材料科学基础重点总结 5材料的强化途径
材料强化机制
材料强化机制材料强化是指通过添加一定的元素或者处理方式，使材料的性能得到提升的过程。
在材料科学领域，强化机制是一个非常重要的研究课题，因为不同的强化机制会对材料的性能产生显著影响。
本文将介绍几种常见的材料强化机制，以及它们在材料科学中的应用。
第一种强化机制是固溶强化。
固溶强化是指通过溶解一定的合金元素，将其溶解在基体晶格中，从而改变基体的晶体结构和原子间的相互作用，从而提高材料的硬度和强度。
这种强化机制常用于金属材料中，例如铝合金和钛合金。
第二种强化机制是析出强化。
析出强化是指在合金材料中，通过控制合金元素的析出过程，形成一定的析出相，从而阻碍位错的移动，提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常用于高强度钢和铝合金中。
第三种强化机制是位错强化。
位错强化是指通过在材料晶格中引入位错，从而增加位错的密度，阻碍位错的移动，提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常用于金属材料和陶瓷材料中。
第四种强化机制是晶界强化。
晶界强化是指通过控制材料的晶界结构和晶界能，从而阻碍位错的移动，提高材料的强度和韧性。
这种强化机制常用于金属材料和陶瓷材料中。
除了以上几种常见的强化机制外，还有许多其他的强化机制，例如纳米颗粒强化、纤维增强等。
这些强化机制在材料科学中有着广泛的应用，可以帮助材料科学家设计出更加优良的材料，满足不同工程领域的需求。
总的来说，材料强化机制是材料科学中的重要课题，通过深入研究不同的强化机制，可以帮助我们更好地理解材料的性能和行为，为材料的设计和应用提供理论基础和技术支持。
希望本文对材料强化机制有所帮助，谢谢阅读。
《材料科学基础》复习大纲(08级)
《材料科学基础》总结及重点第一章 材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、分子键（范德华力）、氢键的特点，并解释材料的一些性能特点。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
用金属键的特征解释金属材料的性能—①良好的延展性；②良好的导电、导热性；③具有金属光泽。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章重要知识点： 1. 金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
第二章 固体结构1、晶体与非晶体（在原子排列上的区别）2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七大晶系及各自的特点，布拉菲点阵（14种） 、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶面指数、晶面族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变） 。
（1）指数相同的晶向.和晶面必然垂直。
如[111]⊥（111）（2）当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl ）时，则必然满足晶带定理：h ·w+k ·v+l ·w =04、能绘出三维的体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）；即：bcc 、fcc 、hcp 的晶格特征及变形能力（结合塑性变形一章的内容你必须知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数）。
给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶面指数的一些规律。
求晶面间距d （hkl ）、晶面夹角。
5、晶面间距：d （hkl ） 的求法：（1）立方晶系：222)(l k h ad hkl ++= （2）正交晶系：222)(1⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl （3）六方晶系：2222)()(341⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=c l a k hk h d hkl （4）四方晶系：2222)()/(/)(1c l a k h d hkl ++=以上公式仅适用于简单晶胞，复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
金属材料强化方法
金属材料强化方法金属材料的强化是指通过制造工艺、合金化、热处理等手段，使金属材料的力学性能显著提高的方法。
金属材料的强化可以分为几种方式，包括晶粒细化、位错增多、相变强化、析出相强化等。
下面将详细介绍这几种金属材料强化方法。
首先，晶粒细化是金属材料强化中最常用的方法之一。
通过减小材料的晶粒尺寸，可以显著提高材料的强度和硬度。
晶粒细化可以通过加热和快速冷却等热处理工艺实现，例如快速冷却可以使晶粒尺寸减小，从而提高材料的力学性能。
其次，位错增多也是一种重要的金属材料强化方法。
位错是金属材料中的一种缺陷，位错的增多会增加材料的强度和硬度。
而通过冷变形等加工工艺，可以在材料中引入更多的位错，从而实现强化。
此外，相变强化也可以在金属材料中实现强化。
相变是指材料中的晶体结构由一种类型转变为另一种类型的过程。
不同晶体结构具有不同的力学性能，通过控制相变可以实现材料的强化。
例如，淬火是一种常用的相变强化方法，它可以通过快速冷却使材料的晶体结构发生变化，从而提高材料的强度和硬度。
最后，析出相强化也是一种常用的金属材料强化方法。
析出相是指在合金中形成的一种新的晶体结构，其在晶界和位错附近起到了强化的作用。
通过调整材料中的合金元素含量和热处理工艺，可以促使析出相的形成，从而实现材料的强化。
例如，通过添加适量的合金元素，可以在金属材料中形成均匀分布的析出相，从而提高材料的强度和硬度。
总结起来，金属材料的强化可以通过晶粒细化、位错增多、相变强化和析出相强化等方法实现。
这些方法在工程实践中得到了广泛的应用，可以显著提高金属材料的力学性能，满足不同工程需求。
此外，不同的强化方法可以组合应用，以进一步提高金属材料的性能。
金属材料的四种强化方式
金属材料的四种强化方式一．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。
细化晶粒的方法1，增加过冷度；2，变质处理；3，振动与搅拌；4，对于冷变形的金属可以通过控制变形度，退火温度来细化晶粒。
二．固溶强化定义：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。
原理：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。
影响因素（1）溶质原子的原子分数越高，强化作用也越大，特别是当原子分数很低时，强化作用更为显著。
（2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
（3）间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果，且由于间隙原子在体心立方晶体中的点阵畸变属非对称性的，故其强化作用大于面心立方晶体的；但间隙原子的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
（4）溶质原子与基体金属的价电子数目相差越大，固溶强化效果越明显，即固溶体的屈服强度随着价电子浓度的增加而提高。
材料强化机制
材料强化机制材料强化是指通过添加其他物质或改变原材料的结构，使材料的性能得到提升的过程。
在材料科学领域中，强化机制是一个非常重要的研究课题，能够帮助我们更好地理解材料的性能和行为，从而设计出更加优秀的材料。
本文将从几种常见的强化机制入手，介绍材料强化的原理和方法。
首先，我们来谈谈固溶强化。
固溶强化是指通过溶质原子溶解在基体晶格中，改变晶格参数和原子间距，从而提高材料的硬度和强度。
固溶强化的原理是溶质原子的尺寸不同于基体原子，导致晶格畸变，增加了位错的运动阻力，从而提高了材料的强度。
这种强化机制在合金材料中应用广泛，例如钢铁中的碳固溶强化和铝合金中的镁固溶强化等。
其次，我们来看看析出强化。
析出强化是指在固溶体中析出出一种稳定的固溶相，通过限制位错的移动来增强材料的性能。
在固溶体中，当固溶度超过了固溶极限时，就会发生析出现象，形成一些小的析出相，这些析出相能够有效地阻碍位错的移动，从而提高材料的强度和硬度。
这种强化机制常常应用于合金材料和金属陶瓷材料中。
另外，还有纳米颗粒强化。
纳米颗粒强化是指在材料的基体中分散添加一些纳米颗粒，这些纳米颗粒能够有效地阻碍位错的移动，从而提高材料的强度。
纳米颗粒的尺寸很小，能够有效地阻止位错的移动，同时由于颗粒的尺寸小，还能够提高材料的塑性。
这种强化机制在金属材料和陶瓷材料中有着广泛的应用。
最后，我们来讨论纤维增强复合材料的强化机制。
纤维增强复合材料是指在基体材料中添加一定比例的纤维增强相，通过纤维增强相的强度和刚度来提高整体材料的性能。
纤维增强复合材料的强化机制是通过纤维与基体之间的力学结合来实现的，纤维能够吸收和传递应力，从而提高了材料的强度和韧性。
总的来说，材料强化机制是一个非常重要的研究领域，通过对材料的强化机制进行深入的研究，能够帮助我们设计出更加优秀的材料，满足不同工程领域的需求。
希望本文能够对您有所帮助，谢谢阅读！。
金属材料强化的途径
应变
许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变 形都属于弹性变形； 几乎没有塑性变形， l1 l0 100 %
l0 这些材料的冲击功很小；
应用受到极大的限制（如陶瓷Al2O3、ZrO2、Si3N4 等）。
2、金属材料的应力与应变关系
它在断裂前通常有大量塑性变形；
实验证明：这种变形是晶体的一部分相对于另一 部分沿一定晶面与晶向的相对滑动。
τ
a.表示两个相邻的滑 移面受切应力作用
τ
b.表示滑移的一个过 渡态（或亚稳态）
c.表示经过b.态到达 另一个稳定态
3、晶体屈服强度的估算
假定晶体的滑移是刚性（整体）的，根据塑性变 形是由某些晶面相对滑动的事实，可以估算出晶体 的屈服强度：
晶体从一稳定状态a，经过亚稳状态b，到达另一 稳定状态c，这样一个滑动的结果使晶面相对滑动了 一个原子距离;
溶质原子在固溶体中的分布是不均匀的
1）实验现象（如屈服现象）用溶质原子均匀分布
模型无法解释；
2）溶质原子B加入溶剂中，由 A---A
εaa
于两种原子之间的键合力与 A---B
εab
相互之间的键合力不一样，
就会产生局部偏聚和有序的 B---B
εbb
现象。
3）实际晶体中存在着大量点阵缺陷、晶界和亚晶界、 层错、位错等。这些缺陷影响所及的区域都是高能 区域，为了降低系统的能量，溶质原子有可能优先 分布在点阵缺陷的附近，形成晶界的内吸附和位错 周围的原子气团。
为了提高含有位错的晶体的流变应力所做的种 种努力不外就是通过各种手段来增加这两类阻力。
强化金属材料的思路 1）点阵阻力：
移动位错使它从一个平衡位置滑移到下一个平衡 位置之间的位垒所需的力，也就是在完整晶体中运 动时所受的摩擦阻力； 2）点阵阻力对组织不敏感，它的大小主要决定于键 合强度和点阵类型，其中共价键的点阵阻力最高， 所以在诸如硅，金刚石之类的晶体中，点阵阻力构 成了位错运动的主要障碍； 3）对于金属键结合的晶体，它的点阵阻力很小，不 足以构成对位错运动的主要妨碍，在考虑流变应力 时可以把这个因素忽略的；
材料的强化
材料的强化材料的强化是指通过不同的方法和技术，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能等特性，以满足不同工程领域对材料性能的要求。
一种常见的材料强化方法是热处理。
热处理能够使材料的晶粒细化、晶界清晰，从而提高材料的强度和韧性。
通过加热材料至一定温度，保温一段时间后再进行冷却，可以使材料内部发生相变，使晶粒尺寸减小，从而提高材料的强度。
此外，热处理还可以改变材料的组织结构，增加材料晶界的清晰度，从而提高材料的韧性和抗疲劳性能。
另一种常见的材料强化方法是加工变形。
通过塑性变形可以使材料的晶粒产生形变和畸变，从而增加材料的位错密度，使晶界产生位错和畸变，从而提高材料的强度。
加工变形包括冷加工和热加工两种方式。
冷加工是指在室温下进行塑性变形，可以产生较高的强度和硬度；热加工是指在高温下进行塑性变形，可以使材料的晶粒再结晶，从而提高材料的韧性和可塑性。
此外，还有其他的材料强化方法，如表面强化、合金强化、纳米材料强化等。
表面强化是指通过表面处理技术，使材料表面形成一层高硬度、高耐磨的薄膜，从而提高材料的耐磨损性能和抗腐蚀能力。
合金强化是指将不同成分的材料进行混合，通过固溶、沉淀等相变方式，改变材料的力学性能和物理性能。
纳米材料强化是指通过制备纳米级的材料，使材料的晶粒尺寸缩小到纳米级别，从而提高材料的硬度和强度。
综上所述，通过热处理、加工变形、表面强化、合金强化、纳米材料等各种方法和技术，可以对材料进行强化处理，提高材料的力学性能、耐热性能、耐腐蚀性能和耐磨损性能，满足不同工程应用领域对材料性能的要求。
材料的强化在工程实践中具有重要意义，可以提高材料的使用寿命、降低成本、提高安全性，推动材料科学的发展进步。
同济材料科学基础6页
重点一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
1、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbG ρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。
形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料的强化
强韧化意义
希望材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得。
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
提高金属材料强度途径
强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高强度可通过以下两种途径： 1 完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度 2 大量增加材料内部的缺陷，提高强度
增加材料内部缺陷，提高强度，即在金属中引入大量缺陷，以阻碍位错的运动
四种强化方式： 固溶强化 细晶强化
形变强化（加工硬化) 第二相粒子强化
实际上，金属材料的强化常常是多种强化方式共同作用的结果。
材料强度
缺陷数量
冷加工状态
退火状态
无缺陷的理论强度
材料强度与缺陷数量的关系
固溶强化：当溶质原子溶入溶剂原子形成固溶体时，使材料强度硬度提高，塑性韧性下降的现象。
强化本质：利用点缺陷（间隙原子和置换原子）对位错运动的阻力使金属基体获得强化
强化机理：1溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变，对在滑移面上的运动的位错有阻碍作用；2位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。
影响因素
不同溶质原子所引起的固溶强化效果存在很大差别，影响因素主要有：
1 溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大。
2溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大。
3间隙溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果。
4溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。
固溶强化效果与溶质原子的质量分数成正比关系。
大多数溶质原子在室温的溶解度比较小，为了提高固溶度从而提高固溶强化的效果，可以将其加热到较高温度，经过保温后快速冷却到室温，使溶质原子来不及析出而得到过饱和固溶体，这就是固溶处理。
经过固溶处理后还可以经过时效处理进一步提高其强度。
对过饱和固溶体在适当温度下进行加热保温，析出第二相，使强度硬度升高的热处理工艺称为时效。
时效硬化的本质是从过饱和固溶体中析出弥散第二相，属于第二相强化途径。
固溶和时效广泛用于有色金属的强化，如铜合金，铝合金，镁合金，钛合金等。
定义 — 用细化晶粒的方法提高材料强度的方法称为细晶强化。
细晶强化最显著的特点： 不仅可以提高材料的强度硬度，也可以提高塑性韧性。
强化机理
晶粒越细，阻碍滑移的晶界便越多(或晶界面积越大)，变形过程中晶界处位错塞积数目越多，对位错运动的阻碍越大，强度也就越高。
一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均匀的晶粒，从而具有良好的综合力学性能。
大多数金属的屈服极限和晶粒度符合Hall-Petch 公式：
σy ＝ σi ＋ky ·2
1
d
σi 和ky 是两个和材料有关的常数，d 为晶粒直径
三．形变强化（加工硬化）
定义
金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。
这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。
强化机理：
金属发生塑性变形时，位错密度大量增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，使位错运动的阻力增大，引起塑性变形抗力提高。
另一方面由于亚晶界的增多，使强度得以提高。
不利方面
金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的冷加工需要消耗更多的功率
加工硬化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工而不致裂开。
四．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
通过粉末冶金法（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
强化机理（第二相质点的存在阻碍基体中的位错运动）
第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级的块状分布（聚合型）：一般认为，块状第二相阻碍滑移使基体产生不均匀塑性变形，由于局部塑性变形约束而导致强化。
第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中（弥散型）：
可将第二相粒子分为不可变形的和可变形的粒子
不可变形的粒子
根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相粒子，为此，必须克服弯曲位错的线张力。
绕过粒子的位错线在粒子周围留下位错环，随着绕过粒子的位错数量增加，位错环增多，相当于粒子的间距减小，对位错线运动的阻力就越大。
可变形的粒子
对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起产生变形，由此也能提高屈服强度。
这是因为质点与基体间晶格错排及位错线切过第二相质点产生新的界面需要做功等原因造成的。
切过粒子引起强化的机制
短程交互作用：
位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能
位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产生反相畴界能
粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的派-纳力τP-N高于基体等，都会引起临界切应力增加
长程交互作用（作用距离大于10b）：
由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场。