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1、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
2、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,固溶强化 形变强化 细晶强化 第二相变强化 复合强化,6.1 塑性材料的强化机制,即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动,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,6.1.1 固溶强化,6.1.2 形变强化（加工硬化）,定义 强化机理金属在塑性变形过程中位错
3、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位错强化 作用 提高材料的强度 使变形更均匀 防止材料偶然过载引起破坏,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,定义 强化机理 晶界对位错滑移的阻滞效应当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而的滑移带不能
4、直接进入一侧晶粒中 晶界上形变要满足协调性需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处 晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强度就越高,霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式,y ikyd-1/2i和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm） 纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间) 中，,临界尺寸dc,十几到二十纳米之间,反Hall-Petch效应,在纳米晶粒，晶界核心区原子所占的比例可高达50% 理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc,6.1.4-6.1.5 第二相粒子强化,分类 通过相变（热处理）获得析出硬化
5、、沉淀强化或时效强化 通过粉末烧结或内氧化获得弥散强化 强化效果 相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状和分布等都对强化效果有影响 第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著,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,位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制）,位错线绕过粒子，恢复原态，继续向前滑移,运动位错线在不易形变粒子前受阻、弯曲,外加切应力的增加使位错弯曲，直到在A、B处相遇,位错线方向相反的A、B相遇抵消，留下位错环，位错增殖,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,位错切割机制,位错切过粒子的示意图,Ni-19% Cr-6% Al
6、合金中位错切过Ni3Al粒子的透射电子显微像,切过粒子引起强化的机制,短程交互作用 位错切过粒子形成新的表面积，增加了界面能 位错扫过有序结构时会形成错排面或叫做反相畴，产生反相畴界能 粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶; 粒子的派-纳力P-N高于基体等，都会引起临界切应力增加 长程交互作用（作用距离大于10b） 由于粒子与基体的点阵不同（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场,第二相粒子强化的最佳粒子半径,综合考虑切过、绕过两种机制，估算出第二相粒子强化的最佳粒子半径rc=(Gb2)/(2s),6.1.6 复合强化,1、长纤维增强原理 可以用混合定则很好地描述和预测复合材
7、料的性能。 Pc=f1p1n+f2p2n+f3p3n+f4p4n+ Pc ：复合材料的某一性质，如强度，模量，热导率等。 pi ：组成复合材料的基体或增强体的某性质 Fi：体积分数， f1+f2+f3+f4+=100% n：常数，由实验确定，范围为-1n1。 增强体的高强，高摸提高了复合材料的强度和模量，是增强的主要原因。 另外复合效应，即受力时纤维和基体的变形互相牵制，使纤维和基体都得到强化也是强化原理。,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
8、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,相变增韧 微裂偏转增韧 复合增韧 钝化裂纹,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。,即在裂纹尖端应力场的作用下, ZrO2 粒子发生四方相单斜相的相变而吸收了能量, 外力做了功, 从而提高了断裂韧性。,另外，相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。 如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。,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
9、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。,在室温时, ZrO2 颗粒仍以四方相存在, 它有一种力图膨胀而变成单斜相的自发倾向；,当外力作用时, 陶瓷的内应力可使四方相的ZrO2粒子解除约束,发生四方相ZrO2( t- ZrO2) 转变成单斜相( m- ZrO2) 的马氏体相变, 引起体积膨胀。,激发相变外力所付出的能量,四方和单斜氧化锆间的化学自由能差,相变弹性应变能的变化,四方相t-ZrO2 能否向单斜相m-ZrO2 发生转变，取
10、决于转化后的系统自由能是否下降。,相变动力,相变阻力,应力诱发t-m相变的增韧公式,相变增韧的贡献,(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。,6.2.2 微裂偏转增韧,材料结构中的微裂纹的作用：当材料受到张应力的作用时, 在主裂纹的尖端形成塑性区, 在塑性区内, 原先存在大量的微裂纹发生延伸, 增加许多新的裂纹表面, 吸收大量的弹性应变能, 从而引起材料断裂
11、韧性的增加。在张应力作用下, 延伸后形成的较大微裂纹将与主裂纹汇合, 导致主裂纹的扩展路径发生扭曲和分叉, 增加裂纹的扩展路径, 吸收更多的弹性应变能, 从而导致材料断裂韧性的进一步提高。,微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为,式中E1为主裂纹尖端含有微裂纹材料的弹性模量，fs为显微裂纹密度，W为过程区宽度的一半，为显微裂纹引起的膨胀应变。,微裂纹增韧同样对温度和粒子尺寸很敏感，合适的颗粒尺寸是大于应力诱发相变的临界尺寸而小于自发产生危险裂纹的临界尺寸，并且应减小基质与粒子间的热失配，使其产生最大的相变张应力。 微裂纹的密度大到一定程度后，就会使裂纹相互连接，形成大裂纹，反而使韧性下降。,裂纹尖端过
12、程区的应力分布及第二相粒子诱发微裂纹示意图,D,ZrO2,Al2O3,1,2,显微裂纹,裂纹,过程区,y,y,ac,C/2,Y,mc,X,f,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。,6.2.3 复合韧化机制,几种机制的相互作用使增韧效果变得复杂，有的韧化机制可以相互叠加，有的却是相消的。一般说来，相变增韧与裂纹偏折增韧是严格相加的，而相变增韧与微裂纹增韧则是非加性的。,利用第二相粒子韧化陶瓷基体时，经常是几种韧化机制同时在起作用，要根据具体的情况而定。,上图中，由于柱状晶的存在，导致裂纹发生偏转，改变和增加
13、了裂纹扩展的路径，从而钝化裂纹增加了裂纹扩展阻力。,颗粒、纤维晶须增韧、自增韧原理,6.2.4 钝化裂纹增韧,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。,裂纹偏折和弯曲不受温度和粒子尺寸的影响,优点,当裂纹扩展遇到不可穿越障碍物（impenetrable）时，有两种并存的主要扰动作用，即裂纹偏折和裂纹弯曲。,裂纹偏折产生非平面裂纹，而裂纹弯曲产生非线形裂纹前沿。,裂纹偏折,裂纹偏折过程可以看作分两步进行,（1）首先是裂纹尖端的倾斜（tilt），产生裂纹偏转（图a）； （2）随后由于裂纹前沿的
14、不同部分向不同方向倾斜，进一步的裂纹扩展将导致裂纹面的扭曲（twist），产生非平面裂纹（图b）。,裂纹偏折示意图 (a)裂纹倾斜，(b)裂纹扭转,(a),(b),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121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,裂纹端与细分散第二相粒子间的相互作用，弥散分布的第二相有钉扎裂纹端的作用，使裂纹前端在两粒子间向外突出弯曲。裂纹前端形状的改变、长度的增加以及新裂纹表面的形成都消耗了能量。,弥散颗粒含量大、平均间距小且颗粒半径较大时，微裂纹弯曲增韧作用较大。,200MPa冷等静压成型然后1300无压烧结LTA陶瓷复合材料的裂纹扩展路径SEM照片,
