9材料的强化和韧化
第8章工程材料强化与韧化的主要途径PPT课件
●细晶强化还受温度影响。
一般来说，高于1/2T溶时,晶界滑动成为材料形变的重要组成部分。 晶粒越细，单位体积内晶界面积越多，越容易滑动 ，这就导致高
温下细晶材料反比粗晶材料为软。
因此，高温合金一般希望获得粗晶组织。
●生产中细化晶粒的一些途径： 例如，对铸态使用的合金—— 可通过合理控制合金的熔炼和铸造工艺来细化晶粒， 如增大过冷度、加入变质剂、进行搅拌或振动凝固等； 对热轧或冷变形后退火使用的合金—— 可通过控制变形度、再结晶退火的温度和时间来细化晶粒； 对热处理强化使用的合金—— 可通过控制加热和冷却工艺参数，利用相变重结晶来细化晶粒。
位错的运动； ✓ 溶质原子常常被吸附在位错线的附近，降低了位错的能量，阻碍其运动。 固溶强化的影响因素 ✓ 溶剂原子与溶质原子的直径、电化学特征等的差异 ✓ 固溶体的类型
✓ 溶质的加入量 △σss = 2△τss = ΣΚiСi
● 几乎所有对综合力学性能要求较高的结构材料都是以固溶体作为最主要的 相组成物.
概念：金属材料在再结晶温度以下塑性变形(冷塑性变形)时强度和硬度升 高，而塑性和韧性降低的现象，称冷变形强化或加工硬化。
冷变形强化的原理 金属在塑性变形过程中，晶粒破碎、晶格扭曲的程 度不断加重，位错密度不断增加,使得弹性应力场不断增大，位错间的交 互作用不断增强。因而，位错运动的障碍越来越多、阻力越来越大，导 致位错的运动越来越困难，这时需要更大的力才能克服障碍而使位错运 动或产生新的位错，从而使材料的强度、硬度增加。
8.2.4 第二相强化(分散强化)
概念 通过基体中分布细小弥散的第二相粒子(质点)而产生强化 的方法，称为第二相强化或分散强化。 第二相粒子强化比固溶强化的效果更显ห้องสมุดไป่ตู้，但对塑性、韧性产
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化是一种通过改变材料的微观结构和化学成分，提高材料的强度和韧性的方法。
它涉及到一系列的力学和物理机制，以下是一些常见的强化韧化机理：
1.晶粒细化：通过控制材料的热处理或变形加工条件，可以
使晶粒变得更加细小。
细小的晶粒能够阻碍位错和裂纹的运动，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
2.相界增多：通过形成更多的相界面，例如晶界、相界以及
位错堆垛等，可以阻碍位错和裂纹扩展。
相界增多提供了额外的韧性机制，从而提高材料的韧性。
3.增强相分散：在基体材料中加入第二相颗粒或纳米颗粒，
可以形成复相结构。
这种复相结构能够阻碍位错运动和裂纹扩展，提供更高的强度和韧性。
4.锁定位错：通过在材料中引入位错锁定机制，可以阻止位
错的移动和滑移，从而提高材料的强度和韧性。
5.固溶强化：通过向基体材料中加入合金元素，调整其晶格
结构，形成的固溶体能够在晶内形成固溶强化效应，提高材料的强度和韧性。
6.相互作用增强：通过精细调控材料的化学成分和结构，使
不同相之间发生特定的相互作用，例如化学键的形成、界面的相容性等，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
通过利用上述强化韧化机制，材料科学家和工程师能够设计和
制造出具有优异综合性能的材料，满足不同领域对材料性能的需求。
每种机制的适用性取决于材料的类型和应用要求。
材料韧化的基本原理
材料的强韧化
相对分子质量增大使分子键的缠结点增多，有利于伸长 率和强度的提高，两者又使高分子材料的冲击韧性获得 改善。
(3) 嵌段共聚与冲击韧性 在玻璃化温度高的链段之间嵌入玻璃化温度低的链段可 发挥良好的配合作用，既保证高的强度和硬度，又又好 的韧性。
(4) 共混与冲击韧性 与橡胶态高聚物掺混的树脂。橡胶颗粒的承载作用
5 强化同时的 增韧(1)位错强化与 Nhomakorabea性和韧性
位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性 。可动的未被锁住的位错对韧性的损害小于 被沉淀物或固溶原子锁住的位错。故提高可 动位错密度对塑性和韧性均有利。
(2)固溶强化与塑性 固溶强化应在保证强度的同时提高塑性 。通过添加合适的合金元素，如，Ni， 可促进交滑移，改善塑性。 另外，调整间隙原子的添加浓度，实现 强度和塑韧性的最佳配合。
三、无机非 金属材料的 韧化机理
ZrO2陶瓷中四方相的ZrO2向单斜相的ZrO2转变，伴 随有体积膨胀。当有较大外应力作用时，基体的约束 作用减弱，促进相变，会引发微裂纹，从而消除应力 集中，吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。
(1) 相变增韧
材料的强韧化
大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。如果在主 裂纹尖端存在相变诱导微裂纹区，由微裂纹吸收 裂纹扩展过程中的能量，则可有效阻止主裂纹的 扩展，起到增韧的目的。
材料的强韧化
(3)细化晶粒 与塑性
细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧性，是 目前公认最佳的实现材料强韧化的途径。
(4)沉淀相颗粒与塑性
沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和 硬度，但可能会明显降低塑性和韧性。尤其 ，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析 出的沉淀相，均显著降低材料塑性。 减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状 和分布状态，可改善材料塑性。
第9章 材料强韧化
三、位错强化（加工硬化） 位错强化（加工硬化）
金属强度与位错密度之间关系密切。 金属强度与位错密度之间关系密切。
（2）加工硬化 ）
FCC单晶体 的应力—应 变曲线
பைடு நூலகம்
四、弥散强化或沉淀强化
强化作用。 第二相以细小弥散微粒均匀分布在基体相中 → 强化作用。 第二相通过过饱和固溶体时效处理而沉淀析出产生强化 → 沉淀强化或时效强化。 沉淀强化或时效强化。 第二相借助于粉末冶金方法加入起强化作用→ 弥散强化 第二相颗粒强化作用： 第二相颗粒强化作用： 微粒分为： 微粒分为：1）不可变形颗粒； 不可变形颗粒； 2）可变形颗粒
组织利用间隙固溶强化。 M 组织利用间隙固溶强化。 强韧性配合较合理。 低碳位错型 M ：强韧性配合较合理。 原因：不出现点阵正方度畸变，溶质偏聚在刃位错线附近， 原因 ： 不出现点阵正方度畸变 ， 溶质偏聚在刃位错线附近 ， 位错可带着气团运动。 位错可带着气团运动。 固溶高碳量，点阵畸变位置多， 固溶高碳量，点阵畸变位置多，规则排列区域减小 →切变 抗力↑ ，正断抗力减低↓ 晶界或障碍前位错塞积引起应力集中 → 脆性断裂 低塑性和韧性
通常以裂纹形核和扩展能量消耗或裂纹扩展抗力标志 材料韧性。 材料韧性。 组织结构不同，断裂方式不同，断裂机制不同。 组织结构不同，断裂方式不同，断裂机制不同。 导致材料脆化； 促进裂纹形核和扩展 —— 导致材料脆化； 导致材料韧化。 缓和裂纹形核和扩展 —— 导致材料韧化。
断裂分： 断裂分：韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂：微孔形成、聚集长大，塑性起主导作用。 韧性断裂：微孔形成、聚集长大，塑性起主导作用。 改善金属材料韧性途径： 改善金属材料韧性途径： 减少诱发微孔组成相，如减少沉淀相数量； ① 减少诱发微孔组成相，如减少沉淀相数量； 提高基体塑性，增大裂纹扩展能量消耗； ② 提高基体塑性，增大裂纹扩展能量消耗； 增加组织均匀性，减小应力集中； ③ 增加组织均匀性，减小应力集中； 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界形核与扩展； ④ 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界形核与扩展； 各种强化方法对韧性产生影响。 ⑤ 各种强化方法对韧性产生影响。
材料韧化的基本原理课件
材料在受力下发生形变的能力，与其韧性和可加工性术
通过韧化处理，提高轮对的 耐疲劳性和抗冲击性，保障 高速列车的安全和稳定性。
航空航天结构材料 的韧化
在航空航天领域，韧化技术 能够提供更轻、更强、更耐 久的结构材料。
汽车车身材料的韧 化
通过韧化处理，汽车车身材 料可以提高抗碰撞性能，保 护乘客的安全。
材料韧化的基本原理课件
材料韧化的基本原理
引言
介绍材料韧化的概念和意义
韧化方法
纳米结构设计
通过控制材料的纳米结构，提高其韧性和强 度。
淬火处理
通过快速冷却材料，增加其硬度和韧性。
宏观结构设计
通过优化组织结构，使材料具有更好的韧性 和塑性。
拉伸
通过施加拉伸力，提高材料的韧性和强度。
韧化机制
晶粒细化
发展趋势
1
材料韧化技术的发展现状
目前，材料韧化技术在各个领域取得了显著的进展，应用越来越广泛。
2
材料韧化技术的未来发展趋势
未来，材料韧化技术将更加注重多功能、多尺度和可持续发展。
结论
总结材料韧化的基本原理，强调其对材料性能提升的重要作用。 展望材料韧化技术的未来，鼓励更多的研究和应用。
通过控制材料的晶粒尺寸，增加其韧性和强度。
位错抑制
通过减少材料中的位错，提高其韧性和塑性。
晶界强化
通过增加晶界的强度和稳定性，增强材料的韧性。
弥散相增强
通过添加颗粒或纤维弥散相，提高材料的韧性和 强度。
韧化材料的性能
韧性
材料抵抗断裂和变形的能力，是衡量其韧化效果的重要指标。
强度
材料抵抗外部力量的能力，决定其是否能承受重载。
强化韧化
其他强化方法
形变热处理强化 界面强化 纤维强化 …
将高强度材料制成纤维，通过一定方法 将纤维束布置在基体金属中
金属材料的强化增加材料Fra bibliotek部缺陷，提高强度
在金属中增加大量缺陷，以阻碍位错的运动
固溶强化
细晶强化
第二相强化 相变强化
0.2 μm
形变强化
固溶强化
融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。
间隙固溶体
溶质原子嵌入晶格间隙中
常用名词
硬度 强度 刚度
抵抗变形 同种材料 材料局部抵抗硬物强度越高 材料在外力作用下 构件产生单位变形 VS 压入其表面的能力硬度越高 抵抗破坏的能力 弹性变形 所需的外力值
不同材料 无法对比 屈服强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 … 材料自身 VS 成品构件 影响刚度 的因素是 材料的弹 性模量和 结构形式
置换固溶体 溶质原子替换溶剂原子晶格中位置
细晶强化
晶界是位错运动的障碍，晶界越多，则位 错运动阻力越大，屈服强度越高。
霍尔佩奇（Hall-Petch）关系式
细化晶粒可增加单位体积内的晶界 面积，相对减少晶界上夹杂物含量
晶界既是位错运动的阻力，也是裂 纹扩展的障碍
高温形变时晶界成为薄弱环节
特殊热处理
超高温淬火、亚临界区淬火、性变热处理等
谢谢聆听！
常用名词
材料的强化和韧化
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反的 A、B相遇抵消， 留下位错环，位错 增殖
位错线绕过粒 子，恢复原态， 继续向前滑移
第10页，共18页。
❖强化机理
第二相粒子强化
➢易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错切割机制
位错切过粒子的示意图
Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过 Ni3Al粒子的透射电子显微像
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
第7页，共18页。
霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式 ❖ σy ＝ σi＋ky·d-1/2
σi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径
➢ 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）
➢ 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，
✓在纳米晶粒，晶界核心区原 子所占的比例可高达50%
✓理论模拟的结果显示存在 一个临界尺寸dc
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间
反Hall-Petch效应
第8页，共18页。
第二相粒子强化
❖分类
➢通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化
➢通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
❖强化效果
➢相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和 分布等都对强化效果有影响
➢第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
第9页，共18页。
强化机理
第二相粒子强化
不易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
金属材料强化与韧化手段
钢的韧化方法钢的韧化方法包括：(1)细化晶粒法；(2)合金化法；(3)纯净化法；(4)位错板条马氏体韧化；(5)高温形变热处理；(6)利用稳定奥氏体使钢韧化；(7)利用介稳奥氏体使钢韧化；(8)回火和其他方法。
(1)细化晶粒法常温或低温下，在利用细化晶粒提高钢的强度的同时，还可改善钢的韧性，特别是低温韧性。
这是细化晶粒方法的突出优点。
因为细化晶粒不仅增大钢的屈服强度(@),而且增大钢的断裂强度O b)。
这样，随着晶粒的不断细化，钢从脆性断裂过渡到韧性断裂(沪os)，如图3所示。
晶粒尺寸]/ ■图3新裂强度s和屈服强度6与晶粒尺寸M的关糸（2）合金化法合金元素锰和镍能使钢的韧性提高。
锰因为能减少晶界碳化物，细化珠光体，相应也细化铁素体晶粒，从而提高铁素体一珠光体钢的韧性。
镍是提高钢的韧性最有效的元素，这是因为镍能提高铁素体基体的韧性，并使晶粒细化的缘故。
（3）纯净化法除去钢中夹杂、气体及有害元素，尽可能降低钢的碳含量是提高钢韧性的有效方法。
钢中非金属夹杂物是断裂的裂纹源。
在冶炼上采用真空除气，电渣重熔、真空白耗重熔和各种炉外精炼技术，提高钢的纯净度，可显著改善钢的韧性。
钢中磷、硫、砷、锑等有害元素的去除，也能改善钢的韧性。
钢中的碳，虽然在很多情况下是不可缺少的元素，但碳却使钢的韧性显著恶化，因此，在可能的条件下，应尽量降低钢的碳含量。
（4）位错板条马氏体韧化铁碳合金中，碳含量＜0. 30%时，淬火马氏体的形态主要为位错板条马氏体；碳含量＞0. 6%时，主要为内孪晶马氏体。
一般认为，化学成分相同，位错马氏体与内孪晶马氏体的强化效果相当，而位错马氏体具有较好的韧性。
原因可能是位错马氏体的板条尺寸很小，类似于非常细的晶粒，可阻止裂纹的传播；而孪晶片状马氏体，厚度较大，且内部孪晶取向相同，类似于粗大的晶粒，从而韧性较差。
另外，位错马氏体板条之间的残留奥氏体塑性良好，使得钢的韧性改善。
（5）高温形变热处理将钢在高于临界点A C3以上的较高温度（如在奥氏体的再结晶温度以上）奥氏体化，然后预冷到稍高于A。
无机材料的强化和增韧
微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为
K I C C (E C (J m J 1 b J 1 f))1 /2
J J K 式中
为C 复合陶瓷断裂韧性，
分别为桥联I和C 拔出引起的断裂1能b变化。
为复合陶E瓷C弹性模量， 1f
J 为基体材料断裂能， m 和
B DB
T
桥联与拔出增韧机理示意图
桥联相与基体界面间分离长度以及拔出相长度的大小直接影响到桥联和拔出作用的增韧效果，因此桥 联相与基体在物理和化学性质上的相互匹配十分重要，合理的两相界面设计是提高桥联和拔出增韧作 用的关键。
平均残余热应力q引起的断裂韧性变化量为
K IC [E C (JM J Jy) d1 /]2
式中为基K为体I复中C 合与陶裂瓷纹的扩总展体相断关裂的韧能性量，，
三.陶瓷材料的增韧
应力pA
裂
W
纹
不受约束 受 约 束 时作用区 时
(a) 作用区
(b) 临界转变
粒子尺寸
温度等
P/=ET 原始裂纹位置
应力 (PAii)c
P/=EU 应变A
应力
K
I
/
2r
裂
纹
(c) 裂
纹
KILocal/ 2r
与裂纹尖端距离r
W a
转变区表面 (d)
(a)裂纹尖端应力场引起的转变区，(b)典型马氏体相变应力应变行为，(c)裂纹尖端应力 场变化，(d)裂纹扩展进入转变区受到残余应力作用
Crac k
Domai n
LiTaO3 Particle
裂纹偏转和分支
(a)
(b
B
A
)
C
(c) A
0.1 m
(d )
材料强韧化原理总结汇报
材料强韧化原理总结汇报材料强韧化是材料科学和工程领域中一个重要的研究方向，它的目标是使材料具有更好的强度和韧性，以应对各种极端环境和工况下的应力和应变。
强韧化的关键在于改变材料的微观结构和组织，通过优化晶体结构、界面微观结构、晶界结构等方面的设计来增加材料的韧性和强度。
强韧化原理可以归纳为以下几个方面：1. 平衡硬度和韧性：在材料设计中，平衡硬度和韧性是一个重要的考虑因素。
硬材料通常具有较高的强度，但韧性较低；而韧性材料往往具有较高的韧性，但是强度相对较低。
研究人员通过调整材料组分、控制材料的微观结构和制备工艺等手段，实现了硬度和韧性的平衡，从而达到强韧化的效果。
2. 晶体结构优化：晶体结构对材料的强度和韧性具有重要影响。
通过优化晶体的晶格结构、晶间间隙等因素，可以使晶体材料变得更强韧。
例如，通过控制晶体的取向和晶界的分布，可以增加材料的界面耐久性和韧性。
3. 界面微观结构设计：材料中的界面在强韧化中起着至关重要的作用。
界面是不同材料相互作用的区域，通过优化界面的微观结构，可以增强材料的界面结合力、界面位错密度等，从而提高材料的强度和韧性。
4. 晶界工程：晶界是晶体内部的缺陷，也是材料中强韧化的关键环节。
通过调控晶界的大小、方向、位错密度等参数，可以有效地延缓裂纹的扩展速度，增强材料的韧性。
晶界工程在金属、陶瓷和复合材料等领域具有广泛应用。
5. 添加强化相和纳米颗粒：通过向材料中添加强化相和纳米颗粒，可以改变材料的内部结构，增强材料的强度和韧性。
强化相和纳米颗粒可以阻碍材料中的位错和裂纹的传播路径，同时提高材料的界面结合力和位错密度，从而增加材料的韧性。
6. 合理应力分布：在材料强韧化中，合理的应力分布是关键。
通过调整材料内部的应力分布，可以有效地减少应力集中区域，降低材料的应力集中度，从而提高材料的韧性。
综上所述，材料强韧化是通过微观结构和组织设计来提高材料的强度和韧性的过程，具体包括平衡硬度和韧性、晶体结构优化、界面微观结构设计、晶界工程、添加强化相和纳米颗粒以及合理应力分布等方面的研究，通过这些措施来增强材料的界面结合力、位错密度、界面耐久性等性能，提高材料的韧性和强度。
材料的强化与韧化
材料的强化与韧化材料的强化与韧化是指通过一系列的方法和工艺，提高材料的强度和韧性，从而增加其使用寿命和可靠性。
在工程领域中，强度和韧性往往是评价材料性能的重要指标之一、强度是指材料抵抗外部应力引起的破坏的能力，而韧性是指材料在受到外部应力时能够发生塑性变形而不破裂的能力。
强度和韧性的提高可以使材料更适合于承受高强度和高载荷的工作环境，以及更好地抵抗损坏和断裂。
1.固溶强化：通过固溶合金元素或合金化来增强材料的强度。
固溶合金元素可以在基体中形成固溶体或形成新的晶体相，从而提高材料的强度。
与基体原子相互作用的固溶元素可以阻碍晶格滑移和位错运动，从而增强材料的强度。
2.细晶强化：通过细化晶粒结构来提高材料的强度。
细小的晶粒可以增加材料的晶界面积，从而增加位错与晶界的相互作用机会，增强材料的抗位错运动能力，提高强度。
3.相变强化：通过相变来改变材料的微观结构，从而提高材料的强度。
相变时会产生局部应变和应力场，从而阻碍位错运动和塑性变形，提高材料的强度。
4.显微组织控制强化：通过控制材料的显微组织，如晶粒形状、相分布和相互作用等，来增加材料的强度。
控制材料的显微组织可以将位错和晶界的相互作用最大化，从而阻碍位错运动和滑移，提高材料的强度。
材料的韧化主要有以下几种方式：1.纳米颗粒强化：纳米颗粒在材料中的分布可以阻断裂纹的扩展，增加材料的韧性。
纳米颗粒可以吸收部分应变能，通过控制纳米颗粒的尺寸和分布，可以有效地提高材料的韧性。
2.相变韧化：通过相变来改变材料的微观结构和组织，从而增强材料的韧性。
相变时会产生内应力和晶界，可以阻碍裂纹扩展，提高材料的韧性。
3.变形和断裂机制的优化：通过调节材料的微观结构，改变材料的变形和断裂机制，从而提高材料的韧性。
例如，增加材料的位错密度和滑移系统数量可以增加材料的塑性变形，提高韧性。
4.多元合金化：通过合金化来改变材料的组成和微观结构，从而增加材料的韧性。
合金化可以引入不同的元素和相，从而改变材料的微观结构，提高材料的韧性。
材料的强化与韧化PPT课件
疏。
2021
3.1 金属及合金的强化与韧化
(a)为强相互作用的结果； (b)为弱相互作用的结果 图 由于溶质原子与位错线间相互202作1 用的不同对其可弯曲性的影响
3.1 金属及合金的强化与韧化
若以l和L分别表示两种情况下可以独立滑移的位错段平均长度， F为溶质原子沿滑移方向作用在位错线上的阻力，则使位错运动所 需的切应力可表示为
第3章 材料的强化与韧化
2021
研究材料强韧化的意义
强度和韧性是衡量结构材料的最重要的力学性 能指标。由于新型、先进材料的结构的复杂化、多 样化，加之其昂贵的成本，使得传统的材料设计制 备方法已远远满足不了材料强韧化的要求。换言之， 为了有效地提高材料的强度和韧性，必须对材料的 整体结构进行多组分设计，包括材料组分、微结构、 界面性能和材料制备工艺等。
G b5 42r4
' G
16Kb
3.1 金属及合金的强化与韧化
弹性位错单位长度L的定义示意图
2021
3.1 金属及合金的强化与韧化
铜合金中固溶强化和溶质原子202与1 螺型位错相互作用的关系
3.1 金属及合金的强化与韧化
溶质原子分布示意图
2021
3.1 金属及合金的强化与韧化
3.1.2 非均匀强化
bil(L/l)1/n。若此时外加切应力为c，遂得:
c
i
(
l )1 L
2
位错曲率
Gb 2
L
b i (lFra bibliotek1L) 2
c Gb2c5320(21 lnc)2 溶质浓度
3.1 金属及合金的强化与韧化
铜合金中固溶强化与晶2021 格畸变间的关系
3.1 金属及合金的强化与韧化
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化机理是金属材料科学中的一个重要概念，它涉及到材料性能的改善，尤其是硬度和韧性这两个重要的力学性能指标。
强化与韧化通常是材料改性处理的目的，使其在保持足够强度的同时，提高抵抗断裂的能力。
1. 强化机制：
强化主要通过以下几种方式进行：
- 固溶强化：通过添加合金元素使基体材料内部形成固溶体，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。
- 时效强化：通过加热、保温然后冷却的过程，使材料内部析出第二相粒子，位错运动受到阻挡，提高材料强度。
- 应变强化（加工硬化）：通过冷加工（如轧制、锻造等）使材料内部产生大量位错，位错交互作用增加，从而提高材料的抗拉强度。
- 晶粒细化强化：通过控制加工工艺使材料晶粒细化，晶界数量增多，位错运动阻力增大，材料强度提高。
2. 韧化机制：
韧化主要通过以下方式实现：
- 细化晶粒：晶粒越细，晶界越多，晶界能阻止裂纹扩展，从而提高材料韧性。
- 第二相颗粒强化：在材料基体中引入弥散分布的第二相颗粒，如陶瓷颗粒、金属间化合物等，可以阻滞裂纹的扩展，起到钉扎位错的作用，提高材料韧性。
- 亚微观结构调控：通过调整材料内部的层片状、孪晶、位错胞等亚微观结构，使材料在遭受冲击或负载时分散并吸收能量，从而提高韧性。
- 混合韧化：结合多种韧化机制，如相变韧化（马氏体钢的相变）、沉淀强化与韧化并存（航空铝合金的时效处理）等，实现强度和韧性的同步提升。
无机材料的强化和增韧
弥散颗粒含量大、平均间距小且颗粒半径较大时，微裂纹弯曲增韧作用较大。
2R c
裂纹弯曲示意图
⑤ ④ ③
②
d
D
①
裂纹被第二相粒子钉扎和脱开过程 ①Approaching, ②encountering and pinning,
③protruding, ④combining, ⑤divorcing
(a)
应力诱发t-m相变的增韧公式
KIC(KI0C )22RE i( 1V G C2Use)f1/2
K 式中
0 为无相变基体材料的断裂韧性， IC
G C 为化学驱动力，
U sef 为残留相应变能。
R 为相变区宽度， E 为弹性模量， 为波松比， Vi 为可转变t相的体积分数，
相变增韧的奉献
2.微裂纹增韧 微裂纹增韧〔microcrack toughening〕是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹，这些尺寸很小的 微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开而分散和吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性进步。
平均剩余热应力q引起的断裂韧性变化量为
K IC [E C (JM J Jy) d1 /]2
式中为基K为体I复中C 合与陶裂瓷纹的扩总展体相断关裂的韧能性量，，
这种技术是通过改变外表化学的组成，使外表的摩尔体积比内部大。外表体积膨大受到内部材料的 限制，就产生两相状态的压应力。
K V V3(1 E2) V V
〔〕
假设： V 2% V
E70GPa0.25 那么： 93M 0 a
此外， 将外表抛光及化学处理以消除外表缺陷也能进步强度。
三.陶瓷材料的增韧
➢ 相变增韧 ➢ 微裂纹增韧 ➢ 裂纹偏折和弯曲增韧 ➢ 裂纹分支增韧 ➢ 桥联与拔出增韧 ➢ 延性颗粒增韧 ➢ 剩余热应力增韧 ➢ 压电效应损耗能量增韧 ➢ 电畴翻转增韧 ➢ 复合韧化机制
材料的强韧性及其应用
材料的强韧性及其应用强度：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
金属材料的强化1. 材料强化的类型：主要有细晶强化（晶界强化）、固溶强化、形变强化（位错强化）、第二相粒子沉淀（沉淀强化和弥散强化）、相变强化等。
2. 强化机制：(1) 细晶强化（晶界强化）：晶界分为大角度晶界和小角度晶界。
晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。
晶界处位错密度较大，对金属滑移(塑性变形)、位错运动起阻碍作用，即晶界处对塑性变形的抗力较晶内为大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也困难。
因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈服强度也越高。
方法：根据晶界强化的原理，在热处理工艺方法上发展了采用超细化热处理的新工艺，即细化奥氏体(A)晶粒或碳化物相，使晶粒度细化到十级以上。
由于超细化作用，使晶界面积增大，从而对金属塑性变形的抗力增加，反映在力学性能方面其金属强韧性大大提高。
如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热处理新技术方法有以下三种。
①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理。
由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提高，在10-2~1s的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A）状态，此时A的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达104℃/s以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一般高频淬火比较硬度可高出Hv50，而变形只有高频淬火的1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。
②利用奥氏体(A)的逆转变钢件加热到A后，淬火成M，然后快速(20s)内重新加热到A状态，如此反复3~4次，晶粒可细化到13~14级。
③采用A-F两相区交替加淬火采用亚温淬火(F+A双相区加热)，在提高材料强韧性的同时显著降低临界脆化温度，抑制回火脆性。
在A-F两相区交替加热，可使A/F相界面积大大增加，因而使奥氏体形核率大大增多，晶粒也就越细化。
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长程交互作用（作用距离大于10b） 长程交互作用（作用距离大于10b） 10b
由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同）， 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同）， 导致共格界面失配， 导致共格界面失配，从而造成应力场
第二相粒子强化的最佳粒子半径
综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的 最佳粒子半径rc=(Gb2)/(2σs)
金属材料的韧化
材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 强度与塑性 综合表现 当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展。 当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展。通常 形核和扩展 以裂纹形核和扩展的能量消耗 裂纹扩展抗力来标示材料 能量消耗或 以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料 韧性。 韧性。 材料的韧性与金属组织结构密切相关的， 材料的韧性与金属组织结构密切相关的，它涉及到位错的 运动，位错间的弹性交互作用， 运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相 的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、 的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和 晶界的作用等
形变强化（加工硬化） 形变强化（加工硬化） 定义 强化机理
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加， 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， 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
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
提高金属材料强度途径
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力 两种方法 完全消除内 部的缺陷， 部的缺陷， 使它的强度 接近于理论 强度 增加材料内 部的缺陷， 部的缺陷， 提高强度
退火状态 材 料 强 度 无缺陷的 理论强度 冷加工 状态
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
提高金属材料强度途径 增加材料内部的缺陷， 增加材料内部的缺陷，提高强度
σi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm） 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中， 在纳米晶粒，晶界核心 区原子所占的比例可高 达50% 理论模拟的结果显示存 在一个临界尺寸dc
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间
反Hall-Petch效应
第二相粒子强化 分类
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制 位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反 的A、B相遇抵 消，留下位错环， 位错增殖
位错线绕过 理
易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错切割机制
位错切过粒子的示意图
Ni-19% Cr-6% Al合金中位错切过 合金中位错切过 Ni3Al粒子的透射电子显微像 粒子的透射电子显微像
切过粒子引起强化的机制 短程交互作用
位错切过粒子形成新的表面积， 位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴， 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产 生反相畴界能 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 纳力τ 高于基体等， 派-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
细晶强化
定义 强化机理
晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同， 晶界两侧晶粒的取向不同 当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加 之这里杂质原子较多 增大了晶界附近的滑移阻力， 杂质原子较多， 之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
金属材料韧性表征及韧化原理 金属材料韧性表征
材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸 收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧 性愈高 断裂韧性 冲击韧性
韧化原理
增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂 韧性
金属材料韧化途径
细化组织韧化 韧性相与脆性相的比例、 韧性相与脆性相的比例、分布
基体韧性相 纤维、 纤维、晶须等
韧化工艺
熔炼铸造（减少缺陷） 熔炼铸造（减少缺陷） 热处理韧化 压力加工
即在金属中引入大量的缺陷， 即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动 固溶强化 细晶强化 第二相粒子强化 形变强化
固溶强化
定义 本质
利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化
强化机理
间隙固溶体 碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙 中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应 间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交 间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交 弹性 互作用，使金属获得强化。 互作用，使金属获得强化。 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球 面对称的， 面对称的，因而强化效果要比填隙式原子小
材料的强化和韧化
强韧化意义
提高材料的强度和韧性 节约材料，降低成本， 节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的 可靠性和延长服役寿命
注意
希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性， 希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性， 通常的材料二者不可兼得 理解材料强韧化机理， 理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化本质 合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料 性能潜力
晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作， 需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易 穿过晶界， 穿过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 晶粒越细 多晶体的强度就越高
霍耳-配奇 霍耳 配奇(Hall-Petch)关系式 配奇 关系式 σy ＝ σi＋kyd-1/2
晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作， 需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易 穿过晶界， 穿过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 晶粒越细 多晶体的强度就越高
定义 强化机理
细晶强化
晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同， 当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加 晶界两侧晶粒的取向不同 之这里杂质原子较多 增大了晶界附近的滑移阻力， 杂质原子较多， 之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
通过相变（热处理） 通过相变（热处理）获得 析出硬化、 析出硬化、沉淀强化或时效强化 通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
强化效果
相粒子的强度、体积分数、间距、 相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响 第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
第二相粒子强化
强化机理
不易形变的粒子
形变强化（ 形变强化（加工硬化）
不利方面
金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加， 金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的 冷加工需要消耗更多的功率 形变强化使金属变脆， 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化， 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
限制
使用温度不能太高，否则由于退火效应， 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性 对于脆性材料， 能