韧脆转变过程中微观机理的转变及其判据
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化是一种通过改变材料的微观结构和化学成分，提高材料的强度和韧性的方法。
它涉及到一系列的力学和物理机制，以下是一些常见的强化韧化机理：
1.晶粒细化：通过控制材料的热处理或变形加工条件，可以
使晶粒变得更加细小。
细小的晶粒能够阻碍位错和裂纹的运动，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
2.相界增多：通过形成更多的相界面，例如晶界、相界以及
位错堆垛等，可以阻碍位错和裂纹扩展。
相界增多提供了额外的韧性机制，从而提高材料的韧性。
3.增强相分散：在基体材料中加入第二相颗粒或纳米颗粒，
可以形成复相结构。
这种复相结构能够阻碍位错运动和裂纹扩展，提供更高的强度和韧性。
4.锁定位错：通过在材料中引入位错锁定机制，可以阻止位
错的移动和滑移，从而提高材料的强度和韧性。
5.固溶强化：通过向基体材料中加入合金元素，调整其晶格
结构，形成的固溶体能够在晶内形成固溶强化效应，提高材料的强度和韧性。
6.相互作用增强：通过精细调控材料的化学成分和结构，使
不同相之间发生特定的相互作用，例如化学键的形成、界面的相容性等，从而提高材料的抗拉强度和韧性。
通过利用上述强化韧化机制，材料科学家和工程师能够设计和
制造出具有优异综合性能的材料，满足不同领域对材料性能的需求。
每种机制的适用性取决于材料的类型和应用要求。
岩石的脆延性转换
S2.4.1 普遍原理
人们从实验室结果总结了岩石脆性―延性转化的一些 特征（图2.4.7，周永胜等，2000）。可以看出，岩石在脆性破 裂到塑性变形的转化过程中要经历脆性向脆塑性过渡域和 脆塑性过渡域向晶体塑性两个转化阶段。第一个转化阶段的 标志特征为局部破裂和应力降消失，出现碎裂和塑性变形， 强度主要依赖于围压，对温度和应变率的依赖性差。第二个 转化阶段的标志为碎裂、扩容和声发射消失，出现大量晶体 塑性变形，并且强度对围压不敏感但对温度和应变率敏感。
S2.4.1 普遍原理
Paterson and Weaver(1970) 研究了围压为0，200，500 MPa下不同温度时 MgO 多晶体的变形。屈服应力如 图2.4.6所示。
图: 2.4.6 MgO单晶与多晶脆-塑转换时的相互关系(来自Paterson and Weaver,
1970)
S2.4.1 普遍原理
S2.4.3 温度引起的转换
S2.4.1 普遍原理
在脆-塑转换过程中存在着重要的相互作用。塑性流动 趋向于在裂纹尖端形成集中，因为该处应力高；塑性流动还 具有抑制和稳定化的双重效应，因为裂纹扩展包括塑性流 动作的功，它会使“裂纹扩展力”������增大，而同时塑性流动 会钝化裂纹，使该处应力集中减小。另一方面，塑性流动也 会诱发裂纹，即当被活化的滑移数量不充分时，晶格在颗粒 边缘错配，常导致位错堆集，产生应力集中，进而出现微破 裂成核作用(Zener-Stroh 机制)。
S2.4.1 普遍原理
这一变形模式的变化不是突然的，而是经过一个半脆 性区域渐变化的，如图2.4.5 所示(Carter and Kirby, 1978; Kirby,1983)。
图: 2.4.5 脆-塑转换的������ − ������ 空间示意图
韧性断裂PPT课件
多个微裂纹通过滑移长大、聚集 连接，扩展过程需要消耗大量能 量
宏观：平行于最大剪切应力或垂 直于最大主应力方向 微观：穿晶
通过滑移变形慢速扩展
沿晶分离（可能伴有微量塑性 变形），或沿一定晶面快速劈 开，扩展过程只需要很少能量 宏观：垂直于正应力 微观：沿晶、解理
通过沿晶分离或解理快速扩展
断裂控制因素 应变控制 ε＞ εf
应力控制 σ＞ σf
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项目
断口形态
断口颜色 塑性变形
断裂原因
韧性断裂和脆性断裂的比较
韧性断裂
脆性断裂
宏观：纤维状 微观：蛇形滑移、涟波、延伸、 韧窝
粗糙、灰暗
宏观：放射状（人字纹）、颗粒 状
微观：解理扇形、河流、舌状花 样、沿晶韧窝、岩石状
细瓷状、光亮
伴有大量塑性宏观变形：拉伸— —缩颈，扭转——扭角，冲击— —转角，弯曲——挠度，压缩— —镦粗
2）纤维区是断裂过程中某瞬间的裂纹前沿， 各排纤维的法线方向代表裂纹扩展方向，沿此 方向可以找到冲击力作用点。
3）微观上成撕裂型韧窝，匹配断口上韧窝 弯曲方向相同，且被拉长。
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4、压缩
1）断口为剪切型。 2）裂纹走向与正应力成45°。 3）微观断口上出现半弧形韧窝，匹配断口 上弯曲方向相反。
过载或强度不足
无宏观塑性变形
材质：白点、分层、夹杂 工艺：过热、过烧、回火脆、焊 接脆、时效脆等 环境：应力腐蚀、氢脆、低温脆 应力：低应力脆断、应力状态过 硬引起的脆断
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不同形状的韧窝 第11页/共22页
无夹杂韧窝
有夹杂韧窝 第12页/共22页
脆-韧性转换带变形过程与机制：以郯庐断裂带南段为例
收稿日期: 2017-08-09; 改回日期: 2017-11-30项目资助: 国家自然科学基金青年基金项目(41802220)、国家自然科学基金重点基金项目(41830213)和国家自然科学基金面上基金项目(41772210、41472194)联合资助。
第一作者简介: 赵田(1989‒), 男, 讲师, 硕士生导师, 从事构造地质学研究工作。
Email: zhaotian323@ doi: 10.16539/j.ddgzyckx.2019.01.002卷(Volume)43, 期(Number)1, 总(SUM)168 页(Pages)17~32, 2019, 2(February, 2019)大 地 构 造 与 成 矿 学Geotectonica et Metallogenia脆‒韧性转换带变形过程与机制:以郯庐断裂带南段为例赵 田1, 谢成龙2, 向必伟1, 林少泽3, 闫 超1, 朱 光2(1.安徽大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230601; 2.合肥工业大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009; 3.重庆大学 土木工程学院, 重庆 400045)摘 要: 关于脆‒韧性转换带的变形过程与机制, 长期以来缺乏明确的认识。
郯庐断裂带南段出露的新元古界张八岭群 为浅变质火山‒沉积岩系。
这套岩层的韧性变形与低级变质作用发生在印支期, 当时处于中地壳层次, 是认识中地壳脆‒韧性转换带变形特征与过程的天然对象。
详细的构造研究表明, 区内张八岭隆起北段出露的张八岭群呈现为平缓的韧性拆离带, 而大别造山带东缘则为陡立的左行走滑韧性剪切带, 两者代表了中地壳不同类型的变形带, 这两类变形带在印支期递进变形中经历了相似的变形转换, 即早阶段透入性韧性变形和晚阶段脆‒韧性变形。
早阶段韧性变形中, 发育片内A 型褶皱和透入性面理和矿物拉伸线理为特征的糜棱岩; 晚阶段脆‒韧性变形中, 发育膝折、皱纹线理、褶劈理、石英脉、张裂隙、B 型剪切褶皱等构造。
岩石的脆-延性转换
S2.4.1 普遍原理
Paterson and Weaver(1970) 研究了围压为0 ， ， 200 500 MPa下不同温度时 MgO 多晶体的变形。 屈服应力如 图2.4.6所示。
图: 2.4.6 MgO单晶与多晶脆-塑转换时的相互关系(来自Paterson and Weaver,
1970)
S2.4.2 压力引起的转换
图: 2.4.9 沿图2.4.1中A-B的脆-塑转换路径大理岩在一系列围压下的变
形(Scholz, 1968; Edmond and Paterson, 1972)
S2.4.2 压力引起的转换
图2.4.9 还给出了体积应变和轴向应变的关系图。 在较 低围压下， 屈服后的轴向应变伴有稳定的扩容率， 表明岩石 内在发生微破裂的作用， 围压的作用是逐步限制扩容， 直 到300MPa时扩容消失。 扩容与轴向应变的比值关系类似于 围压对轴向应力-应变曲线的效应： 都是在低围压下最大， 并逐渐减小， 直到在围压为300MPa时消失。 在较低的围压 下， 岩石发生突变性形变， 随着围压的逐渐增高， 形变中的 脆性作用逐渐减小， 在围压为300MPa时， 脆-塑性转换结束， 岩石完全塑性化。
S2.4.1 普遍原理
注： 2. “扩散流” 是指物质从岩体的一部分到另一部分的 扩散而引起的物体的形状改变的形变过程， 而不管物质的 扩散途径如何。 扩散途径可以通过晶粒内部， 也可以通过颗 粒的边界。 基于上述两种途径的简单扩散模型是 Nabarro-Herring 和 Goble 蠕变。 位错爬升及沿位错及位错网 格的扩散可能是引起扩散流的更主要的原因。 在孔隙岩石 中， 扩散的途径还可能包括通过颗粒空间的液体。
S2.4.1 普遍原理
在脆-塑转换过程中存在着重要的相互作用。 塑性流动 趋向于在裂纹尖端形成集中， 因为该处应力高； 塑性流动还 具有抑制和稳定化的双重效应， 因为裂纹扩展包括塑性流 动作的功， 它会使 “裂纹扩展力” ������增大， 而同时塑性流动 会钝化裂纹， 使该处应力集中减小。 另一方面， 塑性流动也 会诱发裂纹， 即当被活化的滑移数量不充分时， 晶格在颗粒 边缘错配， 常导致位错堆集， 产生应力集中， 进而出现微破 裂成核作用(Zener-Stroh 机制)。
第四章 脆性断裂与材料的韧脆转变
A mg h h
两种加载方式： 悬梁式 ——艾氏冲击试验法，试样截面 为圆形或正方形，V型缺口，很 少使用。 ——夏比试样，长度为55mm， 1010mm方棒 •U型缺口试样 •V型缺口试样
横梁式
由于缺口形式对冲击实验结果影响很大，因此，为了正确地 揭示材料的力学行为，应选择合适的缺口形式，对于韧性很好的 金属材料，一般应选用V型缺口试样，而对于韧性较差的材料，则 应选用U型缺口试样，甚至不开缺口。 冲击实验机的标准打击能量为300J或150J。室温冲击试验一 般应在23±5℃范围内进行。对于高温或低温冲击试验，可采用各 种方法加热或冷却试样。
图4-20 40钢多冲性能和静载 性能随回火温度的变化
说明： 用中、低强度材料制作的中、小型零件，由于较 高的断裂韧性，一般不会发生脆断，因而可以应用多 冲抗力的结论。 用中、低强度钢制作的大型铸锻件、焊接件及高 强度材料制成的零件，制造工艺复杂，微小裂纹或缺 陷，在多次冲击的条件下，可能成为疲劳裂纹萌生源， 逐渐扩展到临界裂纹尺寸而发生脆性断裂，多冲抗力 不一定高。
多次重复冲击试验 小能量多次重复冲击试验采用连续冲击试验机 （凸轮落锤式），圆柱形试样，三点或四点弯曲加载， 冲锤作上下往复直线运动。 •通过改变冲锤重量、冲头 大小和冲击速度来调整冲 击能量A。 •固定一个冲击能量时就得 到一个冲断周次N。 •采用不同的冲击能量A就 可以得到一系列的相应冲 断周次N。
P
冲击拉伸 静拉伸
• 使塑性变形来不及充分进行，弹性极 限、屈服强度等变形抗力指标比静载下有所提高。 • 断 裂 ——冲击载荷对于断裂过程的影响与材料的相对塑性有关， 总的趋势是增加脆性倾向。
3、冲击实验 冲击试验是目前工程上最方便、最简单的测定金 属抗冲击载荷能力的方法。 迄今仍然以通过冲击试验获得的冲击韧性或冲击 功作为最基本的力学行能数据，表达材料承受冲击载 荷的能力和评定材料的韧脆程度，并在设计中用作保 证零件安全性的主要指标之一。
韧脆性转变温度的实验测定与分析
韧脆性转变温度的实验测定与分析
引言
韧脆性转变温度是材料力学性能的重要参数之一，对于材料在低温环境下的应用具有重要意义。
本文旨在介绍韧脆性转变温度的实验测定方法及其分析。
实验方法
材料样本准备
首先，选择适合研究的材料，并制备相应的样本。
样本的形状和尺寸应符合实验要求，以确保测试结果的准确性和可靠性。
实验装置
使用专业的实验装置进行韧脆性转变温度的测试。
这些装置通常包括低温槽、加载装置、测温装置等，能够提供所需的温度和加载条件。
实验步骤
1. 将样本置于低温槽中，使其达到所需测试温度。
2. 在设定的温度下，加载样本，通过测量加载过程中的力和位移等参数，记录下实验数据。
3. 在不同温度下重复上述步骤，得到一系列实验数据。
数据分析
通过实验得到的数据，可以进行如下分析：
1. 绘制应力-应变曲线：根据加载过程中的力和位移数据，计算样本的应力和应变，并绘制出应力-应变曲线。
该曲线可以反映材料的弹性行为和塑性行为。
2. 确定韧脆性转变温度：通过观察应力-应变曲线在不同温度
下的变化趋势，确定韧脆性转变温度。
通常，韧性材料在转变温度
下会表现出明显的韧脆转变，即应力-应变曲线会出现陡峭的下降。
结论
通过实验测定和分析，我们可以得到材料的韧脆性转变温度。
这项研究对于了解材料在低温环境下的力学性能具有重要意义，为
相关工程和应用提供依据。
参考文献
[参考文献1]
[参考文献2]。
强化韧化机理
强化韧化机理
强化韧化机理是金属材料科学中的一个重要概念，它涉及到材料性能的改善，尤其是硬度和韧性这两个重要的力学性能指标。
强化与韧化通常是材料改性处理的目的，使其在保持足够强度的同时，提高抵抗断裂的能力。
1. 强化机制：
强化主要通过以下几种方式进行：
- 固溶强化：通过添加合金元素使基体材料内部形成固溶体，阻碍位错运动，从而提高材料的强度。
- 时效强化：通过加热、保温然后冷却的过程，使材料内部析出第二相粒子，位错运动受到阻挡，提高材料强度。
- 应变强化（加工硬化）：通过冷加工（如轧制、锻造等）使材料内部产生大量位错，位错交互作用增加，从而提高材料的抗拉强度。
- 晶粒细化强化：通过控制加工工艺使材料晶粒细化，晶界数量增多，位错运动阻力增大，材料强度提高。
2. 韧化机制：
韧化主要通过以下方式实现：
- 细化晶粒：晶粒越细，晶界越多，晶界能阻止裂纹扩展，从而提高材料韧性。
- 第二相颗粒强化：在材料基体中引入弥散分布的第二相颗粒，如陶瓷颗粒、金属间化合物等，可以阻滞裂纹的扩展，起到钉扎位错的作用，提高材料韧性。
- 亚微观结构调控：通过调整材料内部的层片状、孪晶、位错胞等亚微观结构，使材料在遭受冲击或负载时分散并吸收能量，从而提高韧性。
- 混合韧化：结合多种韧化机制，如相变韧化（马氏体钢的相变）、沉淀强化与韧化并存（航空铝合金的时效处理）等，实现强度和韧性的同步提升。
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韧脆转变过程中微观机理的转变及其判据
微观机理转变及其判据是指材料从韧性到脆性的变形行为机理的转变
以及判定转变的标准。
一、转变机理
1. 韧性机理
(1) 扭转变形：从物理上讲，材料受到外力作用，材料分子层间间距变小，使得原子结构在外力对称施加处受拉应力而歪斜，产生扭转变形。
(2) 缠绕变形：这是由于金属材料中原子在拉伸时发生缠绕动力，发生
称为缠绕屈服的变形行为，使材料从韧性转变为脆性。
2. 脆性机理
(1)单切破裂：材料受外力时，塑势电子在材料的晶格层与晶格层，以
及晶格层与非晶格层间的位错处依次出现破裂，脆性物质的变形就是
以这样的破裂为主。
(2)局部滑移：材料受外力作用破裂断口便会被移动，形成非晶格滑移，材料继续拉伸变形，产生单位面内局部区域滑移。
二、转变判据
1. 对于韧性：当材料变形量大于正常拉伸时，表明材料含有韧性特性。
2. 对于脆性：外力的作用使材料的特性比正常变形特性稳定性下降，
表明具有脆性特性。