材料科学基础 材料韧化基本原理
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。
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
.
9
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
.
21
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
2020/5/3
.
24
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
2020/5/3
.
16
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。
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。
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
材料科学复习金属间化合物的韧化
材料科学复习金属间化合物的韧化金属间化合物韧化是指通过合适的添加元素或合金化设计，改善金属间化合物的机械性能，使其具有更好的韧性和延展性。
这是一项重要的研究领域，因为金属间化合物通常具有良好的高温强度，但在室温下却表现出脆性。
金属间化合物是由两种或更多金属元素形成的化合物。
它们在结构上通常具有复杂的晶体结构，例如金属间化合物中常见的L12、B2、DO3和DO22等结构。
这些化合物通常具有高硬度、高熔点和良好的高温力学性能，适用于高温环境中的应用，如航空航天、能源等领域。
然而，金属间化合物的脆性是其应用受限的主要原因。
脆性意味着金属间化合物在受到应力时容易发生断裂，而不能延展变形。
因此，改善金属间化合物的韧性成为研究的重点。
韧化金属间化合物的方法主要包括两个方面：元素合金化和微观结构设计。
元素合金化是通过添加适量的合金元素来改善金属间化合物的力学性能。
常用的合金元素包括第二和第三族过渡金属元素以及稀土元素。
这些元素的添加可以引起化合物晶体结构的畸变，从而改善材料的韧性。
例如，添加钽和铌等元素可以形成塑性相，提高金属间化合物的延展性。
添加稀土元素可形成粒界相，通过粒界滑移来提高金属间化合物的韧性。
此外，微观结构设计也是韧化金属间化合物的重要方法之一、通过调控晶界、位错、析出相和相变等微观结构的形成和演化，可以有效地改变材料的力学性能。
例如，通过减小晶粒尺寸可以提高材料的延展性和韧性。
此外，通过控制析出相的形态和分布，也可以增加金属间化合物的位移机制，从而提高材料的韧性。
在金属间化合物的韧化研究中，合金设计和微观结构调控常常是相辅相成的。
通过合金化设计，可以引入适量的合金元素来改善金属间化合物的力学性能。
而通过微观结构调控，可以进一步控制材料的位移机制和断裂行为，从而实现更好的韧性。
总之，金属间化合物韧化是材料科学领域的一个重要研究课题。
通过合金设计和微观结构调控，可以有效地改善金属间化合物的韧性和延展性，从而扩展其在各个领域的应用。
材料韧化的基本原理课件
材料在受力下发生形变的能力，与其韧性和可加工性术
通过韧化处理，提高轮对的 耐疲劳性和抗冲击性，保障 高速列车的安全和稳定性。
航空航天结构材料 的韧化
在航空航天领域，韧化技术 能够提供更轻、更强、更耐 久的结构材料。
汽车车身材料的韧 化
通过韧化处理，汽车车身材 料可以提高抗碰撞性能，保 护乘客的安全。
材料韧化的基本原理课件
材料韧化的基本原理
引言
介绍材料韧化的概念和意义
韧化方法
纳米结构设计
通过控制材料的纳米结构，提高其韧性和强 度。
淬火处理
通过快速冷却材料，增加其硬度和韧性。
宏观结构设计
通过优化组织结构，使材料具有更好的韧性 和塑性。
拉伸
通过施加拉伸力，提高材料的韧性和强度。
韧化机制
晶粒细化
发展趋势
1
材料韧化技术的发展现状
目前，材料韧化技术在各个领域取得了显著的进展，应用越来越广泛。
2
材料韧化技术的未来发展趋势
未来，材料韧化技术将更加注重多功能、多尺度和可持续发展。
结论
总结材料韧化的基本原理，强调其对材料性能提升的重要作用。 展望材料韧化技术的未来，鼓励更多的研究和应用。
通过控制材料的晶粒尺寸，增加其韧性和强度。
位错抑制
通过减少材料中的位错，提高其韧性和塑性。
晶界强化
通过增加晶界的强度和稳定性，增强材料的韧性。
弥散相增强
通过添加颗粒或纤维弥散相，提高材料的韧性和 强度。
韧化材料的性能
韧性
材料抵抗断裂和变形的能力，是衡量其韧化效果的重要指标。
强度
材料抵抗外部力量的能力，决定其是否能承受重载。
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。
- 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)。
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。 (2) 分子结构、相对分子质量与冲击韧性
如果大分子结构和分子间作用力的作用使高分子材料 的堆砌密度小，玻璃化温度低时，冲击韧性则高。 如果大分子链的柔顺性好，可提高结晶性高分子材料 的结晶能力，结晶度高则会使冲击韧性下降。
材料的强韧化
相对分子质量增大使分子键的缠结点增多，有利于伸 长率和强度的提高，两者又使高分子材料的冲击韧性 获得改善。 (3) 嵌段共聚与冲击韧性 在玻璃化温度高的链段之间嵌入玻璃化温度低的链段 可发挥良好的配合作用，既保证高的强度和硬度，又 又好的韧性。 (4) 共混与冲击韧性 与橡胶态高聚物掺混的树脂。橡胶颗粒的承载作用
材料的强韧化
颗粒增强复合材料
粉末增强剂发生团聚;改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度
材料的强韧化
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。
材料的强韧化
(2) 微裂纹增韧
大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。如果在主裂
材料的强韧化
(3)细化晶粒与塑性 细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧 性，是目前公认最佳的实现材料强韧化的途径。 (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。
(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
材料的强韧化
四、复合材料的强韧化 纤维增强复合材料
Al2O3 /Al-1.5Mg复合材料棒材(a)纵向 (b)横向
(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。 (2)固溶强化与塑性 固溶强化应在保证强度的同时提高塑性。通过 添 加合适的合金元素 ，如， Ni，可促进交滑移，改 善塑性。 另外， 调整间隙原子的添加浓度 ，实现强度和塑 韧性的最佳配合。
纹尖端存在相变诱导微裂纹区，由微裂纹吸收裂纹 扩展过程中的能量，则可有效阻止主裂纹的扩展， 起到增韧的目的。
材料的强韧化
材料强韧化方法示例
《材料科学基础》第十章第三节
一、金属材料强韧化的例子
低碳马氏体钢的强韧化
(1)碳的间隙固溶强化 (2)碳化物(回火时产生)的沉淀颗粒强化
材料的强韧化
(3)亚结构为高密度位错, 位错强化作用
第五章三-四节
材料韧化基本原理
《材料科学基础》第十章第二节
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