金属强韧化原理
4。钢的强韧化机理
σy：屈服强度
σ＞ σy ＞
材料开始塑性变形
σn：裂纹形核应力 σc：裂纹扩展应力 σn ≈ σy ， σc很低（ σn ＞ σc ），裂纹一旦 很低（ ），裂纹一旦 形核， 形核，立即导致断裂 脆性断裂 σc很高（ σn ＜σc ）， 裂纹扩展很 很高（ 慢，韧性断裂 σn ＞ σy ， 断裂前有一定的塑性 σc ＞ σn ＞ σy ， 韧性断裂 韧性断裂
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
晶粒大小对韧性的影响: 晶粒大小对韧性的影响 σc 、 σy 、Tc和d的关系 的关系 设 σcT1 —— T1温度下的裂纹扩展临界应力 σcT2 —— T2温度下的裂纹扩展临界应力 σyT1 —— T1温度下的屈服强度 σyT2 —— T2温度下的屈服强度 T2＜T1
画出σ 画出 c－d-1/2、σy－d-1/2曲线
σc 的大小与可动位错有关 的大小与可动位错 可动位错有关 塑性区中ρ↑，可动位错 ， 塑性区中 ，可动位错↑， σc ↑， ， 韧性↑，裂纹不易扩展， 韧性 ，裂纹不易扩展，裂纹尖端塑性区 中的应力集中可由位错移动而缓和。 中的应力集中可由位错移动而缓和。 材料的塑性和韧性是由σ 材料的塑性和韧性是由 y、σn、σc 的相对大小决定，认为随材料的 的相对大小决定，认为随材料的σy ↑，δ ， 总是趋于降低的说法是不全面的。 和αK总是趋于降低的说法是不全面的。
材料强化基本原理
第十章材料的强韧化节材料强化基本原理结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。
通过改变材料的内制材料性能的目的。
不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。
一、金属材料的强化原理纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，称为固溶原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局变。
固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。
（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的长程位错的交互作用导致致错运动受阻。
溶质相位错的交互作用是二者应力场用。
作用的大小要看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使成弯曲形状。
如图10—l所示．图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。
x—x＇，A的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。
处于位错线上的少数溶质原子与位互作用很强，这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力求出钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形状。
相对于x—x＇的偏离为x在方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。
位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。
在切应力τ动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻。
若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。
由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。
由ABC变为AC，平均位力需要做功为τb(2y)·x/2，故1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。
用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，溶质钉扎将降低的能量为所以设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。
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
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。
金属材料的强韧化机理与实践
• 钨钼的低温再结晶脆性： 在高温下使用的钨钼回到室温附近时表
现严重的脆性，加工过程及使用过程中产生 各种形式的脆性破裂。
产生原因: 本征脆性 间隙杂质在晶界上偏聚
• 钨钼的强韧化途径：
钨合金 抗震钨 稀土钨
纯净化 合金化
钼合金 掺杂钼 稀土钼
三、铝合金的强韧化
• 细晶强化 • 热处理强化 • 第二相粒子强化
细晶强化
• 变质处理
目的: 减少枝晶距及元素偏析,细化晶粒 变质剂: B、Ti、Zr, RE(La,Ce,Pr,Nd,Sc,Er)
微量Sc和Zr添加到Al-Mg-Mn合金中，因显著细化合金的铸态晶拉, 热轧 态合金的拉伸强度和屈服强度分别提高了75~90 MPa和90~94 MPa,而延 伸率仍保持在11%~12%
固溶强化
固溶强化：C原子在面心立方晶格中造成的 畸变呈球面对称，所以C在A中的间隙强化作用属于 弱硬化。置换原子在A中的强化作用比C原子更小。
固溶强化是钢铁材料主要强化手段之一，其 基本内容可归纳为两点：
①间隙式固溶强化对F基体(包括M)的强化效能最大，但对 韧性、塑性的削弱也很显著；
②置换式固溶强化对F强化作用虽然比较小，却不削弱基 体的塑性和韧性。
如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属 的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热 处理新技术方法有以下三种。
①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理
由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提 高，在10-2~1s的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A)状 态，此时A的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达 104℃/s以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一般高频 淬 火 比 较 硬 度 可 高 出 Hv50 ， 而 变 形 只 有 高 频 淬 火 的 1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。
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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1金属材料强韧化的目的和意义？
目的：A.节约材料，降低成本，节约贵重的合金元素的使用，增加材料在使用过程中的可靠性和延长服役寿命。
B.希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，但通常的材料二者不可兼得。
意义：在于理解材料强韧化机理、组织形态、微观结构与金属的强度、韧性之间的确切关系，以便找出适宜的冶金技术途径来提高金属的强韧性，使之达到新的水平或研究出新的高强韧性的金属。
这是一个具有重大的理论意义和经济价值的研究开发领域。
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.金属材料强韧化的主要机制有哪些？
1）物理强韧化：所谓物理强韧化是指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，进而改变金属性能。
2）化学强韧化：化学强韧化是指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。
3）机械强韧化：就是除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化。
4）复合组织强韧化：即两种或两种以上的金属组织复合在一起，其中有的组织强度比较高，有的组织韧性比较高，复合后起到了既提高强度有提高韧性的作用。
3.如何理解强化和韧化的关系
强度是是在给定条件（温度/压力/应力状态/应变速率/周围介质）下材料达到给定变形量所需要的应力，或材料发生破坏的应力，研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。
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，它是材料在外加负荷作用下从变形到断裂全过程吸收能量的能力，所吸收的能量愈大，则断裂韧性愈高。
一般情况下，材料的强度和韧性是不可兼得的，在提高金属材料强度的同时塑性必然会下降，反之，在改善金属的塑性的同时，强度也会下降。
目前，晶粒细化是提高金属强韧化的有效方法，金属的晶粒变细后，强度提高，韧性又不显著降低。
4.试举出3种最新强韧化技术方法的例子。
1）细晶强化：它是常温下一种有效的材料强化手段。
细化晶粒可以提高金属的强
度，其原因在于晶界对位错的阻滞效应。
金属的屈服强度与晶粒大小的关系满足Hall-Petch关系：σy=σ0+k d d−1/2（ 0和k y是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径），但需要注意的是，在高温下，材料的晶粒越小，其高温强度越小；与常温下的情况正好相反。
细晶强化的方法有：严重压缩变形，等通道角挤压，高压扭转等。
2）形变强化：金属材料具有加工硬化的性能，形变后流变应力得到提高。
形变强化是因为金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难。
加工硬化的途径有冷冲压，冷变形等。
形变硬化不是工业上广泛应用的强化方法,它受到两个限制：a使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化；b由于硬化会引起金属脆化，对于本来就很脆的金属，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能
3）控轧控冷和轧后直接淬火，为了进一步提高金属的强韧化水平，减少合金元素的含量，哈发展了控制轧制和控制冷却技术。
4）“快速加热淬火”：该工艺是把钢件以较快的速度（200~300°C/min以上）加热至适当的奥氏体化温度，作短时保温后，获得细小的奥氏体晶粒，淬火后（此时马氏体晶粒相应细小）并回火。
加热速度越快，奥氏体形成温度越高，则钢形成的奥氏体含碳量越低，淬火后的显微组织为含碳量较低的隐晶马氏体加均匀分布的细小粒状碳化物，回火后可获得比普通淬火要高的强度和韧度。
所谓隐晶马氏体（又称隐针马氏体）是指组织呈非常细微的针状，采用光学显微镜无法辨别晶界的一种马氏体形态。
这种马氏体多出现在感应加热淬火、高能束加热淬火中，其硬度比普通马氏体高2~3HRC。
对高碳铬钢（GCr15）进行快速加热淬火可同时提高强度和韧度。
有资料介绍：GCr15钢采用快速加热淬火与普通加热淬火相比，强度提高了1.5倍，韧度提高了3倍。
渗碳钢经渗碳后采用快速加热淬火，可以在渗层获得细小的奥氏体晶粒和降低表层马氏体的含碳量以及减少残奥数量，从而提高强度和韧度。
高碳钢及渗碳钢采用快速加热淬火能提高强度、韧度和疲劳寿命的原因是：热处理后获得了强韧兼优的组织形态。
这种组织形态主要是：呈粒状、细小均匀分布的未溶碳化物、碳含量较低的隐晶马氏体以及含有适量均匀分布的残奥。
应当强调的是：采用快速加热淬火的钢，其原始组织必须细小、均匀。
而原始组织中的碳化物弥散度越大，快速加热的速度相应可以提高或保温时间可以缩短，获得上述组织结构的工艺过程越易控制。