材料科学基础-材料的强韧化
金属材料强韧化机理及超高强钢开发
一、概述金属材料一直以来都是工程领域中广泛应用的材料之一，其强韧性一直是研究的热点之一。
随着科学技术的不断发展，人们对金属材料强韧化机理及超高强钢的研究也越发深入。
本文将从金属材料强韧化的概念和机理入手，探讨目前超高强钢的开发及应用情况，并对未来的发展方向进行展望。
二、金属材料强韧化的概念及机理1. 强韧化的概念强韧化是指在不同的外力作用下，材料能够保持其在应力下的强度和韧性。
强韧化材料具有抗拉伸、抗弯曲和抗扭转等性能较强的特点。
强韧化的目的是提高材料的使用安全系数，延长材料的使用寿命。
2. 强韧化的机理强韧化的机理包括晶界强化、位错强化和析出强化等。
晶界强化是指通过控制晶界的特性来增强材料的强韧性；位错强化是通过引入位错来增强材料的韧性；析出强化是指通过固溶体中析出出特定的固溶体来增强材料的性能。
三、超高强钢的开发及应用1. 超高强钢的研究历程超高强钢的研究始于二十世纪六十年代，经过多年的发展，目前已经取得了一系列重要的突破。
超高强钢具有高强度、高韧性和良好的冷成型性能，广泛应用于汽车、桥梁和建筑等领域。
2. 超高强钢的应用情况目前，超高强钢在汽车轻量化领域的应用较为广泛，能够显著提高汽车的安全性能和燃油利用率。
超高强钢还被应用于船舶制造、航空航天和军工等领域，取得了良好的效果。
四、未来发展方向展望1. 现代材料加工技术的发展随着现代材料加工技术的不断进步，越来越多的新型金属材料被开发出来。
未来，随着3D打印、激光焊接等新技术的应用，超高强钢的研究和生产将更加多样化和精细化。
2. 新材料的研究与应用未来，人们将更加注重绿色环保型材料的研究与开发，以满足社会可持续发展的需求。
对于高温、高压等复杂工况下的材料需求也将逐渐增加，超高强钢在这些领域的研究与应用将会成为重点。
3. 国际合作与交流未来，随着国际合作与交流的深入，超高强钢的研究与应用将会更加国际化。
通过与国际先进技术的合作，可以更好地借鉴和吸收先进的技术和经验，推动超高强钢的发展。
材料科学基础-材料的强韧化
1.强化金属材料的各种手段,考虑的出发点在于制造无缺陷的晶体或者制造位错运动的障碍2.各种强化手段对材料的性能影响强化手段 强度 硬度 韧性 塑性 固溶强化 ↑ ↑ ↓ ↓ 位错强化 ↑ ↑ ↓ ↓ 细晶强化 ↑ ↑ ↑ ↑ 加工硬化 ↑ ↑ ↓ ↓ 沉淀相颗粒强化 ↑↑↓↓3.各种强化手段原理及特点固溶强化利用点缺陷对金属机体进行强化.具体的方式是通过融入某种溶质元素形成固溶体,而使金属强度,硬度提高（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大； （2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大； （3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用； （3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显 位错强化位错密度达到一定值的时候,流变应力和位错密度符合佩莱-赫许公式,即位错密度增加,位错间的交互材料的强韧化名词解释冲击韧性金属材料缺口试样落锤冲击试验侧得的韧性指标称为冲击韧性 冲击强度(冲击韧性) 高分子材料冲击试验的韧性指标通常称为冲击强度或冲击韧度 固溶强化 纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象;根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体细晶强化 细化晶粒产生塑性变形,从而增大外加作用力达到强化金属材料作用位错强化 通过增大晶体中的位错密度和增加位错阻力的方式增加金属强度方法沉淀相颗粒强化 当第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体相中时，将产生显著的强化作用可形变颗粒 沉淀相通常处于与母相共格状态,颗粒尺寸小,可为运动的位错所切割的颗粒不可形变颗粒 具有较高的硬度和一定尺寸,并于母相共格或非共格的沉淀相颗粒 加工硬化 材料经过受力超过屈服极限,然后卸载,当再次加载时,其比例极限上升而塑性变形将减小的现象韧性 是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现强度 是材料抵抗变形和断裂的能力 塑性 表示材料断裂时总的塑变程度 断裂强度 材料能承受的最大拉力屈服强度材料在受拉力时开始产生塑性变形时的最小应力,又称屈服极限作用增大,流变应力增大,从而起到增强材料硬度作用细晶强化晶界对位错滑移具有阻滞作用,晶粒越细小晶界越多,位错被阻滞的地方就越多,晶体的强度就越高(多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的目的)沉淀相颗粒强化 在外加切应力的作用下,材料中运动着的位错线遇到沉淀相粒子,位错线会产生扭曲,并最终绕过沉淀粒子,形成一个位错环.这就造成切应力增大,提高了材料强度相变增韧相变吸收能量而且导致体积膨胀产生张应力,周围还会出现不少微裂纹,从而有效降低了裂纹尖端附近的有效应力强度,而且裂纹偏转还可以增加表面积,从而起到增韧作用.试论材料强化的主要方法及其原理。
第9章 材料强韧化
三、位错强化（加工硬化） 位错强化（加工硬化）
金属强度与位错密度之间关系密切。 金属强度与位错密度之间关系密切。
（2）加工硬化 ）
FCC单晶体 的应力—应 变曲线
பைடு நூலகம்
四、弥散强化或沉淀强化
强化作用。 第二相以细小弥散微粒均匀分布在基体相中 → 强化作用。 第二相通过过饱和固溶体时效处理而沉淀析出产生强化 → 沉淀强化或时效强化。 沉淀强化或时效强化。 第二相借助于粉末冶金方法加入起强化作用→ 弥散强化 第二相颗粒强化作用： 第二相颗粒强化作用： 微粒分为： 微粒分为：1）不可变形颗粒； 不可变形颗粒； 2）可变形颗粒
组织利用间隙固溶强化。 M 组织利用间隙固溶强化。 强韧性配合较合理。 低碳位错型 M ：强韧性配合较合理。 原因：不出现点阵正方度畸变，溶质偏聚在刃位错线附近， 原因 ： 不出现点阵正方度畸变 ， 溶质偏聚在刃位错线附近 ， 位错可带着气团运动。 位错可带着气团运动。 固溶高碳量，点阵畸变位置多， 固溶高碳量，点阵畸变位置多，规则排列区域减小 →切变 抗力↑ ，正断抗力减低↓ 晶界或障碍前位错塞积引起应力集中 → 脆性断裂 低塑性和韧性
通常以裂纹形核和扩展能量消耗或裂纹扩展抗力标志 材料韧性。 材料韧性。 组织结构不同，断裂方式不同，断裂机制不同。 组织结构不同，断裂方式不同，断裂机制不同。 导致材料脆化； 促进裂纹形核和扩展 —— 导致材料脆化； 导致材料韧化。 缓和裂纹形核和扩展 —— 导致材料韧化。
断裂分： 断裂分：韧性断裂和脆性断裂 韧性断裂：微孔形成、聚集长大，塑性起主导作用。 韧性断裂：微孔形成、聚集长大，塑性起主导作用。 改善金属材料韧性途径： 改善金属材料韧性途径： 减少诱发微孔组成相，如减少沉淀相数量； ① 减少诱发微孔组成相，如减少沉淀相数量； 提高基体塑性，增大裂纹扩展能量消耗； ② 提高基体塑性，增大裂纹扩展能量消耗； 增加组织均匀性，减小应力集中； ③ 增加组织均匀性，减小应力集中； 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界形核与扩展； ④ 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界形核与扩展； 各种强化方法对韧性产生影响。 ⑤ 各种强化方法对韧性产生影响。
工程材料的强韧化
奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响
700
600 500
温 400 度 300 ℃ 200 100
Ms
0 -100
-200 0
Mf
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Wc 100
奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响
残 余 奥 氏 体 量 90 80
70
图3-19 碳钢淬火加热温度范围示意图
淬火加热时间
加热时间包括升温和保温时间。
t=аD
淬火冷却介质
冷却速度： 盐水 ＞ 水 ＞ 盐浴 ＞ 油 水：最常用的冷却介质，主要用于形状简单、截面较大 的碳钢零件的淬火。 油：机油、变压器油、柴油等。只用于低合金钢、合金 钢的淬火，使用时油温应控制在40~100 ℃。 盐水：比较适用于形状简单、硬度要求高而均匀、表面 要求光洁、变形要求不严格的碳钢零件。
600
200
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 马氏体的碳浓度 Wc 100
温度 (℃ ) 800
亚共析钢的TTT曲线
F A3 A1
700 600 500
400 300 Ms 200 100 0 Mf -100 0
A
P+F S+F T B
M + A残
1
10
102
103
104
时间(s)
转变产物的组织与性能
1.珠光体型 ( P ) 转变 ( A1～550℃ ) : A1～650℃ : P ; 5～25HRC; 片间距为0.6～0.7μm ( 500× )。
650～600℃ : 细片状P---索氏体(S); 片间距为0.2～0.4μm (1000×); 25～36HRC。
材料的强化和韧化
➢ 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
❖限制
➢ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化
➢ 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性 能
金属材料的韧化
材料的韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的 综合表现
当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展。通常 以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料 韧性。
细晶强化
❖定义
❖强化机理
➢晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之 这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力， 因而的滑移带不能直接进入一侧晶粒中
➢晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿 过晶界，而是塞积在晶界处
—晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著， 多晶体的强度就越高
第二相粒子强化
➢不易形变的粒子
包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子
位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）
运动位错线在 不易形变粒子 前受阻、弯曲
外加切应力的 增加使位错弯 曲，直到在A、 B处相遇
位错线方向相反 位错线绕过
的A、B相遇抵 粒子，恢复
消，留下位错环， 原态，继续
位错增殖
向前滑移
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间 反Hall-Petch效应
第二相粒子强化 ❖分类
➢通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化
➢通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
❖强化效果
➢相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响
➢第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
陈业高--材料强韧化
金属材料强韧化机理作业陈业高 2013630003 2013级一、强化机理答：金属材料的强化机理大致4种：细晶强化、形变强化、固溶强化、第二相强化。
1 细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度。
通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。
实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。
故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。
晶粒越细小，位错集群中位错个数（n）越小，根据τ=nτ0，应力集中越小，所以材料的强度越高；细晶强化的强化规律，晶界越多，晶粒越细，根据霍尔-配奇关系式，晶粒的平均值(d)越小，材料的屈服强度就越高。
2 形变强化: （材料）形变强化：在金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变性继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。
形变强化，即加工硬化，属于典型的四种金属强化方式之一，workinghardening：随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加，这种现象称为形变强化或加工硬化。
金属的塑性变形是通过滑移进行的。
在塑性变形过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造成位错运动受阻，从而使材料的强度提高3 固溶强化: 合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。
融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。
这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。
在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。
材料的强韧化
算的最大应力。
疑问：传统的“强度设计”合理性？是否需辅以“韧性设计”？“安全”系数从某种角度讲也是一种“无知”系数，它反映人们对于客观事物的了解程度，如应力分析是否与使用条件完全符合，施工过程引入的残余应力有多大，施工与设计的偏差等。
采用其所长>1的值来弥补这些“无知”，从而获得“安全”设计。
考虑到高温、疲劳及腐蚀的作用，在设计时引入持久强度、疲劳极限及应力腐蚀断裂强度等性能，还考虑了多向受力，这些均为强度设计，而对塑性指标和韧性指标只依据经验提出要求，未用于设计计算。
(2) 对材料的断裂判据发生了怀疑；疑问：宏观应力σ〈σs〈σb？应力状态、应变速度、环境温度对断裂有何影响？合理的断裂判据？(3) 考核了工艺的适用性；熔化焊接，不仅改变性能，还会引入残余应力、缺口、裂纹等，影响断裂。
(4) 深入理解了工作情况；使用不当，如过载、划伤、冲击、过冷等，均促进脆断。
对于材料的断裂和其它失效，设计是主导，材料是基础，工艺是保证，使用是监护。
断裂的失效机理主要因素协助因素失效机理恒载韧断及脆断交变载荷疲劳断裂力学化学、恒载应力腐蚀断裂化学、交变载荷腐蚀疲劳断裂热学(化学) 蠕变断裂、液态金属脆化三、材料科学与工程的研发思路：(1) 依据工程构件服役行为确定所需材料性能；(2) 依据性能要求，确定所需材料结构；(3) 制定材料生产工艺，获得所需材料结构；(4) 采用必要设备，保证工艺实施；或反其道而行之的思路：(5) 只有适当的设备才能保证工艺；(6) 只有通过工艺才能改变结构；(7) 结构决定性能；(8) 材料的性能决定工程构件的行为。
§2 材料的力学性能力学性能：是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力。
包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
金属、陶瓷和高分子材料具有不同的力学性能，主要是由其基本结构决定的。
如金属和陶瓷的晶体结构、缺陷是理解其力学性能的核心概念；高分子材料的构形，交联与缠结起了关键作用。
材料强韧化处理第一部分
材料强韧化处理教师：赵满秀博士摘录：李丹彭凤仇才君教学内容：①有关材料的强化和韧化的基本原理②材料表面强化（重点）目录第一部分材料的强化和韧化的基本原理第一章材料的强韧化基本原理一、金属材料强韧化的意义①通过强化处理可以优化材料的力学性能指标，充分挖掘材料的潜力。
②工作表面通过表面强化处理，增加耐磨性、耐蚀性、疲劳强度，提高工件使用寿命。
综上所述，材料的强韧化处理就是在保证材料的强化的同时，尽量提高材料的韧性。
二、实现钢铁材料强韧性的两个阶段1、液态阶段（炼钢者研究的重点）方法：细化晶粒、纯洁钢材、合金化（1）、细化晶粒方法：①快速冷却（增大过冷度）；②加变质剂：减少表面能，提高形核率；抑制晶粒长大；③震动搅动：机械形核；④合金化（用Al、Nb、Ti脱氧）：氧化物熔点高，成为非均匀形核的核心，增加形核率。
Al脱氧的原因：Al与氧的结合力强，生成高熔点的氧化物，成为非均匀形核的核心，提高形核率，细化晶粒。
钢铁冶炼的最后阶段：①脱氧：加Al、Mg、Si与O结合，细化晶粒；②合金化。
（2）纯洁钢材：如模具、刀具（含C 量高、耐磨、高纯净） 方法：去除有害元素S 、P 、O 、H ；去除氧化物、氯化物、硅酸盐；去除有害气体。
2、固态阶段对于固体材料为提高材料的强韧化，常采用常规热处理或者形变两大方法，也可以通过表面强化提高表面强度。
（1）、常规热处理方法：正火、退火、回火、淬火（时效强化、固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化）（2）冷变形强化机理：塑性变形使位错密度增加，位错运动受阻。
（3）热加工强化的原因：能焊合某些缺陷、破碎粗大组织、形成纤维组织。
常规热处理与形变工艺如下所示：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧热挤压热轧热锻热加工挤压滚压喷丸冷变形形变淬火回火退火正火常规热处理诱发M 相变，产生孪晶，提高硬度三、强化的两个途径1、晶体的理论强度和实际强度①理论强度：按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度 ②实际强度：实验测得的单晶体临界分切应力 2、材料强度和位错密度的关系须晶：接近完整晶体的须状晶体 强化的两个基本途径：①尽可能减少晶体中的位错密度，使其接近完整晶体或者制成无缺陷的完整晶体，是金属的实际强度接近理论强度。
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1.强化金属材料的各种手段,考虑的出发点在于制造无缺陷的晶体或者制造位错运动的障碍
4.常见公式和相关计算题 公式一:霍尔-佩奇
d
21-0
s
k +=σ
σ
公式二:培莱-赫许公式ρ
τ
τ210
aGb +=
题一:若平均晶粒直径为1mm 和0.04mm 的纯铁的屈服强度分别为100mpa 和250mpa,则平均晶粒直径为0,01mm 的纯铁的屈服强度为多少? 答:根据材料的屈服强度与晶粒尺寸的霍尔佩琪公式:
d
21-
s
k +=σ
σ
有:
)(122
11
2
12
21121
1
s σσσσs s s d d
d d ---+=-
---
所以:MPA 5.337)100250(1
110004
.001
.02
121s
=---+=-
-
σ
题二:晶体滑移面上有一位错环,外力场在其柏士矢量方向的切应力为G 10
4
-=
τ,柏士矢量
m 55.2b 1010
-⨯=此位错环在晶体中能扩张的半径为多大?
答:单位长度位错受力为:
GN/m 55.255.2G b F 10101014
-10-4-⨯=⨯⨯==τ
曲率半径为R 的位错因线张力而施加于单位长度位错线的力R
2G
F b 2
≈,当此力和外加应力
场对位错的力相等所对应的R 就是此位错环在晶体中能扩张的半径,所以:
m GN /55.22R G 10b 14
2
-⨯=,即m 275.1R 106
-⨯=
5.合金强化包括固溶强化和沉淀相颗粒强化
6.陶瓷材料韧化机制为相变增韧和微裂纹增韧
7.位错在金属晶体中收到这些阻力:
8.复合材料的增韧机制有:
9.高温时细晶材料比粗晶材料软,与常温时的细晶强化作用相反.高温时可利用定向凝固来增大颗粒,而通过机械震动,添加不溶杂质,增加过冷度来细化晶粒
10.细晶强化能增大材料的韧性的原因是:晶粒越细,单位体积内晶粒越多,形变时同样的形变量分散到更多的晶粒中,产生均匀形变而不会产生应力集中,引起裂纹的过早产生和发展 11.弹性模量大一般强度和脆性大,弹性模量小不意味着不易变形,例如橡皮筋弹性模量较小但是变形大,因为机制不同
12.加工硬化应力-应变曲线一般有三个阶段:易滑移阶段,线性硬化阶段,抛物线硬化阶段 13.加工硬化原理类似与位错强化机制,是金属形变后的位错密度增加,起到了强化作用 14.形变后的屈服应力称为流变应力
15.替换式固溶强化作用小于填隙式固溶强化,但在高温时变得较为重要
16.可变形微粒的强化作用为切割机制,适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形;不可变形微粒的强化作用为奥罗万机制（位错绕过机制）,适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。
17.高聚物的强化方法：
（1）引入极性基 链上极性部分越多，极性越强，键间作用力越大；
（2）链段交联 随着交联程度的增加，交联键的平均距离缩短，使材料的强度增加； （3）结晶度和取向 高聚物在高压下结晶或高度拉伸结晶性高聚物，可使材料的强度增加；
（4）定向聚合
20.应力-应变曲线解析:。