第十章材料的強化

2021-03-04 09:36:41 字數 3019 閱讀 6363

韌性是材料變形和斷裂過程中吸收能量的能力,它是強度和塑性的綜合表現;強度是材料抵抗變形和斷裂的能力,塑性則表示材料斷裂時總的塑變程度. 材料在塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的多少表示韌性的高低.金屬材料缺口試樣落錘衝擊試驗側得的韌性指標稱為衝擊韌性.高分子材料衝擊試驗的韌性指標通常稱為衝擊強度或衝擊韌度.

第一節材料強化基本原理

1、固溶強化純金屬經適當的合金化後強度、硬度提高的現象

根據強化機理可分為無序固溶體和有序固溶體

固溶強化的特點:

(1)溶質原子的原子數分數越大,強化作用越大;

(2)溶質原子與基體金屬原子尺寸相差越大,強化作用越大;

(3)間隙型溶質原子比置換原子有更大的固溶強化作用;

(3)溶質原子與基體金屬的價電子數相差越大,固溶強化越明顯。

2、細晶強化

多晶體金屬的晶粒通常是大角度晶界,相鄰取向不同的的晶粒受力發生塑性變形時,部分晶粒內部的位錯先開動,並沿一定晶體學平面滑移和增殖,位錯在晶界前被阻擋,當晶粒細化時,需要更大外加力才能使材料發生塑性變形,從而達到強化的目的。

霍爾-佩奇公式:σs=σ+kyd-1/2

3、位錯強化

(1) 晶體中的位錯達到一定值後,位錯間的彈**互作用增加了位錯運動的阻力。可以有效地提高金屬的強度。

流變應力τ 和位錯密度的關係:

(2)加工硬化

定義:金屬經冷加工變形後,其強度、硬度增加、塑性降低。

單晶體的典型加工硬化曲線:τ~θ 曲線的斜率θ=d τ/d θ稱為「加工硬化速率」

·曲線明顯可分為三個階段:

i. 易滑移階段:發生單滑移,位錯移動和增殖所遇到的阻力很小,θi 很低,約為10-4g數量級。

ii.線性硬化階段:發生多系滑移,位錯運動困難,θii 遠大於θi 約為 g/100—g/300 ,並接近於一常數。

iii.拋物線硬化階段:與位錯的多滑移過程有關,θiii 隨應變增加而降低,應力應變曲線變為拋物線。

4、沉澱相顆粒強化

當第二相以細小瀰散的微粒均勻分布在基體相中時,將產生顯著的強化作用,通常將微粒分成不可變形的和可變形的兩類。

(1)可變形微粒的強化作用——切割機制

·適用於第二相粒子較軟並與基體共格的情形

強化作用主要決定於粒子本身的性質以及其與基體的聯絡,主要有以下幾方面的作用:

a.位錯切過粒子後產生新的介面,提高了介面能。

b. 若共格的粒子是一種有序結構,位錯切過之後,沿滑移面產生反相疇,使位錯切過粒子時需要附加應力。

c.由於粒子的點陣常數與基體不一樣,粒子周圍產生共格畸變,存在彈性應變場,阻礙位錯運動。

d.由於粒子的層錯能與基體的不同,擴充套件位錯切過粒子時,其寬度會產生變化,引起能量公升高,從而強化。

e. 由於基體和粒子中滑移面的取向不一致,螺型位錯線切過粒子時必然產生一割階,而割階會妨礙整個位錯線的移動。

在實際合金中,起主要作用的往往是1~2種。

·增大粒子尺寸或增加體積分數有利於提高強度。

(2)不可變形微粒的強化作用——奧羅萬機制(位錯繞過機制)

適用於第二相粒子較硬並與基體介面為非共格的情形。

使位錯線彎曲到曲率半徑為r時,所需的切應力為 τ=gb/(2r)

設顆粒間距為λ, 則τ=gb/ λ ,∴ rmin=λ/2

只有當外力大於gb/ λ 時,位錯線才能繞過粒子。

減小粒子尺寸(在同樣的體積分數時,粒子越小則粒子間距也越小)或提高粒子的體積分數,都使合金的強度提高。

(3)粗大的沉澱相群體的強化作用

由兩個相混合組成的組織的強化主要是由於: ①纖維強化;

②—個相對另乙個相起阻礙塑性變形的作用,從而導致另乙個相更大的塑性形變和加工硬化,

直到末形變的相開始形變為止;

③ 在沉澱相之間顆粒可由不同的位錯增殖機制效應引入新的位錯.

二、高聚物的強化原理

高聚物的強化方法:

(1)引入極性基鏈上極性部分越多,極性越強,鍵間作用力越大;

(2)鏈段交聯隨著交聯程度的增加,交聯鍵的平均距離縮短,使材料的強度增加;

(3)結晶度和取向高聚物在高壓下結晶或高度拉伸結晶性高聚物,可使材料的強度增加;

(4)定向聚合。

第二節材料的韌化基本原理

一、金屬材料的韌化原理

改善金屬材料韌性斷裂的途徑是:

① 減少誘發微孔的組成相,如減少沉澱相數量

②提高基體塑性,從面可增大在基體上裂紋擴充套件的能量消耗;

③增加組織的塑性形變均勻性,這主要為了減少應力集中;

④避免晶界的弱化,防止裂紋沿晶界的形核與擴充套件;

⑤金屬材料的各種強化

二、高聚物的韌化原理

1、增塑劑與衝擊韌性新增增塑劑使分子間作用力減小,鏈段以至大分子易於運動,則使得高分子材料的衝擊韌性提高。但某些增塑劑在新增量較少時,有反增塑作用,反使衝擊韌性下降

2、分子結構、相對分子量與衝擊韌性

熱塑性塑料的大分子結構及分於間力是決定材料效能的主要因素,這兩個因素若使堆砌密度小。玻璃化溫度低時,則衝擊韌性就高,大分子鏈的柔順

性好,可提高結

晶性高分子材料

的結晶能力,而

結晶度高常使衝

擊韌性下降 。

提高相對分子質量對高聚物衝擊韌性的作用會因長分子鏈的纏結而削弱,因為分子鏈的纏結、交聯會降低其柔性,在溫度和拉仲速率一定的條件下,高聚物的相對分子質量有一臨界值mc,當相

對分子質量大

於mc時高聚物

為韌件,反之

為脆性.

三、無機非金屬材料的韌化機理

陶瓷的主要增韌機制有相變增韌和微裂紋增韌:

1、相變增韌

處於陶瓷基體內的zro2存在著m- zro2與 t- zro2 的可逆相變特性,晶體結構的轉變伴有3%一5%的體積膨脹. zro2顆粒瀰散分布於陶瓷基體內,當材料受到外力作用時,基體對zro2的壓抑作用得到鬆馳, zro2顆粒即發生四方相到單斜相的轉變,並在基體內引發微裂紋,從而吸收了主裂紋擴充套件的能量,達到提高斷裂韌性的效果 。

2、微裂紋增韌

基體內的微裂紋使主裂紋的應力場發生改變,使主裂紋的方向發生改變,增加裂紋的途徑,從而消耗更多的能量,達到增韌的目的。

第十章技術

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