讨论四：金属材料的强韧化
金属材料强韧化原理及应用ppt课件
Water – icosahedron（二十面体） Ether – dodecahedron（十二面体）
2020/5/3
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金属材料强韧化原理及应用 概述 — 金属材料发展历史回顾 人类对材料微观结构认识的发展过程
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金属材料强韧化原理及应用
金属材料强韧化机理
物理强韧化：是在金属内部晶 体缺陷的作用和通过缺陷之间 的相互作用，对晶体的力学性 能产生一定的影响，进而改变 金属性能
化学强韧化：是元素的本质决 定的因素以及元素的种类不同 和元素的含量不同造成的材料 性能的改变
物理强韧化
化学强韧化
Q:相交处的强韧 化机制是什么？
固溶强化
弥散强化
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金属材料强韧化原理及应用
金属强化的途径
细晶强化
Grain refine strengthening: 通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为 细晶强化。
Decreasing grain size ⇒ σy increases ⇒ εu vanishes
即为通常所讲的强度上升， 而塑性下降。
未取向，实际强度比理论值小1000倍左右
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金属材料强韧化原理及应用
一些金属材料的理论强度与实际强度
实际材料断裂时的临界分切应力
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
金属
临界分切应力m （MPa）
实验值 理论值
Al 1.3
4.3
Mn 0.8
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。
金属材料的强化与韧化
金属材料的强化与韧化机械工程学院机械工程1班刘文龙2011201120 对于金属材料来讲，最重要的性能指标包括了材料的强度和韧性等。
简单的说，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，而韧性指的是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
随着制造业及材料工业的快速发展，人们对高性能材料的需求已经越来越迫切，从目前角度来看，在不更改加工方式与行业整体现状的情况下，高性能材料主要由制备新型高性能材料与对原有材料进行改性以提高其性能两种方法，显然的，第二种方法更易实现，也更接近工程实际。
在现有的研究中，提高材料的强度主要有以下两种途径：1、完全消除材料内部的位错以及其他的缺陷，使它的强度接近于理论强度，例如金属晶须等，但实际应用难度较大；2、在金属中引入大量缺陷，以此阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、沉淀强化等。
其中金属材料的强化主要有以下几种放法：1、固溶强化此方法是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，一般通过在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体而使其强度和硬度升高。
2、细晶强化此方法通过细化晶粒以增加晶界对位错的阻滞效应来提高金属强度。
3、第二相粒子强化此法按获得粒子的工艺可分为析出强化与弥散强化。
4、形变强化金属在塑性变形过程中，位错密度会逐渐增加，使得弹性应力场不断变大，位错间交互作用增强，使得位错困难增强金属强度。
这里以金属的细晶强化方式举例，在王艳林[1]等人关于热轧钢材晶粒细化的文章中指出，在保证相同变形量、变形温度以及化学成分的前提下，对22mm棒材进行热轧制后通过强制冷去的方式进行细化晶粒组织，将晶粒度的等级由7.5级提高到8.0级，见图1。
通过试验发现，轧后强制冷却的热轧钢材延伸率为22.68%，与空冷状态下的24.30%基本相等，但是其屈服强度由空冷状态下的358.03MPa提高到了498.37MPa，提高了大约39.20%，抗拉强度由空冷状态下的508.33MPa提高到了626.44Mpa，提高了23.23%，可见通过此种方法对热轧钢材进行细晶强化对提高其综合性能效果十分明显，适宜推广；而目前首钢、水城钢铁公司等单位都进行了细晶钢螺纹钢的研究开发，均实现了细晶钢棒线材的工业化生产，并进行了推广应用。
材料科学基础材料韧化基本原理
材料的强韧化
三、无机非金属材料的韧化机理
(1) 相变增韧 ZrO2陶瓷中四方相的ZrO2向单斜相的ZrO2转变，伴 随有体积膨胀。当有较大外应力作用时，基体的约束 作用减弱，促进相变，会引发微裂纹，从而消除应力 集中，吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。
一、金属材料的韧化原理
材料的韧性是强度和塑性的综合体现
改善材料的韧性的基本途径
1 减少诱发微裂纹的组成相 2 提高基体的塑性 3 增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中） 4 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展
材料的强韧化
5 强化同时的增韧
(1)位错强化与塑性和韧性 位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性。可 动的未被锁住的位错对韧性的损害小于被沉淀物 或固溶原子锁住的位错。故提高可动位错密度对 塑性和韧性均有利。
(4)沉淀相颗粒与塑性
沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和硬度， 但可能会明显降低塑性和韧性。尤其，条带状、片 状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著 降低材料塑性。 减少沉淀相的析出数量，改善沉淀相的形状和分布 状态，可改善材料塑性。
材料的强韧化
二、高聚物的韧化原理
(1) 增塑剂与冲击韧性 添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子 容易运动，使高分子材料的冲击韧性提高。
材料的强韧化
(3)亚结构为高密度位错, 位错强化作用
(4)可动位错缓解局部应力集中, 延缓裂纹产生, 塑性和韧性
(5)残余奥氏体薄膜阻挡裂纹扩展, 塑性和韧性
材料的强韧化
二、高分子材料强韧化的例子 三、陶瓷材料强韧化的例子
Al2O3-ZrO2 +Y2O3 (ZTA)陶瓷材料
金属基复合材料的强韧化研究
金属基复合材料的强韧化研究随着科学技术的不断发展，金属基复合材料作为一种新型材料，受到了越来越多的关注和研究。
金属基复合材料结合了金属材料的强度和刚性以及复合材料的轻质和耐磨性，具有广泛的应用前景。
然而，金属基复合材料在实际应用中还存在一些问题，其中之一就是强韧性不足。
因此，研究金属基复合材料的强韧化成为当前的热点之一。
为了提高金属基复合材料的强韧性，研究人员采用了多种方法。
其中一个常用的方法是引入纳米颗粒增强。
纳米颗粒具有较高的比表面积和界面能，可以有效地提高金属基复合材料的强度和韧性。
此外，纳米颗粒的尺寸控制和分散性也对复合材料的性能起着重要作用。
因此，在制备金属基复合材料时，研究人员需要注意纳米颗粒的选择、尺寸调控和分散性的控制。
另外，界面的性质也对金属基复合材料的强韧性有重要影响。
界面是不同相之间的交界面，其性质直接影响到复合材料的力学性能。
研究人员通过调控界面的形貌和结构来改善金属基复合材料的强韧性。
一种常见的方法是在界面上引入中间层，可以减少应力集中和界面剪切的发生，从而提高复合材料的韧性。
除了纳米颗粒增强和界面改性，金属基复合材料的微观结构设计也是提高其强韧性的重要途径。
通过合理设计金属基复合材料的微观结构，可以实现应力分布的均匀和界面的强化，从而提高复合材料的力学性能。
例如，金属基复合材料中的纤维增强结构可以改善材料的韧性，使其能够在外界载荷下有效地吸收能量。
另外，热处理技术也是提高金属基复合材料强韧性的一种常用方法。
通过合理的热处理工艺，可以改变金属基复合材料的组织结构和相态，从而调控材料的力学性能。
热处理技术包括固溶处理、时效处理、退火等，可以显著提高金属基复合材料的强度、韧性和硬度。
总结起来，金属基复合材料的强韧化研究是一个复杂而又关键的课题。
纳米颗粒增强、界面改性、微观结构设计和热处理技术等方法的综合应用是提高金属基复合材料强韧性的有效途径。
通过对金属基复合材料的强韧化研究，可以推动该新型材料在航空、汽车、电子等领域的应用，为实现可持续发展做出贡献。
机械制造基础大作业
金属材料的强韧化原理和方法摘要：本文系统地论述了金属材料的强韧化原理和方法，以便指导实际生产中的加工。
关键词：金属材料强韧化介绍：强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力；韧性是指金属材料在断裂前吸收的断裂变形功和断裂功的能力。
一、金属材料的强化从金属材料的强化途径来看，金属材料的强化方法主要有两大类：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。
已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。
这种强化方法只有在几种特殊的金属中才得到应用。
另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。
事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。
对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。
具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。
下面简要的予以介绍：1、结晶强化结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。
它包括：（1）细化晶粒。
细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。
同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。
（2）提纯强化。
在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。
夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。
采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。
2、形变强化也叫加工硬化，金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。
这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。
如铜合金。
3、固溶强化通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使得融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加的现象。
金属材料强韧化技术改进方案设计
金属材料强韧化技术改进方案设计1. 引言金属材料的强韧化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。
过去几十年来，金属材料的强韧化技术得到了广泛研究和应用，但是存在一些挑战，例如在高温和高应力环境下的变形和断裂问题。
因此，本文将设计一种改进方案，以解决金属材料强韧化的一些关键问题。
2. 问题分析2.1 高温下金属材料的变形和断裂问题在高温环境下，金属材料容易发生塑性变形和断裂。
这主要是由于高温条件下，材料内部晶界的位错运动增加，导致材料塑性变形能力的降低和脆性断裂的发生。
2.2 高应力下金属材料的断裂问题当金属材料受到高应力作用时，容易发生断裂。
这是由于高应力导致材料内部的位错密度增加，超过了位错移动能力，从而导致断裂。
3. 改进方案设计为了解决金属材料在高温和高应力环境下的变形和断裂问题，本文提出以下改进方案：3.1 晶界工程设计晶界对于金属材料的强韧性具有重要影响。
通过晶界工程设计，可以控制晶界的位错活动，从而提高材料的韧性。
一种常用的方法是通过添加合适的合金元素来调制晶界结构，例如添加微量的Al、Mg等元素，形成稳定的非晶态晶界结构，从而改善金属材料的强韧性。
3.2 强化相设计强化相是指将强硬的相分布在金属基体中，可以有效地提高材料的硬度和强度。
常见的强化相包括碳化物、氮化物、硼化物等。
通过调控强化相的粒度和分布，可以提高金属材料的强度和抗变形能力。
另外，合理选择强化相的成分，可以通过形成固溶体来增加晶界的位错移动阻力，从而改善材料的强韧性。
3.3 微观结构调控微观结构调控是指通过控制金属材料的晶粒大小、晶粒形状和晶格缺陷等微观结构参数，来改善材料的力学性能。
通过细化晶粒尺寸，可以提高材料的强度和韧性。
一种常用的方法是采用等通道转角挤压（ECAP）技术，通过多次挤压和旋转，使材料的晶粒得到细化。
此外，通过调控晶粒形状和晶格缺陷的分布，也可以改善材料的塑性变形和断裂行为。
4. 实施步骤4.1 材料选择根据需求，选择适合的金属材料作为实施对象。
金属材料的强韧化机制与应用
金属材料的强韧化机制与应用对结构材料来说，最重要的性能指标是强度和韧性。
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等，各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标；韧性指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。
以下介绍金属材料的主要强韧化机制。
一、金属材料的强化金属材料强化的类型主要有固溶强化、细晶强化（晶界强化）、第二相粒子强化和相变强化。
（一）固溶强化固溶强化是利用金属材料内部点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使得金属基体（溶剂金属）获得强化的一种方法。
它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。
1. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入溶剂金属时，形成间隙式固溶体。
C、N等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。
当在螺型位错应力场作用下，C、N原子在位错线附近有规则排列就形成“S nock”气团。
这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生强化效应。
2. 置换式固溶强化：置换式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，固溶效能比间隙式原子小（约小两个数量级），这种强化效应称为软硬化。
形成置换式固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度同溶质与溶剂的原子尺寸、电化学性质等因素密切相关，当原子尺寸愈接近，周期表中位置愈相近，其电化学性质也愈接近，则溶解度也愈大。
由于溶质原子置换了溶剂晶格结点上的原子，当原子直径存在差别就会破坏溶剂晶格结点上原子引力平衡，而使其偏离原平衡位置，从而造成晶格畸变，随原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由此造成的强化效果更大。
（二）细晶强化晶界分为大角度晶界（位向差大于10o）和小角度晶界（亚晶界，位向差1~2o）。
晶界两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸变状态。
4。钢的强韧化机理
２．气团效应 溶质原子聚集在位错线附近， 溶质原子聚集在位错线附近，形成气 团，对位错起钉扎作用。 对位错起钉扎作用。 刃型位错 螺型位错 Cottrell气团 气团 Snock气团 气团 2 3
置换固溶体中的晶格畸变
1
1
３．电交互作用 位错附近存在畸变区， 位错附近存在畸变区，电子云分布不均匀 受张区： 受张区：电子云密度高 受压区： 受压区：电子云密度低 形成了局部的电偶极 溶质与基体的价电子相差越大， 溶质与基体的价电子相差越大，固溶强化作 用越大
三．晶界强化和塑性、韧性的关系 晶界强化和塑性、 晶界阻碍位错运动——σy↑ 晶界阻碍位错运动 细晶粒使变形均匀——塑性 细晶粒使变形均匀 塑性↑ 塑性 晶界阻碍裂纹扩展——韧性 韧性↑ 晶界阻碍裂纹扩展 韧性 裂纹扩展的临界应力 σc ＝ 2µSp·d-1/2/Ky σc ∝ d-1/2 d——晶粒直径 晶粒直径 d↓， σc ↑，塑性、韧性↑ ， ，塑性、韧性
应力集中与位错塞积数目成正比 塞积群大→应力集中大 塞积群大 应力集中大 粗晶粒， 大 塞积距离长，应力集中↑， 粗晶粒，d大，塞积距离长，应力集中 ，所 需外力↓，就可达到 需外力 ，就可达到τc 细晶粒，d小，塞积距离短，应力集中 ，所 细晶粒， 小 塞积距离短，应力集中↓， 需外力↑，才可达到 需外力 ，才可达到τc ，使邻晶粒开动
机理） １．绕过机理（Orowan机理） 绕过机理（ 机理 第二相质点与基体非共格， 第二相质点与基体非共格，质点较硬 第二相质点间距) △σp＝K·G·b/λ (λ ：第二相质点间距 质点增多， ，强化↑ 质点增多， λ ↓，强化
２．切过机理 质点较细小， 质点较细小，与基体保持共格关系
～ △σp＝K·f1/3～1/2·d’1/2
金属材料的强韧化研究
金属材料的强韧化研究金属材料是人类社会历史中应用最广泛的一种材料，广泛应用于汽车、建筑、机械、电子、军工等领域。
随着工业技术的发展，对金属材料的需求也越来越高。
而随着科学技术的不断进步和发展，金属材料的性能逐渐得到了进一步的提高。
其中，强韧化研究是金属材料技术中的一个重要方向。
强韧化是一种利用材料微观结构变化来提高材料力学强度和塑性的方法。
这一过程主要通过增加晶体之间的势能和弹性能来实现。
常见的强韧化方法包括热处理、冷变形、固溶处理和形变调控。
热处理通常包括退火、正火、淬火、时效等过程，通过改变材料的组织结构来提高材料的强度和塑性。
其中，退火和正火都是通过加热和保温的过程，使材料组织结构得到松弛和平衡，从而提高材料的韧性和延展性。
冷变形是指通过增加材料的冷变形量来改变材料的组织结构，从而增强材料的强度和韧性。
冷变形的方式有多种，包括轧制、拉伸、弯曲、挤压等。
其中，轧制是一种最常见的冷变形方法，通过辊轧板材或棒材来产生塑性变形。
这种方法能够提高材料的硬度和强度，并且可以控制材料的成型和尺寸。
固溶处理是指将一个或多个合金元素加入基底金属中，通过能量的传递和扩散，使功率金属和合金元素之间发生某些互作用，从而改变材料的组织结构，提高材料的强度和塑性。
常见的固溶处理方式有非等温处理、同温等静处理和等温处理，不同的方式适用于不同的材料和薄片。
形变调控是指在材料制备过程中对其进行形变，并在形变的某个阶段停止，从而控制材料的组织和性质。
通常包括扭转、拉伸、压缩、弯曲和复合挤压等方式。
这种方法一般适用于高强度和高塑性的材料。
通过形变调控，可以提高材料的强度、塑性和韧性，使得材料更加适合特定的应用场景。
总之，强韧化研究对于金属材料技术的发展具有重要作用。
通过不断的实验研究和理论分析，可以找到更加有效的强韧化方法，并且可以开发出更加高效和优良的金属材料，为人们的生产和生活带来更多便利和发展。
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2. 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而 强化效果要比填隙式原子小，但在高温下，替代式固溶强化变得较 为重要。
➢ 加入Pt、Rh、Ir和Re也改善塑性。其中Pt的作用尤具吸引力，它不但 改善塑性，也有相当大的强化效应。关于Pt等元素的改善塑性的机制 还没有确切的解释。而Si和Mn对铁的塑性损害较大，且固溶量越多， 塑性越低。
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细晶强化
• 细化晶粒可以提高金属的强度。 1.晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错在多晶体中运动时，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，因而一侧晶粒中的滑移 带不能直接进入第二个晶粒。 2.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，引起强度的增高。 • 晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就 越高。
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Hall-Petch关系式
• σy ＝ σi＋ky·d-1/2 σi和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径。 可知多晶体的晶粒越细，强度越高；多晶体强度高于单晶体。
• 常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）中，处于晶界核心区域的原子 数只占总原子数的一个微不足道的分数（小于0.01%）。
• 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，如果晶粒尺寸为数个纳 米，晶界核心区域的原子所占的分数可高达50%，这样在非晶界核心 区域原子密度的明显下降，以及原子近邻配置情况的截然不同，均将 对性能产生显著影响。
7
金属材料的韧化
➢ 韧性则是材料变形和断裂过程中吸收的能量。 为更好的改善金属材料的韧性，必须熟悉一下两 部分内容：
➢ 韧化原理 ➢ 韧化工艺
8
固溶强化
固溶强化是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。 溶质原子在基体金属晶格中占据的位置分为填隙式和替代式两种 不同方式。 1. 填隙原子对金属强度的影响可用下面的通式表示：
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当位错能够弯过很大的角度时（Fm很强），L应接近于1
；但当障碍较弱，θc很小的情况下，L将大于l
设位错为一系列间距为L的障碍所阻，通过严格的计算 ，可以得到临界切应力的表示式 τc=Fm3/2·(c/μ)1/2/b3
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➢ 在金属基体中固溶的溶质原子除可提高金属强度之外，还会影响金属 塑性。
➢ 钢中马氏体组织充分利用了间隙原子的固溶强化作用。当马氏体间隙 溶碳量增至0.4%时其硬度猛升到60HRC，塑性指标ψ低到10%，继续提 高碳量，如wt(C)=1.2%，硬度为68HRC，而ψ则低于5%。可见随着固溶 C原子的增加，在提高强度的同时塑性损失较大。
➢ Ni添加到α-Fe中形成固溶体，已成为改善塑性的主要手段。Ni改善塑 性的原因是促进交滑移，特别是基体金属在低温下易于发生交滑移。
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Friedel与Fleischer理论
位错被随机分布的点状障碍阻挡示意图 ➢在障碍处位错弯曲的角度为θ，平衡时障碍对位错的作用力F与位错线张力T之 间有关系： F=2·T·sin(θ/2) ➢τ增大，θ达到临界值θc（F也增大到峰值Fm），挡不住位错的运动，此时所对 应的切应力是晶体的屈服应力τc。 ➢τc=Fm/(L·b)=(2·T)/(L·b)sin(θc/2) L为位错线上障碍的平均间距
3
一些材料的理论强度与实际强度
金属
临界分切应力τm （MPa）
实验值 理论值
Al 1.2－1.4
4.3
Cu
1.0
7.3
Ag
0.6
4.7
Au
0.9
4.5
Ni
5.8
12.4
金属
Mn Zn Bi β-Sn Cd
临界分切应力τm （MPa）
实验值 理论值
0.8
2.8
0.9
6.0
2.2
2.2
1.4
2.7
1.6
关的，它涉及到位错的运动，位错间的弹性交互作用，位错与 溶质原子和沉淀相的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基 体、沉淀相和晶界的作用等。
6
金属材料的强化
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力。 在生产实践中，主要采用在金属中引入大量的缺陷，以 阻碍位错的运动的方法来强化金属，包括： ➢ 固溶强化 ➢ 细晶强化 ➢ 第二相粒子强化 ➢ 形变强化
4.2
4
材料强度与缺陷数量的关系
材 无缺陷的理论强度 料 强 度
冷加工状态
退火状态 缺陷数量
5
金属材料的韧性
➢ 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表示材料韧性。 ➢ 裂纹形核前的塑性形变、裂纹的扩展是与金属组织结构密切相
14
在低于100nm的纳米晶中Hall-Petch关系仍然有效。 理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc, Cu的临界尺寸
dc≈19.3nm，Pa的dc≈11.2nm 。
临界尺寸dc,十几到二十纳米之间
反Hall-Petch效应
15
细晶强化（续）
➢ 常温下一种有效的材料强化手段。 ➢ 高温时晶界滑动导致材料形变 ，细晶材料比粗晶
专题讨论四：
金属材料的强化和韧化
1
强韧化意义
➢ 提高材料的强度和韧性 ➢ 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 ➢ 希望所使用的材料既有足够的强ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，又有较好的韧性，通
常的材料二者不可兼得 ➢ 理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，
是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力 的基础
2
提高金属材料强度途径
1.完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度。 目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困 难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常 敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降。
2. 在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动，例如加工硬化、固溶 强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等。综合运用这些强化手段 ，也可以从另一方面接近理论强度，例如在铁和钛中可以达到理论强 度的38%。