是形成新的相（因为
新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。
我们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。所以可以说，近
代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位
错的研究。
?强化的方式
1,合金化和冷加工
2,热处理
构件处于高应力的塑性形变状态。
固态下要发生相变 有序强化
4.1概述
对于那些没有塑性变形的脆性材料，也无法
利用冷加工的方法来进一步强化材料。
?这些强化方式的实现，是需要一定
的条件的。
不能说对于任何一种材料，都可以采用上述
某种强化方法来增加其强度。
如果在该材料的相图中没有共析相变反应，
自然不可能采用共析分解强化。
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
?选择材料的一个基本原则 力学性能
首先必须分析材料使用的环境，以便判断什
么是材料应该具有的最重要的性能。
?研究材料的力学性能，可以了解这些缺陷的
本质。
表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所
得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表
示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程
度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作
的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着
材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是
动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的
抗断裂性能。
4.2力学实验与材料性能
由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要用断
裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如
果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低于
屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变
强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力为
循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此时
要用到疲劳强度的概念。
4.2力学实验与材料性能
4.2.1拉伸试验 4.2.2弯曲试验
4.2.3硬度试验 4.2.4冲击试验
4.2.5断裂韧性 4.2.6蠕变
4.2.7疲劳
4.2力学实验与材料性能
4.2.1拉伸试验
拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加
的负载的能力。
在拉伸试验中，试样的两端固定在夹头上，拉
伸机的负载测量仪器安装在试样的一端，应变
测量装置安装在试样的另一端,
4.2.1拉伸试验
图 4.1位伸试验方法示意图
4.2.1拉伸试验
图 4.2
(a) ;(b)
如果计算应力和应变时采用的是试样的
工程应力应变曲线中的应力值并不是材料
实际上受到的应力，而是载荷除以材料原
始截面积得到的应力值
4.2.1拉伸试验
l1
ε=∫ (dl/l) = ln(l1/l0) = ln(A0/A)
l0
真实应力 ζ等于负载 P除以在应变的某
一阶段时试样的面积 A。
上式中的 ln(A0/A)必须是颈缩出现以后才适用。
在真实应力应变曲线中，颈缩出现之后应力仍
然继续增大。
4.2.1拉伸试验
真实应力应变曲线常常符合公式,
ζ=kεn
其中,n是加工硬化系数，大约为 0.1-0.5，
k是强度系数。
4.2.1拉伸试验
当应变的增加不再产生负载的增加时，即
dP=0 时，就要出现塑性失稳，或者说产生
颈缩。由于 P=ζA，因此,
失稳条件
dP=Adζ+ζdA=0
在很多情况下，人们并不关心真实应力应变曲
线。因为超过屈服强度后，材料的形状就发生
了变化。如果构件不再能维持它的形状，那么
它就已经失效了。因此，工程应力应变曲线一
般可以满足实际需要。
4.2.1拉伸试验
当应变是拉伸时，称为 弹性模量或杨氏 (Yong)
模量 。
当应变是切应变时，称为 刚性应变或切变模量 μ。
当应变是流体静压缩应变时，称为 体积弹性模
量Ｋ 。
应力和应变之间的比例常量称为弹性模量。
在应力很低的时候，形变是弹性的可逆的，遵从
虎克 (Hooke)定律,应力与应变成正比的关系。
4.2.1拉伸试验
E:弹性模量或杨氏 (Yong)模量。
μ,刚性应变或切变模量。
Ｋ,体积弹性模量。
K=E/2(1-2ν) ;
μ=E/2(1+ν) ;
E=9Kμ/(3K+μ)
三者关系,
4.2.1拉伸试验
当材料的形变在应力去除之后仍不能完全恢
复时，说明材料发生了塑性形变。材料开始
发生塑性形变时所对应的应力称为屈服强度，
用 ζs 来表示。
塑性形变
对于金属来说，这也是位错开始滑移所需的
应力。
对于没有明显屈服点的材料，习惯上把应变
量为 0.2%所对应的应力规定为屈服强度，用
ζ0.2来表示。
4.2.1拉伸试验
图 4.3低碳钢应力 -应变曲线中
的上屈服点和下屈服点
4.2.1拉伸试验
材料的 抗拉强度 对应于应力应变曲线的最
大应力。 材料的延性 为材料截面积的减少
量或者伸长的百分率。
在从屈服到抗拉强度的这段应力应变曲线
中，应力持续增加，这表明试样形变时发
生了硬化现象，这就是 加工硬化
4.2.1拉伸试验
把拉伸试验用于科学研究时，更有意义的是应力 -
应变曲线的准确形状和它的细节，以及屈服应力
与断裂应力随温度、合金化添加物与晶粒大小而
变化的关系。
利用拉伸试验也可以确定断裂的类型。
?“杯 -锥”型断裂
?解理断裂
?晶间断裂
4.2.1拉伸试验
4.2.2弯曲试验
图 4.4
4.2.2弯曲试验
许多脆性材料表面存在裂纹，很难进行一
般的拉伸试验。有时，刚刚把脆性材料安
装在拉伸机的夹头上，它就发生了断裂。
可以采用如图 4.5所示的弯曲试验来测定
脆性材料的力学性能。
断裂模量 = 3FL/2wh2
上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支
点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的
厚度。
图 4.5 3点弯曲试验示意图
4.2.2弯曲试验
图 4.6 弯曲试验曲线
4.2.2弯曲试验
挠曲模量 = L3F/4wh3δ
弯曲试验曲线的横 轴是材料的弯曲 δ。弯曲试
验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量,可
以从弯曲试验曲线的弹性区域的负载 F和弯曲
δ求出,
上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支
点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的
厚度。
4.2.2弯曲试验
因为裂纹在受到压应力时会闭合起来，所以脆
性材料的使用状态往往设计为压应力状态，而
不是拉应力状态。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。
材料 抗拉强度
(MPa)
抗压强度
(MPa)
弯曲强度
(MPa)
50%玻璃纤
维聚酯
160 220 310
Al2O3 200 2600 340
SiC 170 3800 550
表 4.1部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度
4.2.2弯曲试验
材料的硬度 定义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。
4.2.3硬度试验
图 4.7 硬度试验示意图
硬度试验方法有十几种，常用的有洛氏
（ Rockwell）硬度试验、布氏（ Brinell）硬度
试验、维氏（ Vickers）硬度试验等。
4.2.3硬度试验
布氏硬度值（用 HB或 BHN表示）的定义为 P/A，
单位是 N/m2，其中 P是负载,A是形成压痕的球
帽表面积。
布氏硬度值 =2P/{πD2[1-(d/D)2]1/2}
其中,d和 D分别是压痕直径和压球直径。比值
d/D需要保持常数并且很小。
在实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的
力学性能。
例如硬度与材料的耐磨性能关系密切。
4.2.3硬度试验
硬度试验简便易行，一般只需几分钟就可以完
成一个硬度试验，对所测试样不需要进行特别
的加工处理，试验本身对试样也不会造成什么
破坏。
例如金属材料中的布氏硬度值 (HB)与抗拉强度
存在如下的经验公式：抗拉强度 =kHB
4.2.4 冲击试验
一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲
击负载条件下却可能无法应用。为此，常常采
用冲击试验来测量材料承受冲击的能力。
在冲击试验时，一个重物摆从高度 h0 落下，打击
并击断试样，然后继续运动到较低的高度 hf。从
摆的起始高度 h0 和最后高度 hf,可以计算其势
能差。这个势能差就是试样在断裂时所吸收的能
量，可以表示为材料的耐冲击能力。这种材料抵
抗冲击的能力又称为材料的冲击韧性。
4.2.4冲击试验
冲击试验有许多种方法，常用的有艾氏 (Izod)
冲击试验和夏氏 (Charpy)冲击试验。试样可
以有切口或没有切口。
具有 V型切口的试样适合用来测试材料抵抗
裂纹扩展的能力。
图 4.8 不锈钢和碳钢在不同温度下的夏氏
冲击试验结果。
4.2.4冲击试验
4.9材料的韧性、脆性与温度的关系
韧脆转变温度
4.2.4冲击试验
材料在机械加工、制造过程中可能会出现切口。
这些切口会引起应力集中，降低材料的冲击韧
性。通过比较有切口和无切口的试样的冲击试
验结果，可以得到材料的切口敏感性。如果材
料具有切口敏感性，那意味着这一材料的有切
口试样的吸收能远远低于无切口试样。
切口敏感性
4.2.4冲击试验
图 4.10
材料的冲击性能与其真
积有关。金属具有较高
的强度和较大的塑性，
所以它的韧性较好。而
陶瓷和许多复合材料虽
然具有很高的强度，但
是其只有很小或没有塑
性形变，韧性也差。
4.2.4冲击试验
断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承
受的应力。
4.2.5断裂韧性
冲击韧性是材料性能的一个定性指标，而断
裂韧性则是材料性能的一个定量指标。
应力强度因子 K可由
下式计算,
K = fζ(πa)1/2
上式中,f是试样和
裂纹的几何因子,ζ
是作用应力,a是裂
纹尺寸。如果试样具
有无限的宽度，则 f
近似等于 1.0。
4.2.5断裂韧性
图 4.11断裂韧性试样
中的裂纹示意图
利用含有一个已知尺寸的裂纹的试样，可以测
得该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临
界 K值。这个临界应力强度因子定义为材料的
断裂韧性 Kc。
Kc=裂纹扩展所需的 K值断裂韧性
K = fζ(πa)1/2
4.2.5断裂韧性
图 4.12断裂韧性与试样厚度的关系
断裂韧性与材料试样的厚度有关
4.2.5断裂韧性
（ 1） 裂纹尺寸 a越大，许可应力 ζ越低。
（ 2） 材料发生塑性变形的能力非常重要。
（ 3） 厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。
（ 4） 增加负载速率，像冲击试验那样，往往
会减小材料的断裂韧性。
（ 5） 与冲击试验相同，降低温度会减小材料
的断裂韧性。
（ 6） 减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。
材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关,
4.2.5断裂韧性
4.2.6蠕变
如果在高温下给材料施加一个应力，即使这
个应力小于该温度下的材料屈服强度，材料
也可能发生塑性变形，以至断裂。这种现象
就称为蠕变。蠕变的定义是在恒定的压力下
材料的塑性流变。
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。
位错攀移，即位错能够在与滑移面垂直而不是平
行的平面上移动。
依靠这种攀移而脱离了杂质等束缚的位错就可以
在较低的应力下继续滑移，从而使材料在较低应
力状态下发生塑性形变。所以，时间是影响材料
高温形变的又一重要因素，而在室温下，时间对
材料的形变几乎没有影响。
4.2.6 蠕变
图 4.13 材料的蠕变曲线
4.2.6 蠕变
蠕变速率 =应变的增量 /时间的增量
图 4.14各种温度下的蠕变断裂试验数据
4.2.6 蠕变
4.2.7 疲劳
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
可能发生破坏。这种现象称为材料的疲劳。
疲劳破坏的发生一般分为三个阶段。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
受载荷时，材料将发生断裂。
人们设计出了各种类型的疲劳试验机器。在
这些机器中，所加的应力状态不同，比如弯
曲、扭转、拉伸或者压缩，但是有一点却是
相同的，即测量物质所受的应力循环是固定
的。为了表示出应力的特征，通常需要注意
三个问题，即最大应力范围、平均应力、应
力循环周期。
图 4.15应力循环的几种类型
(a) 反转； (b) 交替； (c) 涨落； (d) 重复
应力循环的四种不同的类型
旋转悬臂梁试验
图 4.16旋转悬臂梁疲劳试验
图 4.17疲劳实验的 S-N曲线
疲劳极限
疲劳寿命指的是材料在某种特定应力下发生疲劳
断裂所需的应力循环次数。
疲劳强度指的是在特定应力循环次数时不发生疲
劳断裂的前提下，材料所能承受的最大应力。
有些材料，例如钢铁，其疲劳极限大约等于屈服
强度的一半。所谓的耐疲劳比可由下式定义,
耐疲劳比 =疲劳极限 /屈服强度 ≈0.5
可以从屈服强度和耐疲劳比来估算材料的疲劳极
限。
本章介绍了有关材料力学性能的实验方法，
影响材料力学性能的因素以及强化材料力
学性能的机制。首先，本章介绍了各种有
关材料力学性能的实验方法，解释了引入
这些实验方法的原因和目的。然后，详细
介绍了一些主要的材料强化手段，对这些
强化手段的特点进行了分析。
本章提要
第 4章 材料强化
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
4.4固 溶 强 化
4.3加 工 硬 化
4.5弥 散 强 化
4.6固态相变强化
2个学时
2个学时
2个学时
4.1概述
?材料的强度是材料性能中最重要的
一项
?人类最早利用的材料性质就是力学性
质。
?对于结构材料来说，材料的强度更是
决定该材料是否胜任实际要求的关键。
4.1概述
4.1概述 ?决定材料强度的关键因素
1,原子之间的结合力
2,位错
我们对原子之间的键合类型和结合力难以施加什么
影响，难以去改变键合类型和结合力来强化材料。
在这方面，一般常见的方法就是形成新的相（因为
新相中的原子键合类型和结合力自然不同）。
我们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。所以可以说，近
代金属物理领域中的最大成果就是关于材料中的位
错的研究。
?强化的方式
1,合金化和冷加工
2,热处理
构件处于高应力的塑性形变状态。
固态下要发生相变 有序强化
4.1概述
对于那些没有塑性变形的脆性材料，也无法
利用冷加工的方法来进一步强化材料。
?这些强化方式的实现，是需要一定
的条件的。
不能说对于任何一种材料，都可以采用上述
某种强化方法来增加其强度。
如果在该材料的相图中没有共析相变反应，
自然不可能采用共析分解强化。
4.1概述
4.2力学实验与材料性能
?选择材料的一个基本原则 力学性能
首先必须分析材料使用的环境，以便判断什
么是材料应该具有的最重要的性能。
?研究材料的力学性能，可以了解这些缺陷的
本质。
表征材料力学性能的最常用的参数是拉伸试验所
得到的屈服强度和断裂强度。弯曲试验常用来表
示脆性材料的拉伸性能。硬度试验也可在一定程
度上表示材料的拉伸强度。但是，即使材料工作
的应力低于断裂强度或屈服强度，也并不意味着
材料的使用就一定安全。如果材料所受的负载是
动态而不是静态的，就要用冲击韧性来表示它的
抗断裂性能。
4.2力学实验与材料性能
由于材料中总是免不了有裂纹产生，此时要用断
裂韧性来表示这些裂纹在材料中的扩展行为。如
果材料在高温下使用，即使它所受应力远远低于
屈服应力，也可能发生塑性形变。此时要用蠕变
强度来表示材料的性能。还有，如果所受应力为
循环状态，那么材料的安全性也会打折扣。此时
要用到疲劳强度的概念。
4.2力学实验与材料性能
4.2.1拉伸试验 4.2.2弯曲试验
4.2.3硬度试验 4.2.4冲击试验
4.2.5断裂韧性 4.2.6蠕变
4.2.7疲劳
4.2力学实验与材料性能
4.2.1拉伸试验
拉伸试验测定的是材料抵抗静态或缓慢施加
的负载的能力。
在拉伸试验中，试样的两端固定在夹头上，拉
伸机的负载测量仪器安装在试样的一端，应变
测量装置安装在试样的另一端,
4.2.1拉伸试验
图 4.1位伸试验方法示意图
4.2.1拉伸试验
图 4.2
(a) ;(b)
如果计算应力和应变时采用的是试样的
工程应力应变曲线中的应力值并不是材料
实际上受到的应力，而是载荷除以材料原
始截面积得到的应力值
4.2.1拉伸试验
l1
ε=∫ (dl/l) = ln(l1/l0) = ln(A0/A)
l0
真实应力 ζ等于负载 P除以在应变的某
一阶段时试样的面积 A。
上式中的 ln(A0/A)必须是颈缩出现以后才适用。
在真实应力应变曲线中，颈缩出现之后应力仍
然继续增大。
4.2.1拉伸试验
真实应力应变曲线常常符合公式,
ζ=kεn
其中,n是加工硬化系数，大约为 0.1-0.5，
k是强度系数。
4.2.1拉伸试验
当应变的增加不再产生负载的增加时，即
dP=0 时，就要出现塑性失稳，或者说产生
颈缩。由于 P=ζA，因此,
失稳条件
dP=Adζ+ζdA=0
在很多情况下，人们并不关心真实应力应变曲
线。因为超过屈服强度后，材料的形状就发生
了变化。如果构件不再能维持它的形状，那么
它就已经失效了。因此，工程应力应变曲线一
般可以满足实际需要。
4.2.1拉伸试验
当应变是拉伸时，称为 弹性模量或杨氏 (Yong)
模量 。
当应变是切应变时，称为 刚性应变或切变模量 μ。
当应变是流体静压缩应变时，称为 体积弹性模
量Ｋ 。
应力和应变之间的比例常量称为弹性模量。
在应力很低的时候，形变是弹性的可逆的，遵从
虎克 (Hooke)定律,应力与应变成正比的关系。
4.2.1拉伸试验
E:弹性模量或杨氏 (Yong)模量。
μ,刚性应变或切变模量。
Ｋ,体积弹性模量。
K=E/2(1-2ν) ;
μ=E/2(1+ν) ;
E=9Kμ/(3K+μ)
三者关系,
4.2.1拉伸试验
当材料的形变在应力去除之后仍不能完全恢
复时，说明材料发生了塑性形变。材料开始
发生塑性形变时所对应的应力称为屈服强度，
用 ζs 来表示。
塑性形变
对于金属来说，这也是位错开始滑移所需的
应力。
对于没有明显屈服点的材料，习惯上把应变
量为 0.2%所对应的应力规定为屈服强度，用
ζ0.2来表示。
4.2.1拉伸试验
图 4.3低碳钢应力 -应变曲线中
的上屈服点和下屈服点
4.2.1拉伸试验
材料的 抗拉强度 对应于应力应变曲线的最
大应力。 材料的延性 为材料截面积的减少
量或者伸长的百分率。
在从屈服到抗拉强度的这段应力应变曲线
中，应力持续增加，这表明试样形变时发
生了硬化现象，这就是 加工硬化
4.2.1拉伸试验
把拉伸试验用于科学研究时，更有意义的是应力 -
应变曲线的准确形状和它的细节，以及屈服应力
与断裂应力随温度、合金化添加物与晶粒大小而
变化的关系。
利用拉伸试验也可以确定断裂的类型。
?“杯 -锥”型断裂
?解理断裂
?晶间断裂
4.2.1拉伸试验
4.2.2弯曲试验
图 4.4
4.2.2弯曲试验
许多脆性材料表面存在裂纹，很难进行一
般的拉伸试验。有时，刚刚把脆性材料安
装在拉伸机的夹头上，它就发生了断裂。
可以采用如图 4.5所示的弯曲试验来测定
脆性材料的力学性能。
断裂模量 = 3FL/2wh2
上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支
点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的
厚度。
图 4.5 3点弯曲试验示意图
4.2.2弯曲试验
图 4.6 弯曲试验曲线
4.2.2弯曲试验
挠曲模量 = L3F/4wh3δ
弯曲试验曲线的横 轴是材料的弯曲 δ。弯曲试
验得到的材料的弹性模量又称为挠曲模量,可
以从弯曲试验曲线的弹性区域的负载 F和弯曲
δ求出,
上式中,F为断裂时的负载,L为两个向上支
点之间的距离,w是试样的宽度,h是试样的
厚度。
4.2.2弯曲试验
因为裂纹在受到压应力时会闭合起来，所以脆
性材料的使用状态往往设计为压应力状态，而
不是拉应力状态。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。
材料 抗拉强度
(MPa)
抗压强度
(MPa)
弯曲强度
(MPa)
50%玻璃纤
维聚酯
160 220 310
Al2O3 200 2600 340
SiC 170 3800 550
表 4.1部分材料的抗拉强度、抗压强度和弯曲强度
4.2.2弯曲试验
材料的硬度 定义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。
4.2.3硬度试验
图 4.7 硬度试验示意图
硬度试验方法有十几种，常用的有洛氏
（ Rockwell）硬度试验、布氏（ Brinell）硬度
试验、维氏（ Vickers）硬度试验等。
4.2.3硬度试验
布氏硬度值（用 HB或 BHN表示）的定义为 P/A，
单位是 N/m2，其中 P是负载,A是形成压痕的球
帽表面积。
布氏硬度值 =2P/{πD2[1-(d/D)2]1/2}
其中,d和 D分别是压痕直径和压球直径。比值
d/D需要保持常数并且很小。
在实际工作中常用硬度值来粗略地比较材料的
力学性能。
例如硬度与材料的耐磨性能关系密切。
4.2.3硬度试验
硬度试验简便易行，一般只需几分钟就可以完
成一个硬度试验，对所测试样不需要进行特别
的加工处理，试验本身对试样也不会造成什么
破坏。
例如金属材料中的布氏硬度值 (HB)与抗拉强度
存在如下的经验公式：抗拉强度 =kHB
4.2.4 冲击试验
一种材料可能具有很高的抗拉强度，但是在冲
击负载条件下却可能无法应用。为此，常常采
用冲击试验来测量材料承受冲击的能力。
在冲击试验时，一个重物摆从高度 h0 落下，打击
并击断试样，然后继续运动到较低的高度 hf。从
摆的起始高度 h0 和最后高度 hf,可以计算其势
能差。这个势能差就是试样在断裂时所吸收的能
量，可以表示为材料的耐冲击能力。这种材料抵
抗冲击的能力又称为材料的冲击韧性。
4.2.4冲击试验
冲击试验有许多种方法，常用的有艾氏 (Izod)
冲击试验和夏氏 (Charpy)冲击试验。试样可
以有切口或没有切口。
具有 V型切口的试样适合用来测试材料抵抗
裂纹扩展的能力。
图 4.8 不锈钢和碳钢在不同温度下的夏氏
冲击试验结果。
4.2.4冲击试验
4.9材料的韧性、脆性与温度的关系
韧脆转变温度
4.2.4冲击试验
材料在机械加工、制造过程中可能会出现切口。
这些切口会引起应力集中，降低材料的冲击韧
性。通过比较有切口和无切口的试样的冲击试
验结果，可以得到材料的切口敏感性。如果材
料具有切口敏感性，那意味着这一材料的有切
口试样的吸收能远远低于无切口试样。
切口敏感性
4.2.4冲击试验
图 4.10
材料的冲击性能与其真
积有关。金属具有较高
的强度和较大的塑性，
所以它的韧性较好。而
陶瓷和许多复合材料虽
然具有很高的强度，但
是其只有很小或没有塑
性形变，韧性也差。
4.2.4冲击试验
断裂韧性就是表示含有裂纹的材料所能承
受的应力。
4.2.5断裂韧性
冲击韧性是材料性能的一个定性指标，而断
裂韧性则是材料性能的一个定量指标。
应力强度因子 K可由
下式计算,
K = fζ(πa)1/2
上式中,f是试样和
裂纹的几何因子,ζ
是作用应力,a是裂
纹尺寸。如果试样具
有无限的宽度，则 f
近似等于 1.0。
4.2.5断裂韧性
图 4.11断裂韧性试样
中的裂纹示意图
利用含有一个已知尺寸的裂纹的试样，可以测
得该裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临
界 K值。这个临界应力强度因子定义为材料的
断裂韧性 Kc。
Kc=裂纹扩展所需的 K值断裂韧性
K = fζ(πa)1/2
4.2.5断裂韧性
图 4.12断裂韧性与试样厚度的关系
断裂韧性与材料试样的厚度有关
4.2.5断裂韧性
（ 1） 裂纹尺寸 a越大，许可应力 ζ越低。
（ 2） 材料发生塑性变形的能力非常重要。
（ 3） 厚试样的断裂韧性比薄试样的要小。
（ 4） 增加负载速率，像冲击试验那样，往往
会减小材料的断裂韧性。
（ 5） 与冲击试验相同，降低温度会减小材料
的断裂韧性。
（ 6） 减小晶粒尺寸一般可以改善断裂韧性。
材料抵抗裂纹扩展的能力与许多因素有关,
4.2.5断裂韧性
4.2.6蠕变
如果在高温下给材料施加一个应力，即使这
个应力小于该温度下的材料屈服强度，材料
也可能发生塑性变形，以至断裂。这种现象
就称为蠕变。蠕变的定义是在恒定的压力下
材料的塑性流变。
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。
位错攀移，即位错能够在与滑移面垂直而不是平
行的平面上移动。
依靠这种攀移而脱离了杂质等束缚的位错就可以
在较低的应力下继续滑移，从而使材料在较低应
力状态下发生塑性形变。所以，时间是影响材料
高温形变的又一重要因素，而在室温下，时间对
材料的形变几乎没有影响。
4.2.6 蠕变
图 4.13 材料的蠕变曲线
4.2.6 蠕变
蠕变速率 =应变的增量 /时间的增量
图 4.14各种温度下的蠕变断裂试验数据
4.2.6 蠕变
4.2.7 疲劳
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
可能发生破坏。这种现象称为材料的疲劳。
疲劳破坏的发生一般分为三个阶段。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
受载荷时，材料将发生断裂。
人们设计出了各种类型的疲劳试验机器。在
这些机器中，所加的应力状态不同，比如弯
曲、扭转、拉伸或者压缩，但是有一点却是
相同的，即测量物质所受的应力循环是固定
的。为了表示出应力的特征，通常需要注意
三个问题，即最大应力范围、平均应力、应
力循环周期。
图 4.15应力循环的几种类型
(a) 反转； (b) 交替； (c) 涨落； (d) 重复
应力循环的四种不同的类型
旋转悬臂梁试验
图 4.16旋转悬臂梁疲劳试验
图 4.17疲劳实验的 S-N曲线
疲劳极限
疲劳寿命指的是材料在某种特定应力下发生疲劳
断裂所需的应力循环次数。
疲劳强度指的是在特定应力循环次数时不发生疲
劳断裂的前提下，材料所能承受的最大应力。
有些材料，例如钢铁，其疲劳极限大约等于屈服
强度的一半。所谓的耐疲劳比可由下式定义,
耐疲劳比 =疲劳极限 /屈服强度 ≈0.5
可以从屈服强度和耐疲劳比来估算材料的疲劳极
限。
