无机材料的强化和增韧

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1、无机材料的强化和增韧报告人：冷先锋强化和增韧一.问题的提出二.材料的强化三.陶瓷材料的增韧一、问题的提出人们在利用材料的力学性质时，总是希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料往往二者只能居其一，要么是强度高，韧性差；要么是韧性好，但强度却达不到要求。寻找办法来弥补材料各自的缺点，这就是材料强化和增韧所要解决的问题。一、问题的提出例金属材料有较好的韧性，可以拉伸得很长，但是强度不高，所以对金属材料而言，需要增加的是强度，强化成为关键的问题；而陶瓷材料本身的强度很高，其弹性模量比金属高得多，但缺乏韧性，会脆断，所以陶瓷材料要解决的是增韧

2、的问题。如果能成功地实现材料的强化或增韧，就可以弥补上述两种材料各自所缺的性能。二、材料的强化从理论上来看，提高材料强度有两条途径：完全消除内部的位错和其它缺陷，使材料的强度接近理论强度。在材料中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。第一种方法目前已制出无位错高强度的晶须，但实际应用还存在困难。因为这样获得的高强度是不稳定的，对于操作效应和表面情况非常敏感，而且一旦位错产生后，强度就大大下降。在实际生产中，强化材料走的是第二种途径。第二种引入大量缺陷的方法又细分为：加工硬化、合金强化、细晶强化、化学强化、沉淀强化等。对陶瓷来说，为了消除缺陷，提高晶体的完整性

3、，细、密、匀、纯是发展的一个重要方向。例如：用热压工艺制造的Si3N4陶瓷，当密度接近理论值时几乎没有气孔。（1）加工硬化金属材料大量形变以后强度会提高。例如：一根铜丝经过适当弯折后会变硬，这是因为发生的塑性形变产生了大量的位错，位错密度的提高使得金属强度提高。是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。这种提高金属强度的方法内在的原因是晶界对位错滑移的阻滞效应。（2）细晶强化（3）合金强化实际使用的金属材料多半是合金。合金元素的作用主要是改善金属的力学性质，即提高强度或改善塑性。是利用点缺陷对金属基体进行的强化。具体的方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而

4、使金属强度、硬度升高。是指沉淀颗粒的引入，使得材料强度在时效温度下随时间而变化的现象。该方法是铝合金和高温合金的主要强化手段。（4）固溶强化（5）沉淀强化高温下金属材料的强化开始是通过使用高熔点或扩散激活能大的金属和合金来实现的。（6）高温强化镍基高温合金材料的使用就是一个成功的例子（7）化学强化是采用离子交换的办法（通常用一种大的离子置换小的离子）。这种技术是通过改变表面化学的组成，使表面的摩尔体积比内部大。表面体积膨大受到内部材料的限制，就产生两相状态的压应力。若：则：此外，将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。（2.19）三.陶瓷材料的增

5、韧相变增韧微裂纹增韧裂纹偏折和弯曲增韧裂纹分支增韧桥联与拔出增韧延性颗粒增韧残余热应力增韧压电效应损耗能量增韧电畴翻转增韧复合韧化机制三.陶瓷材料的增韧1.相变增韧第二相颗粒相变韧化（transformationtoughening）是指将亚稳的四方ZrO2颗粒引入到陶瓷基体中，当裂纹扩展进入含有t-ZrO2晶粒的区域时，在裂纹尖端应力场的作用下，将会导致t-ZrO2发生tm相变，因而除了产生新的断裂表面而吸收能量外，还因相变时的体积效应（膨胀）而吸收能量，可见，应力诱发的这种组织转变消耗了外加应力。同时由于相变粒子的体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂

6、纹扩展。结果这种相变韧化作用使在该应力水平下在无相变粒子的基体中可以扩展的裂纹在含有氧化锆tm相变粒子的复合材料中停止扩展，如要使其继续扩展，必须提高外加应力水平，具体体现在提高了材料的断裂韧性。三.陶瓷材料的增韧必要条件有亚稳的四方氧化锆颗粒存在t相的晶粒尺寸是影响t-m相变的一个重要因素，Ms点随晶粒尺寸的减少而降低。氧化锆的室温组织存在一个临界粒径dc，ddc的晶粒室温下已经转变成m相；ddc的晶粒冷却到室温仍保留为t相。所以只有ddc的晶粒才有可能（但不一定）产生相变韧化作用。当裂纹尖端应力场最高值一定的情况下，应力诱发t-m相变存在一个

7、临界晶粒直径d1。只有d1ddc的晶粒才会应力诱发相变（stressinducedphasetransformation），即这部分晶粒才对相变韧化有贡献。(a)裂纹尖端应力场引起的转变区，(b)典型马氏体相变应力应变行为，(c)裂纹尖端应力场变化，(d)裂纹扩展进入转变区受到残余应力作用aW裂纹原始裂纹位置转变区表面应变A应力pA应力与裂纹尖端距离rP/=ETP/=EU临界转变应力(PAii)c粒子尺寸温度等裂纹W受约束时作用区不受约束时作用区裂纹(d)(a)(b)(c)三.陶瓷材料的增韧应力诱发t-m相变的增韧公式式中为无相变基体材料的

8、断裂韧性，为化学驱动力，为残留相应变能。R为相变区宽度，E为弹性模量，为波松比