研究材料強(qiáng)韌化的意義強(qiáng)度和韌性是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。由于新型、先進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、多樣化，加之其昂貴的成本，使得傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)制備方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了材料強(qiáng)韌化的要求。換言之，為了有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，必須對材料的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多組分設(shè)計(jì)，包括材料組分、微結(jié)構(gòu)、界面性能和材料制備工藝等。研究材料強(qiáng)韌化的意義強(qiáng)度和韌性是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的13.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

金屬的屈服對金屬結(jié)構(gòu)件來說，意味著失效。-》如何使其不發(fā)生屈服或者提高屈服抗力，從而保障其服役的安全。介紹金屬及合金強(qiáng)化與韌化方面的理論及方法。應(yīng)該說強(qiáng)化的方法很多，如：加工硬化、淬火及熱處理等，但最有效而穩(wěn)定的方法，實(shí)際生產(chǎn)中常用的方法就是合金化。

重點(diǎn)介紹：固溶強(qiáng)化-》均勻強(qiáng)化、非均勻強(qiáng)化理論、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化以及其它的一些強(qiáng)化方法，形變強(qiáng)化即加工硬化的問題已在第2章論及，在此不再闡述。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化金屬的屈服對金屬結(jié)構(gòu)件2均勻強(qiáng)化

溶質(zhì)原子混亂地分布于基體中，因?yàn)槲诲e(cuò)線具有一定的彈性，故對同一種分布狀態(tài)，由于不同溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線的相互作用不同，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方式有如(a)和(b)所示的兩種情況。(a)為相互作用強(qiáng)時(shí)，位錯(cuò)線便“感到”溶質(zhì)原子分布較密；(b)為相互作用弱時(shí)，位錯(cuò)線便“感到”溶質(zhì)原子分布較疏。

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化均勻強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化33.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化(a)為強(qiáng)相互作用的結(jié)果；(b)為弱相互作用的結(jié)果圖由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線間相互作用的不同對其可彎曲性的影響3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化(a)為強(qiáng)相互作用的43.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

若以l和L分別表示兩種情況下可以獨(dú)立滑移的位錯(cuò)段平均長度，F(xiàn)為溶質(zhì)原子沿滑移方向作用在位錯(cuò)線上的阻力，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力可表示為

從表面上看，因?yàn)殚g隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對稱性低屬于情況(a)；置換式固溶所引起的晶格畸變小，對稱性高屬于情況(b)。但事實(shí)上間隙式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先與缺陷相結(jié)合，所以已不屬于均勻強(qiáng)化的范疇。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化若以l和L分別表示兩種情5Mott-Nabarro理論3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

假設(shè)了溶質(zhì)原子在晶格中產(chǎn)生一長程內(nèi)應(yīng)力場了ti，則位錯(cuò)彎曲的臨界曲率半徑為Gb/ti。若溶質(zhì)原子間距l(xiāng)<<Gb/ti，即位錯(cuò)與溶質(zhì)原子間的作用為強(qiáng)相互作用時(shí)，整個(gè)位錯(cuò)便可以分成獨(dú)立的n段，且n=L/l。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律知道，作用在長為L位錯(cuò)上的力應(yīng)等于n1/2倍作用在每一段上的力，故長為L的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力可寫成btil(L/l)1/n。若此時(shí)外加切應(yīng)力為tc，遂得:位錯(cuò)曲率溶質(zhì)濃度Mott-Nabarro理論3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌6銅合金中固溶強(qiáng)化與晶格畸變間的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化與晶格畸變間的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)7兩個(gè)主要的特點(diǎn)：一為溶質(zhì)原子與基體原子的相互作用中，除了考慮由于大小不同所引起的畸變外，還考慮了由于“軟”“硬”不同，即彈性模量不同而產(chǎn)生的影響；另一為置換溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的靜水張壓力的相互作用中，除了考慮純?nèi)行偷囊酝?，還考慮了純螺型的。

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化兩個(gè)主要的特點(diǎn)：一為溶質(zhì)原子與基體原子的相互作用中，除了考慮83.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性模量相互作用示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性模量相互作用示意圖93.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化刃型螺型大小作用“軟”“硬”作用總和*3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化刃型螺型大小103.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性位錯(cuò)單位長度L的定義示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性位錯(cuò)單位長度L的定義示意113.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化和溶質(zhì)原子與螺型位錯(cuò)相互作用的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化和溶質(zhì)原子與123.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化溶質(zhì)原子分布示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化溶質(zhì)原子分布示意圖133.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化3.1.2非均勻強(qiáng)化

由于合金元素與位錯(cuò)的強(qiáng)交互作用，使得在晶體生長過程中位錯(cuò)的密度大大提高，造成與純金屬截然不同的基本結(jié)構(gòu)。這往往成為某些合金非均勻強(qiáng)化的部分原因，如銅中加入少量的鎳，銀中加入少量的金等。此外，就目前所知非均勻強(qiáng)化的類型大致可分為：濃度梯度強(qiáng)化，Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化，Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化,靜電相互作用強(qiáng)化，化學(xué)相互作用強(qiáng)化和有序強(qiáng)化等幾種。著重介紹其特點(diǎn)及存在的問題。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化3.1.2非均勻強(qiáng)化143.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化濃度梯度強(qiáng)化

強(qiáng)化機(jī)制實(shí)質(zhì)上可分為三部分：一為晶格常數(shù)相互作用，即由于合金元素的分布存在濃度梯度，所以晶格常數(shù)也就有相應(yīng)的變化梯度。當(dāng)刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向與濃度梯度方向一致時(shí)，或螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向與濃度梯度方向垂直時(shí)，就會(huì)在滑移面兩邊產(chǎn)生類似位錯(cuò)的對不齊現(xiàn)象，從而提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力；二為彈性模量相互作用，即由于合金元素的分布存在濃度梯度，彈性模量亦不再可能是常數(shù)，結(jié)果對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于額外地施加阻力。不過，一般講這兩種力都可以忽略不計(jì)；三為具有濃度分布梯度的合金元素與位錯(cuò)間的彈性相互作用，即存在合金元素分布梯度時(shí)的Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化作用。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化濃度梯度強(qiáng)化153.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由正刃型位錯(cuò)形成的Cottrell氣團(tuán)合金元素與位錯(cuò)之間有彈性交互作用能Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由正刃型位錯(cuò)形成的Cottr163.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化應(yīng)變時(shí)效對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化應(yīng)變時(shí)效對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影173.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化BCC金屬中，間隙原子（如C、N）絕大部分分布在八面體的間隙位置，造成晶格四方畸變，如鋼中C原子進(jìn)入a-Fe的三個(gè)八面體間隙位置的機(jī)會(huì)是相等的。如果有外力作用，在這三個(gè)位置中C原子所產(chǎn)生的應(yīng)變能各不相同，應(yīng)變能較大的C原子就要到應(yīng)變能較小的間隙位置上去，以降低系統(tǒng)的能量，這就是Snoek效應(yīng)。Snoek氣團(tuán)的主要特點(diǎn)是其強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，而與溶質(zhì)濃度成正比。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化BCC金屬183.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化靜電相互作用強(qiáng)化

研究發(fā)現(xiàn)，刃型位錯(cuò)的靜電作用如同一串電偶極子，受到部分屏蔽的溶質(zhì)原子顯然與此刃型位錯(cuò)間存在著靜電相互作用。如考慮非線性的彈性效應(yīng)時(shí)，螺型位錯(cuò)中心將帶有負(fù)電荷，所以螺型位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間也應(yīng)有靜電相互作用。此外，事實(shí)上合金中溶質(zhì)原子的電荷將完全被導(dǎo)電電子的重新分布所屏蔽。因此，位錯(cuò)和溶質(zhì)原子間的靜電相互作用是作用于溶質(zhì)原子離子殼的力和作用于屏蔽電子間的力的一個(gè)復(fù)雜的差效應(yīng)。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化靜電相互作用強(qiáng)化研究發(fā)193.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化在FCC金屬中，一個(gè)滑移的全位錯(cuò)可能分解為一對不全部分位錯(cuò)中間夾著一層為密排六方結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)區(qū)，即形成擴(kuò)展位錯(cuò)。一對不全位錯(cuò)分開的距離(擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度)與層錯(cuò)能成反比，并服從擴(kuò)展位錯(cuò)示意圖已滑移區(qū)3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化在F203.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化可見：層錯(cuò)能低的金屬容易形成擴(kuò)展位錯(cuò)。并且層錯(cuò)能愈小，擴(kuò)展位錯(cuò)寬度愈寬。為保持熱平衡溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)和基體兩部分濃度需不同，這種溶質(zhì)原子非均勻分布，起著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。Suzuki稱此種作用為化學(xué)交互作用，人們稱這種組態(tài)為Suzuki氣氛(團(tuán))。當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須連同層錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)。此時(shí)由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同溶質(zhì)原子的濃度差表觀出對位錯(cuò)有釘扎作用。為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，則必須增大外力。即由于Suzuki氣團(tuán)存在，使合金強(qiáng)化了。Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化可見：層錯(cuò)能低的金屬容易形成213.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化擴(kuò)展位錯(cuò)AB在Suzuki氣團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)一對擴(kuò)展位錯(cuò)AB,A與B之間是層錯(cuò)區(qū)，AB之間的距離為d。由于層錯(cuò)區(qū)內(nèi)溶質(zhì)原子濃度和基體中濃度不同，因而有濃度差。令Dm代表了這個(gè)濃度差。當(dāng)在外加切應(yīng)力(t)作用下，擴(kuò)展位錯(cuò)由AB移至。由于這種移動(dòng)是瞬時(shí)完成的，溶質(zhì)原子來不及做相應(yīng)的調(diào)整。新的層錯(cuò)區(qū)溶質(zhì)原子濃度仍為原基體中溶質(zhì)原子的濃度。而已不是層錯(cuò)區(qū)，且仍保持原層錯(cuò)區(qū)內(nèi)溶質(zhì)原子的濃度。由于擴(kuò)展位錯(cuò)向前移動(dòng)=d，層錯(cuò)區(qū)溶質(zhì)原子濃度沒有達(dá)到平衡的要求如，外界必須為此付出代價(jià)。即需要外力作功使層錯(cuò)區(qū)的溶質(zhì)原子濃度達(dá)到熱力學(xué)平衡的濃度。實(shí)例3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化擴(kuò)展位錯(cuò)223.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化化學(xué)交互作用對位錯(cuò)的釘扎力比彈性交互作用小。但化學(xué)交互作用受溫度影響比較小。一般講，室溫條件下很難使Suzuki氣氛和擴(kuò)展位錯(cuò)分解。既使在高溫條件下，Suzuki氣氛強(qiáng)化作用也是比較穩(wěn)定的，而且對刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)都有阻礙作用。某些鎳基合金中加入鈷，提高了高溫強(qiáng)度，就是因?yàn)殁捘芙档玩嚨膶渝e(cuò)能，使位錯(cuò)容易擴(kuò)展，并形成Suzuki氣團(tuán)而達(dá)到強(qiáng)化之目的。擴(kuò)展位錯(cuò)要脫離Suzuki氣團(tuán)，需要走的距離比全位錯(cuò)脫離Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)釘扎所走的距離要遠(yuǎn)得多。Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化的注意問題3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化化學(xué)交互作用對位錯(cuò)的釘扎233.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化有序強(qiáng)化一般可分短程和長程的兩種。短程有序強(qiáng)化的作用大小和Suzuki氣團(tuán)的強(qiáng)化在同一量級。Flinn曾對此強(qiáng)化作用進(jìn)行過仔細(xì)分析，在忽略了熵的變化作用的前提下，當(dāng)有序度不大時(shí)，可將二元固溶體中內(nèi)能E表示為有序強(qiáng)化其中原子的鍵能e

在FCC結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)滑移一柏氏矢量后，每一個(gè)原子在橫跨滑移面兩邊的三個(gè)最鄰近原子的鍵合中有兩個(gè)要被破壞，這樣滑移面上每個(gè)原子增加了2e能量。-》強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化有序強(qiáng)化一般可分短程和長243.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由多晶體的屈服理論可知，晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界越多，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，屈服應(yīng)力就越高。材料的屈服強(qiáng)度與晶粒直徑服從Hall-Petch關(guān)系。在此討論細(xì)化晶粒對材料強(qiáng)化的機(jī)理，同時(shí)介紹細(xì)晶韌化以及細(xì)化晶粒的方法。細(xì)晶強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由多晶體的屈服理論可知，253.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理晶粒直徑與屈服強(qiáng)度之關(guān)系研究發(fā)觀，晶界對屈服強(qiáng)度的影響，不只是來自晶界的本身，而與晶界是連接二個(gè)晶粒的過渡區(qū)有關(guān)，由于在此過渡區(qū)的兩邊走兩個(gè)排列不同位向的晶粒，一個(gè)晶粒內(nèi)的滑移帶不能穿過晶界直接傳播到相鄰晶粒，故構(gòu)成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理晶粒直徑與屈服強(qiáng)26多晶體中相鄰晶?；苽鞑ミ^程的位錯(cuò)模型3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理多晶體中相鄰晶?；苽鞑ミ^程的位錯(cuò)模型3.1金屬及合金273.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理塞積的位錯(cuò)數(shù)n為在塞積群頭部將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中，其值為：可見由于位錯(cuò)塞積，這相當(dāng)于將有效應(yīng)力放大了n倍，n為位錯(cuò)塞積數(shù)目3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理塞積的位錯(cuò)數(shù)n為283.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理如果晶粒II內(nèi)位錯(cuò)源S2在晶界附近，開動(dòng)這個(gè)位錯(cuò)源的臨界切應(yīng)力為tr是由位錯(cuò)塞積群的應(yīng)力集中t1提供。如果位錯(cuò)S2開動(dòng)并放出位錯(cuò)，則t1tr，即：3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理如果晶粒II內(nèi)位293.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶韌化細(xì)晶強(qiáng)化方法不同于加工硬化(形變強(qiáng)化)及固溶強(qiáng)化等，其最大的特點(diǎn)就是細(xì)化晶粒在使材料強(qiáng)化的同時(shí)不會(huì)使材料的塑性降低，相反會(huì)使材料的塑性與韌性同時(shí)提高。韌化機(jī)理：在金屬中的夾雜物多在晶界處出現(xiàn)，特別是低熔點(diǎn)金屬形成的夾雜物，更易在晶界析出，從而顯著降低材料的塑性。合金經(jīng)細(xì)化晶粒后，則單位體積內(nèi)的晶界面積增加，在夾雜物相同的情況下，經(jīng)細(xì)化晶粒合金晶界上偏析的夾雜物相對減少，從而使晶界結(jié)合力提高，故材料的塑性提高了。另一方面，由于晶界既是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，又是裂紋擴(kuò)展的障礙，因此細(xì)化晶粒在提高強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了合金的韌性。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶韌化細(xì)晶強(qiáng)化方法不同303.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)化晶粒的常見方法改善結(jié)晶及凝固條件。通過增大過冷度與提高形核率來獲得細(xì)小的鑄態(tài)組織，如采用鐵模及加入孕育劑(變質(zhì)劑)。在現(xiàn)代連鑄、連軋方式的生產(chǎn)過程中，通過施加外場（包括強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場）以及控制結(jié)晶條件均可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化。調(diào)整合金成分。添加一些細(xì)化晶粒的元素以獲得細(xì)晶組織。鋼中常用的添加元素有Mg、B、Zr及其它稀土金屬。嚴(yán)格控制熱處理工藝。尤其是對冷變形后的金屬，通過控制其回復(fù)和再結(jié)晶的進(jìn)程，達(dá)到細(xì)化晶粒之目的。采用形變熱處理方法?？色@得細(xì)小晶粒及亞晶粒。往復(fù)相變細(xì)化方法。即在固態(tài)相交相變點(diǎn)附近某溫度范圍內(nèi)，反復(fù)加熱冷卻，通過相交相變反復(fù)形核，以獲得細(xì)小晶粒。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)化晶粒的常見方法改善結(jié)晶及313.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的類型第二相在冶煉過程中產(chǎn)生。如鋼中的氧化物、硫化物、碳化物等。第二相在熱處理過程中產(chǎn)生，如時(shí)效硬化型合金，在時(shí)效處理時(shí)，從基體固溶體中析出第二相，使合金強(qiáng)度提高。這種強(qiáng)化稱為沉淀硬化或時(shí)效強(qiáng)化。另一種就是利用粉末冶金辦法，在合金基體中形成強(qiáng)化相，稱為構(gòu)成彌散強(qiáng)化。如TDNi等。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的類型第二323.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的作用在冶煉過程中形成的第二相，一般來說對合金是有害的，它使合金的強(qiáng)度和塑性下降幅度增加低。隨第二相數(shù)量增加，合金的塑性下降的愈多。主要因?yàn)檫@些第二相(即或夾雜物)與基體結(jié)合強(qiáng)度比較低，在外力作用下很容易沿第二相與基體界面產(chǎn)生裂紋，而使合金的塑性和強(qiáng)度降低。另一個(gè)原因是這些第二相往往成尖角狀，如奧氏合金中氧化物和氰化物就是如此。在外力作用下，在尖角處形成應(yīng)力集中，使裂紋易于在此形核和長大，從而造成合金的強(qiáng)度和塑性的降低。如果改變合金中第二相幾何形狀，使其變?yōu)榍蛐?，則合金的塑性和強(qiáng)度會(huì)提高一些。鋼中加稀土可以改善合金塑性，就是稀土元素使一些第二相如MnS發(fā)生球化而致的。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的作用333.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化過程最基本要求：溶質(zhì)原子在基體中的溶解度隨溫度而變化。即高溫時(shí)第二相溶于基體中,而低溫時(shí)則析出第二相。第二相析出按生核、長大規(guī)律進(jìn)行。沉淀過程：以Al-Cu合金為例，經(jīng)固溶處理后，第二相溶于基體中，經(jīng)然后淬火使第二相形成元素在基體中造成過飽和狀態(tài)。在時(shí)效處理時(shí)，首先在基體中形成第二相的溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚，稱GP(I)區(qū)，GP(I)區(qū)擴(kuò)大并且銅原子進(jìn)一步有序化，形成GP(II)區(qū)或q“相，硬度進(jìn)一步提高，緊接著是GP(II)區(qū)向與基體共格的Cu2Al2，q′相過渡，最后由過渡點(diǎn)陣q′相形成平衡相q相(CuAl2)。q相不再與基體共格，此階段合金硬度比共格的q′存在的階段的低。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化過程最基34Al-Cu合金典型時(shí)效硬化曲線

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Al-Cu合金典型時(shí)效硬化曲線3.1金屬及合金的強(qiáng)化與353.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果強(qiáng)化效果與其類型、形狀、數(shù)量、大小以及分布均有關(guān)，而且諸因素是互相關(guān)聯(lián)的，難以只改變某個(gè)因素而不改變其它因素。如在Al-Cu合金中，隨著第二相形成元素Cu含量的增加，其強(qiáng)化效果愈大，這主要因Al-Cu合金中隨銅含量增加，第二相數(shù)量增加，因此強(qiáng)化效果增大。從合金的綜合性能考慮，第二相形成元素含量也不能說愈多愈好。含量多強(qiáng)化效果顯著，但合金塑性要降低。因此第二相形成元素含量在某一個(gè)成分范圍之內(nèi)，綜合效果最佳。第二相的形狀對合金強(qiáng)度影響也比較大，對于共析鋼，合金元素含量相同，一個(gè)是片狀珠光體，一個(gè)是粒狀珠光體，其強(qiáng)化效果大不一樣。粒狀珠光體塑性比片狀珠光體高，對強(qiáng)度影響比較復(fù)雜。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果強(qiáng)化363.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果第二相與基體結(jié)合強(qiáng)弱對強(qiáng)化效果影響最大，起強(qiáng)化作用的第二相必須與基體結(jié)合牢固，否則易在界面形成裂紋而導(dǎo)致斷裂。一般來說在冶煉過程中形成第二相與基體結(jié)合力較弱而從固溶體中析出第二相與基體結(jié)合比較牢，因此同樣都是滲碳體，固溶沉淀出滲碳體強(qiáng)化效果較好。沉淀強(qiáng)化一般是在固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上，通過熱處理方法析出第二相，達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。所以第二相存在保證了最大固溶強(qiáng)化。第二相強(qiáng)化的合金強(qiáng)度比固溶強(qiáng)化合金強(qiáng)度高，細(xì)小第二相強(qiáng)化比粗大第二相強(qiáng)化效果好。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果第373.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彌散強(qiáng)化的特點(diǎn)為形成更穩(wěn)定的第二相，人為向基體金屬中加入惰性氧化物之類粒子，并使這類粒子在基體中高度彌散分布，來強(qiáng)化合金。這類合金強(qiáng)化效果較好，工作溫度可達(dá)0.8－0.85Tm。這類合金高溫強(qiáng)度很高，但低溫時(shí)強(qiáng)度并不很高，因此又發(fā)展了如以g′相強(qiáng)化合金為基體，以Y2O3進(jìn)行彌散強(qiáng)化的合金，這類合金低溫和高溫性能都比較好。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彌散強(qiáng)化的特點(diǎn)為形成更383.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彌散強(qiáng)化的特點(diǎn)彌散強(qiáng)化合金的強(qiáng)化除了與第二相的數(shù)量、大小分布有關(guān)外，還與基體和氧化物本身性質(zhì)有關(guān)，基體強(qiáng)度愈高，而且則熱穩(wěn)定性好。彌散相本身熔點(diǎn)高、硬度大，化學(xué)穩(wěn)定性也高，在基體中不易擴(kuò)散，與基體界面能要低，這樣才有良好的穩(wěn)定性。由于限制了再結(jié)晶，從而維持了較高的位錯(cuò)密度。因此彌散強(qiáng)化合金高溫強(qiáng)度除了位錯(cuò)與氧化物之間交互作用外，很大一部分可能由變形機(jī)構(gòu)的改變所致。有時(shí)為了使彌散強(qiáng)化合金具有最佳的綜合性能，也往往采取一些變形和回復(fù)處理，這也是實(shí)踐中常用的一種改善合金綜合性能的方法。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彌散強(qiáng)化的特點(diǎn)彌散強(qiáng)化39溫度對TD-Ni及兩種高溫合金斷裂應(yīng)力的影響曲線3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化溫度對TD-Ni及兩種高溫合金斷裂應(yīng)力的影響曲線3.1403.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論由于第二相成分、性質(zhì)及大小不同，因此強(qiáng)化理論也不同，但合金的強(qiáng)度主要是第二相質(zhì)點(diǎn)與位錯(cuò)之間交互作用所決定。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)因素主要有：第二相粒子周圍應(yīng)變區(qū)；偏聚區(qū)；或第二相本身。強(qiáng)化機(jī)制主要分四種：

1、共格應(yīng)變強(qiáng)化理論；2、化學(xué)強(qiáng)化(切過機(jī)制)理論；3、Orowan繞過機(jī)制。4、間接強(qiáng)化。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論由于第二相41共格應(yīng)變模型示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論共格應(yīng)變強(qiáng)化共格應(yīng)變模型示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化423.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論基本思想：將合金的屈服應(yīng)力，看成由于第二相在基體中，使晶格錯(cuò)配而產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所施加的阻力。為計(jì)算方便，把合金按彈性介質(zhì)考慮，在合金基體中挖去一個(gè)半徑為r0的球形部分，然后在此空間再放進(jìn)一個(gè)半徑為r(r0≠r)的球。半徑r處與基體共格，由此產(chǎn)生彈性應(yīng)力場。對于時(shí)效硬化型合金，由于第二相與基體的比容不可能完全一樣，由此比容差而引起彈性應(yīng)力場。使基體中在某一區(qū)域內(nèi)，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可能發(fā)生位移，愈靠近析出粒子，位移量愈大。由彈性力學(xué)可知，一個(gè)半徑為r而錯(cuò)配度為的球型粒子在半徑為R處產(chǎn)生切應(yīng)變-內(nèi)應(yīng)力場，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在基體中遇到內(nèi)應(yīng)力場抵抗，要通過這些區(qū)域必須克服內(nèi)應(yīng)力。共格應(yīng)變強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論基本思想：將合433.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(繞過)強(qiáng)化機(jī)制條件：當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ娱g距比較大時(shí)，或者第二相粒子本身很硬，位錯(cuò)切過第二相粒子很困難，只能繞過第二相質(zhì)點(diǎn)而運(yùn)動(dòng)。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(443.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(繞過)強(qiáng)化機(jī)制3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(453.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(繞過)強(qiáng)化機(jī)制對彌散硬化型合金，因第二相質(zhì)點(diǎn)很硬，根本不允許位錯(cuò)切過。因此第二相粒子愈小，粒子間距愈小，則強(qiáng)化效果愈大，服從Orowan機(jī)制。此外，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)，因切不動(dòng)這些硬粒子，在外力作用下，位錯(cuò)可能通過攀移方式越過彌散相粒子。位錯(cuò)攀移顯然要比在滑移面上運(yùn)動(dòng)困難，因此彌散相是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，而使合金強(qiáng)化了。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論Orowan(463.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論位錯(cuò)切過第二相強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)切過第二相的條件：①基體與第二相有公共的滑移面。只有第二相與基體保持共格或半共格時(shí)，才能滿足此條件。②基體與析出相中柏氏矢量相差很小，或基體中的全位錯(cuò)為析出相的半位錯(cuò)。③第二相強(qiáng)度不能太高，即第二相可與基體一起變形。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論位錯(cuò)切過第二相473.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論位錯(cuò)切過第二相強(qiáng)化機(jī)制位錯(cuò)切過第二相形成強(qiáng)化的原因：當(dāng)一個(gè)柏氏失量為b的位錯(cuò)切過第二相之后，兩邊各形成一個(gè)寬度為b的新表面，顯然要增加表面能。如果第二相是有序的(如g′相)，位錯(cuò)切過第二相粒子時(shí)，則增加反相疇界和反相疇界能。若第二相質(zhì)點(diǎn)彈性模量與基體的彈性模量不同，這種模量差會(huì)使位錯(cuò)進(jìn)入第二相質(zhì)點(diǎn)前后線張力發(fā)生變化。若第二相與基體之間比容不同，則在第二相界面附近形成彈性應(yīng)力場。上述這些均構(gòu)成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論位錯(cuò)切過第二相483.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論強(qiáng)化效果的控制基本思路：(1)增加第二相體積百分?jǐn)?shù)，即增加第二相形成元素。但f不能無限大，因此增大f亦是有限的。(2)控制第二相尺寸，即控制熱處理工藝可以得到合適的第二相粒子。有時(shí)為了得到最佳的強(qiáng)化效果，往往經(jīng)多段熱處理工藝，使第二相尺寸有適當(dāng)配合，如在Ni基高溫合金中常常采用多段式時(shí)效處理來調(diào)整g′的粒子尺寸，即為此目的。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論強(qiáng)化效果的控制493.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論間接強(qiáng)化間接強(qiáng)化是指有些第二相本身對強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。但可以改變組織結(jié)構(gòu)，而使合金強(qiáng)度提高，如鋼鐵材料中鈦的碳化物或釩的氧化物均能使晶粒細(xì)化而提高合金強(qiáng)度。再如用于燈泡發(fā)光的鎢絲，鎢絲的工作溫度極高，極易發(fā)生晶粒長大，大晶粒的鎢絲在加熱和冷卻過程中熱應(yīng)力影響下而斷裂。如鎢絲中加入ThO2，由于ThO2自身的穩(wěn)定性，限制鎢絲晶粒長大，可大大提高鎢絲的壽命。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論間接強(qiáng)化間接強(qiáng)503.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化對合金塑性和韌性的影響第二相的性質(zhì)、含量、大小、分布及與基體結(jié)合強(qiáng)弱等都影響合金的性能，特別是塑性和韌性。通常將較脆的第二相稱為脆性相，如鋼中氧化物、硫化物、鋁酸鹽、氰化物、碳化物、氮化物和金屬間化合物，均屬于此類等。還有一些第二相較基體韌性好，稱為韌性相。如合金結(jié)構(gòu)鋼中殘余奧氏體或b-Ti-Al合金中少量a相都屬于韌性相。第二相類型及含量對光滑試樣其實(shí)斷裂應(yīng)變ef的影響a.強(qiáng)結(jié)合的脆性相；b.強(qiáng)結(jié)合的韌性相；c.弱結(jié)合的脆性相3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論第二相強(qiáng)化對合513.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論第二相形狀的影響氰化物體積百分?jǐn)?shù)對奧氏體不銹鋼斷裂時(shí)總應(yīng)變的影響脆性相體積百分?jǐn)?shù)對KIc的影響3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化理論第二相形狀的影523.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化其他強(qiáng)化方法纖維強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化其他強(qiáng)化方法纖維強(qiáng)化533.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化其他強(qiáng)化方法相變強(qiáng)化馬氏體中位錯(cuò)通過孿晶時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)反應(yīng)3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化其他強(qiáng)化方法相變強(qiáng)化馬氏體中543.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化相變強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化相變強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法553.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法Mf3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法M563.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法ss3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法s573.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法583.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化機(jī)制其他強(qiáng)化方法固溶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化形變強(qiáng)化第二相強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化機(jī)制其他強(qiáng)化方593.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化形變熱處理強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法603.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化界面強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法在金屬材料中常見的界面有晶界、亞晶界、相界和外表面等。強(qiáng)化這些界面的意義顯然是不言而喻的，然而由于這些問題涉及的內(nèi)容很多，目前已返逐漸形成了一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域，如MMC(MetalMatrixCompositeMaterials,金屬基復(fù)合材料)中的界面強(qiáng)化，各種介質(zhì)對金屬材料長期強(qiáng)度的影響及材料保護(hù)問題等合金元素與晶界的作用：氣團(tuán)作用、表面吸附作用。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化界面強(qiáng)化其他強(qiáng)化方法613.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)

需要強(qiáng)調(diào)指出：陶瓷由于是以離子鍵和共價(jià)鍵組成的材料，與金屬材料相比具有更高的強(qiáng)度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性和耐熱性，但是與此同時(shí)呈現(xiàn)低韌性、塑性變形差、耐熱沖擊性和可靠性低。為此，對于陶瓷材料而言，與其說強(qiáng)化問題不如說韌化問題更加重要。

3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)623.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷為何脆？金屬材料出現(xiàn)高度應(yīng)力集中或微小顆粒周圍出現(xiàn)過負(fù)荷，一旦發(fā)生屈服那么應(yīng)力集中即可緩解?？墒菍τ谔沾刹牧?，在常溫下即使不發(fā)生屈服即可產(chǎn)生斷裂。其原因有：一，結(jié)晶結(jié)合方式中主要分為離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵及分子鍵，陶瓷材料主要以離子鍵和共價(jià)鍵的方式構(gòu)成。二，具有方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)其大多晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均原子間距較大，從而使得表面能很小。故此，與金屬材料相比位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與增殖難以發(fā)生，當(dāng)表面或內(nèi)部有缺陷出現(xiàn)時(shí)則極容易在其周圍引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致陶瓷材料的脆性斷裂。3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷為何脆？633.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷與金屬拉伸變形曲線的比較陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷與金屬拉伸變形曲線的比較陶643.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷與金屬拉伸變形斷裂形態(tài)的比較3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷與金屬拉653.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷與金屬扭轉(zhuǎn)變形斷裂形態(tài)的比較3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)度特點(diǎn)陶瓷與金屬扭663.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)化影響陶瓷材料室溫?cái)嗔褟?qiáng)度的因素：1）氣孔率；2）氣孔的形狀；3）最大缺陷的尺寸；4）晶粒直徑；5）晶界玻璃相。通過材料組織的復(fù)合化改變E和g0以及通過改變斷裂的形式達(dá)到改變g0的效果，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的強(qiáng)化。第一，借用金屬材料的彌散強(qiáng)化思想，采用彌散粒子增強(qiáng)方法。第二，粒子增強(qiáng)復(fù)合材料。第三，纖維增強(qiáng)法。3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的強(qiáng)化影響陶瓷材料室溫673.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化提供陶瓷材料韌性的機(jī)制陶瓷材料的韌化3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化提供陶瓷材料韌性的機(jī)制陶瓷材料683.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化各種強(qiáng)韌化機(jī)制引起的斷裂韌性值增加的預(yù)測陶瓷材料的韌化機(jī)制最高斷裂韌性值典型材料限制條件相轉(zhuǎn)變?20ZrO2(MgO),HfO2T≤900K微裂紋?10Al2O3/ZrO2,Si3/N4/SiC,SiC/TiB2T≤1300K金屬/陶瓷復(fù)合材料?25Al2O3/Al,ZrB2/Zr,Al2O3/Ni,WC/CoT≤1300K晶須或板條分散相?15Al2O3/SiC,Si3/N4/SiC,Si3/N4/Si3/N4T<1500K纖維≥30CAS/SiC,LAS/SiC,Al2O3/SiC,SiC/SiC,SiC/C,Al2O3/Al2O3帶有涂層的纖維3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化各種強(qiáng)韌化機(jī)制引起的斷裂韌性值693.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素單晶陶瓷材料的斷裂韌性與彈性模量之關(guān)系3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素單晶陶瓷703.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的斷裂機(jī)制影響陶瓷材料韌性的因素3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化陶瓷材料的斷裂機(jī)制影響陶瓷材料713.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化晶粒直徑與斷裂韌性影響陶瓷材料韌性的因素實(shí)際上，導(dǎo)致上述結(jié)果的原因主要是晶粒直徑以外的因素，如：材料的氣孔率、晶界特性等等。伴隨晶粒直徑的變化，氣孔率、晶界結(jié)構(gòu)以及晶界雜質(zhì)濃度等均要發(fā)生變化，很有可能這些因素成為影響材料斷裂韌性的主要原因。基本上：隨晶粒直徑的增加斷裂韌性升高，但當(dāng)達(dá)到某臨近尺寸以上反而開始降低3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化晶粒直徑與斷裂韌性影響陶瓷材料723.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素晶粒形狀與斷裂韌性如果將結(jié)晶形狀制成柱狀或板狀等長短比大的材料，那么裂紋擴(kuò)展的路徑變得復(fù)雜化，一般材料的斷裂韌性升高。如果界面的結(jié)合強(qiáng)度較若則以裂紋的偏轉(zhuǎn)或架橋機(jī)制；若界面的結(jié)合強(qiáng)度較強(qiáng)則以裂紋的止裂或彎曲機(jī)制為主。相對裂紋偏轉(zhuǎn)和架橋機(jī)制這種以粒子周圍界面優(yōu)先破壞為前提的機(jī)制，裂紋的止裂和彎曲則是以界面不破壞（強(qiáng)結(jié)合界面）為前提的。3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素晶粒形狀733.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素晶界與斷裂韌性多晶陶瓷材料的晶界上由于添加燒結(jié)助劑往往存在第二相或雜質(zhì)，即使晶界上沒有其它相，但因?yàn)榫Ы缣幍脑优帕械幕靵y，一般較晶內(nèi)對斷裂的抵抗能力低。此外，由氣孔的殘留及熱膨脹系數(shù)的各向異性所引起的殘余應(yīng)力等，使得斷裂抗力降低。如果用特殊燒結(jié)方法除去晶界相或使其晶化，那么可獲得高強(qiáng)晶界，從而陶瓷材料的高溫特性提高。根據(jù)考慮到陶瓷多晶體晶界三維空間結(jié)構(gòu)的解析，晶內(nèi)破壞幾率的晶界斷裂韌性的依賴性與兩維的情況沒有多大差異，但獲得了晶內(nèi)韌性值的約3.5倍的斷裂韌性值。

3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素晶界與斷743.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素Al2O3多晶陶瓷中裂紋擴(kuò)展路徑的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果Kcb為晶界斷裂韌性；Kcg為晶內(nèi)斷裂韌性；裂紋由左向右擴(kuò)展3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素Al2O753.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素氣孔與斷裂韌性在燒結(jié)過程中形成的晶內(nèi)及晶界的氣孔，將使單位面積上的斷裂吸收功和彈性模量降低，進(jìn)而使材料的斷裂韌性下降。如對Si3N4的研究表明隨氣孔率的增加其斷裂韌性呈指數(shù)關(guān)系降低。但是，如果氣孔的存在可導(dǎo)致裂紋呈復(fù)雜的偏轉(zhuǎn)形式擴(kuò)展的話，那么有時(shí)斷裂韌性有可能反而升高。此外，也有報(bào)道講如果氣孔呈球狀，那么對局部形成的裂紋尖端會(huì)起鈍化作用，從而抑制裂紋的擴(kuò)展，這如同在復(fù)合材料中的增強(qiáng)粒子的功效。總之，依據(jù)氣孔的形狀及分別，有可能在局部引起斷裂韌性的升高，但總體上伴隨氣孔率的增加，由于破壞吸收功以及彈性模量的降低，材料的斷裂韌性會(huì)降低。3.2陶瓷材料的強(qiáng)化與韌化影響陶瓷材料韌性的因素氣孔與斷76高分子材料的強(qiáng)度特點(diǎn)總體上大多高分子材料的強(qiáng)度還是較低的，尤其是在高溫下的強(qiáng)度問題一直在困擾高分子材料在高溫條件下的應(yīng)用。這是因?yàn)?，高分子材料的?qiáng)度具有十分敏感的溫度特性。

3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)度特點(diǎn)總體上大多高分子材料的強(qiáng)度還是較低的773.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)度特點(diǎn)高分子材料強(qiáng)度低的主要原因：1)實(shí)際高分子材料中的分子鏈未能充分地伸展，并且其取向也各異，由此使得僅僅有一部分分子鏈承受了載荷；2)實(shí)際高分子材料未能達(dá)到充分的晶化，換言之，未晶化部分中單位斷面積中共價(jià)鍵的數(shù)目很少，并且斷裂發(fā)生在球晶中非晶的層或球晶的間隔等，即結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)；3)高分子材料的鏈較短(一個(gè)鏈長充其量數(shù)千?)，分子鏈的端部數(shù)量甚多，同時(shí)分子鏈間的物理相交點(diǎn)很少。3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)度特點(diǎn)高分子材783.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)化方法1.使分子鏈充分地伸展拉伸對聚乙烯纖維結(jié)構(gòu)的影響3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)化方法1.使79高分子材料的強(qiáng)化方法2.合金化方法－類似金屬材料基本原理：通過增加高分子材料的分子鏈的長度或三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，由此增加抵抗變形的能力，達(dá)到提高材料強(qiáng)度和彈性模量之目的。這種方法又因?yàn)槎嗍菍⒍喾N高分子進(jìn)行有控制的混合，故又成為混雜技術(shù)(blendtechnology)。3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)化方法2.合金化方法－類似金屬材料基本原理：80高分子材料的強(qiáng)化方法3.高分子復(fù)合材料(MolecularComposite:MC)基本原理：與金屬基復(fù)合材料的原理相近，即使用較韌性的高分子材料為基體，使其承擔(dān)對裂紋擴(kuò)展的阻力，而利用高強(qiáng)度?高彈性模量的纖維承擔(dān)載荷。該技術(shù)可視為纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料(FiberReinforcedPlastic-matrixcomposite:FRP)技術(shù)的延伸。3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)化方法3.高分子復(fù)合材料(Molecular81高分子材料的強(qiáng)化方法材料彈性模量(GPa)強(qiáng)度(GPa)密度(g/cm3)金屬纖維鋼纖維Al合金纖維Ti合金纖維B纖維無機(jī)纖維Al2O3纖維SiC纖維玻璃纖維有機(jī)纖維碳素纖維PBT纖維PBO纖維PE纖維POM纖維PVA纖維2007110640025019673392330480232581212.80.61.23.52.52.92.12.44.24.16.22.05.17.82.74.52.64.02.62.51.81.61.61.01.41.3各種高強(qiáng)度、高彈性模量纖維的特征3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的強(qiáng)化方法材料彈性模量(GPa)強(qiáng)度(GP82高分子材料的韌化方法各種高分子材料的強(qiáng)度與斷裂韌性的關(guān)系3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的韌化方法各種高分子材料的強(qiáng)度與斷裂韌性的關(guān)系3.83高分子材料的韌化方法固體－液體間的表面表明能是根據(jù)高分子材料的二次結(jié)合力（范德華力）求得的，實(shí)際上高分子材料有大量一次結(jié)合力的破壞，即有大量分子主鏈的斷裂發(fā)生。在裂紋尖端出現(xiàn)的跳躍裂紋（Craze）以及塑性變形均消耗不可逆的能量。變形過程中有相當(dāng)數(shù)量的滯彈性能消耗。脆性斷裂理論的偏差原因3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的韌化方法固體－液體間的表面表明能是根據(jù)高分子材料84高分子材料的韌化方法高分子材料的獨(dú)特韌性問題高分子材料的顯微結(jié)構(gòu)問題。在很大程度上可以通過控制其微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到增韌之目的。高分子材料亦可通過材料設(shè)計(jì)（高分子設(shè)計(jì)）的方法使其達(dá)到韌化。通過將這些結(jié)構(gòu)各異的單體聚合、成形、加工，來實(shí)現(xiàn)對其韌性的控制。高分子材料的二維乃至三維的分子設(shè)計(jì)正成為當(dāng)今高分子材料強(qiáng)韌化及各項(xiàng)性能控制的研究熱點(diǎn)，可以預(yù)言不久的將來，考慮高性能、多功能化的同時(shí)，兼顧資源與環(huán)境問題，乃至再生利用的綜合材料設(shè)計(jì)將在高分子材料領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)。3.3高分子材料的強(qiáng)化與韌化高分子材料的韌化方法高分子材料的獨(dú)特韌性問題高分子材料的顯微853.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性的定義復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料不同，是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成。然而，作為考查材料韌性的指標(biāo)-斷裂韌性、斷裂吸收功均有嚴(yán)格的定義和規(guī)定的測定方法。換言之，至今對復(fù)合材料的韌性仍未有確切的定義。在大多條件下，沿用了組成復(fù)合材料的基體材料的評價(jià)方法及相應(yīng)的概念。ＥＸ：長纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中有這樣的記述“由于這樣的長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展的臨界開始點(diǎn)無法測得，故只能用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的彈性極限所對應(yīng)的載荷作為裂紋擴(kuò)展的臨界開始點(diǎn)的載荷”。3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性863.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性的測量方法對于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是較脆的復(fù)合材料而言，采用傳統(tǒng)的的方法對其韌性進(jìn)行評價(jià)似乎已被大多數(shù)研究者所接受。不過，對于韌性稍高些的復(fù)合材料則應(yīng)引起足夠的注意。因?yàn)檫@樣的復(fù)合材料當(dāng)發(fā)生斷裂時(shí)裂紋的尖端實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入了塑性區(qū),對于這樣條件下的復(fù)合材料的韌性的評價(jià)，普遍認(rèn)為應(yīng)采用類似傳統(tǒng)的積分評價(jià)方法。當(dāng)然，亦可應(yīng)用能量區(qū)分技術(shù)，將積分中的彈性應(yīng)變能及其在裂紋擴(kuò)展中的釋放量和塑性應(yīng)變能在裂紋擴(kuò)展中的消耗量區(qū)分開來。3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性873.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性的測量方法-注意點(diǎn)近年基本上達(dá)成的共識就是不可一概而論。大多纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料似乎采用斷裂能的方法評價(jià)更為合理，因?yàn)槿绻捎脭嗔秧g性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則有過低估算了纖維在斷裂過程中的作用（尤其是在裂紋擴(kuò)展過程中的作用）。另一方面，由于纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較強(qiáng)的方向性（各向異性），初始裂紋與纖維長度方向的相對取向?qū)Σ牧系捻g性值將有較大的影響，這一點(diǎn)應(yīng)該充分的注意。3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性883.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性的優(yōu)化方法不同材料的沖擊載荷-時(shí)間曲線3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性893.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性的優(yōu)化方法增強(qiáng)失效應(yīng)變對復(fù)合材料韌性的影響3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化復(fù)合韌化原理與工藝復(fù)合材料韌性903.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種材料的儀表化Charpy沖擊試驗(yàn)的載荷比較3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種材料的913.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種材料的強(qiáng)度-斷裂韌性相關(guān)圖3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種材料的923.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種鐵基材料的強(qiáng)度3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較各種鐵基材933.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較陶瓷材料的斷裂應(yīng)力對晶粒直徑的依賴性3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較陶瓷材料的943.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較晶粒直徑對含有顯微裂紋的陶瓷材料韌性的影響3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較晶粒直徑對953.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較可用于增強(qiáng)脆性材料韌性的因素3.4復(fù)合材料的強(qiáng)化與韌化三大材料強(qiáng)韌化的比較可用于增強(qiáng)963.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)觀平均化計(jì)算包括單一層次的梯度塑性計(jì)算方法和宏細(xì)觀跨尺度計(jì)算方法胞元模型。胞元定義為材料的一個(gè)基本構(gòu)元，它嵌含材料細(xì)觀幾何和相結(jié)構(gòu)的要素。取顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)計(jì)算為例。胞元應(yīng)嵌含顆粒形狀、顆粒百分比、顆粒分布幾何、基體本構(gòu)、界面狀況等要素。顆粒分布可以是各種確定性分布，也可以是計(jì)算機(jī)按一定體積百分比隨機(jī)生成。界面狀況包括理想粘接與完全脫粘的情況。自洽方法。是一種直接考慮宏細(xì)觀交互作用的研究方法，廣義自洽方法則將平均化的胞元與宏觀等效介質(zhì)進(jìn)行自洽連接。該方法可處理具有復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，處理非線性的基體本構(gòu)關(guān)系，處理不同的界面幾何和物理特征。并運(yùn)用這一計(jì)算方案成功地對Si/Al和B/Al等金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了分析，預(yù)報(bào)了該兩類材料的彈性模量、比例極限、屈服極限、后繼強(qiáng)化和粘彈性性能。3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)觀平均化計(jì)算包括單一973.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算層狀結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模擬計(jì)算唐立民等以Hellinger—Reissner變分原理為基礎(chǔ)，并引入混合邊界項(xiàng)使之成為真正意義的混合變量變分原理。改進(jìn)了Hamilton元的生成原理，在不改變系統(tǒng)方程為Hamilton正則方程的前提下，用本構(gòu)關(guān)系把不非獨(dú)立的應(yīng)力分量表示成獨(dú)立分量函數(shù)。提出并逐步完善丁了可對層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)應(yīng)力分析的混合狀態(tài)牛半離散半解析方法(Hamilton層狀元)，克服了傳統(tǒng)有限元方法求解這類問題時(shí)遇到的層間應(yīng)力不連續(xù)、單元網(wǎng)格奇異、計(jì)算效率低等困難。提出了一種以位移和層間連續(xù)應(yīng)力分量為變量，沿膜面方向離散，沿膜厚方向解析展開的計(jì)算方案，來解決單元網(wǎng)格奇異和不同介質(zhì)間應(yīng)力張量既有連續(xù)分量(層間應(yīng)力)又有間斷分量所造成的計(jì)算困難。3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算層狀結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模擬計(jì)算983.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算目的：解決強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分散性問題(1)脆性材料的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度遵循Weibull分布；(2)裂紋長度和中心距的方差越大，材料的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度越差；(3)材料的尺度越大，由于缺陷的漲落效應(yīng)，材料的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度越差；(4)Weibull模量僅與裂紋長度和中心距的方差有關(guān)，與其平均值無關(guān)。3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算目的：解決強(qiáng)993.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型宏觀、細(xì)觀、微觀三個(gè)層次的結(jié)合需要發(fā)展多層次交疊的空間離散技術(shù)和時(shí)間加速計(jì)算技術(shù)。多層次的空間離散技術(shù)包括空間分域技術(shù)(即分為具有宏觀、細(xì)觀、微觀特征的區(qū)域)及不同層次區(qū)域的嵌合技術(shù)。其技術(shù)內(nèi)涵包括：以嵌蓋層與吸收層為特征的缺陷結(jié)構(gòu)透越技術(shù)、原子/連續(xù)介質(zhì)的嵌套算法、細(xì)微觀統(tǒng)計(jì)數(shù)值計(jì)算技術(shù)、破壞過程區(qū)移動(dòng)時(shí)不同層次區(qū)域的跟隨—轉(zhuǎn)換技術(shù)，等等。多層次計(jì)算的一個(gè)更艱巨的任務(wù)是在不同時(shí)間尺度下的時(shí)間加速技術(shù)。原子運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間在飛秒(10-15秒)量級，它與宏觀運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相差十幾個(gè)量級。需要發(fā)展在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法支持下具有跨層次逐步學(xué)習(xí)功能的計(jì)算技術(shù)。3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型1003.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型用原子鑲嵌模型和分子動(dòng)力學(xué)理論模擬裂尖附近的納觀區(qū)（10nm尺度的區(qū)域）行為；用彈性基體加離散位錯(cuò)來描述細(xì)觀（≤10mm）區(qū)行為，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)由位錯(cuò)分解剪應(yīng)力和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)曲線來支配；在納觀區(qū)與細(xì)觀區(qū)的交界上采用原子／連續(xù)介質(zhì)交疊環(huán)和缺陷結(jié)構(gòu)的透越技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裂尖發(fā)射位錯(cuò)的跨層次傳遞；在宏觀（10mm～10mm

）區(qū)采用超彈性／粘塑性大變形本構(gòu)關(guān)系和有限元計(jì)算方案；在納觀區(qū)與細(xì)觀區(qū)的交界上采用位錯(cuò)吸收的界面條件。宏細(xì)微觀三層嵌套模型主要構(gòu)成方案3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型用1013.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射的微、細(xì)觀過程3.5材料強(qiáng)韌化過程的力學(xué)計(jì)算宏、細(xì)、微觀三層嵌套模型裂102謝謝大家生產(chǎn)計(jì)劃部10/28/2022謝謝大家生產(chǎn)計(jì)劃部10/22/2022103研究材料強(qiáng)韌化的意義強(qiáng)度和韌性是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。由于新型、先進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、多樣化，加之其昂貴的成本，使得傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)制備方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了材料強(qiáng)韌化的要求。換言之，為了有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，必須對材料的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多組分設(shè)計(jì)，包括材料組分、微結(jié)構(gòu)、界面性能和材料制備工藝等。研究材料強(qiáng)韌化的意義強(qiáng)度和韌性是衡量結(jié)構(gòu)材料的最重要的1043.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

金屬的屈服對金屬結(jié)構(gòu)件來說，意味著失效。-》如何使其不發(fā)生屈服或者提高屈服抗力，從而保障其服役的安全。介紹金屬及合金強(qiáng)化與韌化方面的理論及方法。應(yīng)該說強(qiáng)化的方法很多，如：加工硬化、淬火及熱處理等，但最有效而穩(wěn)定的方法，實(shí)際生產(chǎn)中常用的方法就是合金化。

重點(diǎn)介紹：固溶強(qiáng)化-》均勻強(qiáng)化、非均勻強(qiáng)化理論、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化以及其它的一些強(qiáng)化方法，形變強(qiáng)化即加工硬化的問題已在第2章論及，在此不再闡述。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化金屬的屈服對金屬結(jié)構(gòu)件105均勻強(qiáng)化

溶質(zhì)原子混亂地分布于基體中，因?yàn)槲诲e(cuò)線具有一定的彈性，故對同一種分布狀態(tài)，由于不同溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線的相互作用不同，位錯(cuò)線的運(yùn)動(dòng)方式有如(a)和(b)所示的兩種情況。(a)為相互作用強(qiáng)時(shí)，位錯(cuò)線便“感到”溶質(zhì)原子分布較密；(b)為相互作用弱時(shí)，位錯(cuò)線便“感到”溶質(zhì)原子分布較疏。

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化均勻強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化1063.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化(a)為強(qiáng)相互作用的結(jié)果；(b)為弱相互作用的結(jié)果圖由于溶質(zhì)原子與位錯(cuò)線間相互作用的不同對其可彎曲性的影響3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化(a)為強(qiáng)相互作用的1073.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

若以l和L分別表示兩種情況下可以獨(dú)立滑移的位錯(cuò)段平均長度，F(xiàn)為溶質(zhì)原子沿滑移方向作用在位錯(cuò)線上的阻力，則使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力可表示為

從表面上看，因?yàn)殚g隙式溶質(zhì)原子固溶后引起的晶格畸變大，對稱性低屬于情況(a)；置換式固溶所引起的晶格畸變小，對稱性高屬于情況(b)。但事實(shí)上間隙式溶質(zhì)原子在晶格中，一般總是優(yōu)先與缺陷相結(jié)合，所以已不屬于均勻強(qiáng)化的范疇。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化若以l和L分別表示兩種情108Mott-Nabarro理論3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化

假設(shè)了溶質(zhì)原子在晶格中產(chǎn)生一長程內(nèi)應(yīng)力場了ti，則位錯(cuò)彎曲的臨界曲率半徑為Gb/ti。若溶質(zhì)原子間距l(xiāng)<<Gb/ti，即位錯(cuò)與溶質(zhì)原子間的作用為強(qiáng)相互作用時(shí)，整個(gè)位錯(cuò)便可以分成獨(dú)立的n段，且n=L/l。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律知道，作用在長為L位錯(cuò)上的力應(yīng)等于n1/2倍作用在每一段上的力，故長為L的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力可寫成btil(L/l)1/n。若此時(shí)外加切應(yīng)力為tc，遂得:位錯(cuò)曲率溶質(zhì)濃度Mott-Nabarro理論3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌109銅合金中固溶強(qiáng)化與晶格畸變間的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化與晶格畸變間的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)110兩個(gè)主要的特點(diǎn)：一為溶質(zhì)原子與基體原子的相互作用中，除了考慮由于大小不同所引起的畸變外，還考慮了由于“軟”“硬”不同，即彈性模量不同而產(chǎn)生的影響；另一為置換溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的靜水張壓力的相互作用中，除了考慮純?nèi)行偷囊酝?，還考慮了純螺型的。

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化兩個(gè)主要的特點(diǎn)：一為溶質(zhì)原子與基體原子的相互作用中，除了考慮1113.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性模量相互作用示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性模量相互作用示意圖1123.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化刃型螺型大小作用“軟”“硬”作用總和*3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化刃型螺型大小1133.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性位錯(cuò)單位長度L的定義示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彈性位錯(cuò)單位長度L的定義示意1143.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化和溶質(zhì)原子與螺型位錯(cuò)相互作用的關(guān)系3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化銅合金中固溶強(qiáng)化和溶質(zhì)原子與1153.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化溶質(zhì)原子分布示意圖3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化溶質(zhì)原子分布示意圖1163.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化3.1.2非均勻強(qiáng)化

由于合金元素與位錯(cuò)的強(qiáng)交互作用，使得在晶體生長過程中位錯(cuò)的密度大大提高，造成與純金屬截然不同的基本結(jié)構(gòu)。這往往成為某些合金非均勻強(qiáng)化的部分原因，如銅中加入少量的鎳，銀中加入少量的金等。此外，就目前所知非均勻強(qiáng)化的類型大致可分為：濃度梯度強(qiáng)化，Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化，Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化,靜電相互作用強(qiáng)化，化學(xué)相互作用強(qiáng)化和有序強(qiáng)化等幾種。著重介紹其特點(diǎn)及存在的問題。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化3.1.2非均勻強(qiáng)化1173.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化濃度梯度強(qiáng)化

強(qiáng)化機(jī)制實(shí)質(zhì)上可分為三部分：一為晶格常數(shù)相互作用，即由于合金元素的分布存在濃度梯度，所以晶格常數(shù)也就有相應(yīng)的變化梯度。當(dāng)刃型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向與濃度梯度方向一致時(shí)，或螺型位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向與濃度梯度方向垂直時(shí)，就會(huì)在滑移面兩邊產(chǎn)生類似位錯(cuò)的對不齊現(xiàn)象，從而提高了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力；二為彈性模量相互作用，即由于合金元素的分布存在濃度梯度，彈性模量亦不再可能是常數(shù)，結(jié)果對位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于額外地施加阻力。不過，一般講這兩種力都可以忽略不計(jì)；三為具有濃度分布梯度的合金元素與位錯(cuò)間的彈性相互作用，即存在合金元素分布梯度時(shí)的Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化作用。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化濃度梯度強(qiáng)化1183.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由正刃型位錯(cuò)形成的Cottrell氣團(tuán)合金元素與位錯(cuò)之間有彈性交互作用能Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由正刃型位錯(cuò)形成的Cottr1193.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化應(yīng)變時(shí)效對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化應(yīng)變時(shí)效對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影1203.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化BCC金屬中，間隙原子（如C、N）絕大部分分布在八面體的間隙位置，造成晶格四方畸變，如鋼中C原子進(jìn)入a-Fe的三個(gè)八面體間隙位置的機(jī)會(huì)是相等的。如果有外力作用，在這三個(gè)位置中C原子所產(chǎn)生的應(yīng)變能各不相同，應(yīng)變能較大的C原子就要到應(yīng)變能較小的間隙位置上去，以降低系統(tǒng)的能量，這就是Snoek效應(yīng)。Snoek氣團(tuán)的主要特點(diǎn)是其強(qiáng)化作用與溫度無關(guān)，而與溶質(zhì)濃度成正比。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Snoek氣團(tuán)強(qiáng)化BCC金屬1213.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化靜電相互作用強(qiáng)化

研究發(fā)現(xiàn)，刃型位錯(cuò)的靜電作用如同一串電偶極子，受到部分屏蔽的溶質(zhì)原子顯然與此刃型位錯(cuò)間存在著靜電相互作用。如考慮非線性的彈性效應(yīng)時(shí)，螺型位錯(cuò)中心將帶有負(fù)電荷，所以螺型位錯(cuò)與溶質(zhì)原子之間也應(yīng)有靜電相互作用。此外，事實(shí)上合金中溶質(zhì)原子的電荷將完全被導(dǎo)電電子的重新分布所屏蔽。因此，位錯(cuò)和溶質(zhì)原子間的靜電相互作用是作用于溶質(zhì)原子離子殼的力和作用于屏蔽電子間的力的一個(gè)復(fù)雜的差效應(yīng)。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化靜電相互作用強(qiáng)化研究發(fā)1223.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化在FCC金屬中，一個(gè)滑移的全位錯(cuò)可能分解為一對不全部分位錯(cuò)中間夾著一層為密排六方結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)區(qū)，即形成擴(kuò)展位錯(cuò)。一對不全位錯(cuò)分開的距離(擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度)與層錯(cuò)能成反比，并服從擴(kuò)展位錯(cuò)示意圖已滑移區(qū)3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化在F1233.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化可見：層錯(cuò)能低的金屬容易形成擴(kuò)展位錯(cuò)。并且層錯(cuò)能愈小，擴(kuò)展位錯(cuò)寬度愈寬。為保持熱平衡溶質(zhì)原子在層錯(cuò)區(qū)和基體兩部分濃度需不同，這種溶質(zhì)原子非均勻分布，起著阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。Suzuki稱此種作用為化學(xué)交互作用，人們稱這種組態(tài)為Suzuki氣氛(團(tuán))。當(dāng)擴(kuò)展位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須連同層錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)。此時(shí)由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不同溶質(zhì)原子的濃度差表觀出對位錯(cuò)有釘扎作用。為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，則必須增大外力。即由于Suzuki氣團(tuán)存在，使合金強(qiáng)化了。Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化可見：層錯(cuò)能低的金屬容易形成1243.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化擴(kuò)展位錯(cuò)AB在Suzuki氣團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)一對擴(kuò)展位錯(cuò)AB,A與B之間是層錯(cuò)區(qū)，AB之間的距離為d。由于層錯(cuò)區(qū)內(nèi)溶質(zhì)原子濃度和基體中濃度不同，因而有濃度差。令Dm代表了這個(gè)濃度差。當(dāng)在外加切應(yīng)力(t)作用下，擴(kuò)展位錯(cuò)由AB移至。由于這種移動(dòng)是瞬時(shí)完成的，溶質(zhì)原子來不及做相應(yīng)的調(diào)整。新的層錯(cuò)區(qū)溶質(zhì)原子濃度仍為原基體中溶質(zhì)原子的濃度。而已不是層錯(cuò)區(qū)，且仍保持原層錯(cuò)區(qū)內(nèi)溶質(zhì)原子的濃度。由于擴(kuò)展位錯(cuò)向前移動(dòng)=d，層錯(cuò)區(qū)溶質(zhì)原子濃度沒有達(dá)到平衡的要求如，外界必須為此付出代價(jià)。即需要外力作功使層錯(cuò)區(qū)的溶質(zhì)原子濃度達(dá)到熱力學(xué)平衡的濃度。實(shí)例3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化擴(kuò)展位錯(cuò)1253.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化化學(xué)交互作用對位錯(cuò)的釘扎力比彈性交互作用小。但化學(xué)交互作用受溫度影響比較小。一般講，室溫條件下很難使Suzuki氣氛和擴(kuò)展位錯(cuò)分解。既使在高溫條件下，Suzuki氣氛強(qiáng)化作用也是比較穩(wěn)定的，而且對刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)都有阻礙作用。某些鎳基合金中加入鈷，提高了高溫強(qiáng)度，就是因?yàn)殁捘芙档玩嚨膶渝e(cuò)能，使位錯(cuò)容易擴(kuò)展，并形成Suzuki氣團(tuán)而達(dá)到強(qiáng)化之目的。擴(kuò)展位錯(cuò)要脫離Suzuki氣團(tuán)，需要走的距離比全位錯(cuò)脫離Cottrell氣團(tuán)強(qiáng)釘扎所走的距離要遠(yuǎn)得多。Suzuki氣團(tuán)強(qiáng)化的注意問題3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化化學(xué)交互作用對位錯(cuò)的釘扎1263.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化有序強(qiáng)化一般可分短程和長程的兩種。短程有序強(qiáng)化的作用大小和Suzuki氣團(tuán)的強(qiáng)化在同一量級。Flinn曾對此強(qiáng)化作用進(jìn)行過仔細(xì)分析，在忽略了熵的變化作用的前提下，當(dāng)有序度不大時(shí)，可將二元固溶體中內(nèi)能E表示為有序強(qiáng)化其中原子的鍵能e

在FCC結(jié)構(gòu)中，位錯(cuò)滑移一柏氏矢量后，每一個(gè)原子在橫跨滑移面兩邊的三個(gè)最鄰近原子的鍵合中有兩個(gè)要被破壞，這樣滑移面上每個(gè)原子增加了2e能量。-》強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化有序強(qiáng)化一般可分短程和長1273.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由多晶體的屈服理論可知，晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，晶界越多，則位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，屈服應(yīng)力就越高。材料的屈服強(qiáng)度與晶粒直徑服從Hall-Petch關(guān)系。在此討論細(xì)化晶粒對材料強(qiáng)化的機(jī)理，同時(shí)介紹細(xì)晶韌化以及細(xì)化晶粒的方法。細(xì)晶強(qiáng)化3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化由多晶體的屈服理論可知，1283.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理晶粒直徑與屈服強(qiáng)度之關(guān)系研究發(fā)觀，晶界對屈服強(qiáng)度的影響，不只是來自晶界的本身，而與晶界是連接二個(gè)晶粒的過渡區(qū)有關(guān)，由于在此過渡區(qū)的兩邊走兩個(gè)排列不同位向的晶粒，一個(gè)晶粒內(nèi)的滑移帶不能穿過晶界直接傳播到相鄰晶粒，故構(gòu)成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理晶粒直徑與屈服強(qiáng)129多晶體中相鄰晶粒滑移傳播過程的位錯(cuò)模型3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理多晶體中相鄰晶?；苽鞑ミ^程的位錯(cuò)模型3.1金屬及合金1303.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理塞積的位錯(cuò)數(shù)n為在塞積群頭部將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中，其值為：可見由于位錯(cuò)塞積，這相當(dāng)于將有效應(yīng)力放大了n倍，n為位錯(cuò)塞積數(shù)目3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理塞積的位錯(cuò)數(shù)n為1313.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理如果晶粒II內(nèi)位錯(cuò)源S2在晶界附近，開動(dòng)這個(gè)位錯(cuò)源的臨界切應(yīng)力為tr是由位錯(cuò)塞積群的應(yīng)力集中t1提供。如果位錯(cuò)S2開動(dòng)并放出位錯(cuò)，則t1tr，即：3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理如果晶粒II內(nèi)位1323.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶韌化細(xì)晶強(qiáng)化方法不同于加工硬化(形變強(qiáng)化)及固溶強(qiáng)化等，其最大的特點(diǎn)就是細(xì)化晶粒在使材料強(qiáng)化的同時(shí)不會(huì)使材料的塑性降低，相反會(huì)使材料的塑性與韌性同時(shí)提高。韌化機(jī)理：在金屬中的夾雜物多在晶界處出現(xiàn)，特別是低熔點(diǎn)金屬形成的夾雜物，更易在晶界析出，從而顯著降低材料的塑性。合金經(jīng)細(xì)化晶粒后，則單位體積內(nèi)的晶界面積增加，在夾雜物相同的情況下，經(jīng)細(xì)化晶粒合金晶界上偏析的夾雜物相對減少，從而使晶界結(jié)合力提高，故材料的塑性提高了。另一方面，由于晶界既是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，又是裂紋擴(kuò)展的障礙，因此細(xì)化晶粒在提高強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了合金的韌性。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)晶韌化細(xì)晶強(qiáng)化方法不同1333.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)化晶粒的常見方法改善結(jié)晶及凝固條件。通過增大過冷度與提高形核率來獲得細(xì)小的鑄態(tài)組織，如采用鐵模及加入孕育劑(變質(zhì)劑)。在現(xiàn)代連鑄、連軋方式的生產(chǎn)過程中，通過施加外場（包括強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場）以及控制結(jié)晶條件均可實(shí)現(xiàn)細(xì)晶化。調(diào)整合金成分。添加一些細(xì)化晶粒的元素以獲得細(xì)晶組織。鋼中常用的添加元素有Mg、B、Zr及其它稀土金屬。嚴(yán)格控制熱處理工藝。尤其是對冷變形后的金屬，通過控制其回復(fù)和再結(jié)晶的進(jìn)程，達(dá)到細(xì)化晶粒之目的。采用形變熱處理方法?？色@得細(xì)小晶粒及亞晶粒。往復(fù)相變細(xì)化方法。即在固態(tài)相交相變點(diǎn)附近某溫度范圍內(nèi)，反復(fù)加熱冷卻，通過相交相變反復(fù)形核，以獲得細(xì)小晶粒。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化細(xì)化晶粒的常見方法改善結(jié)晶及1343.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的類型第二相在冶煉過程中產(chǎn)生。如鋼中的氧化物、硫化物、碳化物等。第二相在熱處理過程中產(chǎn)生，如時(shí)效硬化型合金，在時(shí)效處理時(shí)，從基體固溶體中析出第二相，使合金強(qiáng)度提高。這種強(qiáng)化稱為沉淀硬化或時(shí)效強(qiáng)化。另一種就是利用粉末冶金辦法，在合金基體中形成強(qiáng)化相，稱為構(gòu)成彌散強(qiáng)化。如TDNi等。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的類型第二1353.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的作用在冶煉過程中形成的第二相，一般來說對合金是有害的，它使合金的強(qiáng)度和塑性下降幅度增加低。隨第二相數(shù)量增加，合金的塑性下降的愈多。主要因?yàn)檫@些第二相(即或夾雜物)與基體結(jié)合強(qiáng)度比較低，在外力作用下很容易沿第二相與基體界面產(chǎn)生裂紋，而使合金的塑性和強(qiáng)度降低。另一個(gè)原因是這些第二相往往成尖角狀，如奧氏合金中氧化物和氰化物就是如此。在外力作用下，在尖角處形成應(yīng)力集中，使裂紋易于在此形核和長大，從而造成合金的強(qiáng)度和塑性的降低。如果改變合金中第二相幾何形狀，使其變?yōu)榍蛐?，則合金的塑性和強(qiáng)度會(huì)提高一些。鋼中加稀土可以改善合金塑性，就是稀土元素使一些第二相如MnS發(fā)生球化而致的。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化第二相的作用1363.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化過程最基本要求：溶質(zhì)原子在基體中的溶解度隨溫度而變化。即高溫時(shí)第二相溶于基體中,而低溫時(shí)則析出第二相。第二相析出按生核、長大規(guī)律進(jìn)行。沉淀過程：以Al-Cu合金為例，經(jīng)固溶處理后，第二相溶于基體中，經(jīng)然后淬火使第二相形成元素在基體中造成過飽和狀態(tài)。在時(shí)效處理時(shí)，首先在基體中形成第二相的溶質(zhì)原子發(fā)生偏聚，稱GP(I)區(qū)，GP(I)區(qū)擴(kuò)大并且銅原子進(jìn)一步有序化，形成GP(II)區(qū)或q“相，硬度進(jìn)一步提高，緊接著是GP(II)區(qū)向與基體共格的Cu2Al2，q′相過渡，最后由過渡點(diǎn)陣q′相形成平衡相q相(CuAl2)。q相不再與基體共格，此階段合金硬度比共格的q′存在的階段的低。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化過程最基137Al-Cu合金典型時(shí)效硬化曲線

3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化Al-Cu合金典型時(shí)效硬化曲線3.1金屬及合金的強(qiáng)化與1383.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果強(qiáng)化效果與其類型、形狀、數(shù)量、大小以及分布均有關(guān)，而且諸因素是互相關(guān)聯(lián)的，難以只改變某個(gè)因素而不改變其它因素。如在Al-Cu合金中，隨著第二相形成元素Cu含量的增加，其強(qiáng)化效果愈大，這主要因Al-Cu合金中隨銅含量增加，第二相數(shù)量增加，因此強(qiáng)化效果增大。從合金的綜合性能考慮，第二相形成元素含量也不能說愈多愈好。含量多強(qiáng)化效果顯著，但合金塑性要降低。因此第二相形成元素含量在某一個(gè)成分范圍之內(nèi)，綜合效果最佳。第二相的形狀對合金強(qiáng)度影響也比較大，對于共析鋼，合金元素含量相同，一個(gè)是片狀珠光體，一個(gè)是粒狀珠光體，其強(qiáng)化效果大不一樣。粒狀珠光體塑性比片狀珠光體高，對強(qiáng)度影響比較復(fù)雜。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果強(qiáng)化1393.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果第二相與基體結(jié)合強(qiáng)弱對強(qiáng)化效果影響最大，起強(qiáng)化作用的第二相必須與基體結(jié)合牢固，否則易在界面形成裂紋而導(dǎo)致斷裂。一般來說在冶煉過程中形成第二相與基體結(jié)合力較弱而從固溶體中析出第二相與基體結(jié)合比較牢，因此同樣都是滲碳體，固溶沉淀出滲碳體強(qiáng)化效果較好。沉淀強(qiáng)化一般是在固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上，通過熱處理方法析出第二相，達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。所以第二相存在保證了最大固溶強(qiáng)化。第二相強(qiáng)化的合金強(qiáng)度比固溶強(qiáng)化合金強(qiáng)度高，細(xì)小第二相強(qiáng)化比粗大第二相強(qiáng)化效果好。3.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化第二相強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化效果第1403.1金屬及合金的強(qiáng)化與韌化彌散強(qiáng)化的特點(diǎn)為形成