韧化途径
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
金属材料的强化与韧化
金属材料的强化与韧化机械工程学院机械工程1班刘文龙2011201120 对于金属材料来讲，最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。
简单的说，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
随着制造业及材料工业的快速发展，人们对高性能材料的需求已经越来越迫切，从目前角度来看，在不更改加工方式与行业整体现状的情况下，高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法，显然的，第二种方法更易实现，也更接近工程实际。
在现有的研究中，提高材料的强度主要有以下两种途径：1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷，使它的强度接近于理论强度，例如金属晶须等，但实际应用难度较大；2、在金属中引入大量缺陷，以此阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。
其中金属材料的强化主要有以下几种放法：1、固溶强化此方法是利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法，一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。
2、细晶强化此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。
3、第二相粒子强化此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。
4、形变强化金属在塑性变形过程中，位错密度会逐渐增加，使得弹性应力场不断变大，位错间交互作用增强，使得位错困难增强金属强度。
这里以金属的细晶强化方式举例，在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出，在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下，对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织，将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级，见图1。
通过试验发现，轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%，与空冷状态下的24.30%基本相等，但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa，提高了大约39.20%，抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa，提高了23.23%，可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显，适宜推广；而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发，均实现了细晶钢棒线材的工业化生产，并进行了推广应用。
金属的韧化方法及工艺
1、金属材料的韧化•各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故•促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的•为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性韧化原理•断裂韧性：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•提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性•断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高沿晶断裂与晶粒度•由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用•晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大•细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施•合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行•如E n24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，K IC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。
•K IC值：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
•它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
•通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益2、脆性相•脆性相对材料韧性的影响很复杂•①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多•②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性•③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性•④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响脆性相各种几何学参量对韧性影响•①含量(f v)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低•②大小(D) ： D愈大，韧性下降愈多•③间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高•④形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物沿纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差•⑤类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低3、韧性相对韧性的影响•①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止•②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性•③复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。
第8章_工程材料强化与韧化的主要途径
8.4 陶瓷材料的强韧化
8.4.1 陶瓷的强度与韧性
● 陶瓷材料强度与韧性的基本特征
陶瓷的晶体相一般由共价键和离子键构成，共价键有明显的 方向性和饱和性，而离子键的同性离子接近时斥力很大，所 以陶瓷的滑移系很少。大多数陶瓷室温拉伸时无塑性变形， 完全是脆性断裂（这是陶瓷作为工程材料应用的致命弱点）。 ●陶瓷材料的断裂强度的特点： 断裂强度的实测值一般比理论值低2~3个数量级。 抗拉强度比抗压强度低很多，其差别程度大大超过金属材料。 高脆性极大限制其强大结合键所应有的固有(断裂)强度的发挥。 ●陶瓷强度和韧性的影响因素 晶粒大小 气孔率(密度) 温度
● 细晶强化的原理 缘于晶界是位错运动的强障碍。外力的分切应力较大的
晶粒优先滑移，外力增大时滑移逐步转移到其他晶粒。且晶界上原子排列不 规则，富集杂质，有大量位错等缺陷，都妨碍位错运动，使材料强度升高。 晶粒越细，晶界越多，这一阻碍作用越强，多晶体的强度就越高。 ●实验证明，大多金属的屈服强度与晶粒直径 的关系满足Hall-petch关系式。
第8章
工程材料强化与韧化 的主要途径
本章主要内容
8.1 晶体中的位错与材料强度 8.2 金属材料强化的基本途径 8.3 金属材料的断裂与韧化途径 8.4 陶瓷材料的强韧化 8.5 高分子材料的强韧化
8.6 材料表面强化及表面改性处理技术
8.1 晶体中的位错与材料强度 8.1.1 材料的弹性变形与塑性变形
图8-12 位错切过第二相粒子 图8-11 位错绕过第二相粒子
●第二相的形状和分布状况不同，对材料性能的影响也不同， 具有良好第二相强化效果的合金必须具有下述微观特征。
图8-13 第二相强化型合金的微观特征
材料成型基本原理习题整理完成版
材料成型基本原理习题整理完成版一、概念1、温度场：是加热和冷却过程中某一瞬间的温度分布。
2、凝固：将固体材料加热到液态，然后使其按人们预定的尺寸、形状及组织形态再次冷却到固态的过程称为凝固。
3、粘度：原子承接相互阻碍运动的内摩擦力。
影响粘度因素：温度、表面活性元素、非表面活性元素。
4、体积成形：是在塑性成形过程中靠体积的转移和重新分配来实现的。
体积成形有自由锻造、模锻、轧制、挤压、拉拔等。
5、轧制：将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定孔形，使其形成一定截面形状的方法。
6、挤压：挤压是使大截面的毛坯在凸模的强大压力作用下产生塑性流动，迫使金属从模具型腔中挤出，从而获得一定形状和较小截面尺寸的工作。
7、拉拔：拉拔是将金属坯料的前端施以一定的拉力，使它通过锥形的凹模型腔，改变其截面的形状和尺寸的一种加工方法。
8、板料成形一般称为冲压，可分为落料、冲孔（分离工序，简称冲裁）、弯曲、拉深等工序。
9、加工硬化：冷态变形时，随着变形程度的增加，材料强度、硬度提高，塑性、韧性下降现象。
二、简答题1、材料加工的三要素：材料、能量、信息2、选择零件加工方法的原则：要考虑零件的形状、特征、工作条件及使用要求、生产批量和制造成本、现有环境条件等多因素，以达到技术上可行、质量可靠和经济上合理。
3、冷塑性变形的实质：多晶体变形主要是晶内变形，晶间变形起次要作用，而且需要有其他变形和机制相协调这是由于晶界强度高于晶内，其变形比晶内难，如发生晶界变形易引起晶界破坏和产生裂纹。
4、冷塑性变形特点：1.不是同时性；2.晶粒变形的相互协调性；3．晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间变形的不均匀性。
5、塑性板料成形方面发展方向：a.大批量向高速化、自动化发展。
b.发展多工位压力机。
c.发展冲压生产线。
d.小批量生产时期朝简易化、通用化发展，提高加工的“柔性”。
e.工艺过程模拟化和模具CAD/CAM。
6、柔性加工单元包括：开式双柱宽台面压力机、机器人、模具自动仓库、供料装置、堆垛起重机、成品传送带、废品传送带、操纵台等。
金属的韧化方法及工艺
1、金属材料的韧化•各种工程结构，如桥梁、船艇、飞机、电站设备、压力容器、输气管道等，都曾出现过不少低于材料屈服强度下重大的脆性断裂事故•促使人们认识到片面追求提高金属材料强度，而忽视韧性的做法是片面的•为了满足高新技术发展的需求，对于金属材料不仅要设法提高其强度，而且也需要提高其韧性韧化原理•断裂韧性：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•提高断裂韧性增加断裂过程中能量消耗的措施都可以提高断裂韧性•断裂韧性是材料的一项力学性能指标，是材料的成分和组织结构在应力和其他外界条件作用下的表现，在外界条件不变时，只有通过工艺改变材料的成分和组织结构，材料的断裂韧性才能提高沿晶断裂与晶粒度•由于晶界两边的晶粒取向不同，穿过晶界比较困难，穿过后，滑移方向要改变，起了强化和韧化的作用•晶粒愈小，则晶界面积愈大，这种强化和韧化作用也愈大•细化晶粒是达到既强化又韧化目的的有效措施•合金钢回火脆性时，断裂易于沿晶界进行•如E n24钢的奥氏体晶粒度由5~6级细化到12~13级，K IC值则由141MPam1/2提高到266MPam1/2。
•K IC值：指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
•它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
•通过晶粒细化，单位晶界面积偏聚的杂质含量相应减少，细化晶粒对于韧性有益2、脆性相•脆性相对材料韧性的影响很复杂•①少量的塑性变形若能使脆性相断裂或与基体分开，则会产生裂纹，降低断裂强度，脆性相愈大降低愈多•②晶界沉淀的脆性相，可以阻止晶界区的塑性松驰，起到硬化作用，可以通过位错塞积机理在晶界产生裂纹而降低韧性•③晶内脆性相，如排列较密，则可缩短位错塞积距离，使解理断裂不易发生，从而可提高解理断裂强度，也可阻止裂纹伸展，并使裂纹尺寸限于颗粒间距，从而提高解理断裂强度，若脆性相与基体结合较弱，则在缺口下的形变较均匀，减少应力三向性，也可提高韧性•④脆性相也可通过影响晶粒度而间接地影响韧性，脆性相大小对于晶粒度有不同的影响脆性相各种几何学参量对韧性影响•①含量(f v)：一般说来，fv愈高，则塑性和韧性越低•②大小(D) ： D愈大，韧性下降愈多•③间距(λ)：韧性断裂时，λ愈大，则韧性愈高，解理断裂时则相反；λ愈小，韧性反而愈高•④形状：球形时，韧性最高，尖角状时材料的韧性下降较多，夹杂物沿纵向的总长度愈大，则横向韧性愈差•⑤类型：塑性较好而与基体结合又较弱的脆性相（如MnS,Al2O3等）在形变过程中较早地沿脆性相与基体的界面开裂，塑性较差而与基体结合又较强的脆性相（如钢中TiC）在形变过程中，应力集中到一定程度可使其发生解理或破碎，使韧性降低3、韧性相对韧性的影响•①裂纹伸展遇到韧性相，由于韧性相不易解理断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而裂纹伸展受到阻止•②裂纹伸展到韧性相，由于直接前进受阻，被迫改向阻力较小及危害性较小的方向，例如分层，从而松驰能量，提高韧性•③复合结构例如多层板，可以使各组元在平面应力状态下分别承担负荷。
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。
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。
材料科学复习金属间化合物的韧化
材料科学复习金属间化合物的韧化金属间化合物韧化是指通过合适的添加元素或合金化设计，改善金属间化合物的机械性能，使其具有更好的韧性和延展性。
这是一项重要的研究领域，因为金属间化合物通常具有良好的高温强度，但在室温下却表现出脆性。
金属间化合物是由两种或更多金属元素形成的化合物。
它们在结构上通常具有复杂的晶体结构，例如金属间化合物中常见的L12、B2、DO3和DO22等结构。
这些化合物通常具有高硬度、高熔点和良好的高温力学性能，适用于高温环境中的应用，如航空航天、能源等领域。
然而，金属间化合物的脆性是其应用受限的主要原因。
脆性意味着金属间化合物在受到应力时容易发生断裂，而不能延展变形。
因此，改善金属间化合物的韧性成为研究的重点。
韧化金属间化合物的方法主要包括两个方面：元素合金化和微观结构设计。
元素合金化是通过添加适量的合金元素来改善金属间化合物的力学性能。
常用的合金元素包括第二和第三族过渡金属元素以及稀土元素。
这些元素的添加可以引起化合物晶体结构的畸变，从而改善材料的韧性。
例如，添加钽和铌等元素可以形成塑性相，提高金属间化合物的延展性。
添加稀土元素可形成粒界相，通过粒界滑移来提高金属间化合物的韧性。
此外，微观结构设计也是韧化金属间化合物的重要方法之一、通过调控晶界、位错、析出相和相变等微观结构的形成和演化，可以有效地改变材料的力学性能。
例如，通过减小晶粒尺寸可以提高材料的延展性和韧性。
此外，通过控制析出相的形态和分布，也可以增加金属间化合物的位移机制，从而提高材料的韧性。
在金属间化合物的韧化研究中，合金设计和微观结构调控常常是相辅相成的。
通过合金化设计，可以引入适量的合金元素来改善金属间化合物的力学性能。
而通过微观结构调控，可以进一步控制材料的位移机制和断裂行为，从而实现更好的韧性。
总之，金属间化合物韧化是材料科学领域的一个重要研究课题。
通过合金设计和微观结构调控，可以有效地改善金属间化合物的韧性和延展性，从而扩展其在各个领域的应用。
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）
第八章 工程材料强化与韧化的主要途径2012
金强化效果好；
(3)在固溶体的溶解度范围内，溶质的加入量越多，浓
度越大，强化效果越明显。与滑移面上溶质原子
的间距有关，间距越小，滑移面越粗糙，产生的 强化效果越明显。
固溶强化的应用：
碳、氮原子对α –Fe的强化，每溶解
质量分数为1％的C和N，大约相当于
强度提高450MPa
8.2.3 细晶强化(grain size strengthening)
1. 温度
温度越高，韧性越好，温度越低则越脆，与材料的结构 有关：
体心立方的金属材料较高的温度下韧性断裂，低温下发
生脆性断裂，温度越低，越接近于完全脆性断裂； 面心立方的金属材料较低的温度下也会表现一定的塑性， 不会发生完全脆性断裂。
脆性转变温度TC：
2. 化学成分
化学成分对脆性影响： (1)合金化元素提高强度，降低塑性 (2)杂质元素会显著增加金属的脆性 例如：碳钢中，S、P杂质极大提高了脆性 转变温度；金属中的气体
工程材料的位错阻力：晶体缺陷和第二相质点
8.2 晶体材料基本强化途径
8.2.1 冷变形强化(加工硬化、形变强化)
(strain strengthening)
1. 金属单晶体的加工硬化曲线
(1)易滑移阶段 (2)线性硬化阶段 (3)抛物线硬化阶段
晶体结构对单晶体加工硬化曲线的影响
2.多晶体的加工硬化曲线
化率明显高于单晶体
(1) 应力-应变曲线不出现第一阶段，加工硬
2.多晶体的加工硬化曲线
(2)细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金属
2.多晶体的加工硬化曲线
(3)合金比纯金属的加工硬化率要高
Al-Mg合金中Mg含 量对加工硬化的影响 1-3.228%Mg 2-1.617%Mg
相变韧化和弥散韧化
一、相变韧化
1.相变韧化机理
氧化锆增韧陶瓷的制得是利用陶瓷机体内 弥散的亚稳四方氧化锆(t-ZrO2 )粒子在受到外 力作用时转变为单斜氧化锆(m-ZrO2 )，吸收 了能量从而提升了陶瓷的韧性。
这类陶瓷有两类：（1）ZrO2基陶瓷，如 部分稳定氧化锆基体，四方氧化锆多晶体； （2）其他陶瓷基的陶瓷，如氧化锆增韧的 aAl2O3 陶瓷等。应力诱导氧化锆马氏体相变韧 化是 t-ZrO2 的主要韧化机理。关于相变韧化 机理的解释有几派观点，下面介绍Griffith解。
性的贡献，正比于
体积分数的平方根。
二、弥散韧化
弥散韧化的机理
在前面讨论弥散强化时，硬质点提高基体 强度的同时会降低韧性。如果基体本身就是脆 性材料，塑性区很小，那末粒子可能提高其韧 性，这就是弥散韧化的出发点。例如，在cZrO2与Al2O3，t-ZrO2与 Al2O3是复合陶瓷中， 前已指出，应力诱导ZrO2马氏体相变韧化是tZrO2的主要韧化机理，而c-ZrO2的韧化机理是 弥散韧化。
相变韧化和弥散韧化
随着现代科学技术对新材料的需要，现代 陶瓷得到了发展。现代陶瓷领域有三个方面： （1）结构陶瓷；（2）电子陶瓷；（3）涂层。 陶瓷材料具有脆性的固有弱点，提高现代陶瓷， 特别是结构陶瓷的韧性是非常重要的课题。经 过人们的努力，高韧性陶瓷的研究取得了显著 的进展。
高韧性陶瓷复合材料的韧化有两种机理： （1）过程区域机理，包括相变韧化，微裂 纹韧化，孪晶韧化等；（2）桥接区域韧化， 包括弥散韧化，晶须韧化，纤维韧化等。其 中相变韧化和弥散韧化的效果最为明显，有 代表性的是氧化锆增韧陶瓷。
在复合陶瓷中，当裂纹遇到第二相粒子时会避开粒子而偏转， 在弥散粒子之间走“之”字，裂纹形状和长度的改变，新 的断裂表面的形成都会吸收能量，从而提高材料的韧性。 裂纹遇到圆柱状弥散粒子时发生偏转而“之”字的示意图 如图7-94所示
4。钢的强韧化机理
σy：屈服强度
σ＞ σy ＞
材料开始塑性变形
σn：裂纹形核应力 σc：裂纹扩展应力 σn ≈ σy ， σc很低（ σn ＞ σc ），裂纹一旦 很低（ ），裂纹一旦 形核， 形核，立即导致断裂 脆性断裂 σc很高（ σn ＜σc ）， 裂纹扩展很 很高（ 慢，韧性断裂 σn ＞ σy ， 断裂前有一定的塑性 σc ＞ σn ＞ σy ， 韧性断裂 韧性断裂
机理） １．绕过机理（Orowan机理） 绕过机理（ 机理 第二相质点与基体非共格， 第二相质点与基体非共格，质点较硬 第二相质点间距) △σp＝K·G·b/λ (λ ：第二相质点间距 质点增多， ，强化↑ 质点增多， λ ↓，强化
２．切过机理 质点较细小， 质点较细小，与基体保持共格关系
～ △σp＝K·f1/3～1/2·d’1/2
晶粒大小对韧性的影响: 晶粒大小对韧性的影响 σc 、 σy 、Tc和d的关系 的关系 设 σcT1 —— T1温度下的裂纹扩展临界应力 σcT2 —— T2温度下的裂纹扩展临界应力 σyT1 —— T1温度下的屈服强度 σyT2 —— T2温度下的屈服强度 T2＜T1
画出σ 画出 c－d-1/2、σy－d-1/2曲线
σc 的大小与可动位错有关 的大小与可动位错 可动位错有关 塑性区中ρ↑，可动位错 ， 塑性区中 ，可动位错↑， σc ↑， ， 韧性↑，裂纹不易扩展， 韧性 ，裂纹不易扩展，裂纹尖端塑性区 中的应力集中可由位错移动而缓和。 中的应力集中可由位错移动而缓和。 材料的塑性和韧性是由σ 材料的塑性和韧性是由 y、σn、σc 的相对大小决定，认为随材料的 的相对大小决定，认为随材料的σy ↑，δ ， 总是趋于降低的说法是不全面的。 和αK总是趋于降低的说法是不全面的。
钢的强韧化处理机制
钢的强韧化处理机制王立洲（辽宁工程技术大学材料科学与工程学院阜新123000）本文根据钢的淬火组织特点,归纳了提高钢强韧性的途径,介绍了一些强韧化处理工艺。
随着工业的发展,各种机械对钢铁材料的机械性能要求逐渐增高。
材料及热处理工艺的研究得到迅速的发展。
其中,利用现有材料,通过调整一般的热处理方法,在同时改善钢的强度和韧性指标方面的工作取得了显著的进步。
它对充分发挥材料的性能潜力有着重要的意义。
这些工艺方法通称为强韧化处理,是热处理发展的一个值得注意的方向。
强韧化处理的发展是建立在我们对钢中各种组织的特点,形成条件,机械性能,以及在外力作用下的破断过程的认识不断深入的基础之上的。
透射电子显微镜技术的应用,使我们对各种组织超显微精细结构的认识跨进了一大步,开始有可能比较深入地研究组织和机械性能的关系。
另一方面,从材料断裂过程的研究中知道,在各种应力作用下,材料的破断是通过微裂纹的形成及扩展的方式进行的。
钢铁材料的各种组织形态在各种应力状态下,抵抗微裂纹的形成和扩展的能力是不同的,因此表现出不同的性能指标。
但是无论哪一种组织,只要它形成微裂纹的倾向比较小,或者微裂纹一旦形成后,在这类组织中扩张时消耗的功愈大,它就会有较高的强韧性。
这样,我们就有可能采用适当的热处理工艺方法和调整工艺参数,能动地控制钢的组织,充分利用对钢强韧化有利的因素,排除不利的因素,更充分地发挥材料的强度和韧性的潜力。
目前发展的强韧化处理工艺有多种多样,归结起来,它们大多通过一种或几种途径达到强韧化效果的。
(1)充分利用位错型马氏体和下贝氏体组织形态,尽量减少或避免片状孪品马氏体的出现。
(2)细化钢的奥氏体晶粒和细化过剩碳化物。
(3)获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织。
(4)形变热处理。
下面将简要介绍这些强化处理的机理。
一位错型马氏体的扩大应用很久以来就知道,在保证淬、回火零件强度指标的前提下,选用含碳量较低的钢,能够使零件热处理后获得较高的韧性。
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韧化的主要机理有应力诱导相变增韧,相变诱发微裂纹增韧,残余应力增韧等。
几种增韧机理并不互相排斥,但在不同条件下有一种或几种机理起主要作用。
相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变,从而增韧的效果,统称为相变增韧。
例如,利用的马氏体相变来改善陶瓷材料的力学性能,是目前引人注目的研究领域。
研究了多种?的相变增韧,由四方相转变成单斜相,体积增大3% 5%,如部分稳定,四方多晶陶瓷(TZP), 增韧陶瓷(ZTA), 增韧莫来石陶瓷(ZTM), 增韧尖晶石陶瓷, 增韧钛酸铝陶瓷, 增韧陶瓷,增韧以及增韧等。
其中PSZ陶瓷较为成熟,TZP,ZTA,ZTM研究得也较多,PSZ,TZP,ZTA等的新裂韧性已达,有的高达,但温度升高时,相变增韧失效。
当部分稳定陶瓷烧结致密后,四方相颗粒弥散分布于其他陶瓷基体中(包
括本身),冷却时亚稳四方相颗粒受到基体的抑制而处于压应力状态,这时基体沿颗粒连线方向也处于压应力状态。
材料在外力作用下所产生的裂纹尖端附近由于应力集中的作用,存在张应力场,从而减轻了对四方相颗粒的束缚,在应力的诱发
作用下会发生向单斜相的转变并发生体积膨胀,相变和体积膨胀的过程除消耗能量外,还将在主裂纹作用区产生压应力,二者均阻止裂纹的扩展,只有增加外力做
功才能使裂纹继续扩展,于是材料强度和新裂韧性大幅度提高。
因此，这种微结构会产生三种不同的增韧机理。
在氧化锆中具有亚稳态四方相的盘状沉淀的微粒，如图1-55所示。
首先，随着裂纹发展导致的应力增加。
会使四方结构的沉淀相通过马氏体相变转变为单斜结构，这一相变吸收了能量并导致体积膨胀产生张应力。
这种微区的形变在裂纹附近尤为明显。
其次，相变的粒子周围的应力场会吸收额外的能量，并形成许多微裂纹。
这些微结构的变化有效地降低了裂纹尖端附近的有效应力强度。
第三，由于沉淀颗粒对裂纹的阻滞作用和局域残余应力场的效应，会引起裂纹的偏转。
裂纹偏转又引起裂纹的表面积和有效表面能增加，从而增加材料的韧性。
上述的情况同样适甩于粒子和短纤维强化的复合材料中。
微裂纹增韧：部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中,存在较粗四方相向单斜相的转变,引起体积膨胀,在基体中产生弥散分布的裂纹或者主裂纹扩展过程中在其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹,这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分叉或改变方向,增加了主裂纹扩展过程中的有效表面能,此外裂纹尖端应力集中区内微裂纹本身的扩展也起着分散主裂纹尖端能量的作用,从而抑制了主裂纹的快速扩展,提高了材料的韧性。
表面残余压应力增韧：陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。
控制含弥散四方颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相相变,引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力。
由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹,表面残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展,从而起到了增强增韧的作用。
弥散增韧: 在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料,达到增韧的效果,这称为弥散增韧。
这种细粉料可能是金属粉末,加入陶瓷基体以后,以其塑体变形,
来吸收弹性应变能的释放量,从而增加了断裂表面能,改善了韧性。
细粉末也可能是非金属颗粒,在与基体生料颗粒均匀混合之后,在烧结或热压时,多半存在于晶
界相中,以其高弹性模量和高温强度增加了整体的断裂表面能,特别是高温断裂韧性。
当基体的第二相为弥散颗粒时,增髯机制可能是裂纹受阻或裂纹偏转、相变增韧和弥散增韧。
影响第二相颗粒增韧效果的主要因素是基体与第二相颗粒大弹性模量和热膨胀系数之差以及两相之间的化学相容性。
其中,化学相容性是要求
既不出现过量的相间化学反应,同时又能保证较高的界面结合强度,这是颗粒产生有效增韧效果的前提条件。
当陶瓷基体中加入的颗粒具有高弹性模量时就会产生弥散增韧。
其机制为:复合材料受拉伸时,高弹性模量第二相颗粒阻止基体横向收缩。
为达到横向收缩协调，必需增大外加纵向拉伸压力，即消耗更多外界能量，从而起到增韧作用。
颗粒弥散增韧与温度无关，因此可以作为高温增韧机制。
纤维增强增韧复合材料，将在下节陈述。
在过去的20年中，人们在陶瓷材料的增韧方面做了大量的工作，通过对材料微结构的控制，成功的提高了断裂韧性和多晶、多相陶瓷的强度。
到目前为止人们已经得到强度约1GPa，断裂韧性6~l0Mpa.m1/2的氮化硅；微粒稳定氧化锆和四方多晶氧化锆的断裂韧性和强度已可分别达到6~l0MPa.m1/2和
0.6~lGPa；具有金属韧性的易延展陶瓷(金属的体积百分含量不超过30％)显示出更高的断裂韧性(10~15 MPa.m1/2)。
而利用纤维增强的复合材料则因为其复合结构能在材料发生断裂前吸收大量的断裂功，有更加惊人的韧性，标准的屈服测量结果显示其断裂韧性可以达到20~25 MPa.m1/2。
但值得注意的是复合材料的断裂过程与Griffith理论所描述的尖锐裂纹的传播过程是不同的。
所有这些断裂韧性的进步使陶瓷材料增加了许多新的在结构方面的应用。
例如，氮化硅在汽车部件(涡轮压缩机转子等)及高温汽轮机上的应用、形变增韧多晶氧化锆及其复合材料在大范围的低温条件下的应用，及纤维状或须状纤维增强的玻璃、玻璃状陶瓷和多晶陶瓷在发动机部件、切割工具、轴承等许多方面上的应用。