第十章_材料的強(qiáng)化與韌化.ppt

1、第十章 材料的強(qiáng)化與韌化,第一節(jié) 金屬材料的強(qiáng)韌化 第二節(jié) 陶瓷材料的強(qiáng)韌化 第三節(jié) 高分子材料的強(qiáng)韌化 第四節(jié) 復(fù)合材料的強(qiáng)韌化,對(duì)結(jié)構(gòu)材料，最重要的性能指標(biāo)是強(qiáng)度和韌性。 * 強(qiáng) 度：材料抵抗變形和斷裂的能力； * 韌 性：材料變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。 提高材料的強(qiáng)度和韌性，可以節(jié)約材料、降低成本、增加材料在使用過(guò)程中的可靠性和延長(zhǎng)服役壽命，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 所以人們?cè)诶貌牧系牧W(xué)性能時(shí)，總希望材料既具有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性。但通常的材料往往二者不可兼得。 理解材料的強(qiáng)化和韌化機(jī)理，以提高材料的強(qiáng)度和韌性。,第一節(jié) 金屬材料的強(qiáng)韌化,從理論上講，

2、提高材料強(qiáng)度的途徑有： （1）完全消除材料內(nèi)部的位錯(cuò)和其他缺陷，使它的強(qiáng)度接近于理論強(qiáng)度，如金屬晶須等，但實(shí)際應(yīng)用尚有困難。 （2）在金屬中引入大量的缺陷，以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，如加工硬化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等。 綜合這些強(qiáng)化手段，可使材料的強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。,1）金屬材料的強(qiáng)化 （1）固溶強(qiáng)化 利用點(diǎn)缺陷對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力使金屬基體獲得強(qiáng)化的一種方法。 方 式：在金屬基體中溶入一種或數(shù)種溶質(zhì)元素形成固溶體（間隙式或替代式）而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高。 如Cu-Ni無(wú)限互溶固溶體等。 （2）細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)化晶粒可以提高金屬的強(qiáng)度，其原因在于晶界對(duì)位錯(cuò)的阻滯效應(yīng)。,金屬的屈服強(qiáng)度與晶

3、粒大小的關(guān)系滿足Hall-Petch關(guān)系： 但需要注意的是，在高溫下，材料的晶粒越小，其高溫強(qiáng)度越??；與常溫下的情況正好相反。 （3）第二相粒子強(qiáng)化 * 按獲得粒子的工藝：析出強(qiáng)化（沉淀強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化）和彌散強(qiáng)化 * 按粒子大小和形變特性：不易變形粒子和易變形粒子。,* 位錯(cuò)繞過(guò)不易變形的粒子 * 位錯(cuò)切過(guò)易變形的粒子。 （4）形變強(qiáng)化 金屬在塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力場(chǎng)不斷增大，位錯(cuò)間的交互作用不斷加強(qiáng)，因而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越來(lái)越困難所致。 2）金屬材料的韌化 （1）韌化原理 （a）細(xì)化晶粒 （b）脆性相：小、少、球形等。,（c）韌性相的加入：如少量的殘余奧氏體可提高不銹鋼的韌性。

4、（d）基體：調(diào)整基體的組織結(jié)構(gòu)。 （2）韌化工藝 （a）熔煉鑄造：成分控制、夾雜物和氣體含量控制等。 （b）壓力加工：晶?？刂?、組織控制。 （c）熱處理：組織控制。（淬火、回火和時(shí)效、形變熱處理等）,第二節(jié) 陶瓷材料的強(qiáng)韌化,* 陶瓷和玻璃的斷裂韌性是相當(dāng)?shù)偷?，克服陶瓷的脆性和提高其?qiáng)度的關(guān)鍵是： （1）提高陶瓷材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力；(斷裂能) （2）減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。(減小缺陷尺寸) * 陶瓷增韌機(jī)理: (1) 在裂紋尖端周圍分布著非彈性變形的區(qū)域，它們由于相變或微裂紋所引起的。 (2) 由纖維或晶須，或未破壞的帶狀第二相所引起的裂紋橋聯(lián)。,* 韌化方法： （1）氧化鋯相變?cè)鲰g

5、當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展到亞穩(wěn)的t-ZrO2粒子，裂紋尖端的應(yīng)力集中使基體對(duì)t-ZrO2的壓抑作用首先在裂紋尖端得到松弛，促發(fā)t-ZrO2 m-ZrO2的相變，產(chǎn)生體積膨脹形成相變區(qū)。由此產(chǎn)生的相變應(yīng)力又反作用于裂紋尖端，降低了裂紋尖端的應(yīng)力集中程度，發(fā)生所謂的鈍化反應(yīng)，減緩或完全抑制了裂紋的擴(kuò)展，從而提高斷裂韌性。 下圖表示含有亞穩(wěn)t-ZrO2中裂紋擴(kuò)展時(shí)，其頂端附近，由應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)t m相變的示意圖。,裂紋頂端應(yīng)力誘發(fā)t m相變?cè)鲰g機(jī)理,（2）微裂紋增韌 在陶瓷基體相和分散相之間，由于溫度變化引起的熱膨脹差或相變引起的體積差，會(huì)產(chǎn)生彌散均布的微裂紋圖(a)，當(dāng)導(dǎo)致斷裂的主裂紋擴(kuò)展時(shí)，

6、這些均勻分布的微裂紋會(huì)促使主裂紋分叉(圖(b)，使主裂紋擴(kuò)展路徑曲折前進(jìn)，增加了擴(kuò)展過(guò)程中的表面能，從而使裂紋快速擴(kuò)展受到阻礙，增加了材料的韌性。,微裂紋增韌示意圖,（3）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制 裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中遇到晶界、第二相顆?；驓堄鄳?yīng)力場(chǎng)時(shí)，將偏離原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生非平面型裂紋，稱之為裂紋偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，裂紋平面在垂直于施加張應(yīng)力方向上重新取向。 這種方向上的變化意味著裂紋擴(kuò)展路徑將被增長(zhǎng)，同時(shí)，由于裂紋平面不再垂直于張應(yīng)力方向而使得裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度降低，因而裂紋偏轉(zhuǎn)將增大材料的韌性。,典型的裂紋偏轉(zhuǎn)示意圖 a）裂紋傾斜角； b）裂紋扭轉(zhuǎn)角,（4）裂紋彎曲增韌機(jī)制 裂紋彎曲是由于裂紋障礙形成的。裂

7、紋障礙是指由于基體相中存在斷裂能更大的第二相增強(qiáng)劑如顆粒、晶須時(shí)，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程被其阻止的情況。而裂紋障礙的主要形式就是裂紋前沿的擴(kuò)展已越過(guò)第二障礙相而形成裂紋彎曲。 與前面所討論的裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制不同，裂紋彎曲是在障礙相的作用下產(chǎn)生非線性裂紋前沿。如圖所示，其中d為粒子間距。,裂紋彎曲的線張力增韌模型,（5） 裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)制 所謂橋聯(lián)增韌是指由增強(qiáng)元連接擴(kuò)展裂紋的兩表面形成裂紋閉合力而導(dǎo)致脆性基體材料增韌的方法。 裂紋表面橋聯(lián)作用可以分為兩種形式，一種為剛性第二相導(dǎo)致裂紋橋聯(lián)，而另一種則是由韌性第二相導(dǎo)致裂紋橋聯(lián)。,當(dāng)橋聯(lián)相為剛性時(shí)，也就是第二相的韌性和陶瓷基體相的韌性相類似的情況下，橋聯(lián)增韌

8、的發(fā)生需要第二相增強(qiáng)組元與基體相有顯微結(jié)構(gòu)特征要求以及殘余熱應(yīng)力的存在或適當(dāng)?shù)南嘟缑娼Y(jié)合狀態(tài)。顯微結(jié)構(gòu)特征指第二相具有一定的長(zhǎng)徑比，它們可以是纖維或者晶須、柱狀粒子、片狀粒子、甚至具有大長(zhǎng)徑比的基體相顆粒同樣可以發(fā)揮橋聯(lián)作用。由熱膨脹性能失配引起的較大殘余應(yīng)力可能在裂紋尖端的尾部上形成一個(gè)壓應(yīng)力區(qū)作為一個(gè)完整的韌帶存在（見圖）。而弱的界面結(jié)合可以通過(guò)界面滑動(dòng)、解離甚至第二相拔出來(lái)形成裂紋表面橋聯(lián)作用而增韌（見圖）。通過(guò)橋聯(lián)相的拔出效應(yīng)通?？梢詷O大地強(qiáng)化裂紋橋聯(lián)增韌過(guò)程。,由殘余應(yīng)力形成的橋聯(lián)韌帶圖,由非連續(xù)剛性第二相所形成的橋聯(lián)力,（6） 韌性相增韌 如果在陶瓷材料中分布著韌性相，韌性相會(huì)在裂

9、紋擴(kuò)展中起附加吸收能量的作用。按能量平衡觀點(diǎn)，當(dāng)裂紋尖端附近韌性相出現(xiàn)較大范圍的塑性變形，就有不可逆的原子重排并以塑性功形式吸收可觀的變形能，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生成新裂紋表面所需的凈熱力學(xué)表面能。 同時(shí)，裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)的屈服流動(dòng)使應(yīng)力集中得以部分消除，抑制了原先所能達(dá)到的臨界狀態(tài)，相應(yīng)地提高了材料的抗斷裂能力。,（7）纖維、晶須增韌 纖維或晶須具有高彈性和高強(qiáng)度，當(dāng)它作為第二相彌散于陶瓷基體構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，纖維或晶須能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力而產(chǎn)生強(qiáng)化。當(dāng)有裂紋時(shí)，裂紋為避開纖維或晶須，沿著基體與纖維或晶須界面?zhèn)鞑?，使裂紋擴(kuò)展途徑出現(xiàn)彎曲從而使斷裂能增加而增韌。 在裂紋尖端附

10、近由于應(yīng)力集中，纖維或晶須也可能從基體中拔出。拔出時(shí)以拔出功的形式消耗部分能量，同時(shí)在接近尖端后部，部分未拔出或末斷裂的纖維或晶須橋接上下裂紋面，降低應(yīng)力集中，提高韌性。在裂紋尖端，由于應(yīng)力集中可使基體和纖維或晶須間發(fā)生脫粘，脫粘大幅度降低裂紋尖端的應(yīng)力集中，使材料韌性提高。,控制纖維或晶須與基體之間保持適中的結(jié)合強(qiáng)度，使纖維或晶須既可承擔(dān)大部分的應(yīng)力，又能在斷裂過(guò)程中以“拔出功”等形式消耗能量，可獲得補(bǔ)強(qiáng)和增韌兩者的較佳配合。 8）表面殘余壓應(yīng)力增韌 陶瓷材料的強(qiáng)韌化，可以通過(guò)引入殘余壓應(yīng)力而增高。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，而表面殘余壓應(yīng)力阻止了表面裂紋的擴(kuò)展，起到增韌作用。,第三節(jié)

11、高分子材料的強(qiáng)韌化,影響高聚物實(shí)際強(qiáng)度和韌性的因素有： （1）與材料本身有關(guān)的，如高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、交聯(lián)、結(jié)晶、取向、增塑、填充、共混等； （2）與外界條件有關(guān)的，如溫度、濕度、應(yīng)變速率、流體靜壓力等。,1）高分子鏈結(jié)構(gòu)的影響 （1）化學(xué)結(jié)構(gòu) 增加高分子的極性或產(chǎn)生氫鍵都可使材料的強(qiáng)度提高。 （2）分子量 在分子量較低時(shí)，斷裂強(qiáng)度隨分子量的增加而提高；在分子量較高時(shí)，強(qiáng)度對(duì)分子量的依賴性逐漸降低；分子量足夠高時(shí)，強(qiáng)度實(shí)際上與分子量無(wú)關(guān)。 （3）交 聯(lián) 適度的交聯(lián)可有效地增加分子鏈的作用力，使高聚物材料的斷裂強(qiáng)度提高。,2）高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 （1）結(jié)晶度 對(duì)韌性塑料，隨結(jié)晶

12、度的提高，其剛度、強(qiáng)度提高，而韌性下降； 對(duì)剛性塑料，結(jié)晶度對(duì)剛度的影響是有限的，但會(huì)明顯降低材料的韌性，甚至強(qiáng)度也有所下降。 （2）取 向 取向?qū)Σ牧狭W(xué)性能最大的影響是使材料呈現(xiàn)各向異性。 （3）增塑劑 加入增塑劑后，消弱了高分子間的作用力，使材料的斷裂韌性下降。,（4）填 料 惰性填料：降低材料的強(qiáng)度； 活性填料：提高強(qiáng)度，其原因是填料粒子與高聚物形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。 （5）共聚和共混 高分子合金 （6）應(yīng)力集中 減少裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)等。,3）外界條件的影響 * 溫 度：脆性轉(zhuǎn)變溫度； * 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率提高，韌性下降。,第四節(jié) 復(fù)合材料的強(qiáng)韌化,復(fù)合材料可分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和夾層增強(qiáng)復(fù)合材料。 1）纖維的增強(qiáng)作用 材料的強(qiáng)度由纖維的強(qiáng)度、纖維與基體界面的粘接強(qiáng)度及基體的強(qiáng)度所決定。 影響因素： 長(zhǎng)纖維、短纖維 纖維排布 纖維的體積分?jǐn)?shù),2）纖維和晶須的增韌作用 復(fù)合材料的斷裂過(guò)程：基體中出現(xiàn)裂紋、纖維與基體發(fā)生界面解離（脫粘）、纖維斷裂和拔出。 增韌機(jī)制： （1）橋聯(lián)增韌： 當(dāng)基體出現(xiàn)裂紋后，纖維像橋梁一樣，牽拉兩裂紋面，抵抗外力，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高材料的韌性。 （2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌 當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量比基體大的纖維時(shí)，裂紋偏離原來(lái)的前進(jìn)方向（分岔），沿纖