第8章_工程材料强化与韧化的主要途径
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
机械零件的选材
机械零件的选材在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。
机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。
1、工程材料的强化方式：固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。
2、工程材料的韧化途径：细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。
一、选材的基本原则＊满足机件的使用性能要求＊较好的加工工艺性＊较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。
（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。
②工作环境——温度、介质的性质等③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、外观等失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。
如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。
（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求→可测的实验室性能指标→初选一般根据设计手册的数据选材，应注意：﹡材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。
﹡材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。
﹡材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的手册一般给出：σs 、σb 、δ、ψ、ak目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。
2、材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化是一种通过改变材料的微观结构和化学成分，提高材料的强度和韧性的方法。
它涉及到一系列的力学和物理机制，以下是一些常见的强化韧化机理：
1.晶粒细化：通过控制材料的热处理或变形加工条件，可以
使晶粒变得更加细小。
细小的晶粒能够阻碍位错和裂纹的运动，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
2.相界增多：通过形成更多的相界面，例如晶界、相界以及
位错堆垛等，可以阻碍位错和裂纹扩展。
相界增多提供了额外的韧性机制，从而提高材料的韧性。
3.增强相分散：在基体材料中加入第二相颗粒或纳米颗粒，
可以形成复相结构。
这种复相结构能够阻碍位错运动和裂纹扩展，提供更高的强度和韧性。
4.锁定位错：通过在材料中引入位错锁定机制，可以阻止位
错的移动和滑移，从而提高材料的强度和韧性。
5.固溶强化：通过向基体材料中加入合金元素，调整其晶格
结构，形成的固溶体能够在晶内形成固溶强化效应，提高材料的强度和韧性。
6.相互作用增强：通过精细调控材料的化学成分和结构，使
不同相之间发生特定的相互作用，例如化学键的形成、界面的相容性等，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
通过利用上述强化韧化机制，材料科学家和工程师能够设计和
制造出具有优异综合性能的材料，满足不同领域对材料性能的需求。
每种机制的适用性取决于材料的类型和应用要求。
韧化途径
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。
焊接冶金学重点答案
（3）结构因素：主要有焊接结构和焊接接头的设计形式。
1）其影响主要表现在热的传递和力的状态方面；
2）改善措施：减小接头刚度、减少交叉焊缝，避免焊缝过于密集以及减少造成应力集中的各种因素。
（4）焊接结构的使用条件：
焊接结构的工作温度（高温、低温）;
碳当量公式没有考虑元素之间的交互作用，也没有考虑板厚、结构拘束度、焊接工艺、含氢量等因素的影响。因而用碳当量评价焊接性是比较粗略的，使用时应注意条件
2）焊接冷裂纹敏感系数
(1）不仅包括了母材的化学成分，又考虑了熔敷金属含氢量与拘束条件的作用。
(2）根据Pc值可以通过经验公式求出斜y坡口对接裂纹试验条件下，为了防止冷裂纹所需要的最低预热温度To(℃):
（二）间接推算类：碳当量法、冷裂纹敏感指数Pc法、HAZ最高硬度法等
（三）使用性能试验类：力学性能试验、耐压试验等
3-2:选择或制定焊接性试验方法的原则:１)针对性与可比性原则：焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致２)可靠性原则：焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性３)注意试验方法的经济性原则
To=1440 Pc-392()通常的讲就是对冷裂纹发生可能的敏感程度或指标。一般和碳当量同步的，其值越高，裂纹倾向就越大，一般碳当量公式计算结果大于等于0.45 即有冷裂纹的倾向。此外表面硬度越高，裂纹倾向也越大。
3、焊接性的试验方法分类？
焊接性试验方法分类：（一）、直接模拟试验类：１）焊接冷裂纹试验２）焊接热裂纹试验３）再热裂纹试验４）层状撕裂试验５）应力腐蚀裂纹试验６）脆性断裂试验
(二)中碳钢调质状态下焊接时的工艺特点
(1)当必须在调质状态下进行焊接时，除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和脆化；高温回火区软化引起的强度降低。
工程材料的强韧化
奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响
700
600 500
温 400 度 300 ℃ 200 100
Ms
0 -100
-200 0
Mf
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Wc 100
奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
残 余 奥 氏 体 量 90 80
70
图3-19 碳钢淬火加热温度范围示意图
淬火加热时间
加热时间包括升温和保温时间。
t=аD
淬火冷却介质
冷却速度： 盐水 ＞ 水 ＞ 盐浴 ＞ 油 水：最常用的冷却介质，主要用于形状简单、截面较大 的碳钢零件的淬火。 油：机油、变压器油、柴油等。只用于低合金钢、合金 钢的淬火，使用时油温应控制在40~100 ℃。 盐水：比较适用于形状简单、硬度要求高而均匀、表面 要求光洁、变形要求不严格的碳钢零件。
600
200
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 马氏体的碳浓度 Wc 100
温度 (℃ ) 800
亚共析钢的TTT曲线
F A3 A1
700 600 500
400 300 Ms 200 100 0 Mf -100 0
A
P+F S+F T B
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
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
简述材料的主要强化方法和工艺实现的途径
简述材料的主要强化方法和工艺实现的途径随着科学技术的发展，材料的性能也在不断进化，从最开始的原始状态发展到现在的高性能材料。
这里的强化是指对材料进行改性，使其具有更高的强度、耐磨性、耐腐蚀性和耐久性等特性，以满足应用要求。
强化材料可以广泛应用于汽车制造、家具制造、工程机械制造等多个领域，也可以用于生产飞机、舰船、机器人等先进科技装备，具有广泛的应用前景。
在材料强化方面，有多种方法可供选择，比如热处理、渗碳、表面涂层等。
其中，热处理是目前使用最广泛的方法，既可以改变材料的组织形态，也可以改善材料的抗拉强度、抗划伤、韧性和强度等特性。
渗碳是用于材料强化的一种技术，可以改变材料的组织结构，增强材料的韧性、适应性、抗磨损性和耐腐蚀性等特性。
表面涂层是采用合金涂层的方法，以改善材料的耐磨性、耐腐蚀性或抗静电性等特性。
材料的强化不仅需要科学方法，还需要合理的工艺实现。
通常来说，工艺实现的主要途径有几种:第一，热处理工艺。
热处理的主要原理是通过适当的温度和时间，改变金属材料的组织结构，从而改善材料的性能和物理力学性能。
一般情况下，热处理可以分为淬火、回火和正火三种方法，其中淬火是最常用的。
第二，表面涂层工艺。
表面涂层是在特定表面上涂覆高硬度合金涂层，使之具有更不易损坏的特性，可以改善材料的耐磨性和耐腐蚀性。
表面涂层的工艺一般是采用电解渗漏、化学和物理氧化、激光表面等方法制作。
第三，渗碳工艺。
渗碳工艺是一种特殊的热处理工艺，主要是将钢制件经过连续的加热和冷却，在用炭气充满的环境中进行处理，以达到改变金属材料组织结构的目的。
以上就是关于材料的主要强化方法和工艺实现的途径。
可以看出，材料强化需要合理的方法，同时也需要正确的实施工艺，以获得更高的性能。
此外，实现材料强化还需要充分的科学研究，以改善材料的表面状态，实现其最佳的性能和使用效果。
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。
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
机械工程材料的强韧——热处理
机械工程材料的强韧——热处理1、使材料强度提高的过程称为材料强化。
2、工程材料强化的途径：（1）尽可能减少晶体中的位错，使材料接近于无缺陷的理想晶体，材料实际强度接近于理论强度；（2）材料中有大量位错时，设法阻止位错运动，从而强化材料。
工程材料常用的强化方式：固溶强化，冷变形强化，细晶强化，第二相强化，相变强化工程材料常用的强韧化方式：细化晶粒，调整化学成分，控制轧制与控制冷却，形变热处理，马氏体强化，下贝氏体强化改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，二是热处理。
第一节概述1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。
2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。
3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。
4、热处理分类热处理原理：描述热处理时钢中组织转变的规律称热处理原理。
热处理工艺：根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参数称热处理工艺。
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：5、预备热处理与最终热处理预备热处理—为随后的加工（冷拔、冲压、切削）或进一步热处理作准备的热处理。
最终热处理—赋予工件所要求的使用性能的热处理。
第二节钢在加热时的转变加热是热处理的第一道工序。
加热分两种：一种是在A1以下加热，不发生相变；另一种是在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。
一、奥氏体的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。
现以共析钢为例说明：第一步：奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。
第二步：奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。
第三步：残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至消失。
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。
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。
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
提高无机材料强度及改善韧性的途径
韧的效果，统称为相变增韧。 （ZrO2 P95）
在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳
定相。在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的
抑制，未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态；当基体的 约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低 能态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸 收主裂纹扩展的能量。
1.微晶、高密度和高纯度
微晶、高密度和高纯度陶瓷，如热压工艺制备的氮化硅陶 瓷，密度接近理论值，气孔率几乎为零。
将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级，而制成晶 须则提高两个数量级。晶须提高强度的主要 原因之一就是提高 了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。
2.提高抗裂能力与预加应力
如用碳纤维增强石英玻璃，抗弯强度为纯石英玻璃的12倍，断裂功 提高2-3个数量级。
纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质、二者的结合强
度以及纤维在基体中的排列方式等。
1) 应选择强度及弹性模量比基体高的纤维，使纤维尽可 能多地承担外加负荷。（受力时，应变相同时，应力之比等于弹
性模量之比）。
2) 二者结合强度适当。（P96） 3) 应力作用的方向应与纤维平行，才能发挥纤维的作用。
表 3. 1 不同 Si 含量试样的相对密度及力学性能 Table 3. 1 Relative densities and mechanical properties of B4C based specimens
Relativeபைடு நூலகம்density (%)
Flexural strength (MPa)
作业：P106 1, 2, 6
共价键是自然界中最强的化学键之一，因此具有很高的强 度和韧性。
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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
●晶体中引入第二相的常用方法： 过饱和固溶体的脱溶析出（P240）；粉末冶金
8.2.5 复合强化措施与钢的马氏体强化
8.2.2 固溶强化
概念 合金元素溶于金属基体中形成固溶体而使其强度、硬度升高，塑性 、韧性下降的现象，称为固溶强化。 金属材料合金化的主要目的之一就是 产生固溶强化。 固溶强化的原理 溶质原子的溶入使溶剂金属的晶格发生畸变,从而产生附加的应力场，阻碍 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 △σ ss = 2△τ ss = Σ Κ iС i ● 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. ● 纯金属的强度很低，不能用于制造承载零件，但铜中加锌，形成铜锌合金， 则可显著提高强度，成为常用的结构材料黄铜;纯铁中加入碳、硅等元素， 成为应用广泛的钢铁材料。都与固溶体在材料中所起的强化作用有关。
ⅹ-间隙原子 · -比容较小的置换式原子 ●-比容较大的置换式原子 图8-7 溶质原子在位错附近分布图
图8-8 溶质对铜屈服强度的影响
8.2.3 细晶强化
●概念 细晶强化是指通过减小材料的晶粒度来提高金属强度的方法。 ● 值得注意的是，晶粒细化后不仅能比较显著地提高材料的强度，还能同 时提高其塑性和韧性，这是其他强化方法所不具备的。
●实际工程中，大多数材料的强化是几种强化机制的共同作用， 以充分强化。例如——
□普通低合金钢中加少量强碳化物形成元素Nb、V、Ti等，可
析出大量细小的碳化物，它们本身起了第二相强化(沉淀强化) 的作用，同时碳化物又阻碍了晶粒的长大，得到了细化晶粒的 强化效果。
□含4%Cu的Al-Cu合金，一般主要靠CuAl2第二相的析出强化，
弹性变形： 变形可逆；
服从胡克定律，应力σ 和应变ε 呈线性关系，即σ =Eε 。
塑性变形： 卸载后材料会留下一定的残余变形或永久变形； 应力和应变不再呈线性关系。
8.1.2 材料的理论强度与实际强度
●理论分析和实验研究发现，晶体的理论强度远大于
其实际强度。
●晶体的实际强度就是实验测得的单晶体的临界分切
合金化(共聚与共混) 添加增塑剂、填料及各种纤维 淬火
8.6 材料表面强化及表面改性处理技术
8.6.1 表面化学热处理 ●概念 表面化学热处理是将工件放在含有欲渗入元素的特定 介质中，通过加热、保温、冷却的方法，使介质中的某些元 素渗入工件表面并向内扩散，以改变表层的化学成分和组织 ，从而使工件表面具有与内部不同的特殊性能的一种表面强 化及表面处理方法。 ●基本过程: 分解——吸收——扩散 ●种类及功能：种类很多，各自具有不同的功能。如—— 渗碳、碳氮共渗可提高工件表面硬度、耐磨性和疲劳强度； 渗氮(氮化)、渗硼、渗铬可显著提高工件表层硬度、耐磨性 和 耐蚀性; 渗硫可提高表面减摩性， 渗硅改善耐酸性， 渗铝可提高耐热、抗氧化性等。
●高聚物强韧性的影响因素
□链结构 极性、氢键 链刚性 聚合度(分子量) 交联程度 □聚集态 结晶度 取向 □外界条件：温度，应变速率
表8-7 几种常用塑料的力学性能来自8-29 高聚物聚合度对强度影响
图8-30 丁苯橡胶拉伸强度与交联剂含量关系
图8-31 结晶高聚物在拉伸取向中的结构变化
8.5.2 高分子材料强韧化途径
8.1.4 位错与晶体材料强度的关系
●增加晶体中位错运动的阻力
给运动位错设置阻碍以及抑制位错源的活动即可大幅度提高 晶体材料的强度。 ●位错运动阻力的大小的影响因素： • 晶格阻力 • 位错密度 • 晶体结构类型 • 其他
图8-5 位错密度与强度的关系
图8-4 各种位错结构（组态）
8.2 金属材料强化的基本途径
应力，而理论强度则是按完整晶体刚性滑移模型计 算出的强度。
图8-1 拉伸时金属单晶体的塑性变形
8.1.3 位错与晶体的塑性变形
1934年，泰勒等为解释晶体理论强度与实际强度的巨大差异， 提出了塑性变形的位错机制理论。后来通过透射电镜等实验手 段证实了位错确实是实际晶体中存在的一种缺陷。
图8-3 位错参与的逐步滑移过程
8.4.2 陶瓷的强韧化途径
制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷 预加压应力 消除表面缺陷 复合增韧 表8-6 几种陶瓷材料的块体、纤维及晶须的抗拉强度 相变增韧 抗拉强度/MPa
材料 块体 280 140(稳定化） 140(稳定化） 120~140（反应烧结） 2100 2100 纤维 晶须 21000 13333 14000 Al2O3 BeO ZrO2 Si3N4
高分子材料力学行为的基本特征 大的分子量及内部结构的多样性等特点,使得高分子材料的变 形行为十分复杂，对其研究远不如金属那样深入，但已确定: 由于高聚物中分子链排列不规则，内部含有大量杂质、空穴 和微裂纹，外力作用下，空穴聚合成微裂纹，而微裂纹不断 扩展形成宏观裂纹，导致最后断裂。因此,高聚物的实际强度 比理论强度小的多(约为0.01~0.001)。 与金属、陶瓷相比，高分子材料的弹性模量及强度要低得多， 且在很宽的范围内变化。且弹性模量也因生产方式和加工工艺 而变化。因此，弹性模量不再是高分子材料稳定的性能指标。 高聚物的相对密度甚小，故其比强度、比模量较高，作为轻质 材料的工程实际应用中颇具意义。
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著，但对塑性、韧性产 生较大的损害。实际使用的高强度合金，大多数含有第二相粒子 。 机理 绕过机制（Δ τ max=Gb/L ）; 切过机制（Δ τ max=3fγ s/π R ）
S =0＋Ky d-1/2
图8-9 纯铁强度与晶粒大小的关系
●应该指出，常规多晶体(晶粒尺寸甚大于100nm)中，晶界核心区域的原子 数小于原子总数的0.01%,外力作用时，晶界对位错滑移的阻滞效应起主导作 用，此时Hall-petch关系式成立。但如果晶粒尺寸为数个纳米，那么晶界核 心区域的原子所占的分数可高达50%，此时非晶界区域(晶内)的原子比例明 显下降，外力作用时，晶界附近的形变起主导作用。因此，此时晶粒越小则 反倒越容易发生形变，会出现所谓的反Hall-petch效应，如下图所示。
解理 断裂
准解理 断裂
韧窝 断裂
8.3.3 影响脆性断裂的因素
温度 化学成分 显微组织与晶粒度 环境 应力分布 应变速率
图8-23 碳钢的夏氏V缺口冲击能随温度的变化
表8-4 使金属和合金产生应力腐蚀的某些环境
8.3.4 金属材料的韧化途径
细化晶粒
提高冶金质量、控制化学成分
但如在末道工序低温时效前进行轧制或拉拔，引入加工硬化， 其强化效果会显著提高。
□钢材的马氏体强化是几种强化机制复合叠加的结果。
碳对马氏体的固溶强化； 高密度的位错或细微的孪晶使位错移动困难，造成强化和硬化; 碳及合金元素容易向位错和其他晶体缺陷处偏聚或析出，造成 时效强化。
8.3 金属材料的断裂与韧化途径
4a 2 m 实际（名义）断裂应力为：
1
2 E s f a
1
2
图8-18 裂纹引起脆性断裂 的Griffith模型
结论：脆性物体的断裂强度基本 由所存在的最严重的裂纹，也就是最长的裂纹所决定。
8.3.2 断裂的机制
晶间 断裂
表8-5 刚玉瓷（Al2O3）晶粒尺寸与机械强度的关系
晶粒平均尺寸/μm 193.7 90.5 54.3 25.1 11.5 抗弯强度/MPa 75 140 209 311 431 晶粒平均尺寸/μm 8.7 6.7 3.2 2.1 1.8 抗弯强度/MPa 484 485 552 579 581
8.5 高分子材料的强韧化 8.5.1 高分子材料的力学行为
图8-10 晶粒尺寸与强度的关系
●细晶强化还受温度影响。