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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 材料韧化基本原理材料韧化基本原理1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2材料的强韧化材料的强韧化5 5 强化同时
2、的增韧强化同时的增韧(1)(1)位错位错强化与塑性和韧性强化与塑性和韧性位位错错密密度度升升高高会会提提高高强强度度而而降降低低塑塑性性和和韧韧性性。可可动动的的未未被被锁锁住住的的位位错错对对韧韧性性的的损损害害小小于于被被沉沉淀淀物物或或固固溶溶原原子子锁锁住住的的位位错错。故故提提高高可可动动位位错错密密度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固溶溶强强化化应应在在保保证证强强度度的的同同时时提提高高塑塑性性。通通过过添添加加合合适适的的合合金金元元素素，如如，Ni，可可促促进进交交滑滑移移，改改善塑性。善塑性。另另外外，调调整整间间隙隙原原
3、子子的的添添加加浓浓度度，实实现现强强度度和和塑塑韧性的最佳配合。韧性的最佳配合。3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细化化晶晶粒粒既既能能提提高高强强度度，又又能能同同时时优优化化塑塑性性和和韧韧性，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沉淀淀颗颗粒粒会会通通过过弥弥散散强强化化提提高高基基体体的的强强度度和和硬硬度度，但但可可能能会会明明显显降降低低塑塑性性和和韧韧性性。尤尤其其，条条带带状状、片片状状析析出出物物，以以及及沿沿晶晶界界网网状状析析出出的的沉沉淀淀相相，均
4、均显显著著降低材料塑性。降低材料塑性。减减少少沉沉淀淀相相的的析析出出数数量量，改改善善沉沉淀淀相相的的形形状状和和分分布布状态状态，可改善材料塑性。，可改善材料塑性。4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添加加增增塑塑剂剂使使分分子子间间作作用用力力减减小小，链链段段以以至至大大分分子子容易运动，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如果果大大分分子子结结构构和和分分子子间间作作用用力力的的作作用用使使高高
5、分分子子材材料料的堆砌密度小，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。如如果果大大分分子子链链的的柔柔顺顺性性好好，可可提提高高结结晶晶性性高高分分子子材材料料的结晶能力，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。5材料的强韧化材料的强韧化相相对对分分子子质质量量增增大大使使分分子子键键的的缠缠结结点点增增多多，有有利利于于伸伸长长率率和和强强度度的的提提高高，两两者者又又使使高高分分子子材材料料的的冲冲击击韧韧性性获得改善。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在玻玻璃璃化化温温度度高高的的链链段段之之间间
6、嵌嵌入入玻玻璃璃化化温温度度低低的的链链段段可可发发挥挥良良好好的的配配合合作作用用，既既保保证证高高的的强强度度和和硬硬度度，又又又好的韧性。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6三、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陶陶瓷瓷中中四四方方相相的的ZrOZrO2 2向向单单斜斜相相的的ZrOZrO2 2转转变变，伴伴随随有有体体积积膨膨胀胀。当当有有较较大大外外应应力力作作用用时时，基基体体的的约约束束作作用用减减弱弱，
7、促促进进相相变变，会会引引发发微微裂裂纹纹，从从而而消消除除应应力力集集中中，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7(2) (2) 微裂纹增韧微裂纹增韧大大多多数数情情况况下下，陶陶瓷瓷材材料料中中存存在在裂裂纹纹。如如果果在在主主裂裂纹纹尖尖端端存存在在相相变变诱诱导导微微裂裂纹纹区区，由由微微裂裂纹纹吸吸收收裂裂纹纹扩扩展展过过程程中中的的能能量量，则则可可有有效效阻阻止止主主裂裂纹纹的的扩扩展展，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8材料科学基础材料科学基础第十章第三节第十章第三节 材料强韧化方法示例材
8、料强韧化方法示例9一、一、金属材料金属材料强韧化的例子强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10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)可可动动位位错错缓缓解解局局部部应应力力集集中中, , 延延缓缓裂裂纹纹产产生生, , 塑性和韧性塑性和韧性(5)(5)残残余余奥奥氏氏体体薄薄膜膜阻阻挡挡裂裂纹纹扩扩展展, , 塑塑性性和和韧韧性性11材料的强韧化材料的
9、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 2O O3 3-ZrO-ZrO2 2 +Y+Y2 2O O3 3 (ZTA)(ZTA)陶瓷陶瓷材料材料12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13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14
