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1、金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 Principle and Application of Principle and Application of Strengthening and Toughening for Strengthening and Toughening for Metal MaterialsMetal Materials 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 2 课程总体内容课程总体内容 金属材料强韧化简介金属材料强韧化简介 强韧化原理部分强韧化原理部分 强韧化应用部分强韧化应用部分 超常规金属材料制备技术超常规金属材料制备技术
2、 1 1 快速凝固技术 快速凝固技术 2 2 喷射沉积技术 喷射沉积技术 3 3 机械合金化 机械合金化 4 4 半固态加工 半固态加工 5 5 搅拌摩擦加工 搅拌摩擦加工 6 6 大塑性变形加工 大塑性变形加工 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 3 金属材料的发展和应用是人类文明发展和进步的重要里程碑金属材料的发展和应用是人类文明发展和进步的重要里程碑 人类历史的划分人类历史的划分 石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 铝铝 Al Al 钛钛 Ti Ti 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 金属时代开始 五千年 金属材料强韧化原理及应用金
3、属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 4 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 5 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 6 金属材料在材料科学领域占有及其重要的地位金属材料在材料科学领域占有及其重要的地位 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 金属金属 在在 辞海辞海 中被解释为 中被解释为 具特有光泽而不透明 对可见光强烈反射具特有光泽而不透明 对可见光强烈反射 的结果 的结果 富有展性 延性及导热性 导电性的这一类物质 富有展性 延性及导热性 导电性的这一类物质 在门捷列夫的元素周期表中 左下角绝大部分是金属的
4、领域 仅右上角才是在门捷列夫的元素周期表中 左下角绝大部分是金属的领域 仅右上角才是 非金属的地盘 也就是说在人类至今认识的非金属的地盘 也就是说在人类至今认识的109109种化学元素中 非金属只有种化学元素中 非金属只有 2222种 而金属元素有种 而金属元素有8787种 在总体的化学元素中占了近种 在总体的化学元素中占了近80 80 可以说 金属 可以说 金属 在我们的生产生活中是无处不在的 在我们的生产生活中是无处不在的 材料科学是材料科学是2121世纪四大支柱学世纪四大支柱学 科之一 而金属材料工程则是材料科之一 而金属材料工程则是材料 科学中一个重要的专业方向 科学中一个重要的专业方
5、向 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 7 金属材料在新材料研究领域中也具有十分重要的地位金属材料在新材料研究领域中也具有十分重要的地位 新型氮化物 氧化物等陶瓷刀具材料 新型氮化物 氧化物等陶瓷刀具材料 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 近年来出现的新材料近年来出现的新材料 新型高温合金 高温陶瓷以及金属间化合物 新型高温合金 高温陶瓷以及金属间化合物 新型高强度 高成形性钢铁材料 新型高强度 高成形性钢铁材料 新型高比强度 高比刚度复合材料 新型高比强度 高比刚度复合材料 高磁化能的磁性材料 非晶合金材料 高磁化能的磁性材料 非晶合金材料
6、新型光导纤维 敏感材料 新型光导纤维 敏感材料 新型生物功能材料 新型生物功能材料 国防军工尖端材料 极端条件下 国防军工尖端材料 极端条件下 结构材料结构材料 功能及智能材料功能及智能材料 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 8 1 逻辑推理 古 代 哲 学 家 432 BC 2 宏观形貌观察 观测 by eye 1669 3 数学理论计算 4 科学测定 X ray diffraction electron diffraction 等 1 古代中国 日取其半 万世不竭 道生一 一生二 二生三 三生万物 老子 以土与金 木 水 火杂以成百物 国语 正语 太极生两
7、仪 两仪生四象 四象生八卦 八卦交而生万物 易经 人类对材料微观结构认识的发展过程人类对材料微观结构认识的发展过程 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 9 2 古代欧洲 Plato 柏拉图 427 347BC 古希腊哲学家 Euclid欧几里得 约公元前3世纪的古希腊数学家 用fire air earth water ether 以太 描述世界万物 Fire Fire tetrahedrontetrahedron 四面体 四面体 Air Air octahedronoctahedron 八面体 八面体 Ethe
8、r Ether dodecahedrondodecahedron 十二面体 十二面体 Earth Earth cubecube 六面体 六面体 Water Water icosahedronicosahedron 二十面体 二十面体 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 10 1669 N Steno 晶面角守恒定律 1885 A Bravais 晶体空间点阵学说 1912 M Laue 晶体的X射线衍射 1915 W H Bragg and W L Bragg X射线晶体结构分析方法 电子显微镜 SEM TEM
9、 扫描探针显微术 STM AFM 概述概述 金属材料发展历史回顾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 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 11 晶体的微观周期性结构 电子在周期势场中的运动 量子力学Schr dinger方程 能 带 理 论 固体半导体理论 晶体点阵中的缺陷 金属材料强化理论 位错在晶体中运动 晶体的宏观 几何形貌 晶体生长理论 表 面 组 装 概述概述 金属材料发展历史回顾金属材料发展历史回顾 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 12 提高材料的强度和韧性的目的提高材料的强度和韧性的目的 节约材
10、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 希望所使用的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 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 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 金属材料强韧化目的金属材料强韧化目的 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 13 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 金属材料强韧化主要研究的问题金属材料强韧化主要研究的问题 强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能 材料的性
11、能 结构敏感的性能结构敏感的性能 强度 韧性 硬度 疲劳强度 结构不敏感的性能结构不敏感的性能 元素的熔点 单一元素物质弹性模量 元素的线膨胀系数 元素的磁性能 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 14 金属材料的基本性能金属材料的基本性能 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 15 金属材料的强度金属材料的强度 材料的内部应力 拉伸 压缩 剪切材料的内部应力 拉伸 压缩 剪切 强度分为 拉伸强度 压缩强度 剪切强度强度分为 拉伸强度 压缩强度 剪切强度 加载特征分为 弯曲 扭曲
12、冲击 疲劳加载特征分为 弯曲 扭曲 冲击 疲劳 若未到破坏强度 则因形变而失去承载能力若未到破坏强度 则因形变而失去承载能力 强度是在给定条件 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 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 16 根据图所示的曲线 有 m sin 2 x 式中x为原子平面拉开的距离 从原子平面间距a 0处开始计算 即原子间的位移 为正弦曲线的波长 a 0为原子间的平衡距离 理想晶体解理断裂的理论断裂强度 m E s a 0 1 2 E 100 GPa s 1J m 2 a 0 3 10 10
13、 m m 18 3 GPa 其值大约为E 7 如金属铁 E 200GPa s 2 J m 2 a 0 2 5 10 10m m 40GMPa 约为E 5 高度取向 实际拉伸强度最大值为1 2GPa 未取向 实际强度比理论值小1000倍左右 强度来源是原子键合力 取决于元素本质的基本性质 同时也是最 典型的结构敏感性能 金属材料的强度金属材料的强度 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 17 一些金属材料的理论强度与实际强度一些金属材料的理论强度与实际强度 金属临界分切应力 m MPa 金属临界分切应力 m MPa 实验值理论值实验值理论值 AlAl1 31 34
14、34 3MnMn0 80 82 82 8 CuCu1 01 07 37 3ZnZn0 90 96 06 0 AgAg0 60 64 74 7BiBi2 22 22 22 2 AuAu0 90 94 54 5SnSn1 41 42 72 7 NiNi5 85 812 412 4CdCd1 61 64 24 2 实际材料断裂时的临界分切应力 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 18 材料强度与缺陷数量的关系材料强度与缺陷数量的关系 强 度 缺陷数量 冷加工状态 退火状态 无缺陷的理论强度 强度是在变形及断裂过程中表现出来的特性 因此研究变形及断裂 是研究强度的重要手
15、段和过程 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 19 金属材料的韧性金属材料的韧性 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 n n 裂纹形核前的塑性形变 裂纹的扩展是与金属组织结构密切相关的裂纹形核前的塑性形变 裂纹的扩展是与金属组织结构密切相关的 n n 当不考虑外因时 断裂过程包括裂纹的形核和扩展当不考虑外因时 断裂过程包括裂纹的形核和扩展 通常以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料韧性 它涉及到位错的运动 位错间的弹性交互作用 位错与溶质原子和沉淀相 的弹性交互作用以及组织形态 其
16、中包括基体 沉淀相和晶界的作用等 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 断裂是主要破坏形式 韧性是材料抵抗断裂的能力 断裂是主要破坏形式 韧性是材料抵抗断裂的能力 断裂韧性断裂韧性 材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标 材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标 冲击韧性冲击韧性 材料在高速冲击负荷下韧性的度量 材料在高速冲击负荷下韧性的度量 二者间存在着某种内在联系 二者间存在着某种内在联系 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 20 各种材料的强韧性指标各种材料的强韧性指标 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 21 材料组织与性能关系材料组织与性能关系 概述概述 金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化的内涵 强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能 但是性能是由组织决定的 金属材料强韧化原理及应用金属材料强韧化原理及应用 付瑞东 rdfu 22 机械强韧化机械强韧化 金属材料强韧化机理金属材料强韧化机理 物理强韧化物理强韧化化学强韧化化学强韧化 物理强韧化 是在金属内部
