工程材料强化与韧化的主要途径教程文件.ppt

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1、工程材料强化与韧化的主要途径2012v8.1.1 材料的变形类型材料的变形类型1.弹性变形弹性变形定定义义：材材料料在在外外力力的的作作用用下下会会发发生生变变形形，如如果果卸载后变形也随之消失卸载后变形也随之消失特点：特点：变形可逆；变形可逆；E脆脆性性材材料料：断断裂裂前前只只发发生生弹弹性性变变形形的的材材料料，如如铸铁、大多数陶瓷材料等铸铁、大多数陶瓷材料等2.塑性变形塑性变形定定义义：材材料料在在外外力力的的作作用用下下发发生生变变形形，如如果果卸卸载载后后变形不能完全消失变形不能完全消失特特点点：留留下下一一定定的的残残余余变变形形或或永永久久变变形形；应应力力和和应应变不成线性关

2、系变不成线性关系原因：原因：由于发生了材料流动；不会引起体积变化由于发生了材料流动；不会引起体积变化类型：类型：晶体的塑性流动和非晶态物质的粘性流动晶体的塑性流动和非晶态物质的粘性流动v8.1.2 材料的理论强度与实际强度材料的理论强度与实际强度v8.1.3 位错与晶体的塑性变形位错与晶体的塑性变形位错及位错理论：位错及位错理论：1926年弗兰克尔估出了理想晶体理论剪切强度；年弗兰克尔估出了理想晶体理论剪切强度；1934年年Taylor、Polanyi、Orowan几乎同时提出位错的概几乎同时提出位错的概念，认为滑移是通过位错在切应力作用下在晶体中念，认为滑移是通过位错在切应力作用下在晶体中逐

3、步移动实现的，所需的切应力大大减小；逐步移动实现的，所需的切应力大大减小；1939年年Burgers提出用柏氏矢量来表征位错，并引入螺位提出用柏氏矢量来表征位错，并引入螺位错的概念；错的概念；1947年年Cottrell提出溶质原子与位错的交互作用；提出溶质原子与位错的交互作用；1950年年Frank与与Read提出位错增殖机制；提出位错增殖机制；50年代年代TEM观测到晶体中位错的存在与运动；观测到晶体中位错的存在与运动；v8.1.4 位错与晶体材料强度的关系位错与晶体材料强度的关系1.尽尽可可能能地地减减少少晶晶体体中中的的位位错错密密度度，使使其其接接近近于于完完整整晶晶体体，或或者者说

4、说制制成成无无缺缺陷陷的的完完整整晶晶体，使金属实际强度接近于理论强度体，使金属实际强度接近于理论强度2.尽尽量量增增大大晶晶体体中中的的位位错错密密度度，并并尽尽可可能能地地给给运运动动着着的的位位错错设设置置阻阻碍碍，以以及及抑抑制制位位错错源源的活动的活动位错阻力位错阻力：纯纯材材料料的的位位错错阻阻力力：晶晶格格阻阻力力点点阵阵摩摩擦擦阻阻力力，取决于结合键的性质，晶格类型取决于结合键的性质，晶格类型工程材料的位错阻力：晶体缺陷和第二相质点工程材料的位错阻力：晶体缺陷和第二相质点8.2 晶体材料基本强化途径晶体材料基本强化途径v8.2.1 冷变形强化冷变形强化(加工硬化、形变强化加工硬

5、化、形变强化)(strain strengthening)v1.金属单晶体的加工硬化曲线金属单晶体的加工硬化曲线(1)易滑移阶段易滑移阶段(2)线性硬化阶段线性硬化阶段(3)抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段v晶体结构对单晶体加工硬化曲线的影响晶体结构对单晶体加工硬化曲线的影响v2.多晶体的加工硬化曲线多晶体的加工硬化曲线(1)应应力力-应应变变曲曲线线不不出出现现第第一一阶阶段段，加加工工硬硬化率明显高于单晶体化率明显高于单晶体 v2.多晶体的加工硬化曲线多晶体的加工硬化曲线(2)细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金属细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒金属 v2.多晶体的加工硬化曲线多晶体的加工硬化曲

6、线(3)合金比纯金属的加工硬化率要高合金比纯金属的加工硬化率要高Al-Mg合金中合金中Mg含含量对加工硬化的影响量对加工硬化的影响 1-3.228%Mg 2-1.617%Mg 3-1.097%Mg 4-0.544%Mg 5-0%Mg 加工硬化原因：加工硬化原因：（1）剧烈冷变形位错密度增加）剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级个数量级（2）0A1/2加工硬化应用加工硬化应用：（1）强强化化金金属属材材料料的的手手段段之之一一，尤尤其其是是一一些些不不能能通通过过热热处处理理方方法法强强化化的的金金属属可可通通过过冷冷轧轧，冷冷挤挤压压，冷冷拔拔和和冷冷冲冲压压方方法法，在在变变形形的的同同时提

7、高其强度和硬度时提高其强度和硬度（2）纯铜、纯铝等纯金属的唯一强化方法纯铜、纯铝等纯金属的唯一强化方法（3）不发生相变金属的重要强化手段）不发生相变金属的重要强化手段v8.2.2 固溶强化固溶强化(solid solution strengthening)定定义义：合合金金元元素素溶溶于于金金属属基基体体中中形形成成固固溶溶体体而而使使金属强度、硬度升高的现象，称为固溶强化金属强度、硬度升高的现象，称为固溶强化固溶强化机制：固溶强化机制：晶体结构中的弹性、晶体结构中的弹性、电、化学及几何交互作电、化学及几何交互作用。其中最主要的是溶质原子与位错的弹性用。其中最主要的是溶质原子与位错的弹性交互作

8、用阻碍了位错的运动。交互作用阻碍了位错的运动。(1)基体金属晶格发生畸变，产生附加的应力基体金属晶格发生畸变，产生附加的应力场，阻碍位错的运动；场，阻碍位错的运动；(2)溶溶质质原原子子被被吸吸附附在在位位错错线线附附近近，降降低低了了位位错的能量状态错的能量状态Cotrell气团模型气团模型：溶质原子趋于聚集在位错的溶质原子趋于聚集在位错的周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量；周围，以减小点阵畸变，降低体系的能量；克服基体溶质原子对位错的摩擦阻力。克服基体溶质原子对位错的摩擦阻力。不同溶质原子在位错周围的分布状态不同溶质原子在位错周围的分布状态不同溶质原子在位错周围的分布状态不同溶质原子在位

9、错周围的分布状态固溶强化程度的影响因素：固溶强化程度的影响因素：(1)溶溶剂剂原原子子与与溶溶质质原原子子的的直直径径、电电化化学学特特征征等等差差异异越大，强化效果越明显；越大，强化效果越明显；(2)形形成成间间隙隙固固溶溶体体的的合合金金一一般般比比形形成成置置换换固固溶溶体体的的合金强化效果好；合金强化效果好；(3)在在固固溶溶体体的的溶溶解解度度范范围围内内，溶溶质质的的加加入入量量越越多多，浓浓度度越越大大，强强化化效效果果越越明明显显。与与滑滑移移面面上上溶溶质质原原子子的的间间距距有有关关，间间距距越越小小，滑滑移移面面越越粗粗糙糙，产产生生的强化效果越明显。的强化效果越明显。固

10、溶强化的应用：固溶强化的应用：碳、氮原子对碳、氮原子对 Fe的强化，每溶解的强化，每溶解质量分数为质量分数为1的的C和和N，大约相当于，大约相当于强度提高强度提高450MPav8.2.3 细晶强化细晶强化(grain size strengthening)细晶强化：细晶强化：即晶界强化即晶界强化细晶强化主要原因：细晶强化主要原因：晶界是位错的障碍晶界是位错的障碍(1)位错塞积位错塞积(2)相邻晶粒间存在位向差相邻晶粒间存在位向差(3)晶界上原子排列不规则，富集杂质，缺陷多晶界上原子排列不规则，富集杂质，缺陷多晶界阻力晶界阻力-Hall-petch公式：公式：S0Kyd-1/2注：细晶强化不适用

11、于高温高强度及弹性材料注：细晶强化不适用于高温高强度及弹性材料细化晶粒的途径：细化晶粒的途径：（1）控制合金的熔炼和铸造工艺控制合金的熔炼和铸造工艺（2）控制变形度、再结晶退火温度和时间控制变形度、再结晶退火温度和时间（3）控制加热和冷却工艺参数，利用相变重结晶控制加热和冷却工艺参数，利用相变重结晶v8.2.4 第二相强化第二相强化(分散强化分散强化)(dispersion strengthening)定定义义：材材料料通通过过基基体体中中分分布布有有细细小小弥弥散散的的第第二二相质点而产生强化的方法相质点而产生强化的方法第第二二相相强强化化机机理理：通通过过第第二二相相粒粒子子对对位位错错运

12、运动动的的阻阻碍碍作作用用而而表表现现出出来来的的。将将第第二二相相粒粒子子分分为为“不不可可变变形形的的”和和“可可变变形形的的”两两类类（1）不可变形微粒的强化作用）不可变形微粒的强化作用-位错绕过机制位错绕过机制（Orowan，奥罗万机制），奥罗万机制）:适用于第二相粒子较适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形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使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应时，所需的切应力为力为=Gb/(2R)设颗粒间距为设颗粒间距为，则，则=Gb/，Rmin=/2当外力大于当外力大于Gb/时，位错线才能绕过粒子时，位错线才能绕过粒子减小粒子尺寸减小粒

13、子尺寸(在同样的体积分数时，粒子越在同样的体积分数时，粒子越小则粒子间距也越小小则粒子间距也越小)或提高粒子的体积分或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高数，都使合金的强度提高（2）可变形微粒的强化作用）可变形微粒的强化作用-位错切割机制：位错切割机制：适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形位错切割强化机制：位错切割强化机制：（1）短程交互作用）短程交互作用位错切过粒子后产生新的界面，界面能提高位错切过粒子后产生新的界面，界面能提高位错扫过有序结构时会形成错排面或叫反相畴，产生反相位错扫过有序结构时会形成错排面或叫反相畴，产生反相畴界能，使位错切过粒子时

14、需要附加应力畴界能，使位错切过粒子时需要附加应力粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶；粒子的派粒子与基体的滑移面不重合时，会产生割阶；粒子的派-纳纳力力p-N高于基体等，都会一起临界切应力增加高于基体等，都会一起临界切应力增加（2）长程交互作用）长程交互作用(作用距离大于作用距离大于10b)由于粒子与基体的点阵不用（至少是点阵常数不同），导由于粒子与基体的点阵不用（至少是点阵常数不同），导致共格界面失配，从而造成应力场致共格界面失配，从而造成应力场 第二相粒子强化的最佳粒子半径第二相粒子强化的最佳粒子半径 综合考虑绕过、切割两种机制，估算出第二相粒子综合考虑绕过、切割两种机制，估算出第二相粒

15、子强化的最佳粒子半径强化的最佳粒子半径 rC=(Gb2)/(2S)具有良好第二相强化效果的合金的微观特征：具有良好第二相强化效果的合金的微观特征：(1)基体的硬度较低和塑性好，析出相的硬度高基体的硬度较低和塑性好，析出相的硬度高(2)硬析出相呈弥散分布于基体上硬析出相呈弥散分布于基体上合金的微观特征：合金的微观特征：(3)析出相颗粒细小且数量多析出相颗粒细小且数量多(4)析析出出相相具具有有球球形形或或圆圆形形，而而不不是是针针状状或或其其他他有尖锐边角的形状有尖锐边角的形状第二相分布对材料性能的影响：第二相分布对材料性能的影响：硬硬而而脆脆的的第第二二相相在在基基体体上上呈呈不不连连续续或或

16、连连续续的的网网状状分分布布在在晶晶界界处处，降降低低材材料料的的强强度度和和塑塑性性，特别是韧性大大降低特别是韧性大大降低获得第二相的途径：获得第二相的途径：（1）过饱和固溶体析出；过饱和固溶体析出；（2）共晶化合物进行热压力加工；共晶化合物进行热压力加工；（3）共析反应；共析反应；（4）粉末冶金粉末冶金(1)过饱和固溶体的析出过饱和固溶体的析出第一步：固溶。第一步：固溶。第二步：急冷。第二步：急冷。第三步：时效。第三步：时效。时效时间对性能的影响时效时间对性能的影响(2)粉末冶金粉末冶金 把把互互不不相相溶溶的的弥弥散散颗颗粒粒和和金金属属粉粉末末均均匀匀混混合合后后压压实实，再再在在高高

17、温温下下烧烧结结，得得到强化的两相合金，又称弥散强化。到强化的两相合金，又称弥散强化。v8.2.5 复合强化措施与钢的马氏体强化复合强化措施与钢的马氏体强化钢钢的的马马氏氏体体强强化化：钢钢进进行行奥奥氏氏体体化化，快快速速冷冷却却至至MS点以下，得到过饱和固溶体点以下，得到过饱和固溶体马氏体强化的原因：马氏体强化的原因：(1)碳对马氏体的固溶强化作用碳对马氏体的固溶强化作用(2)马氏体存在亚结构马氏体存在亚结构(3)马马氏氏体体中中碳碳及及合合金金元元素素的的偏偏聚聚或或析析出出，形形成成时效强化时效强化8.3 金属材料的断裂与韧化途径金属材料的断裂与韧化途径v8.3.1 材料拉伸时的断裂行

18、为材料拉伸时的断裂行为断裂类型断裂类型(变形量大小变形量大小)：(1)脆性断裂：脆性断裂：变形量小于变形量小于5；断面收缩无或少；断面收缩无或少(2)韧韧(塑塑)性断裂：性断裂：变形量大；缩颈；破裂变形量大；缩颈；破裂断裂方式的影响因素：断裂方式的影响因素：材料本身、温度、加载方式等材料本身、温度、加载方式等断裂方式断裂方式(裂纹扩展途径裂纹扩展途径)：(1)穿穿晶晶断断裂裂，裂裂纹纹穿穿过过晶晶粒粒内内部部，韧韧断断或或脆脆断断，包包括括解解理理型型断断裂裂、准准解解理理型型断断裂裂和和微微孔孔聚聚合合型断裂；型断裂；(2)晶间断裂，裂纹穿越晶粒本身，脆断晶间断裂，裂纹穿越晶粒本身，脆断 v

19、8.3.2 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂1.韧性断裂韧性断裂断裂方式：断裂方式：穿晶断裂穿晶断裂特征：特征：塑性变形量大；有颈缩塑性变形量大；有颈缩断裂原因：断裂原因：过载过载韧性断裂的机制：韧性断裂的机制：与微孔聚合断裂机制相对应与微孔聚合断裂机制相对应韧性断裂机制：微孔断裂机制韧性断裂机制：微孔断裂机制(1)试试样样拉拉伸伸产产生生明明显显塑塑性性变变形形之之后后，试试样样中中心心开开始始产产生生微孔，裂纹在杂质颗粒上形成微孔，裂纹在杂质颗粒上形成(2)微孔长大和聚合，形成圆片状裂纹，向外伸展微孔长大和聚合，形成圆片状裂纹，向外伸展(3)裂纹迅速扩展，剪切断开裂纹迅速扩展，剪切断开

20、韧性断口的三种典型类型：韧性断口的三种典型类型：(1)纯颈缩型断口纯颈缩型断口(2)双杯型断口双杯型断口(3)杯锥型断口杯锥型断口2.脆性断裂脆性断裂断裂方式：断裂方式：晶间断裂和解理断裂晶间断裂和解理断裂特征：特征：塑性变形量小；无颈缩塑性变形量小；无颈缩断裂原因：断裂原因：低温、厚截面、高应变速率等低温、厚截面、高应变速率等Griffith的裂纹体断裂理论：的裂纹体断裂理论：裂纹端部的局部最大应力裂纹端部的局部最大应力m为：为：实际断裂应力：实际断裂应力：v8.3.3 影响脆性断裂的因素影响脆性断裂的因素1.温度温度温温度度越越高高，韧韧性性越越好好，温温度度越越低低则则越越脆脆，与与材材

21、料料的的结结构构有关：有关：体体心心立立方方的的金金属属材材料料较较高高的的温温度度下下韧韧性性断断裂裂，低低温温下下发发生脆性断裂，温度越低，越接近于完全脆性断裂；生脆性断裂，温度越低，越接近于完全脆性断裂；面面心心立立方方的的金金属属材材料料较较低低的的温温度度下下也也会会表表现现一一定定的的塑塑性性，不会发生完全脆性断裂。不会发生完全脆性断裂。脆性转变温度脆性转变温度TC：2.化学成分化学成分化学成分对脆性影响：化学成分对脆性影响：(1)合金化元素提高强度，降低塑性合金化元素提高强度，降低塑性(2)杂质元素会显著增加金属的脆性杂质元素会显著增加金属的脆性例例如如：碳碳钢钢中中，S、P杂杂

22、质质极极大大提提高高了了脆脆性性转变温度；金属中的气体转变温度；金属中的气体3.组织和晶粒度组织和晶粒度不同组织结构对材料脆性的影响不同：不同组织结构对材料脆性的影响不同：晶粒度的影响：晶粒度的影响：金属的韧金属的韧-脆转变温度与晶粒度平方根的对数成线性关系脆转变温度与晶粒度平方根的对数成线性关系4.应力分布应力分布max与与max的的比比值值越越大大，材材料料的的脆脆性性大大，越越容容易易脆脆性性断断裂裂；比比值值越越小小，容容易易发发生生塑塑性性变变形形，使使应应力力释释放放，易易发发生生韧性断裂韧性断裂5.环境环境应力腐蚀开裂，即在应力和腐蚀介质联合作用下的开裂应力腐蚀开裂，即在应力和腐

23、蚀介质联合作用下的开裂v8.3.4 金属材料的韧化途径金属材料的韧化途径1.细化晶粒细化晶粒 晶晶粒粒越越细细小小，晶晶界界面面积积越越增增加加，位位错错密密度度也也增增加加，强强度度升升高高；晶晶内内滑滑移移带带短短，位位错错塞塞积积群群的的应应力力集集中中效效应应显显著著，细细晶晶粒粒的的变变形形不不均均匀现象有所缓和等，均有助于韧性的改善匀现象有所缓和等，均有助于韧性的改善2.调整化学成分调整化学成分例例如如，钢钢材材中中随随C、N元元素素的的增增加加，强强度度提提高高，脆脆性性增增加加，随随S、P有有害害杂杂质质增增加加，钢钢材材中中偏偏析析、白白点点、夹夹杂杂物物、微微裂裂纹纹等等缺

24、缺陷陷越越多多，冲冲击击韧韧性性下下降降，冷冷脆脆转转变变温温度度升升高高且且范范围围变变宽宽，脆脆性性增增加加。钢钢中中加加入入Ni和和少少量量Mn可提高韧性，降低冷脆转变温度。可提高韧性，降低冷脆转变温度。3.形变热处理形变热处理把把钢钢加加热热到到一一定定温温度度后后进进行行塑塑性性变变形形如如锻锻、轧轧等，变形后立即淬火，并回火的一种工艺等，变形后立即淬火，并回火的一种工艺形形变变热热处处理理提提高高钢钢的的韧韧性性原原因因：马马氏氏体体及及亚亚结结构构得得到到细细化化，增增加加位位错错密密度度，使使晶晶界界发发生生畸畸变变，同同时时有有超超显显微微的的碳碳化化物物弥弥散散析析出出，综

25、合力学性能得到提高。综合力学性能得到提高。4.低碳马氏体强化低碳马氏体强化 板板条条状状马马氏氏体体的的亚亚结结构构位位错错密密度度高高，碳碳浓浓度度低低，晶晶格格的的正正方方度度(c/a)很很小小或或没没有有，淬淬火火应应力力也也小小，而而且且不不存存在在显显微微裂裂纹纹，板板条条状状马马氏氏体体具具有有相相当当好好的的塑塑性性和和韧韧性性，同同时时强度和硬度也足够高强度和硬度也足够高v8.3.5 金属的热处理金属的热处理热热处处理理：是是利利用用金金属属材材料料在在加加热热和和冷冷却却过过程程中中可可以以发发生生相相变变，改改变变内内部部组组织织结结构构，使使材材料料的的性性能能发发生改变

26、的一种重要金属加工工艺生改变的一种重要金属加工工艺热处理工艺：热处理工艺：加热、保温和冷却加热、保温和冷却热处理方法种类：热处理方法种类：(1)普通热处理。包括退火、正火、淬火和回火普通热处理。包括退火、正火、淬火和回火(2)表表面面热热处处理理。包包括括表表面面淬淬火火和和化化学学热热处处理理渗渗碳碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼等渗氮、碳氮共渗、渗硼等8.4 提高非金属材料强度与增韧的途径提高非金属材料强度与增韧的途径v8.4.1 提高陶瓷材料强度及改善脆性的途径提高陶瓷材料强度及改善脆性的途径1.制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷2.消除表面缺陷，可有效地提高实际强度和

27、韧性消除表面缺陷，可有效地提高实际强度和韧性3.在陶瓷表面引入压应力，可提高材料的强韧性在陶瓷表面引入压应力，可提高材料的强韧性4.细化晶粒细化晶粒5.复合增韧复合增韧6.相变增韧相变增韧6.相变增韧相变增韧 裂裂纹纹经经过过后后，裂裂纹纹两两侧侧产产生生一一个个宽宽为为W的的相相变变区区，显显然然相相变变区区W越越宽宽则则增增韧韧效效果果愈愈好好，二二氧氧化化锆锆粒粒子子的的尺尺寸寸愈愈大大则则所所需需的的相相变变诱诱发发外外力力愈愈小小，因因而而相相变变区区W愈宽。愈宽。6.相变增韧相变增韧 二二氧氧化化锆锆粒粒子子相相变变增增韧韧的的效效果果可可以以从从另另一一个个角角度度去去定定量量计

28、计算算，相相变变前前后后的的两两相相必必然然存存在在一一个个吉吉布布斯斯自自由由能能差差，而而这这时时相相变变的的自自由由能能靠靠裂裂纹纹尖尖端端处处的的应应力力作作功功来来提提供供的的，可可以以认认为为，这这相相当当于于裂裂纹纹扩扩散散能能提提高高了了自自由由能能之之差差，相相变变增增韧韧使材料断裂韧性的增加值使材料断裂韧性的增加值K1CT可由下式计算：可由下式计算：式式中中E是是弹弹性性模模量量；W是是相相变变区区宽宽度度；T是是相相变变应应变变值值，为为35%；VP是是ZrO2的的体体积积分分数数；C2是是一一个个例例子子几何形状常数，通常取值为几何形状常数，通常取值为0.2.7.裂纹桥

29、联增韧裂纹桥联增韧 裂裂纹纹桥桥联联是是由由于于未未断断裂裂带带或或伴伴随随裂裂纹纹生生长长的的两两个个相相近近裂裂纹纹面面之之间间的的摩摩擦擦作作用用而而形形成成的的。许许多多多多晶晶陶陶瓷瓷，由由于于在在裂裂纹纹尖尖端端后后面面带带形形成成桥桥联联过过程程而而被被增增韧韧。这这些些桥桥约约束束了了裂裂纹纹张张开开位位移移，一一次次降降低低了了裂裂尖尖处处的的应应力力，或或在在本本身身变变形时吸收了能量。形时吸收了能量。7.裂纹桥联增韧裂纹桥联增韧 裂裂纹纹桥桥联联是是一一种种裂裂纹纹尖尖端端尾尾部部效效应应，是是发发生生在在裂裂纹纹尖尖端端后后方方，由由某某些些显显微微结结构构单单元元（桥

30、桥联联剂剂）连连接接裂裂纹纹的的两两个个表表面面并并提提供供一一个个使使两两个个裂裂纹纹面面相相互互靠靠近近的的应应力力T(u)，即即闭闭合合力力，这这样样导导致致应应力力强强度度因因子子K随随裂裂纹纹扩扩展展而而增增加加。这这些些桥桥联联剂剂可可人人为为引引入入，如如纤纤维维复复合合材材料料，以以及及延延性性粒粒子子补补强强陶陶瓷瓷，也也可可以以由由于于局局部部非非均均质质性性而而在在裂裂纹纹扩扩展展时时产产生生（如如弱弱的的或或较较柔柔性性的的晶晶界界区区，或或由由于于在在工工艺艺过过程程中中所所产产生生的的残残余余应应力力的的变变化化）。当当裂裂纹纹扩扩展展遇遇到到桥桥联联剂剂时时，桥桥

31、联联剂剂有有可可能能穿穿晶晶破破坏坏如如图图中中第第一一个个粒粒子子；也也有有可可能能出出现现互互锁锁现现象象，即即裂裂纹纹绕绕过过桥桥联联剂剂沿沿晶晶界界反反正正（裂裂纹纹偏偏转转）并并形形成成摩摩擦擦桥桥，如如图图中中第第二二个个粒粒子子；第第3、4粒粒子子形形成成弹弹性桥。性桥。7.裂纹桥联增韧裂纹桥联增韧 应应力力场场强强度度因因子子具具有有可可加加性性，外外加加应应力力强强度度因因子子KA与与裂纹长度决定的断裂韧性裂纹长度决定的断裂韧性KRC相平衡：相平衡：KA=KRC=K1+K2=E(JC+Jcb)1/2式中，式中，K1裂纹尖端断裂韧性（受裂纹偏转影响）；裂纹尖端断裂韧性（受裂纹偏

32、转影响）；K2由由于于裂裂纹纹尾尾部部桥桥联联产产生生的的平平均均闭闭合合应应力力T(u)导导致致的的增增韧值；韧值；E-复合材料的弹性模量；复合材料的弹性模量；JC-复合材料裂纹尖端能量耗散率；复合材料裂纹尖端能量耗散率；Jcb-由于裂纹桥联导致的附加能量耗散率。由于裂纹桥联导致的附加能量耗散率。8.裂纹偏转和微裂纹增韧裂纹偏转和微裂纹增韧裂裂纹纹偏偏转转是是指指在在裂裂纹纹扩扩展展过过程程中中当当裂裂纹纹前前端端遇遇到到某某显显微微结结构构单单元元（或或称称偏偏转转剂剂）时时发发生生的的倾倾斜斜和和扭扭转转，即即裂裂纹纹在在材材料中呈锯齿状的扩展现象，它是一种裂纹尖端效应。料中呈锯齿状的扩

33、展现象，它是一种裂纹尖端效应。发发生生裂裂纹纹偏偏转转的的主主要要原原因因有有：第第二二相相与与基基体体弹弹性性模模量量的的差差异异、界界面面效效应应或或热热错错配配产产生生的的内内应应力力的的影影响响，特特别别是是内内应应力力的的不不均均匀匀性性和和界界面面等等与与裂裂纹纹的的相相互互作作用用。在在主主裂裂纹纹尖尖端端产产生生微微裂裂纹纹时时，微微裂裂纹纹会会与与主主应应力力轴轴垂垂直直，随随后后微微裂裂纹纹间间又又可可能能形形成成连连接接。在在这这种种场场合合下下，断断裂裂后后可可以以观观察察到到裂纹的偏转，并使强度和断裂韧性发生变化。裂纹的偏转，并使强度和断裂韧性发生变化。8.裂纹偏转和

34、微裂纹增韧裂纹偏转和微裂纹增韧裂裂纹纹偏偏转转使使断断裂裂韧韧性性提提高高的的主主要要原原因因是是由由于于裂裂纹纹以以锯锯齿齿状状扩扩展展时时表表面面积积的的增增多多和和应应力力场场分分布布的的变变化化。脆脆性性多多晶晶材材料料的的晶晶粒粒细细化化使使韧韧性性提提高高，抓抓哟哟是是因因为为沿沿晶晶界界进进行行的的裂裂纹纹扩扩展展的的路路途途变变长长，使使裂裂纹纹转转向向次次数数增增多多，使使所所需需的的能能量量增加的结果。增加的结果。8.裂纹偏转和微裂纹增韧裂纹偏转和微裂纹增韧ZrO2在在陶陶瓷瓷中中由由正正方方相相向向单单斜斜相相转转变变过过程程中中，相相变变出出现现体体积积膨膨胀胀而而产产

35、生生微微裂裂纹纹。无无论论是是陶陶瓷瓷冷冷却却过过程程中中产产生生的的ZrO2相相变变激激发发微微裂裂纹纹，还还是是裂裂纹纹扩扩展展过过程程中中在在其其尖尖端端区区域域形形成成的的应应力力诱诱发发ZrO2相相变变导导致致的的微微裂裂纹纹，都都将将起起着着分分散散主主裂裂纹纹尖尖端端能能量量的的作作用用，从从而而提提供供啊啊裂裂纹纹断断裂裂能能，称称为为微微裂纹增韧。裂纹增韧。9.耦合增韧效应耦合增韧效应 将将几几种种增增韧韧补补强强方方式式结结合合起起来来，取取得得耦耦合合效效应应，其其中中晶晶须须补补强强和和相相变变增增韧韧，晶晶须须补补强强和和基基体体晶晶粒粒桥桥联联是是两两种种较较典型的

36、组合。典型的组合。（1）晶须补强）晶须补强-相变增韧相变增韧ZrO2相变增韧，相变增韧，SiC晶须补强陶瓷晶须补强陶瓷（2）晶须补强）晶须补强-基体晶粒桥联基体晶粒桥联陶陶瓷瓷，特特别别是是非非立立方方型型陶陶瓷瓷的的断断裂裂抗抗力力由由于于裂裂纹纹尖尖端端后后面面粒粒子子桥桥联联作作用用而而随随晶晶粒粒尺尺寸寸的的增增大大而而增增加加。另另外外，改改变变基基体体晶晶粒粒尺尺寸寸并并使使之之形形成成像像晶晶须须一一样样的的晶晶粒粒，也也能能像像晶晶须须补强那样，由于桥联效应而使韧性增加。补强那样，由于桥联效应而使韧性增加。v8.4.2 提高高分子材料强度的途径提高高分子材料强度的途径弹弹性性变

37、变形形：分分子子在在外外力力作作用用下下偏偏离离平平衡衡位位置置，卸载时分子又逐渐回到平衡位置卸载时分子又逐渐回到平衡位置塑性变形：塑性变形：在应力作用下以滑移等方式进行在应力作用下以滑移等方式进行高高聚聚物物的的塑塑性性变变形形是是通通过过分分子子长长链链间间相相互互移移动动进进行行的的，它它的的强强度度主主要要却却决决于于分分子子链链的的结结构及分子链间的结合键，即弹性模量构及分子链间的结合键，即弹性模量提高聚合物强度的主要措施：提高聚合物强度的主要措施：(1)增加链长，即增加单体的数目增加链长，即增加单体的数目(2)改变原子团在链中的位置改变原子团在链中的位置(3)分叉和交联分叉和交联(

38、4)结晶化与力学取向结晶化与力学取向(5)合金化共聚与共混合金化共聚与共混(6)其他添加物的影响与纤维增强构成复合材料其他添加物的影响与纤维增强构成复合材料金属材料表面强化及表面改性处理技术：金属材料表面强化及表面改性处理技术：利利用用各各种种物物理理、化化学学或或机机械械等等手手段段，改改变变材材料料表表面面的的形形貌貌、化化学学成成分分、相相组组织织、微微观观结结构构、缺缺陷陷状状态态或或应应力力状状态态，或或者者给给材材料料表表面面施施加加各各种种覆覆盖盖层层，从从而而使使机机件表面获得希望的成分、组织结构和性能件表面获得希望的成分、组织结构和性能8.5 金属材料表面强化及表面改性处理技

39、术金属材料表面强化及表面改性处理技术v8.5.1 表面化学热处理表面化学热处理表表面面化化学学热热处处理理：元元素素渗渗入入工工件件表表面面并并向向内内扩扩散散，以以改改变变表表层层的的化化学学成成分分和和组组织织，从从而使工件表面具有与内部不同的特殊性能而使工件表面具有与内部不同的特殊性能化学热处理的过程：化学热处理的过程：分解、吸收和扩散分解、吸收和扩散化学热处理种类及其作用：化学热处理种类及其作用：(1)渗渗碳碳、碳碳氮氮共共渗渗使使表表层层碳碳、氮氮浓浓度度增增加加，提提高高工工件件的的硬度、耐磨性和疲劳强度；硬度、耐磨性和疲劳强度；(2)渗渗氮氮、渗渗硼硼、渗渗铬铬后后使使工工件件表

40、表面面特特别别硬硬，显显著著提提高高耐耐磨性和耐腐蚀性；磨性和耐腐蚀性；(3)渗硫可提高表面减摩性；渗硫可提高表面减摩性；(4)渗硅改善耐酸性；渗硅改善耐酸性；(5)渗铝可提高耐热抗氧化性。渗铝可提高耐热抗氧化性。v8.5.2 铸渗和铸镶复合技术铸渗和铸镶复合技术铸铸渗渗工工艺艺的的基基本本原原理理：熔熔融融的的金金属属液液，浸浸透透涂涂层层(铸铸型型表表面面)微微孔孔，发发生生界界面面化化学学冶冶金金反反应应，溶溶解解或或熔熔化化含含有有合合金金粉粉粒粒的的涂涂料料，在在铸铸件件表表面面形形成成一一层铸渗合金层层铸渗合金层基质材料：基质材料：铸钢或铸铁铸钢或铸铁合金粉料或膏剂：合金粉料或膏剂

41、：由合金粉末、粘结剂和熔剂组成由合金粉末、粘结剂和熔剂组成工工艺艺方方法法：砂砂型型铸铸造造、精精密密铸铸造造和和压压力力铸铸造造等等，常常用用的的有有铸铸渗渗铬铬、碳碳化化钨钨、硼硼、钼钼以以及及几几种种合合金金的的复合铸渗，铸渗硅铁等复合铸渗，铸渗硅铁等铸铸镶镶：是是将将一一定定形形状状的的耐耐磨磨合合金金铁铁，经经过过表表面面净净化化处处理理固固定定在在铸铸造造型型腔腔中中，利利用用液液态态合合金金的的热热量量，在在凝凝固时使其与金属焊合为一体的工艺固时使其与金属焊合为一体的工艺材材料料要要求求：合合金金块块质质量量不不超超过过液液态态金金属属质质量量的的1020；高高硬硬度度、抗抗磨磨

42、性性，对对综综合合性性能能要要求求不不高高(高高铬铬白白口口铁铁或或钢钢结结硬硬质质合合金金)；母母材材的的金金属属应应有有高高的的韧韧性性、良良好好的的耐耐磨磨性性、良良好好的的流流动动性性，与与镶镶块块的的热热膨胀系数接近，热处理工艺匹配膨胀系数接近，热处理工艺匹配v8.5.3 表层快速加热淬火强化表层快速加热淬火强化表表层层快快速速加加热热淬淬火火强强化化：快快速速加加热热进进行行奥奥氏氏体体化化，然然后后将将急急冷冷淬淬火火，心心部部为为铁铁素素体体与与珠珠光光体体混混合合组组织织，表表层层为为马马氏氏体体组组织织。马马氏氏体体回回火火后后得得到到合合适适的的硬硬度度、强度，心部的混合

43、组织有较高的韧性与塑性强度，心部的混合组织有较高的韧性与塑性表表层层快快速速加加热热的的方方法法：感感应应、表表面面火火焰焰、电电接接触触加加热热等等；激激光光、电电子子束束加加热热；对对易易疲疲劳劳失失效效或或易易受受磨磨损的部位进行局部加热损的部位进行局部加热感感应应加加热热表表面面淬淬火火：应应用用非非常常广广泛泛的的表表面面强强化化工工艺艺，利利用用电电磁磁感感应应的的原原理理，将将工工件件放放入入特特制制的的感感应应器器内内，通通入入交交变变电电流流产产生生交交变变磁磁场场，工工件件内内产产生生频频率率相相同同的感应电流的感应电流激激光光淬淬火火激激光光表表面面相相变变硬硬化化：利利

44、用用高高功功率率密密度度的的激激光光束束扫扫描描工工件件表表面面，迅迅速速加加热热到到相相变变点点以以上上，移移开开激激光光束束，热热量量从从工工件件表表面面向向内内部部传传导导发发散散而而迅迅速冷却，实现自冷淬火速冷却，实现自冷淬火v8.5.4 表面形变强化表面形变强化表面形变强化工艺：表面形变强化工艺：喷丸、滚压和内孔挤压等工艺喷丸、滚压和内孔挤压等工艺喷喷丸丸：利利用用高高速速弹弹丸丸强强烈烈喷喷射射工工件件表表面面，使使金金属属表表层层产产生生强强烈烈的的塑塑性性变变形形，形形成成高高密密度度的的位位错错，亚亚晶晶粒粒极极大大地地细细化化，表表面面强强化化的的同同时时，形形成成较较高高

45、的的宏宏观观残残余余压压应应力力，零零件件具具有有较较高高的的疲疲劳劳强强度度和和优优良的抗应力腐蚀性能良的抗应力腐蚀性能金属材料表面强化及表面改性处理技术：金属材料表面强化及表面改性处理技术：利利用用各各种种物物理理、化化学学或或机机械械等等手手段段，改改变变材材料料表表面面的的形形貌貌、化化学学成成分分、相相组组织织、微微观观结结构构、缺缺陷陷状状态态或或应应力力状状态态，或或者者给给材材料料表表面面施施加加各各种种覆覆盖盖层层，从从而而使使机机件表面获得希望的成分、组织结构和性能。件表面获得希望的成分、组织结构和性能。8.5 金属材料表面强化及表面改性处理技术金属材料表面强化及表面改性处

46、理技术v8.5.1 表面化学热处理表面化学热处理表表面面化化学学热热处处理理：将将工工件件放放在在含含有有欲欲渗渗元元素素的的特特定定介介质质中中，通通过过加加热热、保保温温、冷冷却却的的方方法法，使使介介质质中中某某些些元元素素渗渗入入工工件件表表面面并并向向内内扩扩散散，以以改改变变表表层层的的化化学学成成分分和和组组织织，从从而而使使工工件件表表面面具具有有与与内内部部不不同同的特殊性能。的特殊性能。化学热处理的过程：化学热处理的过程：分解、吸收和扩散三个过程。分解、吸收和扩散三个过程。(1)分分解解过过程程：是是由由介介质质中中分分解解出出欲欲渗渗元元素素的的活活性性原子过程。原子过程

47、。(2)吸吸收收过过程程：是是活活性性原原子子被被金金属属表表面面吸吸附附并并溶溶入入金属基体或形成一定化合物的过程。金属基体或形成一定化合物的过程。(3)扩扩散散过过程程：是是渗渗入入的的原原子子由由表表面面向向内内部部扩扩散散迁迁移的过程。移的过程。化学热处理种类及其作用：化学热处理种类及其作用：(1)渗渗碳碳、碳碳氮氮共共渗渗使使表表层层碳碳、氮氮浓浓度度增增加加，提提高高工工件件的的硬度、耐磨性和疲劳强度；硬度、耐磨性和疲劳强度；(2)渗渗氮氮、渗渗硼硼、渗渗铬铬后后使使工工件件表表面面特特别别硬硬，显显著著提提高高耐耐磨性和耐腐蚀性；磨性和耐腐蚀性；(3)渗硫可提高表面减摩性；渗硫可

48、提高表面减摩性；(4)渗硅改善耐酸性；渗硅改善耐酸性；(5)渗铝可提高耐热抗氧化性。渗铝可提高耐热抗氧化性。v8.5.2 铸渗和铸镶复合技术铸渗和铸镶复合技术铸铸渗渗工工艺艺的的基基本本原原理理：将将含含有有合合金金粉粉粒粒的的涂涂料料或或膏膏剂剂涂涂敷敷在在铸铸型型表表面面，然然后后注注入入熔熔融融的的金金属属液液，金金属属浸浸透透涂涂层层(铸铸型型表表面面)微微孔孔，发发生生界界面面化化学学冶冶金金反反应应，溶溶解解或或熔熔化化含含有有合合金金粉粉粒粒的的涂涂料料，在在铸铸件件表表面面形形成成一层铸渗合金层。一层铸渗合金层。基质材料：基质材料：铸钢或铸铁铸钢或铸铁合金粉料或膏剂：合金粉料或

49、膏剂：由合金粉末、粘结剂和熔剂组成由合金粉末、粘结剂和熔剂组成工工艺艺方方法法：砂砂型型铸铸造造、精精密密铸铸造造和和压压力力铸铸造造等等，常常用用的的有有铸铸渗渗铬铬、碳碳化化钨钨、硼硼、钼钼以以及及几几种种合合金金的的复复合合铸渗，铸渗硅铁等铸渗，铸渗硅铁等铸铸镶镶：是是将将一一定定形形状状的的耐耐磨磨合合金金块块，经经过过表表面面净净化化处处理理固固定定在在铸铸造造型型腔腔中中，利利用用液液态态合合金金的的热热量量，在在凝凝固时使其与金属焊合为一体的工艺。固时使其与金属焊合为一体的工艺。材材料料要要求求：合合金金块块质质量量不不超超过过液液态态金金属属质质量量的的1020；高高硬硬度度、

50、抗抗磨磨性性，对对综综合合性性能能要要求求不不高高(高高铬铬白白口口铁铁或或钢钢结结硬硬质质合合金金)；母母材材的的金金属属应应有有高高的的韧韧性性、良良好好的的耐耐磨磨性性、良良好好的的流流动动性性，与与镶镶块块的的热热膨胀系数接近，热处理工艺匹配。膨胀系数接近，热处理工艺匹配。v8.5.3 表层快速加热淬火强化表层快速加热淬火强化表表层层快快速速加加热热淬淬火火强强化化：快快速速加加热热进进行行奥奥氏氏体体化化，然然后后将将急急冷冷淬淬火火，心心部部为为铁铁素素体体与与珠珠光光体体混混合合组组织织，表表层层为为马马氏氏体体组组织织。马马氏氏体体回回火火后后得得到到合合适适的的硬硬度度、强强