金属强韧化原理
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。
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。
通过改变材料的内制材料性能的目的。
不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。
一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局变。
固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。
（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程位错的交互作用导致致错运动受阻。
溶质相位错的交互作用是二者应力场用。
作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使成弯曲形状。
如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。
x—x＇，A的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。
处于位错线上的少数溶质原子与位互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。
相对于x—x＇的偏离为x在方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。
位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。
在切应力τ动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻。
若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。
由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。
由ABC变为AC，平均位力需要做功为τb(2y)·x/2，故1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。
用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，溶质钉扎将降低的能量为所以设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。
金属材料强韧化机理及超高强钢开发
一、概述金属材料一直以来都是工程领域中广泛应用的材料之一，其强韧性一直是研究的热点之一。
随着科学技术的不断发展，人们对金属材料强韧化机理及超高强钢的研究也越发深入。
本文将从金属材料强韧化的概念和机理入手，探讨目前超高强钢的开发及应用情况，并对未来的发展方向进行展望。
二、金属材料强韧化的概念及机理1. 强韧化的概念强韧化是指在不同的外力作用下，材料能够保持其在应力下的强度和韧性。
强韧化材料具有抗拉伸、抗弯曲和抗扭转等性能较强的特点。
强韧化的目的是提高材料的使用安全系数，延长材料的使用寿命。
2. 强韧化的机理强韧化的机理包括晶界强化、位错强化和析出强化等。
晶界强化是指通过控制晶界的特性来增强材料的强韧性；位错强化是通过引入位错来增强材料的韧性；析出强化是指通过固溶体中析出出特定的固溶体来增强材料的性能。
三、超高强钢的开发及应用1. 超高强钢的研究历程超高强钢的研究始于二十世纪六十年代，经过多年的发展，目前已经取得了一系列重要的突破。
超高强钢具有高强度、高韧性和良好的冷成型性能，广泛应用于汽车、桥梁和建筑等领域。
2. 超高强钢的应用情况目前，超高强钢在汽车轻量化领域的应用较为广泛，能够显著提高汽车的安全性能和燃油利用率。
超高强钢还被应用于船舶制造、航空航天和军工等领域，取得了良好的效果。
四、未来发展方向展望1. 现代材料加工技术的发展随着现代材料加工技术的不断进步，越来越多的新型金属材料被开发出来。
未来，随着3D打印、激光焊接等新技术的应用，超高强钢的研究和生产将更加多样化和精细化。
2. 新材料的研究与应用未来，人们将更加注重绿色环保型材料的研究与开发，以满足社会可持续发展的需求。
对于高温、高压等复杂工况下的材料需求也将逐渐增加，超高强钢在这些领域的研究与应用将会成为重点。
3. 国际合作与交流未来，随着国际合作与交流的深入，超高强钢的研究与应用将会更加国际化。
通过与国际先进技术的合作，可以更好地借鉴和吸收先进的技术和经验，推动超高强钢的发展。
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
机械制造基础大作业
金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。
关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。
一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
下面简要的予以介绍：1、结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。
它包括：（1）细化晶粒。
细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。
同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
（2）提纯强化。
在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。
夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。
采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。
2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
如铜合金。
3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。
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。
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。
金属材料的强韧化研究
金属材料的强韧化研究金属材料是人类社会历史中应用最广泛的一种材料，广泛应用于汽车、建筑、机械、电子、军工等领域。
随着工业技术的发展，对金属材料的需求也越来越高。
而随着科学技术的不断进步和发展，金属材料的性能逐渐得到了进一步的提高。
其中，强韧化研究是金属材料技术中的一个重要方向。
强韧化是一种利用材料微观结构变化来提高材料力学强度和塑性的方法。
这一过程主要通过增加晶体之间的势能和弹性能来实现。
常见的强韧化方法包括热处理、冷变形、固溶处理和形变调控。
热处理通常包括退火、正火、淬火、时效等过程，通过改变材料的组织结构来提高材料的强度和塑性。
其中，退火和正火都是通过加热和保温的过程，使材料组织结构得到松弛和平衡，从而提高材料的韧性和延展性。
冷变形是指通过增加材料的冷变形量来改变材料的组织结构，从而增强材料的强度和韧性。
冷变形的方式有多种，包括轧制、拉伸、弯曲、挤压等。
其中，轧制是一种最常见的冷变形方法，通过辊轧板材或棒材来产生塑性变形。
这种方法能够提高材料的硬度和强度，并且可以控制材料的成型和尺寸。
固溶处理是指将一个或多个合金元素加入基底金属中，通过能量的传递和扩散，使功率金属和合金元素之间发生某些互作用，从而改变材料的组织结构，提高材料的强度和塑性。
常见的固溶处理方式有非等温处理、同温等静处理和等温处理，不同的方式适用于不同的材料和薄片。
形变调控是指在材料制备过程中对其进行形变，并在形变的某个阶段停止，从而控制材料的组织和性质。
通常包括扭转、拉伸、压缩、弯曲和复合挤压等方式。
这种方法一般适用于高强度和高塑性的材料。
通过形变调控，可以提高材料的强度、塑性和韧性，使得材料更加适合特定的应用场景。
总之，强韧化研究对于金属材料技术的发展具有重要作用。
通过不断的实验研究和理论分析，可以找到更加有效的强韧化方法，并且可以开发出更加高效和优良的金属材料，为人们的生产和生活带来更多便利和发展。
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。
金属的强韧化
CHAPTER 4 金属材料强韧化
CHAPTER 4 金属材料强韧化
三、淬火与回火 （一）淬火
将钢件加热至Ac3(亚共析钢)或Ac1 (过共析钢) 以上30～50℃，保温后激冷，获得高硬度的M 1.淬火加热温度的确定 亚共析钢：完全A化，无软相F，冷却后得M (或少量AR) 共析钢和过共析钢：加热后组织为：A＋Fe3C 淬火后为：M＋Fe3C＋AR
二、钢在冷却时的转变 方式：等温冷却转变(TTT)
连续冷却转变(CCT)
CHAPTER 4 金属材料强韧化
CHAPTER 4 金属材料强韧化
(一) 共析钢过冷A转变 1.过冷A等温转变曲线(TTT图或C曲线) ⑴ C曲线含义：过冷A等温转变开始时间 和转变终了时间以及转变产物的关系图
CHAPTER 4 金属材料强韧化
温快速转变，大量原子有规律的小距离位移来实现晶格转换 b.变温形成 在Ms下保温，M量不增加； c.体积长大 bcc晶格的c轴被拉长，成为正方。c/a称为正方度，
c/a越大畸变越严重；体积膨胀导致组织应力 d.转变不完全 有残余A－－Ar。wc↑,Me↑, → Ar ↑
CHAPTER 4 金属材料强韧化
4.去应力退火：工件加热至500~650℃，保温后 缓冷
◆消除铸件、锻件、焊接件的残余应力，稳定工 件形状和尺寸
CHAPTER 4 金属材料强韧化
二、正火 将工件加热至Ac3或Accm以上30～50℃，保温 后空气中(风中或喷雾)冷却
◆细化晶粒，适当提高中、低碳钢的强度和硬 度便于切削加工
◆冷速快，使过共析钢来不及结成Fe3C网状， 便于球化退火
三、淬火钢的回火转变 ◆回火：将淬火钢件加热至A1线下某温度，保温后冷却。 1. 回火时的组织转变 (1)淬火M转变为回火M(100～200℃) M回—过饱和α－固溶体上分布着细小薄片状ε－碳化物 (2)残余A分解(200～300℃) 过饱和α－固溶体上分布着细粒θ－碳化物 (3)碳化物类型转变(250～400℃)
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1章：钢的强韧化基本理论
钢位 材 塑 轧 的错 料 性 钢 力理 热 变 工 学论 处 形 艺 性 理金学 能 属 学
生产实践
辽宁科技大学 材料与冶金学院 井玉安 微 控 编制 强 强 奥 变 控
韧 性 能 定 义 和 指 标 韧 化 机 制 氏 体 形 变 2 与 再 结 晶 制 轧 制 的 概 念 及 4 思 想 3 形 条 件 下 的 相 变 合 金 元 素 的 作 用 制 冷 却 的 概 念 及 思 6 想 中 厚 板 上 的 应 用 热 连 轧 带 钢 上 的 应 用 薄 板 坯 连 铸 连 轧 上 的 应 用 型 钢 生 产 中 的 应 用 棒 线 材 生 产 上 的 应 用 无 缝 钢 管 生 产 上 的 应 用
B上
σ 材料与冶金学院 σ
b
D B
弹性阶段OA 屈服阶段AB 强化阶段BC 颈缩阶段CD
辽宁科技大学 2.抗拉强度σb
钢材所能承受的最大应力
结构设计中钢材强度取值的依据
A B下
σb
s
屈强比= σ s σ b 屈强比↑，利用率
井玉安
σs σ p
编制
α
O L1 L0
↑，安全可靠程度↓
3.伸长率δδ = L1 − L0 ×100% L0
τ m = G 2π 辽宁科技大学 材料与冶金学院 但从试验数据可以看出：由试验测到的剪切强度与按此关糸求出的理论剪切强
度相差4个数量级。金属的理论抗拉强度大致为其弹性模量的1/10,而其实际抗拉 强度同样也低于理论值的3到4个数量级。
井玉安
编制
School of Materials and Metallurgy
井玉安
University of Science and Technology Liaoning
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。
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。
金属材料强韧化原理2
金属材料强韧化原理2金属材料强韧化原理结课论文姓名：谭元标学号： S11080502089 学院：材料科学与工程学院专业：材料学金属间化合物的强韧化研究进展谭元标（燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛，066004）摘要金属间化合物具有低密度、高熔点、高热导率、比重轻、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优的特点。
本文介绍了几种金属间化合物的强韧化方法，包括细晶强化、复合强韧化、颗粒强韧化、纤维增强强韧化、微合金化强韧化。
并论述了这些方法的一些研究状况。
关键字：金属间化合物；细晶强化；复合强韧化；颗粒强韧化；纤维增强强韧化；微合金化强韧化1.前沿金属强度来源于原子间结合力，如果一个理想晶体，在切应力作用下沿一定晶面和晶向发生滑移形变，根据计算，金属的实际强度只是这个理论强度的几十分之一，甚至几千分之一。
奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错理论；位错理论的发展揭示了晶体实际切变强度和屈服强度低于理论切变强度的本质。
金属的理论强度与实际强度之间的巨大差别，实测的纯金属单晶体在退火状态下的临界分切应力表示了金属的基础强度，是材料强度的下限值；而估算的金属的理论强度是经过强化之后所能期望达到的强度的上限。
为了是材料在应用过程中满足强度、塑性、韧性的要求。
研究提高金属的强度和韧度的方法具有重要意义。
通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
通过物理、化学、机械的方法改变材料的成分和组织结构来提高材料的断裂韧性的方法称为金属的韧化。
断裂韧性是材料的一项力学性能指标。
金属间化合物具有低密度、高熔点、高热导率、比重轻、抗氧化和抗硫化腐蚀性能优的特点，优于不锈钢和钴基、镍基合金等传统的高温合金，而韧性又高于普通的陶瓷材料，是一种介于Ni基合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料。
作为高温结构材料的应用研究得到了越来越多的重视[1-6]。
- 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)。
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。
1）细晶强化：它是常温下一种有效的材料强化手段。
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。
金属的屈服强度与晶粒大小的关系满足Hall-Petch关系：σy=σ0+k d d−1/2（ 0和k y是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径），但需要注意的是，在高温下，材料的晶粒越小，其高温强度越小；与常温下的情况正好相反。
细晶强化的方法有：严重压缩变形，等通道角挤压，高压扭转等。
2）形变强化：金属材料具有加工硬化的性能，形变后流变应力得到提高。
形变强化是因为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。
加工硬化的途径有冷冲压，冷变形等。
形变硬化不是工业上广泛应用的强化方法,它受到两个限制：a使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化；b由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金属，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能
3）控轧控冷和轧后直接淬火，为了进一步提高金属的强韧化水平，减少合金元素的含量，哈发展了控制轧制和控制冷却技术。
4）“快速加热淬火”：该工艺是把钢件以较快的速度（200~300°C/min以上）加热至适当的奥氏体化温度，作短时保温后，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后（此时马氏体晶粒相应细小）并回火。
加热速度越快，奥氏体形成温度越高，则钢形成的奥氏体含碳量越低，淬火后的显微组织为含碳量较低的隐晶马氏体加均匀分布的细小粒状碳化物，回火后可获得比普通淬火要高的强度和韧度。
所谓隐晶马氏体（又称隐针马氏体）是指组织呈非常细微的针状，采用光学显微镜无法辨别晶界的一种马氏体形态。
这种马氏体多出现在感应加热淬火、高能束加热淬火中，其硬度比普通马氏体高2~3HRC。
对高碳铬钢（GCr15）进行快速加热淬火可同时提高强度和韧度。
有资料介绍：GCr15钢采用快速加热淬火与普通加热淬火相比，强度提高了1.5倍，韧度提高了3倍。
渗碳钢经渗碳后采用快速加热淬火，可以在渗层获得细小的奥氏体晶粒和降低表层马氏体的含碳量以及减少残奥数量，从而提高强度和韧度。
高碳钢及渗碳钢采用快速加热淬火能提高强度、韧度和疲劳寿命的原因是：热处理后获得了强韧兼优的组织形态。
这种组织形态主要是：呈粒状、细小均匀分布的未溶碳化物、碳含量较低的隐晶马氏体以及含有适量均匀分布的残奥。
应当强调的是：采用快速加热淬火的钢，其原始组织必须细小、均匀。
而原始组织中的碳化物弥散度越大，快速加热的速度相应可以提高或保温时间可以缩短，获得上述组织结构的工艺过程越易控制。