第十章 材料的强化

韧性是材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现；强度是材料抵抗变形和断裂的能力，塑性则表示材料断裂时总的塑变程度． 材料在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的多少表示韧性的高低．金属材料缺口试样落锤冲击试验侧得的韧性指标称为冲击韧性．高分子材料冲击试验的韧性指标通常称为冲击强度或冲击韧度． 第一节 材料强化基本原理

1、固溶强化 纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象 根据强化机理可分为无序固溶体和有序固溶体 固溶强化的特点：

（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大；

（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大； （3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；

（3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。

2、细晶强化

多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的目的。 霍尔-佩奇公式：σs=σ+Kyd-1/2

3、位错强化

（1） 晶体中的位错达到一定值后，位错间的弹性交互作用增加了位错运动的阻力。可以有效地提高金属的强度。

流变应力τ 和位错密度的关系：

（2）加工硬化

定义：金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑 性降低。

单晶体的典型加工硬化曲线：τ~θ 曲线的斜率θ=d τ/d θ称为“加工硬化速率” ·曲线明显可分为三个阶段：

I． 易滑移阶段：发生单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小，θI 很低，约为10-4G数量级。 II．线性硬化阶段：发生多系滑移，位错运动困难，θII 远大于θI 约为 G/100—G/300 ，并接近于一常数。

III．抛物线硬化阶段：与位错的多滑移过程有关，θ

4、沉淀相颗粒强化

当第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体相中时，将产生显著的强化作用，通常将微粒分成不可变形的和可变形的两类。

（1）可变形微粒的强化作用——切割机制 ·适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形

强化作用主要决定于粒子本身的性质以及其与基体的联系，主要有以下几方面的作用： A．位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。

B． 若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒子时需要附加应力。

C．由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。

III

随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。

D．由于粒子的层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化。 E． 由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。

在实际合金中，起主要作用的往往是1~2种。 ·增大粒子尺寸或增加体积分数有利于提高强度。

（2）不可变形微粒的强化作用——奥罗万机制（位错绕过机制） ·适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。 使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为 τ=Gb/（2R） 设颗粒间距为λ， 则τ=Gb/ λ ，∴ Rmin=λ/2 只有当外力大于Gb/ λ 时，位错线才能绕过粒子。

减小粒子尺寸（在同样的体积分数时，粒子越小则粒子间距也越小）或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。

（3）粗大的沉淀相群体的强化作用

由两个相混合组成的组织的强化主要是由于： ①纤维强化；

②—个相对另一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化， 直到末形变的相开始形变为止；

③ 在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错．

二、高聚物的强化原理 高聚物的强化方法：

（1）引入极性基 链上极性部分越多，极性越强，键间作用力越大；

（2）链段交联 随着交联程度的增加，交联键的平均距离缩短，使材料的强度增加； （3）结晶度和取向 高聚物在高压下结晶或高度拉伸结晶性高聚物，可使材料的强度增加； （4）定向聚合。

第二节 材料的韧化基本原理 一、金属材料的韧化原理 改善金属材料韧性断裂的途径是：

① 减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量

②提高基体塑性，从面可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗； ③增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中； ④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展； ⑤金属材料的各种强化

二、高聚物的韧化原理

1、增塑剂 与冲击韧性 添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子易于运动，则使得高分子材料的冲击韧性提高。但某些增塑剂在添加量较少时，有反增塑作用，反使冲击韧性下降

2、分子结构、相对分子量与冲击韧性

热塑性塑料的大分子结构及分于间力是决定材料性能的主要因素，这两个因素若使堆砌密度小。玻璃化温度低时，则冲击韧性就高，大分子链的柔顺 性好，可提高结 晶性高分子材料 的结晶能力，而 结晶度高常使冲 击韧性下降 。

提高相对分子质量对高聚物冲击韧性的作用会因长分子链的缠结而削弱，因为分子链的缠结、交联会降低其柔性，在温度和拉仲速率一定的条件下，高聚物的相对分子质量有一临界值Mc，当相

对分子质量大 于Mc时高聚物 为韧件，反之 为脆性．

三、无机非金属材料的韧化机理

陶瓷的主要增韧机制有相变增韧和微裂纹增韧： 1、相变增韧

处于陶瓷基体内的ZrO2存在着m- ZrO2与 t- ZrO2 的可逆相变特性，晶体结构的转变伴有3％一5％的体积膨胀． ZrO2颗粒弥散分布于陶瓷基体内，当材料受到外力作用时，基体对ZrO2的压抑作用得到松驰， ZrO2颗粒即发生四方相到单斜相的转变，并在基体内引发微裂纹，从而吸收了主裂纹扩展的能量，达到提高断裂韧性的效果 。

2、微裂纹增韧

基体内的微裂纹使主裂纹的应力场发生改变，使主裂纹的方向发生改变，增加裂纹的途径，从而消耗更多的能量，达到增韧的目的。