材料科学基础(东北大学)第六章.ppt

第六章 材料的强化与增韧; 金属材料 结构材料 陶瓷材料 高分子材料 最重要的性能指标：强度 材料强度按失效的形式可分为屈服强度、断裂强度、抗拉强度和疲劳强度等。 从性能特点来说，材料总可以分为塑性材料和脆性材料两大类。; 对结构材料，最重要的性能指标是强度和韧性。 * 强 度：材料抵抗变形和断裂的能力； * 韧 性：材料变形和断裂过程中吸收能量的能力。 提高材料的强度和韧性，可以节约材料、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，对国民经济和人类社会可持续发展具有重要意义。 所以人们在利用材料的力学性能时，总希望材料既具有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料往往二者不可兼得。 理解材料的强化和韧化机理，以提高材料的强度和韧性。;增加材料内部的缺陷，提高强度;定义 本质 利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化 强化机理 间隙固溶体 碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间隙中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应 间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性交互作用，使金属获得强化。 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;6.1.2 形变强化（加工硬化）;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 形变强化使金属变脆，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 限制 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化 对于脆性材料，一般不宜利用应变硬化来提高强度性能;6.1.3 细晶强化;霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式;6.1.4-6.1.5 第二相粒子强化;强化机理 不易形变的粒子 包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子;强化机理 易形变的粒子 包括弥散强化的粒子以及沉淀强化的大尺寸粒子;切过粒子引起强化的机制;第二相粒子强化的最佳粒子半径;6.1.6 复合强化;2、短纤维和晶须增强复合材料 增强效果不如连续纤维增强复合材料，但成本低，各向异性程度小。 增强原理：受力时，基体和纤维由于紧密结合，纤维限制基体的变形，在界面产生剪应力，通过剪应力将复合材料承受的载荷分配在纤维和基体上，纤维受到比基体更大的拉应力。;6.2 脆性材料的增韧机制;6.2.1 相变增韧; 而相变颗粒的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变, 使裂纹停止延伸, 以致需要更大的能量才使主裂纹扩展。; ZrO2颗粒弥散在其他陶瓷(包括ZrO2本身)基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，烧结完成后，在冷却过程中，ZrO2颗粒周围则有不同的受力情况，当它受到压抑，四方相ZrO2（t-ZrO2）的相变也将受到压抑。使得瓷体中部分t- ZrO2 在烧成冷却过程中以亚稳态保存下来。;激发相变外力所付出的能量;应力诱发t-m相变的增韧公式 ;(a)裂纹尖端应力场引起的转变区，(b)典型马氏体相变应力应变行为，(c)裂纹尖端应力场变化，(d)裂纹扩展进入转变区受到残余应力作用;材料结构中的微裂纹：制成材料从高温冷却过程中因热膨胀失配或相变都可能会诱发出显微裂纹；裂纹在扩展过程中其尖端区域形成的应力诱发相变导致的微裂纹。;微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为;裂纹尖端过程区的应力分布及第二相粒子诱发微裂纹示意图;几种韧化机制相伴而生的韧化机制。如裂纹扩展时，伴随相变增韧的还有微裂纹萌生、裂纹偏折和弯曲、裂纹分支以及残余热应力韧化等情况。; 上图中，由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。;裂纹偏折和弯曲增韧机制是指基体中第二弥散相的存在会扰动裂纹尖端附近应力场，使裂纹产生偏折和弯曲，从而减小了驱动力，增加了新生表面区域，提高了韧性。;裂纹偏折 ;裂纹偏折增韧的效果依赖于第二相粒子的体积分数和形状，特别是第二相粒子的纵横比（R）。纵横比为12?1时棒状粒子的增韧效果为佳，并在10%体积分数时达到饱和。 ;裂纹弯曲示意图;(a);LiTaO3颗粒内裂纹发生大角度偏转的TEM照片