第三章 材料强韧化设计的总结与实例
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
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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
金属材料强韧化技术改进方案设计
金属材料强韧化技术改进方案设计1. 引言金属材料的强韧化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。
过去几十年来，金属材料的强韧化技术得到了广泛研究和应用，但是存在一些挑战，例如在高温和高应力环境下的变形和断裂问题。
因此，本文将设计一种改进方案，以解决金属材料强韧化的一些关键问题。
2. 问题分析2.1 高温下金属材料的变形和断裂问题在高温环境下，金属材料容易发生塑性变形和断裂。
这主要是由于高温条件下，材料内部晶界的位错运动增加，导致材料塑性变形能力的降低和脆性断裂的发生。
2.2 高应力下金属材料的断裂问题当金属材料受到高应力作用时，容易发生断裂。
这是由于高应力导致材料内部的位错密度增加，超过了位错移动能力，从而导致断裂。
3. 改进方案设计为了解决金属材料在高温和高应力环境下的变形和断裂问题，本文提出以下改进方案：3.1 晶界工程设计晶界对于金属材料的强韧性具有重要影响。
通过晶界工程设计，可以控制晶界的位错活动，从而提高材料的韧性。
一种常用的方法是通过添加合适的合金元素来调制晶界结构，例如添加微量的Al、Mg等元素，形成稳定的非晶态晶界结构，从而改善金属材料的强韧性。
3.2 强化相设计强化相是指将强硬的相分布在金属基体中，可以有效地提高材料的硬度和强度。
常见的强化相包括碳化物、氮化物、硼化物等。
通过调控强化相的粒度和分布，可以提高金属材料的强度和抗变形能力。
另外，合理选择强化相的成分，可以通过形成固溶体来增加晶界的位错移动阻力，从而改善材料的强韧性。
3.3 微观结构调控微观结构调控是指通过控制金属材料的晶粒大小、晶粒形状和晶格缺陷等微观结构参数，来改善材料的力学性能。
通过细化晶粒尺寸，可以提高材料的强度和韧性。
一种常用的方法是采用等通道转角挤压（ECAP）技术，通过多次挤压和旋转，使材料的晶粒得到细化。
此外，通过调控晶粒形状和晶格缺陷的分布，也可以改善材料的塑性变形和断裂行为。
4. 实施步骤4.1 材料选择根据需求，选择适合的金属材料作为实施对象。
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。
材料的强韧化
算的最大应力。
疑问：传统的“强度设计”合理性？是否需辅以“韧性设计”？“安全”系数从某种角度讲也是一种“无知”系数，它反映人们对于客观事物的了解程度，如应力分析是否与使用条件完全符合，施工过程引入的残余应力有多大，施工与设计的偏差等。
采用其所长>1的值来弥补这些“无知”，从而获得“安全”设计。
考虑到高温、疲劳及腐蚀的作用，在设计时引入持久强度、疲劳极限及应力腐蚀断裂强度等性能，还考虑了多向受力，这些均为强度设计，而对塑性指标和韧性指标只依据经验提出要求，未用于设计计算。
(2) 对材料的断裂判据发生了怀疑；疑问：宏观应力σ〈σs〈σb？应力状态、应变速度、环境温度对断裂有何影响？合理的断裂判据？(3) 考核了工艺的适用性；熔化焊接，不仅改变性能，还会引入残余应力、缺口、裂纹等，影响断裂。
(4) 深入理解了工作情况；使用不当，如过载、划伤、冲击、过冷等，均促进脆断。
对于材料的断裂和其它失效，设计是主导，材料是基础，工艺是保证，使用是监护。
断裂的失效机理主要因素协助因素失效机理恒载韧断及脆断交变载荷疲劳断裂力学化学、恒载应力腐蚀断裂化学、交变载荷腐蚀疲劳断裂热学(化学) 蠕变断裂、液态金属脆化三、材料科学与工程的研发思路：(1) 依据工程构件服役行为确定所需材料性能；(2) 依据性能要求，确定所需材料结构；(3) 制定材料生产工艺，获得所需材料结构；(4) 采用必要设备，保证工艺实施；或反其道而行之的思路：(5) 只有适当的设备才能保证工艺；(6) 只有通过工艺才能改变结构；(7) 结构决定性能；(8) 材料的性能决定工程构件的行为。
§2 材料的力学性能力学性能：是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力。
包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
金属、陶瓷和高分子材料具有不同的力学性能，主要是由其基本结构决定的。
如金属和陶瓷的晶体结构、缺陷是理解其力学性能的核心概念；高分子材料的构形，交联与缠结起了关键作用。
材料强韧化(2)
(3)表面、整体热处理和循环热处理
对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料中的粘结成分与结构，降低WC硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合性能。
§2铁碳合金
一、铁碳合金相图
二、钢在冷却时的转变
钢在高温下所形成的A，过冷至Ar1以下，成为热力学不稳定状态的过冷奥氏体，在不同过冷度下，过冷A将发生三种类型转变：珠光体转变、寅贝氏体转变、马氏体转变。
一、珠光体转变：(高温转变) (Pearlite)
硬质合金牌号通常可分为三类：①YG类(WC-Co类)：该类硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等，主要用于加工铸铁、有色金属和非金属。②YT类(WC-TiC-Co类)：由于材料中加入了TiC，使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性，抗粘结、抗氧化能力较好，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。③YW类(WC-TiC-TaC-Co类)：在YT材料中加入TaC是为了提高刀具的强度、韧性和红硬性。该类硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。虽然近年来各种新型刀具材料层出不穷，但在今后相当长一段时间内，硬质合金刀具仍将广泛应用于切削加工，因此需要研究开发新的材料制备技术，进一步改善和提高硬质合金刀具材料的切削性能。
加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展的能量，吸收能量的大小则由晶须与基体的结合状态决定。晶须增韧机制主要表现为：①晶须拔出增韧：晶须在外界负载作用下从基质中拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量，从而达到增韧目的，其增韧效果受晶须与界面滑动阻力的影响。晶须与基体界面之间必须有足够的结合力，以使外界负载能有效传递给晶须，但该结合力又不能太大，以便保持足够的拔出长度。②裂纹偏转增韧：当裂纹尖端遇到弹性模量大于基质的第二相时，裂纹将偏离原来的前进方向，沿两相界面或在基质内扩展。由于裂纹的非平面断裂比平面断裂具有更大的断裂表面，因此可吸收更多外界能量，从而起到增韧作用。在基质内加入高弹性模量的晶须或颗粒均可引起裂纹偏转增韧机制。③晶须桥接增韧：当基质断裂时，晶须可承受外界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用。桥接的晶须可对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。
陶瓷材料的强韧化
姓名：霍延通 学号：152085204007
陶瓷材料的强韧化
一、前言 二、陶瓷材料的断裂问题 三、陶瓷材料的晶须法增韧 四、陶瓷材料的相变增韧 五、陶瓷材料的纤维法增韧
陶瓷材料的强韧化
一、前言
现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、耐 腐蚀及相对密度轻等许多优良的性能。但它同时 也具有致命的弱点，即脆性，这一弱点正是目前 陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此， 陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问 题。陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力，在 断裂过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面 能以外，几乎没有其它吸收能量的机制，这就是 陶瓷脆性的本质原因。
陶瓷材料的强韧化
变为单斜相，并产生体积膨胀，形成压缩表面层，从而 强化陶瓷。ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具是典型的相变增韧陶 瓷，美国和瑞典研制的ZrO2增韧陶瓷刀片具有相当高的 刀刃强度和耐磨性，用于加工合金钢时，粗车速度为 313m/s,精车速度为12m/s。它可以在高于硬质合金刀具 4~5倍的切削速度下加工高温合金。
陶瓷材料的强韧化
1、晶须的特性
陶瓷材料的强韧化
SiC晶须性质
陶瓷材料的强韧化
陶瓷材料的强韧化
2、SiC晶须的制备 （1）三氯硅烷法
（2）气液固法
陶瓷材料的强韧化
（3）加热SiC块 （4）稻壳 3、基质和晶须的选择考虑 （1）化学相容性 （2）弹性模量的匹配
（3）热膨胀系数的匹配
陶瓷材料的强韧化
五、陶瓷材料的纤维增韧
为了提高复合材料的韧性，必须尽可能提高材料断裂时 消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下，吸收能量的 方式无非是两种：材料变形和形成新的表面。对于脆性 基体和纤维来说，允许的变形很小，因此变形吸收的断 裂能也很少。为了提高这类材料的吸收能，只能是增加 断裂表面，即增加裂纹的扩展路径。纤维的引入不仅提 高了陶瓷材料的韧性，更重要的是使陶瓷材料的断裂行 为发生了根本性变化，由原来的脆性断裂变成了非脆性 断裂。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包括纤维脱 粘、纤维拔出、纤维桥接、裂纹弯曲和偏转。
材料强韧化设计的总结与实例
? 这些国家或地区的标准远高于我国。难道我们就 制定不出与韩国、香港一样的高标准？
? 韩国和香港都是自身几乎没有中药资源的国家或 地区，他们主要从事加工或转口贸易，因此完全 可以把标准制定得很高，至于价格，无非就是 “高进高出”。
?2010年版《中国药典》有两项重 大进步:一是从单一成分向多成 分 转变，保证整体的可控性 ;二是强 调专属性。
?如“麸炒苍术炒至深黄色”，对于 深黄色的标准每个人理解都不尽相 同，照此标准炮制饮片，或多或少 会产生一些理化性质的不同，功效 自然产生差异，其结果必然导致饮 片质量不统一 。
标准的高低与中药材资源存在密 切关系
?中药材（饮片）质量标准正文按 名称、来源、性状、 鉴别、检查、含量测定、炮制、性味与归经、功能与 主治、用法与用量、注意、贮藏 等顺序编写。 ?单列饮片的标准内容同药材标准，来源简化为“本 品为×的炮制加工品”，增加[ 制法]项。饮片的 [ 性味 归经]、[ 功能主治]如有改变记载炮制品的性能。 ?列在药材[ 炮制]项下的饮片，不同于药材的项目应 逐项列出，如制法、性状、含量测定等，并须明确规 定饮片相应项目的限度。
?名称
?中药材名称包括中文名、汉语拼音及拉丁名， 按《中药及天然药物命名原则》有关规定命 名。炮制品的名称应与药材名称相呼应，如 炙黄芪、蜜麻黄、熟地黄。
?来源
?包括 基源 即原植 ( 动) 物的 科名、 植( 动) 物的中文名、 拉丁学名、药用部位、采 收季节、产地加工和药材 传统名称； 矿物药包括该矿物的 类、族、矿石 名或 岩石名、主要成分及产地加工。 ?单列炮制品的来源简化为“本品为××的炮制加工
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。
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。
第三章 合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响
4、降低钢中的含碳量 碳是钢中必不可少的元素，然而加碳虽然强化作用很大， 但却显著降低韧性，这是普遍倾向。针对这一特性，含碳量 极低的(≤0.03%wt)、通过析出金属间化合物来强化的马氏 体时效钢，具有高的韧性。
第二节 合金化与强韧化机理的综合运用举例 25Si2Mn2CrNiMoV低碳马氏体型超高强度钢的开发，其合金 设计思路可以归结为： 1． 强化低碳马氏体的考虑 碳含量的确定要综合考虑以下因素： ①增加碳含量，碳原子进入八面体间隙位置造成固溶 强化。 ②同时，增加碳含量，可以使马氏体在回火过程中有 更多的碳化物析出，从而造成弥散强化。 ③但是，当碳含量超过0.3%时，淬火裂纹倾向大大增 加。 综合上述三个因素，碳含量最终确定为0.25%。
钢铁在淬火后基体内的位错密度以及缺陷密度也大幅度的增加这都增加了钢材的强4析出碳化物弥散强化钢材在经淬火处理后在回火过程中以特殊碳化物的质点弥散析出这些碳化物能有效地阻碍位错的运动提高了钢的屈服强度
第四章合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响 第四章合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响 合金元素对钢的强韧性和工艺性能 钢材是最广泛使用的金属材料，它能以比较低廉的价格， 按十分精确的规格进行大量生产。 钢材可提供的机械性能范围，从优良的韧性和中等强度 （200～300Mpa）水平到有足够韧性和极高强度（2000Mpa） 水平。 然而结构材料的强度和韧性，常常是一对矛盾，强度是 主要的使用性能，增加强度往往要牺牲其它性能，或者反 过来也是如此。因而当前面临的问题，不是片面地追求强 化，而是追求强韧化。 韧性是材料可靠性的量度，因而提高钢材的可靠性依赖 于韧化。
不同合金元素溶于铁素体中的强化系数KiF值如下表所示：
元素 C+N P Si Ti Al Cu Mn Cr Ni Mo V
金属材料的强韧化机理与实践
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)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两相区交替加热淬火
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。
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
形变热处理就是利用时效强化和冷作硬化的交互作用及强化在 一定程度上的叠加作用。常用于 Al-Cu系， Al-Li系，和Al-MgSi系等合金。
对固溶处理后的Al-Li合金在时效前进行适当冷变形，可在合金中形成密布的位错或位 错缠结，成为S‘，T1等相非均匀形核的位置，从而增大位错不能切割的沉淀相的体 积分数，减少合金的共面滑移及晶界应力集中。同时，还可使沉淀相更细小均匀的分 布增多，抑制晶界平衡相的形成
(5) 合金元素的加入使DBTT提高，但某些合金元素 如铼的加入却明显改善钼的脆性，提高塑性变 形能力，使DBTT降低。
• 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：
•原位合成
金属材料的强韧化设计
金属材料的强韧化设计金属材料是一种常用的材料，其广泛应用于建筑、航空航天、汽车等领域。
然而，随着工程领域对材料性能的不断追求，单纯追求强度已不再满足实际需求，而需要更强的韧性。
因此，金属材料的强韧化设计成为研究的热点，旨在提高材料的耐用性和可靠性。
一、理论基础金属材料的强韧化设计基于力学原理和材料科学的基础。
力学原理提供了材料强度和应力分布的理论基础，而材料科学则关注材料的组织结构和性能。
强韧化设计将这两个方面结合起来，通过调整材料的微观结构和化学成分，实现材料强度和韧性的优化。
二、微观结构调控在金属材料的强韧化设计中，微观结构调控是关键步骤之一。
微观结构包括晶粒尺寸、晶界、相分布等。
通过控制晶粒尺寸，可以有效地提高材料的韧性。
较小的晶粒尺寸可以阻碍位错的移动，从而提高材料的强度和延展性。
此外，晶界是材料中晶粒的交界面，也是位错的集中区域。
优化晶界结构可以改善材料的力学性能。
相分布直接影响材料的力学性能，合理控制相的分布，可以增强材料的韧性。
三、化学成分调整除了微观结构调控，化学成分调整也是金属材料强韧化设计的重要手段。
通过合理选择合金元素，可以改变材料的性能。
例如，在钢铁中添加合适的合金元素，可以提高材料的强度和韧性。
添加合金元素可以改变晶粒的尺寸和形状，从而影响材料的力学性能。
化学成分调整是通过调整材料中的原子排列方式，从而改变材料的力学性能。
四、热处理工艺热处理是金属材料强韧化设计中不可或缺的一环。
通过合理的热处理工艺，可以改变材料的晶界结构、相分布和原子排列方式。
热处理过程中的加热和冷却速率对材料性能有重要影响。
通过精确控制温度和时间，可以实现材料的强韧性优化。
五、应用案例在实际工程中，金属材料的强韧化设计已经得到了广泛应用。
以航空领域为例，航空发动机涡轮叶片需要同时具备较高的强度和韧性。
通过优化材料组织结构和化学成分，以及精确的热处理工艺，可以实现叶片的强韧性提升。
类似的强韧化设计在汽车和建筑领域也存在广泛应用。
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。
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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。
03-材料的强化与韧化解析
固溶强化机制
➢ 固溶造成晶格的畸变，固溶强化的微观机理是溶质原子和位 错交互作用的结果。
弹性交互作用、化学作用、电化学作用、有序化作用
➢ 溶质原子可以是均匀不规则地分布在基体中，也可以偏聚到 位错周围形成各种气团，这两种情况都可以使金属材料的基 体造成强化。 均匀强化 非均匀强化
➢由于固溶度有限或由于合金原子与基体原子的半径差较小， 均匀分布的合金元素的固溶强化效果较小，当溶质原子发生偏 聚时，合金元素与位错会发生强的交互作用。
➢ 要求：溶质原子在基体中的溶解度随温度而变化， 高温时第二相溶于基体中，低温时则析出第二相。
➢ 获得方法：先高温固溶，再急冷形成过饱和固溶体， 最后时效析出第二相；
➢ 第二相与基体结合较牢固，强化效果与第二相的形 状、数量、大小及分布等有关；
➢ 沉淀强化受温度影响。
2） 弥散强化
➢ 用粉末冶金法，向基体金属中加入金属氧化物、氮 化物、碳化物等强化相粒子（第二相），并使这类 粒子在基体中高度弥散分布来强化合金；
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。
Orowan（奥罗万）强化机制
定义：位错线绕过不易形变的粒子
➢沉淀强化合金中当析出相到一定尺寸的时候，运动位 错接近它们时，只能绕过它们。像钢中的碳化物、氮化 物一般都是不可变形的。 ➢弥散强化合金中的第二相粒子硬度高，采用绕过机制。
工程材料的强韧化
聚合物材料的强韧化.2
4）化学改性 用化学反应改变已有聚合物的化学组成与
结构，或两种以上单体共聚合成聚合物。 形成共聚物合金 如ABS工程塑料（丙稀腈－丁二稀－苯乙
3）控轧与控冷 控轧 在轧制过程中通过对金属加热制度、
变形制度和温度制度的合理控制，使热 变形加工与与固态相变结合，以获得细 小的晶粒组织。 控冷 控制轧后钢材的冷却速度达到改善 钢材组织和性能的目的。
金属材料的强韧化.2
4）形变热处理 使金属材料同时经受变形和热处理相变，
使晶粒细化、位错增加、碳化物弥散分 布、晶格畸变，强度提高，塑性和韧度 不降低。 5）马氏体强韧化 高碳，淬火＋回火 低碳，板条状M，具有较高的强度和韧性。
1）减少位错，单晶体 材料——晶须；
2）增加位错，阻止位 错运动。
理论值
金属晶须
加工硬化态 (1011～1012cm/cm3) 退火态 (105～108cm/cm3)
材料强化方式如下：
位错密度ρ
图1－15 金属强度与位错密度的关系
二、工程材料常见的强化方式
1、固溶强化 溶质原子引起溶剂晶格畸变，畸变的应力
2、聚合物材料的强韧化和热处理
聚合物材料缺点耐高温性差、低强度、低 模量、热膨胀系数高、易吸水、易蠕变、 易老化等。
1）填充改性 加入石墨和MOS2等填料，耐磨性↑； 加入各种纤维填充，使聚合物材料质量轻、
高强、高模量、耐高温、耐腐蚀等。
聚合物材料的强韧化.1
2）增强改性 加入纤维增强材料或离子增强材料，即可增强其
钢的强韧化机理及在热轧板带钢生产中的应用
钢的强韧化机理及其在热轧板带钢生产中的应用郭雅楠2013.7.05目录目录 (I)1.钢的强韧化机理 (1)1.1 钢的强化机制 (1)1.1.1固溶强化 (2)1.1.2形变强化 (2)1.1.3 沉淀强化与弥散强化 (2)1.1.4 细晶强化 (2)1.1.5 亚晶强化 (3)1.1.6 相变强化 (3)1.2 材料的韧性 (3)1.2.1韧性的定义及表示 (3)1.2.2钢的韧化方法 (4)2.控制轧制和控制冷却技术 (6)2.1控制轧制 (6)2.1.1控轧轧制定义 (6)2.1.2控制轧制工艺 (6)2.1.3控制轧制特点 (6)2.2控制冷却 (7)3.钢的强韧化在热轧板带钢生产中的应用 (7)3.1热轧带钢用途分类 (7)3.2热轧带钢工艺流程 (8)3.3再结晶控制轧制 (10)3.4单相强制对流换热形式的冷却技术 (11)3.5加速冷却 (11)3.6生产实例—水电站用高强压力钢管用钢 (12)3.7生产实例—含铌微合金化热轧多相钢的控轧控冷工艺 (13)3.8小结 (13)4.结论 (14)参考文献 (14)1.钢的强韧化机理材料通常通过各种指标来确定它的加工性能和使用性能，对于钢材来说，力学性能是其最基本、最重要的，其中强度性能居首位。
同样，我们不能忽视韧性性能，这方面的指标和强度性能指标息息相关，研究某材料的力学性能的时候通常将二者一同考虑。
结构钢材的最新发展方向就是要求材料的强度、韧性等方面有较好的结合，控轧控冷工艺满足这一要求。
下面给出几个定义。
1.强度强度是工程结构用钢的最基本的要求。
强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下所能承受的应力来表示。
2.强度指标屈服强度σs和抗拉强度σb是强度的主要指标。
还包括抗压强度、抗剪强度、疲劳强度、蠕变强度。
3.强化通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。
4.韧性韧性是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力。
材料韧化的基本原理
大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。
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
第五章三-四节
材料韧化基本原理
《材料科学基础》第十章第二节
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
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。
材料的强韧化
四、复合材料的强韧化 纤维增强复合材料
Al2O3 /Al-1.5Mg复合材料棒材(a)纵向 (b)横向
材料的强韧化
颗粒增强复合材料
粉末增强剂发生团聚;改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度
材料的强韧化
(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。
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约作用。
(2)涂层硬质合金
在 韧 性 较 好 的 硬 质 合 金 基 体 上 ， 通 过 CVD( 化 学 气 相 沉 积 ) 、 PVD(物理气相沉积)、HVOF(High Velocity Oxy Fuel Thermal Spraying)
等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的
性，以检验计算模型并对计算模型进行修正； 二是对复合材料的强度与韧性进行测试与评价。总之，在强韧指 标需求、损伤模式分析、材料微结构优化匹配、工艺参数控制之间可 以形成对强韧化设计原理和实验室实现的闭环体系，如下图所示。
3.2 材料界面增韧的力学机理及其强韧化设计：
1. 界面设计：
界面在工程材料中几乎无处不在：组合构件的搭接界面，复合材料 层合结构的层间界面，不同材料扩散连接形成的界面，多晶体材料中 不同晶粒之间的界面等。依不同的尺度划分，可将这些界面分别定义 为宏观界面，细观界面以及微观界面。然而，对于实际的材料系统， 往往不能严格区分不同层次界面的界限，它可以同时存在这些界面结 构，也可能只存在其中任何一种层次的界面。不同组分材料之间通过 物化或固化反应形成的界面，这样的界面往往不是一个单纯的几何面，
动控制；
涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后尺寸精度
较高，可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。
上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMs、CIMS
(计算机集成制造系统)等自动化加工设备。但是，采用涂层方 法仍未能根本解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问 题。
(3)表面、整体热处理和循环热处理
ｍ(微米级)，超细晶粒硬质合金晶粒度可达0.5μｍ以下(亚微米、
纳米级)。超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比， 硬度可提高2HRA以上，抗弯强度可提高600~800MPa。
常用的晶粒细化工艺方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、
等离子体沉积法、机械合金化法等。等径侧向挤压法(ECAE)是一种
第三章 材料强韧化设计的总体思路与实例
3.1 复合材料的强韧化设计
复合材料的强韧化设计一般分为三大部分。首先是复合材
料强韧化力学设计准则和模型的建立，然后是复合材料设计与 制备工艺技术研究，最后是复合材料强韧化力学性能试验。复 合材料强韧化设计准则和模型为材料设计提供手段与依据，在 复合材料制备工艺研究的基础上，按强韧化设计的要求设计与
在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用。桥接的晶须可对基质
产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。
(2)晶须的选用及添加方式 目前常用的晶须材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化 硼、莫来石等。但研究重点应放在单晶SiC晶须材料上，这是由于SiC 本身具有良好的抗热震性以及纤维状(针状)SiC粉末体较易获得。SiC 晶须的添加方式主要有两种：①外加晶须方式：将一定量的SiC粉末 加入以氧化物、氮化物等为基体的粉末材料中，通过制造加工获得晶 须增韧制品。这种方式目前使用较广泛。②合成晶须方式：将粉末基
界面的强韧化。界面断裂韧性曲线设计是通过材料对的匹配选择、
界面结合工艺和界面涂层技术来改变界面断裂韧性曲线，从而实现 相同裂尖混合度下更高的界面断裂韧性。
3.3 材料强韧化举例
3.3.1 硬质合金
硬质合金由Schroter于1926年首先发明。经过几十年的不断发展， 硬质合金刀具的硬度已达89～93HRA，在1000℃的高温下仍具有较 好的红硬性，其耐用度是高速钢刀具的几十倍。硬质合金是由WC、 TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属 用粉末冶金方法制备而成。与高速钢相比，它具有较高的硬度、耐 磨性和红硬性；与超硬材料相比，它具有较高的韧性。由于硬质合 金具有良好的综合性能，因此在刀具行业得到了广泛应用。
2 硬质合金刀具材料的发展思路
应用晶须增韧补强、纳米粉复合强化技术全面提高硬质合金 刀具材料的硬度、韧性等综合性能，是硬质合金刀具材料研究 今后发展的重要方向。 晶须增韧补强技术
(1) 增韧机理
由于硬质合金刀具材料的断裂韧性欠佳，因此很难应用于一 些对刀具韧性要求较高的加工场合(如微型深孔钻削等)。解决 这一问题的一种有效方法是使用晶须增韧补强技术。
料宏观性能与细微观结构的定量关联。
复合材料制备技术的研究(图中第6项)，包括:
(1) 组分设计(其物理化学相容性研究)，
(2) 相材料表面处理，制备方法、工艺参数选择和工艺条件控制的 研究。
复合材料强韧化力学性能试验与评价(图中1第7项)，其目的有两
个: 一是检验强韧化力学设计模型预报的复合材料力学性能的可靠
(5)添加稀土元素
在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材 料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素 可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘 结相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合粗加工牌号，
亦可用于半精加工牌号。此外，该类硬质合金在矿山工具、顶
锤、拉丝模等硬质合金工具中亦有广阔应用前景。我国稀土资 源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也具有较高水平。
加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展的能量，吸收
能量的大小则由晶须与基体的结合状态决定。晶须增韧机制主
要表现为：①晶须拔出增韧：晶须在外界负载作用下从基质中 拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量，从而达到 增韧目的，其增韧效果受晶须与界面滑动阻力的影响。晶须与 基体界面之间必须有足够的结合力，以使外界负载能有效传递
1 硬质合金刀具材料的研究现状
由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，
这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为进
一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能，目前的
研究热点主要包括以下几个方面：
(1)细化晶粒
通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶
粒间结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提 高。当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧性、 强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化所需温度也可降低。 普通硬质合金晶粒度为3~5μｍ，细晶粒硬质合金晶粒度为1~1.5μ
多相材料的大多数断裂现象源于硬软相的界面；
复合材料中常见的分层和纤维拔出也是典型的界面断裂。 由于界面断裂成为多相材料的主要破坏模式，针对以韧性为主要
性能指标的先进结构材料，对材料界面进行研究并通过界面设计提高
材料断裂韧性就显得尤为重要。
2. 强韧化设计
针对材料界面增韧主要从以下两个方面考虑：
其一提高界面断裂韧性； 其二是实现最佳断裂路径。
面的断裂能还与外载相角密切相关，也可使界面的受力状态与外载
相匹配来提高材料界面的韧性。
根据材料界面增韧的力学机理，即可进行界面强韧化设计，对 确定的外载状态，主要从以下几个方面来考虑： (1) 界面层结构特征设计； (2) 界面断裂韧性曲线设计； (3) 最佳断裂路径设计。 界面层结构设计是通过对材料界面过渡层的结构特征设计 ( 如界 面层厚度和界面层材料过渡函数 )来达到更高的裂尖混合度，以实现
类：物理因素和化学因素。物理因素包括吸附、扩散、机械等作用，
而化学因素则主要是化学键结合。无论是物理因素还是化学因素， 都与形成界面的组分材料及其工艺条件有关。
工艺、界面以及材料宏观性能三者之间有着不可分割的联系。 由于界面两侧材料的失配使连接界面产生应力应变集中，且界面 形成过程中会不同程度地留有连接的工艺性缺陷，使得界面往往成为 发生断裂的源泉：
坏单元技术模拟多相复合材料的破裂与界面损伤临界行为并定
量计算出其临界值；
(4) 复合材料的损伤、扩展与失效过程的模拟。指在应力 与断裂参量分析、损伤与失效准则研究的基础上，模拟复合材 料在外力、温度、电磁场等作用下的应力-应变变化的相应过
程，微缺陷的形核、长大、汇聚与扩展直至断裂的整个过程；
(5) 复合材料微结构优化设计。由于应力分析、损伤与失 效破坏准则都涉及材料组元的物理力学性能和几何特性(如几 何尺寸、形貌、分布状态、体分率以及界面结合状态等)，所 以可优化分析复合材料微结构对力学性能的影响，实现复合材
很有发展前途的晶粒细化工艺方法。该方法是将粉体置于模具中，并 沿某一与挤压方向不同(也不相反)的方向挤出，且挤压时的横截面积 不变。经过ECAE工艺加工的粉体晶粒可明显细化。 由于上述晶粒细化工艺方法仍不够成熟，因此在硬质合金烧结过 程中纳米晶粒容易疯长成粗大晶粒，而晶粒普遍长大将导致材料强度 下降，单个的粗大WC晶粒则常常是引起材料断裂的重要因素。另一 方面，细晶粒硬质合金的价格较为昂贵，对其推广应用也起到一定制
我们知道材料界面的细观结构参数与宏观断裂韧性之间存在相应
的关系，通过控制材料界面的细观结构参数来改变决定界面断裂破
坏性能的界面断裂能就显得十分必要。 界面断裂能实际上反映了界面的粘合功与偏折效应，可以通过工 艺过程改进界面的粘结状况来控制断裂能，例如改变组分材料的组 合，在组分材料表面涂层，控制界面形成时的工艺参数等。此外界
耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。涂层硬质合金刀具具 有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削；由于其耐用度高、通 用性好，用于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效减少换刀次 数，提高加工效率；涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃
形和槽形稳定，断屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工过程的自
和断口形貌的显微组织观测，提出复合材料的损伤与失效机理，
提出复合材料增强与增韧的途径；
(2) 增强相、基体及其界面的损伤与失效准则研究 参数的选择与计算，破坏临界值的测量方法等； (3) 应力-应变分析、损伤与断裂参量计算 指以数值计算 (尤 包括控制
其是有限元 )为基础的复合材料细观计算力学分析，通过发展破
给晶须，但该结合力又不能太大，以便保持足够的拔出长度。
②裂纹偏转增韧：当裂纹尖端遇到弹性模量大于基质的第二相 时，裂纹将偏离原来的前进方向，沿两相界面或在基质内扩展。