第十章 材料的強(qiáng)化

第十章材料的強(qiáng)化第一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日

韌性是材料變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)；強(qiáng)度是材料抵抗變形和斷裂的能力，塑性則表示材料斷裂時(shí)總的塑變程度．材料在塑性變形和斷裂全過(guò)程中吸收能量的多少表示韌性的高低．金屬材料缺口試樣落錘沖擊試驗(yàn)側(cè)得的韌性指標(biāo)稱為沖擊韌性．高分子材料沖擊試驗(yàn)的韌性指標(biāo)通常稱為沖擊強(qiáng)度或沖擊韌度．

第二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)材料強(qiáng)化基本原理一、金屬材料的強(qiáng)化原理1、固溶強(qiáng)化純金屬經(jīng)適當(dāng)?shù)暮辖鸹髲?qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理可分為無(wú)序固溶體和有序固溶體

固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)：（1）溶質(zhì)原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)越大，強(qiáng)化作用越大；（2）溶質(zhì)原子與基體金屬原子尺寸相差越大，強(qiáng)化作用越大；（3）間隙型溶質(zhì)原子比置換原子有更大的固溶強(qiáng)化作用；（3）溶質(zhì)原子與基體金屬的價(jià)電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化越明顯。第三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日2、細(xì)晶強(qiáng)化多晶體金屬的晶粒通常是大角度晶界，相鄰取向不同的的晶粒受力發(fā)生塑性變形時(shí)，部分晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)先開(kāi)動(dòng)，并沿一定晶體學(xué)平面滑移和增殖，位錯(cuò)在晶界前被阻擋，當(dāng)晶粒細(xì)化時(shí)，需要更大外加力才能使材料發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。霍爾-佩奇公式：σs=σ+Kyd-1/2

第四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日3、位錯(cuò)強(qiáng)化（1）晶體中的位錯(cuò)達(dá)到一定值后，位錯(cuò)間的彈性交互作用增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。可以有效地提高金屬的強(qiáng)度。流變應(yīng)力τ和位錯(cuò)密度的關(guān)系：

培萊-赫許公式

第五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日（2）加工硬化

定義：金屬經(jīng)冷加工變形后，其強(qiáng)度、硬度增加、塑性降低。單晶體的典型加工硬化曲線：τ~θ曲線的斜率θ=dτ/d

θ稱為“加工硬化速率”FCC單晶體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線第六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日·曲線明顯可分為三個(gè)階段：I．

易滑移階段：發(fā)生單滑移，位錯(cuò)移動(dòng)和增殖所遇到的阻力很小，θI很低，約為10-4G數(shù)量級(jí)。II．線性硬化階段：發(fā)生多系滑移，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，θII遠(yuǎn)大于θI約為G/100—G/300，并接近于一常數(shù)。III．拋物線硬化階段：與位錯(cuò)的多滑移過(guò)程有關(guān)，θIII隨應(yīng)變?cè)黾佣档停瑧?yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)閽佄锞€。第七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日4、沉淀相顆粒強(qiáng)化當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布在基體相中時(shí)，將產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用，通常將微粒分成不可變形的和可變形的兩類。（1）可變形微粒的強(qiáng)化作用——切割機(jī)制·適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形第八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系，主要有以下幾方面的作用：A．位錯(cuò)切過(guò)粒子后產(chǎn)生新的界面，提高了界面能。B．若共格的粒子是一種有序結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)切過(guò)之后，沿滑移面產(chǎn)生反相疇，使位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)需要附加應(yīng)力。C．由于粒子的點(diǎn)陣常數(shù)與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生共格畸變，存在彈性應(yīng)變場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。D．由于粒子的層錯(cuò)能與基體的不同，擴(kuò)展位錯(cuò)切過(guò)粒子時(shí)，其寬度會(huì)產(chǎn)生變化，引起能量升高，從而強(qiáng)化。E．由于基體和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位錯(cuò)線切過(guò)粒子時(shí)必然產(chǎn)生一割階，而割階會(huì)妨礙整個(gè)位錯(cuò)線的移動(dòng)。在實(shí)際合金中，起主要作用的往往是1~2種?！ぴ龃罅Ｗ映叽缁蛟黾芋w積分?jǐn)?shù)有利于提高強(qiáng)度。第九頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日（2）不可變形微粒的強(qiáng)化作用——奧羅萬(wàn)機(jī)制（位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制）

·適用于第二相粒子較硬并與基體界面為非共格的情形。使位錯(cuò)線彎曲到曲率半徑為R時(shí)，所需的切應(yīng)力為τ=Gb/（2R）設(shè)顆粒間距為λ，則τ=Gb/λ，∴Rmin=λ/2只有當(dāng)外力大于Gb/λ時(shí)，位錯(cuò)線才能繞過(guò)粒子。減小粒子尺寸（在同樣的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，粒子越小則粒子間距也越小）或提高粒子的體積分?jǐn)?shù)，都使合金的強(qiáng)度提高。第十頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日（3）粗大的沉淀相群體的強(qiáng)化作用由兩個(gè)相混合組成的組織的強(qiáng)化主要是由于：①纖維強(qiáng)化；

②—個(gè)相對(duì)另一個(gè)相起阻礙塑性變形的作用，從而導(dǎo)致另一個(gè)相更大的塑性形變和加工硬化，直到末形變的相開(kāi)始形變?yōu)橹梗?/p>

③在沉淀相之間顆粒可由不同的位錯(cuò)增殖機(jī)制效應(yīng)引入新的位錯(cuò)．第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日二、高聚物的強(qiáng)化原理高聚物的強(qiáng)化方法：（1）引入極性基鏈上極性部分越多，極性越強(qiáng)，鍵間作用力越大；（2）鏈段交聯(lián)隨著交聯(lián)程度的增加，交聯(lián)鍵的平均距離縮短，使材料的強(qiáng)度增加；（3）結(jié)晶度和取向高聚物在高壓下結(jié)晶或高度拉伸結(jié)晶性高聚物，可使材料的強(qiáng)度增加；（4）定向聚合。第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)材料的韌化基本原理一、金屬材料的韌化原理改善金屬材料韌性斷裂的途徑是：①

減少誘發(fā)微孔的組成相，如減少沉淀相數(shù)量②提高基體塑性，從面可增大在基體上裂紋擴(kuò)展的能量消耗；③增加組織的塑性形變均勻性，這主要為了減少應(yīng)力集中；④避免晶界的弱化，防止裂紋沿晶界的形核與擴(kuò)展；⑤金屬材料的各種強(qiáng)化

第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日二、高聚物的韌化原理1、增塑劑與沖擊韌性添加增塑劑使分子間作用力減小，鏈段以至大分子易于運(yùn)動(dòng)，則使得高分子材料的沖擊韌性提高。但某些增塑劑在添加量較少時(shí)，有反增塑作用，反使沖擊韌性下降第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日2、分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子量與沖擊韌性熱塑性塑料的大分子結(jié)構(gòu)及分于間力是決定材料性能的主要因素，這兩個(gè)因素若使堆砌密度小。玻璃化溫度低時(shí)，則沖擊韌性就高，大分子鏈的柔順性好，可提高結(jié)晶性高分子材料的結(jié)晶能力，而結(jié)晶度高常使沖擊韌性下降。第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日提高相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)高聚物沖擊韌性的作用會(huì)因長(zhǎng)分子鏈的纏結(jié)而削弱，因?yàn)榉肿渔湹睦p結(jié)、交聯(lián)會(huì)降低其柔性，在溫度和拉仲速率一定的條件下，高聚物的相對(duì)分子質(zhì)量有一臨界值Mc，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量大于Mc時(shí)高聚物為韌件，反之為脆性．

第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，2022年，8月28日三、無(wú)機(jī)非金屬材料的韌化機(jī)理陶瓷的主要增韌機(jī)制有相變?cè)鲰g和微裂紋增韌：1、相變?cè)鲰g處于陶瓷基體內(nèi)的ZrO2存在著m-ZrO2與t-ZrO2的可逆相變特性，晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變伴有3％一5％的體積膨脹．ZrO2顆粒彌散分布于陶瓷基體內(nèi)，當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，基體對(duì)ZrO2的壓抑作用得到松馳，ZrO2顆粒即發(fā)生四方相到單斜