第十章_材料的强化与韧化ppt课件.ppt

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1、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：

2、（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

3、-Petch关系：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。（

4、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-Zr

5、O2粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对t-ZrO2的压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，会产生弥散均布的微裂纹[图(a)]，当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂纹会促使主

6、裂纹分叉(图(b))，使主裂纹扩展路径曲折前进，增加了扩展过程中的表面能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的韧性。微裂纹增韧示意图（3）裂纹偏转增韧机制裂纹在扩展过程中遇到晶界、第二相颗粒或残余应力场时，将偏离原来运动方向产生非平面型裂纹，称之为裂纹偏转。这时，裂纹平面在垂直于施加张应力方向上重新取向。这种方向上的变化意味着裂纹扩展路径将被增长，同时，由于裂纹平面不再垂直于张应力方向而使得裂纹尖端的应力强度降低，因而裂纹偏转将增大材料的韧性。典型的裂纹偏转示意图a）裂纹倾斜θ角；b）裂纹扭转φ角（4）裂纹弯曲增韧机制裂纹弯曲是由于裂纹障碍形成的。裂纹障碍是指由于基体

7、相中存在断裂能更大的第二相增强剂如颗粒、晶须时，裂纹在扩展过程被其阻止的情况。而裂纹障碍的主要形式就是裂纹前沿的扩展已越过第二障碍相而形成裂纹弯曲。与前面所讨论的裂纹偏转机制不同，裂纹弯曲是在障碍相的作用下产生非线性裂纹前沿。如图所示，其中d为粒子间距。裂纹弯曲的线张力增韧模型（5）裂纹桥联增韧机制所谓桥联增韧是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体材料增韧的方法。裂纹表面桥联作用可以分为两种形式，一种为刚性第二相导致裂纹桥联，而另一种则是由韧性第二相导致裂纹桥联。当桥联相为刚性时，也就是第二相的韧性和陶瓷