材料韧化的基本原理

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1、第五章三第五章三-四节四节材料科学基础材料科学基础第十章第二节第十章第二节材料的强韧化材料的强韧化一、金属材料的韧化原理一、金属材料的韧化原理改善材料的韧性改善材料的韧性的的基本途径基本途径1 1 减少诱发微裂纹的组成相减少诱发微裂纹的组成相2 2 提高基体的塑性提高基体的塑性材料的韧性是强度和塑性的综合体现材料的韧性是强度和塑性的综合体现3 3 增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中）增加组织的塑性形变均匀性（减少应力集中）4 4 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界的形核和扩展材料的强韧化材料的强韧化5 5 强化同时的增韧强化同时的增韧(1)(1)位错位错强

2、化与塑性和韧性强化与塑性和韧性位错密度升高会提高位错密度升高会提高强度而降低塑性和韧性。强度而降低塑性和韧性。可可动的未被锁住的位错动的未被锁住的位错对韧性的损害小于被沉淀物对韧性的损害小于被沉淀物或固溶原子锁住的位错。故或固溶原子锁住的位错。故提高可动位错密度提高可动位错密度对对塑性和韧性均有利。塑性和韧性均有利。(2)(2)固溶固溶强化与塑性强化与塑性固溶固溶强化强化应在保证强度的同时应在保证强度的同时提高提高塑性。通过塑性。通过添添加合适的合金元素加合适的合金元素，如，如，Ni，可促进交滑移，改可促进交滑移，改善塑性。善塑性。另外，另外，调整间隙原子的添加浓度调整间隙原子的添加浓度，实现

3、强度和塑，实现强度和塑韧性的最佳配合。韧性的最佳配合。材料的强韧化材料的强韧化(3)(3)细化晶粒与塑性细化晶粒与塑性细化晶粒既能提高强度，又能同时优化细化晶粒既能提高强度，又能同时优化塑性和韧塑性和韧性，是目前公认最佳的性，是目前公认最佳的实现材料强韧化实现材料强韧化的途径。的途径。(4)(4)沉淀相颗粒与塑性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，沉淀颗粒会通过弥散强化提高基体的强度和硬度，但可能会明显降低但可能会明显降低塑性和韧性。尤其，条带状、片塑性和韧性。尤其，条带状、片状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著状析出物，以及沿晶界网状析出的沉淀相，均显著降低材

4、料塑性。降低材料塑性。减少沉淀相减少沉淀相的析出数量，的析出数量，改善改善沉淀相沉淀相的形状和分布的形状和分布状态状态，可改善材料塑性。，可改善材料塑性。材料的强韧化材料的强韧化二、高聚物的韧化原理二、高聚物的韧化原理(1)(1)增塑剂与冲击韧性增塑剂与冲击韧性添加增塑剂添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子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。容易运动，使高分子材料的冲击韧性提高。(2)(2)分子结构、相对分子质量与冲击韧性分子结构、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

5、密度小，玻璃化温度低时，冲击韧性则高。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。的结晶能力，结晶度高则会使冲击韧性下降。材料的强韧化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。获得改善。(3)(3)嵌段共聚与冲击韧性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在玻璃化温度高的链段之间

6、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。又好的韧性。(4)(4)共混与冲击韧性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与橡胶态高聚物掺混的树脂。橡胶颗粒的承载作用三、无机非金属材料的韧化机理三、无机非金属材料的韧化机理(1)(1)相变增韧相变增韧ZrOZrO2 2陶瓷中陶瓷中四方相的四方相的ZrOZrO2 2向单斜相的向单斜相的ZrOZrO2 2转变转变，伴随，伴随有体积膨胀。当有较大外应力作用时，基体的约束作有体积膨胀。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

7、用减弱，促进相变，会引发微裂纹，从而消除应力集消除应力集中中，吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。，吸收了主裂纹扩展的能量，提高断裂韧性。材料的强韧化材料的强韧化(2)(2)微裂纹增韧微裂纹增韧大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。如果在主裂大多数情况下，陶瓷材料中存在裂纹。如果在主裂纹尖端存在相变诱导微裂纹区，纹尖端存在相变诱导微裂纹区，由微裂纹吸收裂纹由微裂纹吸收裂纹扩展过程中的能量扩展过程中的能量，则可有效阻止主裂纹的扩展，则可有效阻止主裂纹的扩展，起到增韧的目的。起到增韧的目的。材料的强韧化材料的强韧化材料科学基础材料科学基础第十章第三节第十章第三节一、一、金属材料金属材料强韧化的例子强

8、韧化的例子材料的强韧化材料的强韧化低碳马氏体钢的强韧化低碳马氏体钢的强韧化(1)(1)碳的间隙固溶强化碳的间隙固溶强化(2)(2)碳化物碳化物(回火时产生回火时产生)的沉淀颗粒强化的沉淀颗粒强化材料的强韧化材料的强韧化(3)(3)亚结构为高密度位错亚结构为高密度位错,位错强化作用位错强化作用(4)(4)可动位错缓解局部应力集中可动位错缓解局部应力集中,延缓裂纹产生延缓裂纹产生,塑性和韧性塑性和韧性(5)(5)残余奥氏体薄膜阻挡裂纹扩展残余奥氏体薄膜阻挡裂纹扩展,塑性和韧性塑性和韧性材料的强韧化材料的强韧化二、二、高分子高分子材料材料强韧化的例子强韧化的例子三、三、陶瓷陶瓷材料材料强韧化的例子强韧化的例子AlAl2 2OO3 3-ZrO-ZrO2 2+Y+Y2 2OO3 3 (ZTA)(ZTA)陶瓷陶瓷材料材料材料的强韧化材料的强韧化四、四、复合材料复合材料的的强韧化强韧化 AlAl2 2O O3 3/Al-1.5Mg/Al-1.5Mg复合材料棒材复合材料棒材(a)(a)纵向纵向 (b)(b)横向横向纤维增强复合材料纤维增强复合材料材料的强韧化材料的强韧化颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 粉末增强剂发生团聚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改善增强粉末聚合体与基体的润湿程度