材料强化和韧化
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
第十章_材料的强化与韧化
（7）纤维、晶须增韧 纤维或晶须具有高弹性和高强度，当它作为第二 相弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为 基体分担大部分外加应力而产生强化。当有裂纹时， 裂纹为避开纤维或晶须，沿着基体与纤维或晶须界面 传播，使裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加而 增韧。 在裂纹尖端附近由于应力集中，纤维或晶须也可 能从基体中拔出。拔出时以拔出功的形式消耗部分能 量，同时在接近尖端后部，部分未拔出或末断裂的纤 维或晶须桥接上下裂纹面，降低应力集中，提高韧性。 在裂纹尖端，由于应力集中可使基体和纤维或晶须间 发生脱粘，脱粘大幅度降低裂纹尖端的应力集中，使 材料韧性提高。
第十章 材料的强化与韧化
第一节 金属材料的强韧化 第二节 陶瓷材料的强韧化 第三节 高分子材料的强韧化 第四节 复合材料的强韧化
对结构材料，最重要的性能指标是强度和韧性。 * 强 度：材料抵抗变形和断裂的能力； * 韧 性：材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。 提高材料的强度和韧性，可以节约材料、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，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。 所以人们在利用材料的力学性能时，总希望材料 既具有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料 往往二者不可兼得。 理解材料的强化和韧化机理，以提高材料的强度 和韧性。
裂纹顶端应力诱发t →m相变增韧机理
（2）微裂纹增韧 在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引 起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散均 布的微裂纹[图(a)]，当导致断裂的主裂纹扩展时， 这些均匀分布的微裂纹会促使主裂纹分叉(图(b))， 使主裂纹扩展路径曲折前进，增加了扩展过程中的 表面能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材 料的韧性。
第二节 陶瓷材料的强韧化
1.2 第1章_钢合金化概论-钢的强化和韧化
2、影响塑性的因素
溶质 原子
↓ 韧性，间隙溶质原子 > 置换溶质原子。
晶粒 度
第二 相 杂质
细晶既↑σS，又 ↑ 韧性 → 最佳组织因素。
K↓韧性。K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质往往是形变断裂的孔洞形成核心， → 提高钢的冶金质量是必须的。
3、改善钢韧性的途径
1.改善延性断裂的途径 2.改善解理断裂抗力的途 径 3.改善沿晶断裂抗力的途径
锰对钢γ区的影响
铬对钢γ区的影响
3、对γ-Fe区的影响
A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室 温下也为A体 — A钢； F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高 温下仍为F体 — 铁素体钢。
二、 合金钢的加热A化
α+ Fe3C (或 K) →
γ
α→γ： 需要Fe重组和 C扩散
Fe3C或K：需要溶解于γ
s 0 Ks d
著名的Hall-petch公式 式中，d为晶粒直径，Ks为系数
1/ 2
机理
晶粒越细 → 晶界、亚晶界越多→ 有效 阻止位错运动，产生位错塞积强化。
效果
↑钢的强度，又↑塑性和韧度 这是最理想的强化途径.
3、第二相强化
表达式
P K P
1
机理
微粒第二相钉扎位错运动→强化效果 主要有切割机制和绕过机制。在钢中主 要是绕过机制。 两种情况：回火时弥散沉淀析出强化， 淬火时残留第二相强化。 有效提高强度，但稍降低塑韧性。
效果
提高强度，降低塑韧性
固溶强化的规律
（ 1）溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小，其固溶 强化效果愈好。
置换元素对α-Fe屈服强度的影响
固溶强化的规律
材料科学基础材料韧化基本原理
材料的强韧化
三、无机非金属材料的韧化机理
(1) 相变增韧 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。
一、金属材料的韧化原理
材料的韧性是强度和塑性的综合体现
改善材料的韧性的基本途径
1 减少诱发微裂纹的组成相 2 提高基体的塑性 3 增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中） 4 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展
材料的强韧化
5 强化同时的增韧
(1)位错强化与塑性和韧性 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。
(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。
材料的强韧化
二、高聚物的韧化原理
(1) 增塑剂与冲击韧性 添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子 容易运动，使高分子材料的冲击韧性提高。
材料的强韧化
(3)亚结构为高密度位错, 位错强化作用
(4)可动位错缓解局部应力集中, 延缓裂纹产生, 塑性和韧性
(5)残余奥氏体薄膜阻挡裂纹扩展, 塑性和韧性
材料的强韧化
二、高分子材料强韧化的例子 三、陶瓷材料强韧化的例子
Al2O3-ZrO2 +Y2O3 (ZTA)陶瓷材料
材料的强化和韧化
➢ 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，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，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 能
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 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。通常 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。
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，加之 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
➢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）
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 位错线绕过
的A、B相遇抵 粒子，恢复
消，留下位错环， 原态，继续
位错增殖
向前滑移
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
➢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
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。
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
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
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。
韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现b..
材料的强化与韧化韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现；强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性则表示材料断裂时总的塑变程度。
金属材料的强化方法大体分为四类：固溶强化、细晶强化、形变强化、沉淀相颗粒强化等。
固溶强化是指纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象。
根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体。
固溶强化的特点：（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大；（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大；（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；（3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。
晶粒细化是一种有效的既可提高金属材料强度又可改善韧性的手段，这是其他强化方式如加工硬化、时效强化等方法难以达到的。
细化晶粒提高材料强度和硬度主要来源于晶界对位错运动的阻碍作用，而改善韧性源于晶界面积增加使单位面积上偏聚的杂质原子数量减少，降低材料脆性转变温度。
多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的目的。
形变强化是指金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为盈利不断上升。
随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加。
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，位错间的相互作用不断加强，因而位错运动越来越困难。
晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力，可以有效地提高金属的强度。
曲线明显可分为三个阶段：I．易滑移阶段：发生单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，θI 很低，约为10-4G数量级。
II．线性硬化阶段：发生多系滑移，位错运动困难，θII 远大于θI 约为G/100—G/300 ，并接近于一常数。
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。
2.钢的强化和韧化
转变温度相同 ：
（碳化物量增多）
思考题:
1. 钢中最常用的强化方式有哪些? 它们对材料的强度
和韧性有何影响?
2．固溶强化可分哪两类？对强韧性的影响各有什么特点？
３．为什么细化晶粒能同时提高金属材料的强度和塑性？
４．用图示意说明钢中铌、钒、钛含量对铁素体晶粒大小
ηa——外加的分切应力
ηc——邻近晶粒位错源开动所需的应力
应力集中与位错塞积数目成正比，塞积群大→应力集中大 粗晶粒，d大，塞积距离长，应力集中↑，所需外力↓，就 可达到ηc
细晶粒，d小，塞积距离短，应力集中↓，所需外力↑，
才可达到ηc ，使邻晶粒开动 细晶材料的强度大 另一方面 粗晶粒：变形不均匀，应力集中大，裂纹易形核，塑性差 细晶粒：变形较均匀，外加应力大，大量的晶粒同时实现塑 性变形，变形的协调性好，塑性好 1
d1——T1温度的临界晶粒直径 d ＞d1 d＜d1 脆性状态 韧性状态
T2：B点是韧脆转变的临界点 d2——T2温度的临界晶粒直径
T2＜T1，d2＜d1
说明温度降低
时需要更细的晶粒才能维持足够 的韧性 结论： ① 晶粒愈细，韧性愈高 （d↓，ζc与ζy差距变大） ②晶粒愈细，脆性转变温度愈低
2.4 沉淀强化（析出强化）
①γ→α相变前，在γ中析出粗大的Nb(CN)，对强化作用很小
② γ→α相变时， Nb(CN)沿γ→α 晶界呈点列状析出 ③相变后， Nb(CN)在α中微细析出，强化效果显著 图4－18示出Nb、V、Ti材料的强化情况 △ζGy——细晶强化 △ζ0 ——析出强化
Nb钢：细晶强化大，析出强化也大 V 钢：析出强化大，细晶强化小 Ti 钢：两种强化均有限
6
6
2.2 位错强化（形变强化） 一．定义 在塑性变形中，随变形程度↑，基体强度↑的现象。
材料强韧化
** 陶瓷增韧机理: (1) 在裂纹尖端周围分布着非弹性变形的区域，它们 由于相变或微裂纹所引起的。 (2) 由纤维或晶须，或未破坏的带状第二相所引起的 裂纹桥联。
** 韧化方法： （1）氧化锆相变增韧
当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的四方 t-ZrO2粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对t-ZrO2的 压抑作用首先在裂纹尖端得到松弛，促发t-ZrO2 → 单斜m-ZrO2的相变，产生体积膨胀形成相变区。由 此产生的相变应力又反作用于裂纹尖端，降低了裂 纹尖端的应力集中程度，发生所谓的钝化反应，减 缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。
材料的强韧化
（Strengthening and Toughening of Material ）
1概述
材料研究最终目的：使用。 挖掘材料性能潜力：各种各样处理 提高力学性能的处理——强化与韧化。
2 金属材料强化机理
2.1、固溶强化
Cu.4弥散强化或沉淀强化
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。 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： 微粒分为：1）不可变形颗粒； 2）可变形颗粒 两类粒子与位错交互作用方式不同，强化途径不同。
3.3. 位错强化与塑性、韧性 位错密度↑，位错间交互作用↑，可动位错↓ → 塑性、韧性降
低。 提高可动位错密度对提高塑性、韧性有利。
3.4．沉淀相颗粒与塑性 析出相（沉淀相）强化 → 塑性下降。 原因：常以本身断裂或颗粒与基体间界脱开诱发微孔 →
塑性降低。 ① 沉淀相颗粒越多，强度越高，塑性越低； ② 呈片状沉淀相对塑性损害大，呈球状损害小； ③ 沉淀相颗粒均匀分布对塑性影响小；
03 材料的强化与韧化解析
➢通常金属材料强度提高，塑性往往下降，韧性也随 之降低；而陶瓷材料强度提高，断裂韧性也随之增大， 所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。
2、影响强度的因素
（1）组织缺陷 先在的缺陷、裂纹等
（2）微观组织结构 气孔率、晶粒尺寸、晶粒形状、晶界相、第二相、不
同相的热膨胀系数差异等。 （3）温度
3.1 金属及合金的强化与韧化
形变强化
纯
金
属
细晶强化
形变强化
固溶强化
细晶强化 合
金
第二相强化
纤维强化
界面强化
沉淀强化 弥散强化
形变热处理强化、相变强化
一、形变强化
它不是工业上广泛应用的强化方法，它受到两 个限制：
➢ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会 软化；
➢ 由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金 属，一般不宜利用形变强化来提高强度性能。
➢要在提高强度的同时，又能改善韧性，降低脆性，可 从三方面着手： 一、改善合金的化学成分和冶炼生产方法，去除或固定 对韧性不利的有害因素； 二、获得可达到最佳韧性的显微组织和相分布； 三、细化显微组织，细化晶粒。
3.2 陶瓷材料的强化与韧化
1、陶瓷材料的力学性能特点： ➢强度（断裂强度）高，硬度大，E大，共价键具有方 向性，难以发生位错的运动与增殖，易发生脆性断裂， 即强度较高、韧性差。
（3）复合强化增韧 如纤维、晶须或颗粒增强的金属/陶瓷或陶瓷/陶瓷复合材料可以 达到强化、增韧的效果，尤其是纳米颗粒的增韧效果十分显著。
（4）表面残余压应力增韧 通过引入残余压应力而增高。陶瓷断裂往往起始于表面裂纹，而表 面残余压应力阻止了表面裂纹的扩展，起到增韧作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间 反Hall-Petch效应
第7页/共17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
强韧化意义
提高材料的强度和韧性 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， 通常的材料二者不可兼得
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
第1页/共17页
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，使它
无缺陷的 材 理论强度 料 强 度
的强度接近于 理论强度
退火状态
冷加工 状态
➢ 增加材料内部 的缺陷，提高 强度
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
第2页/共17页
提高金属材料强度途径
增加材料内部的缺陷，提高强度
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
➢ 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，因而在冷加工过程中需要进行 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，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 能
第14页/共17页
金属材料的ch)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
第5页/共17页
❖定义
细晶强化
❖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，加之 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
➢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
材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 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。通常 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。
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，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、沉淀相和 晶界的作用等
第8页/共17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）
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 位错线绕过
的A、B相遇抵 粒子，恢复
消，留下位错环， 原态，继续
位错增殖
向前滑移
第9页/共17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
第10页/共17页
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，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，产
➢基体韧性相 ➢纤维、晶须等
韧化工艺
➢熔炼铸造（减少缺陷） ➢热处理韧化 ➢压力加工
第17页/共17页
第3页/共17页
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 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，因而强化效果要比填隙式原子小
第4页/共17页
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，加之 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
➢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
生反相畴界能 ✓ 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的派
-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
➢长程交互作用（作用距离大于10b）
✓ 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，从而造成应力场
第11页/共17页
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=(G·b2)/(2·σs)
第12页/共17页
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，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
➢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
第13页/共17页
❖不利方面
形变强化（加工硬化）
第15页/共17页
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
第16页/共17页
金属材料韧化途径
细化组织韧化 韧性相与脆性相的比例、分布