第十章_材料的强化与韧化课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精品课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,精品课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,第十章 材料的强化与韧化,第一节 金属材料的强韧化,第二节 陶瓷材料的强韧化,第三节 高分子材料的强韧化,第四节 复合材料的强韧化,1,精品课件,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。,2,精品课件,第一节 金属材料的强韧化,从理论上讲，提高材料强度的途径有：,（1）完全消除材料内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度，如金属晶须等，但实际应用尚有困难。,（2）在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动，如加工硬化、固溶强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等。,综合这些强化手段，可使材料的强度接近理论强度。,3,精品课件,1）金属材料的强化,（1）固溶强化,利用点缺陷对位错运动的阻力使金属基体获得强化的一种方法。,方 式：在金属基体中溶入一种或数种溶质元素形成固溶体（间隙式或替代式）而使金属的强度、硬度升高。,如Cu-Ni无限互溶固溶体等。,（2）细晶强化,细化晶粒可以提高金属的强度，其原因在于晶界对位错的阻滞效应。,4,精品课件,金属的屈服强度与晶粒大小的关系满足Hall-Petch关系：,但需要注意的是，在高温下，材料的晶粒越小，其高温强度越小；与常温下的情况正好相反。,（3）第二相粒子强化,*按获得粒子的工艺,：析出强化（沉淀强化、时效强化）和弥散强化,*按粒子大小和形变特性：不易变形粒子和易变形粒子。,5,精品课件,*位错绕过不易变形的粒子,*位错切过易变形的粒子。,（4）形变强化,金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断加强，因而位错运动越来越困难所致。,2）金属材料的韧化,（1）韧化原理,（a）细化晶粒,（b）脆性相：小、少、球形等。,6,精品课件,（c）韧性相的加入：如少量的残余奥氏体可提高不锈钢的韧性。,（d）基体：调整基体的组织结构。,（2）韧化工艺,（a）熔炼铸造：成分控制、夹杂物和气体含量控制等。,（b）压力加工：晶粒控制、组织控制。,（c）热处理：组织控制。（淬火、回火和时效、形变热处理等）,7,精品课件,第二节 陶瓷材料的强韧化,*,陶瓷和玻璃的断裂韧性是相当低的，克服陶瓷的脆性和提高其强度的关键是：,（1）提高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力；(断裂能),（2）减缓裂纹尖端的应力集中效应。(减小缺陷尺寸),*陶瓷增韧机理:,(1)在裂纹尖端周围分布着非弹性变形的区域，它们由于相变或微裂纹所引起的。,(2)由纤维或晶须，或未破坏的带状第二相所引起的裂纹桥联。,8,精品课件,*,韧化方法：,（1）氧化锆相变增韧,当材料受到外力作用时，裂纹扩展到亚稳的,t,-ZrO,2,粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对,t,-ZrO,2,的压抑作用首先在裂纹尖端得到松弛，促发,t,-ZrO,2,m,-ZrO,2,的相变，产生体积膨胀形成相变区。由此产生的相变应力又反作用于裂纹尖端，降低了裂纹尖端的应力集中程度，发生所谓的钝化反应，减缓或完全抑制了裂纹的扩展，从而提高断裂韧性。,下图表示含有亚稳,t,-ZrO,2,中裂纹扩展时，其顶端附近，由应力应变诱发,t,m,相变的示意图。,9,精品课件,裂纹顶端应力诱发,t,m,相变增韧机理,10,精品课件,（2）微裂纹增韧,在陶瓷基体相和分散相之间，由于温度变化引起的热膨胀差或相变引起的体积差，会产生弥散均布的微裂纹图(a)，当导致断裂的主裂纹扩展时，这些均匀分布的微裂纹会促使主裂纹分叉(图(b)，使主裂纹扩展路径曲折前进，增加了扩展过程中的表面能，从而使裂纹快速扩展受到阻碍，增加了材料的韧性。,11,精品课件,微裂纹增韧示意图,12,精品课件,（3）裂纹偏转增韧机制,裂纹在扩展过程中遇到晶界、第二相颗粒或残余应力场时，将偏离原来运动方向产生非平面型裂纹，称之为裂纹偏转。这时，裂纹平面在垂直于施加张应力方向上重新取向。,这种方向上的变化意味着裂纹扩展路径将被增长，同时，由于裂纹平面不再垂直于张应力方向而使得裂纹尖端的应力强度降低，因而裂纹偏转将增大材料的韧性。,13,精品课件,典型的裂纹偏转示意图,a）裂纹倾斜,角；b）裂纹扭转,角,14,精品课件,（4）裂纹弯曲增韧机制,裂纹弯曲是由于裂纹障碍形成的。裂纹障碍是指由于基体相中存在断裂能更大的第二相增强剂如颗粒、晶须时，裂纹在扩展过程被其阻止的情况。而裂纹障碍的主要形式就是裂纹前沿的扩展已越过第二障碍相而形成裂纹弯曲。,与前面所讨论的裂纹偏转机制不同，裂纹弯曲是在障碍相的作用下产生非线性裂纹前沿。如图所示，其中,d,为粒子间距。,15,精品课件,裂纹弯曲的线张力增韧模型,16,精品课件,（5）裂纹桥联增韧机制,所谓桥联增韧是指由增强元连接扩展裂纹的两表面形成裂纹闭合力而导致脆性基体材料增韧的方法。,裂纹表面桥联作用可以分为两种形式，一种为刚性第二相导致裂纹桥联，而另一种则是由韧性第二相导致裂纹桥联。,17,精品课件,当桥联相为刚性时，也就是第二相的韧性和陶瓷基体相的韧性相类似的情况下，桥联增韧的发生需要第二相增强组元与基体相有显微结构特征要求以及残余热应力的存在或适当的相界面结合状态。显微结构特征指第二相具有一定的长径比，它们可以是纤维或者晶须、柱状粒子、片状粒子、甚至具有大长径比的基体相颗粒同样可以发挥桥联作用。由热膨胀性能失配引起的较大残余应力可能在裂纹尖端的尾部上形成一个压应力区作为一个完整的韧带存在（见图）。而弱的界面结合可以通过界面滑动、解离甚至第二相拔出来形成裂纹表面桥联作用而增韧（见图）。通过桥联相的拔出效应通常可以极大地强化裂纹桥联增韧过程。,18,精品课件,由残余应力形成的桥联韧带图,由非连续刚性第二相所形成的桥联力,19,精品课件,（6）韧性相增韧,如果在陶瓷材料中分布着韧性相，韧性相会在裂纹扩展中起附加吸收能量的作用。按能量平衡观点，当裂纹尖端附近韧性相出现较大范围的塑性变形，就有不可逆的原子重排并以塑性功形式吸收可观的变形能，使裂纹进一步扩展所需的能量远远超过生成新裂纹表面所需的净热力学表面能。,同时，裂纹尖端高应力区的屈服流动使应力集中得以部分消除，抑制了原先所能达到的临界状态，相应地提高了材料的抗断裂能力。,20,精品课件,（7）纤维、晶须增韧,纤维或晶须具有高弹性和高强度，当它作为第二相弥散于陶瓷基体构成复合材料时，纤维或晶须能为基体分担大部分外加应力而产生强化。当有裂纹时，裂纹为避开纤维或晶须，沿着基体与纤维或晶须界面传播，使裂纹扩展途径出现弯曲从而使断裂能增加而增韧。,在裂纹尖端附近由于应力集中，纤维或晶须也可能从基体中拔出。拔出时以拔出功的形式消耗部分能量，同时在接近尖端后部，部分未拔出或末断裂的纤维或晶须桥接上下裂纹面，降低应力集中，提高韧性。在裂纹尖端，由于应力集中可使基体和纤维或晶须间发生脱粘，脱粘大幅度降低裂纹尖端的应力集中，使材料韧性提高。,21,精品课件,控制纤维或晶须与基体之间保持适中的结合强度，使纤维或晶须既可承担大部分的应力，又能在断裂过程中以“拔出功”等形式消耗能量，可获得补强和增韧两者的较佳配合。,8）表面残余压应力增韧,陶瓷材料的强韧化，可以通过引入残余压应力而增高。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹，而表面残余压应力阻止了表面裂纹的扩展，起到增韧作用。,22,精品课件,第三节 高分子材料的强韧化,影响高聚物实际强度和韧性的因素有：,（1）与材料本身有关的，如高分子的化学结构、分子量及其分布、交联、结晶、取向、增塑、填充、共混等；,（2）与外界条件有关的，如温度、湿度、应变速率、流体静压力等。,23,精品课件,1）高分子链结构的影响,（1）化学结构,增加高分子的极性或产生氢键都可使材料的强度提高。,（2）分子量,在分子量较低时，断裂强度随分子量的增加而提高；在分子量较高时，强度对分子量的依赖性逐渐降低；分子量足够高时，强度实际上与分子量无关。,（3）交 联,适度的交联可有效地增加分子链的作用力，使高聚物材料的断裂强度提高。,24,精品课件,2）高分子聚集态结构的影响,（1）结晶度,对韧性塑料，随结晶度的提高，其刚度、强度提高，而韧性下降；,对刚性塑料，结晶度对刚度的影响是有限的，但会明显降低材料的韧性，甚至强度也有所下降。,（2）取 向,取向对材料力学性能最大的影响是使材料呈现各向异性。,（3）增塑剂,加入增塑剂后，消弱了高分子间的作用力，使材料的断裂韧性下降。,25,精品课件,（4）填 料,惰性填料：降低材料的强度；,活性填料：提高强度，其原因是填料粒子与高聚物形成交联结构。,（5）共聚和共混,高分子合金,（6）应力集中,减少裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等。,26,精品课件,3）外界条件的影响,*温 度：脆性转变温度；,*应变速率：应变速率提高，韧性下降。,27,精品课件,第四节 复合材料的强韧化,复合材料可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和夹层增强复合材料。,1）纤维的增强作用,材料的强度由纤维的强度、纤维与基体界面的粘接强度及基体的强度所决定。,影响因素：,长纤维、短纤维,纤维排布,纤维的体积分数,28,精品课件,2）纤维和晶须的增韧作用,复合材料的断裂过程：基体中出现裂纹、纤维与基体发生界面解离（脱粘）、纤维断裂和拔出。,增韧机制：,（1）桥联增韧：,当基体出现裂纹后，纤维像桥梁一样，牵拉两裂纹面，抵抗外力，阻止裂纹的进一步扩展，从而提高材料的韧性。,（2）裂纹偏转增韧,当裂纹尖端遇到弹性模量比基体大的纤维时，裂纹偏离原来的前进方向（分岔），沿纤维与基体的结,29,精品课件,合面或在基体内扩展，这种改变了扩展方向的非平面裂纹具有比平面裂纹更大的表面积和表面能，因而可以吸收更多的断裂功，从而起到增韧的作用。,（3）拔出效应,纤维在外力作用下从基体中拔出时，靠界面的摩擦吸收断裂功而增韧。,纤维从基体中的拔出功,W,p,为：,W,p,=,V,f,D,2,/12,R,式中,V,f,为纤维的体积分数；,是纤维与基体之间的结合力（界面强度）；,D,是纤维上两个缺陷点的平均距离；,R,为纤维直径。,30,精品课件,感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，,如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！,感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，,如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！,