第三章材料强韧化设计的总结与实例.pptVIP

在冷却过程中，VC向WC晶粒扩散，形成(W，V)C固溶体，由于形成固溶体时间短，在晶粒内造成较大微观应变，从而影响硬质合金的机械物理性能。如以固溶体形式添加VC抑制剂，WC、VC同时向Co相内扩散，V的溶解量有所减少，而Ｗ的溶解量增加，孔隙充填更为容易，但同时也使VC的抑制作用下降；在冷却过程中，由于部分VC已经以(W，V)C的形式存在，使晶粒内部的应变减小，晶粒生长更趋完整，从而提高了硬质合金的机械物理性能。 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制备复合材料，进行力学性能试验，以对复合材料的强韧力学性能进行评价，对强韧化设计准则和模型进行检验和修正后再反馈到复合材料设计与制备中去。这种强韧化设计的总体思路可由下图来简单表示。 第三章 材料强韧化设计的总体思路与实例 复合材料强韧化力学设计准则与模型的建立过程分五项工作内容(见上图)： (1) 复合材料强韧化机理研究 指通过对复合材料的损伤演化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 包括控制参数的选择与计算，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，而是一个过渡区域。 一般说来，这个过渡区域是从其中一种组分材料性质开始变化的那一点到与另一种组分材料性质相一致的那一点为止。该区域材料的结构与性能不同于两种组分材料中的任何一种，故而常称之为界面层。 界面的形成和作用机理十分复杂，至今仍未形成统一的理论。总的来说，影响界面的形成、结构及其稳定性的因素大致可分为两类：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： 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