材料的强化与韧化文件.PDF

第十章 材料的强化与韧化 第一节金属材料的强韧化 第二节 陶瓷材料的强韧化 第三节高分子材料的强韧化 第四节复合材料的强韧化 对结构材料，最重要的性能指标是强度和韧性。 * 强 度：材料抵抗变形和断裂的能力； * 韧 性：材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。 提高材料的强度和韧性，可以节约材料、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，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。 所以人们在利用材料的力学性能时，总希望材料 既具有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料 往往二者不可兼得。 理解材料的强化和韧化机理，以提高材料的强度 和韧性。 第一节 金属材料的强韧化 从理论上讲，提高材料强度的途径有： （1）完全消除材料内部的位错和其他缺陷，使它的强 度接近于理论强度，如金属晶须等，但实际应用尚有 困难。 （2 ）在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动， 如加工硬化、固溶强化、细晶强化、马氏体强化、沉 淀强化等。 综合这些强化手段，可使材料的强度接近理论强度。 1）金属材料的强化 （1）固溶强化 利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强 化的一种方法。 方 式：在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形 成固溶体（间隙式或替代式）而使金属的强度、硬度 升高。 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。 金属的屈服强度与晶粒大小的关系满足Hall-Petch 关系： σ σ k d −1/ 2 =+ y 0 d 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。 （3 ）第二相粒子强化 ** 按获得粒子的工艺：析出强化（沉淀强化、时效 强化）和弥散强化 ** 按粒子大小和形变特性：不易变形粒子和易变形粒 子。 * 位错绕过不易变形的粒子 * 位错切过易变形的粒子。 （4 ）形变强化 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加强，因 而位错运动越来越困难所致。 2 ）金属材料的韧化 （1）韧化原理 （a ）细化晶粒 （b ）脆性相：小、少、球形等。 （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） 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 脆性和提高其强度的关键是： （1）提高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力；(断裂能) （2 ）减缓裂纹尖端的应力集中效应。(减小缺陷尺寸) ** 陶瓷增韧机理: (1) 在裂纹尖端周围分布着非弹性变形的区域，它们 由于相变或微裂纹所引起的。 (2) 由纤维或晶须，或未破坏的带状第二相所引起的 裂纹桥联。 ** 韧化方法： （1）氧化锆相变增韧 当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的t- ZrO 粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对t-ZrO 的压 2 2 抑作用首先在裂纹尖端得到松弛，促发t-ZrO2 → m- ZrO2 的相变，产生体积膨胀形成相变区。由此产生 的相变应力又反作用于裂纹尖端，降低了裂纹尖端 的应力集中程度，发生所谓的钝化反应，减缓或完 全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。 下图表示含有亚稳t-ZrO2 中裂纹扩展时，其顶端 附近，由应力应变诱发t →m相变的示意图。 裂纹顶端应力诱发t →m相变增韧机理 （2 ）微裂纹增韧 在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引 起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散均 布的