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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 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。 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。 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。 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。 * 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。 （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） 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。 ** 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-ZrO2粒子，裂纹尖端的应力集中使基体对t-ZrO2的压抑作用首先在裂纹尖端得到松弛，促发t-ZrO2 → m-ZrO2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-ZrO2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。 （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。 （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