金属材料强韧化原理及应用ppt课件
金属材料强韧化原理及应用ppt课件
Water – icosahedron（二十面体） Ether – dodecahedron（十二面体）
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 人类对材料微观结构认识的发展过程
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金属材料强韧化原理及应用
金属材料强韧化机理
物理强韧化：是在金属内部晶 体缺陷的作用和通过缺陷之间 的相互作用，对晶体的力学性 能产生一定的影响，进而改变 金属性能
化学强韧化：是元素的本质决 定的因素以及元素的种类不同 和元素的含量不同造成的材料 性能的改变
物理强韧化
化学强韧化
Q:相交处的强韧 化机制是什么？
固溶强化
弥散强化
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用
金属强化的途径
细晶强化
Grain refine strengthening: 通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为 细晶强化。
Decreasing grain size ⇒ σy increases ⇒ εu vanishes
即为通常所讲的强度上升， 而塑性下降。
未取向，实际强度比理论值小1000倍左右
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用
一些金属材料的理论强度与实际强度
实际材料断裂时的临界分切应力
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
Al 1.3
4.3
Mn 0.8
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
第1章钢合金化概论钢的强化和韧化课件
Si能溶于ε ，不溶于Fe3C ，Si要从ε 中出去
↓ε-FeXC的形核、长大
↓ε→ Fe3C 效果: 含2% Si能使M分解温度从260℃提高到350℃以上
(2)对残余A转变的影响
(3)回火时K的形成
各元素明显开始扩散的温度为：
Me
Si
Mn
Cr
(2) Me对A晶粒长大倾向的影响
➢合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，
越不易溶入A中，能阻碍晶界长大，显著细 化晶粒。 按照对晶粒长大作用的影响，合 金元素可分为：
①Ti 、V 、Zr 、Nb等强烈阻止A晶粒长大，
Al在钢中易形成高熔点AlN 也能强烈阻止晶粒长大；
、Al2O3细质点，
AlN含量对A晶粒度的影响
第二 相
K ↓韧性。 K 小、匀、圆、适量 → 工艺努力方向。
杂质
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 3.改径善沿晶断裂抗力的途径
4、提高钢韧度的合金化途径
1)细化晶粒、组织—— 如Ti 、V 、Mo； 2) ↑回火稳定性 —— 如强K形成元素 ； 3)改善基体韧度 —— Ni ； 4) 细化K —— 适量Cr 、V ，使K小而匀 ； 5) ↓回脆 —— W 、Mo ； 6)在保证强度水平下，适当↓含C量.
效果
有效提高强度，但稍降低塑韧性。
钢强度表达式
位错被质点障碍物所挡住
4、位错强化
表达式
机理
位错密度ρt →tt位错交割、缠结， → 有效地阻止了位错运动 → t钢强度。
效果
金属材料的强韧化机制与应用
金属材料的强韧化机制与应用对结构材料来说，最重要的性能指标是强度和韧性。
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标；韧性指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
以下介绍金属材料的主要强韧化机制。
一、金属材料的强化金属材料强化的类型主要有固溶强化、细晶强化（晶界强化）、第二相粒子强化和相变强化。
（一）固溶强化固溶强化是利用金属材料内部点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使得金属基体（溶剂金属）获得强化的一种方法。
它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。
1. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。
C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。
当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“S nock”气团。
这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。
2. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为软硬化。
形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。
由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。
（二）细晶强化晶界分为大角度晶界（位向差大于10o）和小角度晶界（亚晶界，位向差1~2o）。
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。
第十章_材料的强化与韧化ppt课件
第十章 材料的强化与韧化
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（c）韧性相的加入：如少量的残余奥氏体可提高不锈 钢的韧性。 （d）基体：调整基体的组织结构。
（2）韧化工艺 （a）熔炼铸造：成分控制、夹杂物和气体含量控制等。 （b）压力加工：晶粒控制、组织控制。 （c）热处理：组织控制。（淬火、回火和时效、形变 热处理等）
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第二节 陶瓷材料的强韧化
** 陶瓷和玻璃的断裂韧性是相当低的，克服陶瓷的
（2）分子量 在分子量较低时，断裂强度随分子量的增加而提
高；在分子量较高时，强度对分子量的依赖性逐渐降 低；分子量足够高时，强度实际上与分子量无关。
（3）交 联 适度的交联可有效地增加分子链的作用力，使高
聚物材料的断裂强度提高。
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2）高分子聚集态结构的影响 （1）结晶度
对韧性塑料，随结晶度的提高，其刚度、强度提 高，而韧性下降；
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控制纤维或晶须与基体之间保持适中的结合强度， 使纤维或晶须既可承担大部分的应力，又能在断裂 过程中以“拔出功”等形式消耗能量，可获得补强 和增韧两者的较佳配合。
8）表面残余压应力增韧 陶瓷材料的强韧化，可以通过引入残余压应力而
增高。由于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。
如Cu-Ni无限互溶固溶体等。
（2）细晶强化 细化晶粒可以提高金属的强度，其原因在于晶界
对位错的阻滞效应。 .
金属材料的强韧化机理与实践
• 钨钼的低温再结晶脆性： 在高温下使用的钨钼回到室温附近时表
现严重的脆性，加工过程及使用过程中产生 各种形式的脆性破裂。
产生原因: 本征脆性 间隙杂质在晶界上偏聚
• 钨钼的强韧化途径：
钨合金 抗震钨 稀土钨
纯净化 合金化
钼合金 掺杂钼 稀土钼
三、铝合金的强韧化
• 细晶强化 • 热处理强化 • 第二相粒子强化
细晶强化
• 变质处理
目的: 减少枝晶距及元素偏析,细化晶粒 变质剂: B、Ti、Zr, RE(La,Ce,Pr,Nd,Sc,Er)
微量Sc和Zr添加到Al-Mg-Mn合金中，因显著细化合金的铸态晶拉, 热轧 态合金的拉伸强度和屈服强度分别提高了75~90 MPa和90~94 MPa,而延 伸率仍保持在11%~12%
固溶强化
固溶强化：C原子在面心立方晶格中造成的 畸变呈球面对称，所以C在A中的间隙强化作用属于 弱硬化。置换原子在A中的强化作用比C原子更小。
固溶强化是钢铁材料主要强化手段之一，其 基本内容可归纳为两点：
①间隙式固溶强化对F基体(包括M)的强化效能最大，但对 韧性、塑性的削弱也很显著；
②置换式固溶强化对F强化作用虽然比较小，却不削弱基 体的塑性和韧性。
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。
第十部分 材料的强化和韧化
第十部分材料的强化和韧化1、强韧化意义1 提高材料的强度和韧性2 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3 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增加材料内部的缺陷，提高强度固溶强化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霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式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二相粒子强化强化机理：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第二相粒子强化强化机理：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)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，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。
金属材料的强韧化
当由于模具结构的要求，尖锐圆角不 允许消除时，可将整体结构改成组合式或将 圆角的加工放在最终热处理后进行。 如内四方头螺栓，原设计用冷镦模镦 制，使用寿命500件，在冲头圆角过渡应力 集中部位折断；后来改进设计，加大圆角过 渡部位的半径，由R＝0.127mm增大到 0.381～0.5mm，寿命提高到12000～27000件， 仍在圆角过渡处断裂失效；第二次改进设计 成组合式，寿命提高到100，000件，最终以 磨损失效
C 由于粒子的点阵常数与基体不一样， 粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场， 阻碍位错运动。 D 由于粒子的层错能与基体的不同，扩 展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引 起能量升高，从而强化。 E 由于基体和粒子中滑移面的取向不一 致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶， 而割阶会妨碍整个位错线的移动。 增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提 高强度。
塑料模钢选用时要兼顾其在塑料成 形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性，同时还 应考虑其加工性能和镜面度。 热处理不当是导致模具早期失效的重 要因素。热处理对模具寿命的影响主要反映 在热处理技术要求不合理和热处理质量不良 两个方面。统计资料表明，由于选材和热处 理不当，致使模具早期失效的约占70％。
位错的交割1刃型位错之间的交割1两个位错相互垂直两个b也相互垂直1两个位错相互垂直两个b也相互垂直即b1b2交割前交割后2两个位错相互垂直两个b相互平行交割前交割后2螺型位错之间交割两个相互垂直的螺位错相向运动交割后的情况位错间相互交割时的变化
材料的强韧化
主讲人：邵红红
强韧化问题的主要着眼点在于 材料的性能。
模具的质量包括模具的精度、表面光洁 度和模具寿命3个方面。模具的精度和光洁 度主要由机加工决定，而模具的寿命取决于 设计、加工、材料、热处理和使用操作等多 个因素，其中材料和热处理是影响模具使用 寿命最重要的内在因素。
金属材料的强韧化.概要
金属强韧化从机理上划分可分为三种：
(1) 物理强韧化
金属内部晶体缺陷的作用和通生一定
的影响，进而改变金属性能的现象。
(2)化学强韧化
指的是元素的本质决定的因素以及元素 的种类不同和元素的含量不同造成的材料性 能的改变。这里包括了元素之间的相互作用 和结合对性能带来的影响，也包括元素的含 量不同造成的由量变到质变的许多问题。
3、位错强化
（1） 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。 流变应力τ 和位错密度的关系： 培莱-赫许公式
（2）加工硬化
4、沉淀相颗粒强化
（1）可变形微粒的强化作用——切割机制 适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。 主要有以下几方面的作用： A 位错切过粒子后产生新的界面，提高了界 面能。 B 若共格的粒子是一种有序结构，位错切过 之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒 子时需要附加应力。
材料的强韧化
主讲人：邵红红
强韧化问题的主要着眼点在于 材料的性能。
调整化学成分 细化晶粒 金属材料的强韧化 形变热处理 复相热处理 下贝氏体强韧化
复习
强度 是材料抵抗变形和断裂的能力。 塑性 表示材料断裂时总的塑变程度。
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。 材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的 多少表示韧性的高低．
图中阴影区域是23刃位错多余半原子面的区域， 如果这段位错沿滑移面移动，必然导致这个多余 半原子面扩大或缩小，即发生位错大攀移。
二、化学强韧化
化学强韧化的核心意义是阐述元素以化
学相互作用方式强韧化的概念、内涵、化学
强化所面对的结合键和材料腐蚀的问题。
讨论四：金属材料的强韧化ppt课件
1.6
4.2
；.
4
材料强度与缺陷数量的关系
材 无缺陷的理论强度 料 强 度
冷加工状态
退火状态 缺陷数量
；.
5
金属材料的韧性
➢ 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表示材料韧性。 ➢ 裂纹形核前的塑性形变、裂纹的扩展是与金属组织结构密切相关的， Nhomakorabea；.
12
细晶强化
• 细化晶粒可以提高金属的强度。 1.晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错在多晶体中运动时，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，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进 入第二个晶粒。 2.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，引起强度的增高。 • 晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高。
专题讨论四： 金属材料的强化和韧化
；.
1
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 ➢ 希望所使用的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，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展
材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础
；.
13
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。 可知多晶体的晶粒越细，强度越高；多晶体强度高于单晶体。
• 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）中，处于晶界核心区域的原子数只占 总原子数的一个微不足道的分数（小于0.01%）。
金属强韧化原理
1金属材料强韧化的目的和意义？目的：A.节约材料，降低成本，节约贵重的合金元素的使用，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命。
B.希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，但通常的材料二者不可兼得。
意义：在于理解材料强韧化机理、组织形态、微观结构与金属的强度、韧性之间的确切关系，以便找出适宜的冶金技术途径来提高金属的强韧性，使之达到新的水平或研究出新的高强韧性的金属。
这是一个具有重大的理论意义和经济价值的研究开发领域。
理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础。
2.金属材料强韧化的主要机制有哪些？1）物理强韧化：所谓物理强韧化是指在金属内部晶体缺陷的作用和通过缺陷之间的相互作用，对晶体的力学性能产生一定的，进而改变金属性能。
2）化学强韧化：化学强韧化是指是元素的本质决定的因素以及元素的种类不同和元素的含量不同造成的材料性能的改变。
3）机械强韧化：就是除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化。
4）复合组织强韧化：即两种或两种以上的金属组织复合在一起，其中有的组织强度比较高，有的组织韧性比较高，复合后起到了既提高强度有提高韧性的作用。
3.如何理解强化和韧化的关系强度是是在给定条件（温度/压力/应力状态/应变速率/周围介质）下材料达到给定变形量所需要的应力，或材料发生破坏的应力，研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。
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，它是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。
一般情况下，材料的强度和韧性是不可兼得的，在提高金属材料强度的同时塑性必然会下降，反之，在改善金属的塑性的同时，强度也会下降。
目前，晶粒细化是提高金属强韧化的有效方法，金属的晶粒变细后，强度提高，韧性又不显著降低。
4.试举出3种最新强韧化技术方法的例子。
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
由于合金元素与位错的强交互作用，使得在晶体生长 过程中位错的密度大大提高，造成与纯金属截然不同的基 本结构。这往往成为某些合金非均匀强化的部分原因，如 铜中加入少量的镍，银中加入少量的金等。此外，就目前 所知非均匀强化的类型大致可分为：浓度梯度强化， Cottrell气团强化，Snoek气团强化, 静电相互作用强化，化 学相互作用强化和有序强化等几种。
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 (
l
1
L) 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
两个主要的特点：一为溶质原子与基体原子的相互作用中， 除了考虑由于大小不同所引起的畸变外，还考虑了由于 “软”“硬”不同，即弹性模量不同而产生的影响；另 一为置换溶质原子与位错的静水张压力的相互作用中， 除了考虑纯刃型的以外，还考虑了纯螺型的。
材料科学基础：第十二章 金属材料强韧化机制
二、强化机制---晶界强化
7. 晶界强化实例（略）
奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高
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
(2) 实际晶体中存在大量点阵缺陷：晶界、亚晶 界、层错、位错等
晶界的内吸附 位错周围的原子气团。
二、强化机制---固溶强化
b. 不均匀固溶强化机理 (1) 弹性因素
因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应 力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固 溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上
s i kyd 2
二、强化机制---晶界强化
理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc, Cu的临界 尺寸dc≈19.3nm，Pa的dc≈11.2nm
在低于100nm的纳米晶中 Hall-Petch关系仍然有效
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间
反Hall-Petch效应
二、强化机制---晶界强化
6. 晶粒细化途径
二、强化机制---固溶强化
4 固溶强化机理
1）均匀固溶强化模型---Friedel与Fleischer理论
在障碍处位错弯曲的角度为θ，平衡时障碍对位错的作用力F 与位错线张力T之间有关系： F=2·T·sin(θ/2)=τLb
外力τ增大，θ达到临界值θc（F也增大到峰值Fm），挡不住 位错的运动，此时所对应的切应力是晶体的屈服应力τc，
τc=Fm/(L·b)=(2·T) sin(θc/2)/(L·b)
二、强化机制---固溶强化
金属材料的韧性.正式版PPT文档
40Cr钢冲击吸收功测定试验
4
第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
一、韧性 1．摆锤式一次冲击试验
冲击吸收功 Ak 与温度有 关。由左图可知，Ak 随温度降
低而减少，在某一温度区域，
Ak急剧变化，此温度区域称为
韧脆转变温度。脆转变温度越 低，材料的低温冲击性能越好。
6
第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
二、疲劳强度 循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。
零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σb，甚 至小于σS强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，
金属疲劳的判据是疲劳强度。
7
第三节 韧性与疲劳强度
一、韧性
第三节 韧性与疲劳强度
多冲抗力可用一1定．冲击摆能量锤下冲式断周一次N次表示冲。 击试验
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
Ak=mgh-mgh1冲击吸收功:试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收
的功(A )。 冲击吸收功 Ak 与温度有关。
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第一章 金属的力学性能
第三节 韧性与疲劳强度
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。
一、韧性 冲击吸收功 Ak 与温度有关。
第三节 韧性与疲劳强度
A2．k=小m能gh量-m多gh次1冲2击．试验小简介能量多次冲击试验简介 金属材料抵抗小能量多次冲击的能力叫做多冲抗力。 由左图可知，Ak 随温度降低而减少，在某一温度区域，Ak急剧变化，此温度区域称为韧脆转变温度。
韧第性三的 节判据韧通性过与冲疲击劳k试强验度来测定。
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结构材料 功能及智能材料
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾
人类对材料微观结构认识的发展过程
1）逻辑推理(古 代 哲 学 家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）
Fire – tetrahedron（四面体） Air – octahedron（八面体） Earth – cube（六面体）
Water – icosahedron（二十面体） Ether – dodecahedron（十二面体）
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 人类对材料微观结构认识的发展过程
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 晶体的微观周期性结构
晶体点阵中的缺陷
电子在周期势场中的运动
晶体的宏观 几何形貌
位错在晶体中运动
量子力学Schrödinger方程
表面组装
金属材料强化理论
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能带理论 固体半导体理论
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晶体生长理论
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料强韧化的内涵
金属材料强韧化原理及应用
Principle and Application of Strengthening and Toughening for
Metal Materials
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金属材料强韧化原理及应用
课程总体内容
金属材料强韧化简介 强韧化原理部分 强韧化应用部分 超常规金属材料制备技术
1）快速凝固技术 2）喷射沉积技术 3）机械合金化 4）半固态加工 5）搅拌摩擦加工 6）大塑性变形加工
The future of metals
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾
金属材料在材料科学领域占有及其重要的地位
“金属”在《辞海》中被解释为：“具特有光泽而不透明（对可见光强烈反 射的结果）,富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。” 在门捷列夫的元素周期表中，左下角绝大部分是金属的领域，仅右上角才是 非金属的地盘。也就是说在人类至今认识的109种化学元素中，非金属只有 22种，而金属元素有87种，在总体的化学元素中占了近80%。可以说，金属 在我们的生产生活中是无处不在的。
材料科学是21世纪四大支柱学 科之一，而金属材料工程则是材料 科学中一个重要的专业方向。
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 金属材料在新材料研究领域中也具有十分重要的地位
近年来出现的新材料
新型氮化物、氧化物等陶瓷刀具材料； 新型高温合金、高温陶瓷以及金属间化合物； 新型高强度、高成形性钢铁材料； 新型高比强度、高比刚度复合材料； 高磁化能的磁性材料、非晶合金材料； 新型光导纤维、敏感材料； 新型生物功能材料； 国防军工尖端材料（极端条件下） .......?
金属材料强韧化目的
提高材料的强度和韧性的目的
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 希望所使用的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，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理 运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础
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理想晶体解理断裂的理论断裂强度： m = (E. s / a 0 )1/2
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料强韧化的内涵
金属材料强韧化主要研究的问题
强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能
材料的性能
结构不敏感的性能 元素的熔点
单一元素物质弹性模量 元素的线膨胀系数 元素的磁性能 。。。
结构敏感的性能 强度 韧性 硬度
疲劳强度 。。。
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料强韧化的内涵
1、古代中国： “日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”
（《易经》）
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾
2、古代欧洲 Plato 柏拉图(427-347BC, 古希腊哲学家) Euclid欧几里得(约公元前3世纪的古希腊数学家) 用fire, air, earth, water, ether－以太) 描述世界万物.
金属材料的基本性能
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金属材料强韧化原理及应用
金属材料的强度
强度是在给定条件（温度/压力/应力状态/应变速率/周围介质）下材 料达到给定变形量所需要的应力，或材料发生破坏的应力
材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切 强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度 加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳 若未到破坏强度，则因形变而失去承载能力
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法 电子显微镜（SEM、TEM） 扫描探针显微术***（STM、AFM）
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金属材料强韧化原理及应用
金属材料的强度
强度来源是原子键合力，取决于元素本质的基本性质，同时也是最 典型的结构敏感性能。
根据图所示的曲线 有:
= m sin(2 x /)
式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a 0处开始计算， 即原子间的位移），为正弦曲线的波长, a 0为原子间的平衡距离
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 金属材料的发展和应用是人类文明发展和进步的重要里程碑
人类历史的划分 石器时代陶器时代 青铜器时代 铁器时代 铝 (Al) 钛(Ti)
金属时代开始
五千年
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金属材料强韧化原理及应用
ห้องสมุดไป่ตู้
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金属材料强韧化原理及应用