金属材料强韧化原理及应用

金属材料强韧化原理及应用PrincipleandApplicationofStrengtheningandTougheningforMetalMaterials金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]2课程总体内容金属材料强韧化简介强韧化原理部分强韧化应用部分超常规金属材料制备技术1）快速凝固技术2）喷射沉积技术3）机械合金化4）半固态加工5）搅拌摩擦加工6）大塑性变形加工金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]3金属材料的发展和应用是人类文明发展和进步的重要里程碑人类历史的划分石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代铝(Al)钛(Ti)概述—金属材料发展历史回顾金属时代开始五千年金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]4金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]5金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]6金属材料在材料科学领域占有及其重要的地位概述—金属材料发展历史回顾“金属”在《辞海》中被解释为：“具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果）,富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。”在门捷列夫的元素周期表中，左下角绝大部分是金属的领域，仅右上角才是非金属的地盘。也就是说在人类至今认识的109种化学元素中，非金属只有22种，而金属元素有87种，在总体的化学元素中占了近80%。可以说，金属在我们的生产生活中是无处不在的。材料科学是21世纪四大支柱学科之一，而金属材料工程则是材料科学中一个重要的专业方向。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]7金属材料在新材料研究领域中也具有十分重要的地位新型氮化物、氧化物等陶瓷刀具材料；概述—金属材料发展历史回顾近年来出现的新材料新型高温合金、高温陶瓷以及金属间化合物；新型高强度、高成形性钢铁材料；新型高比强度、高比刚度复合材料；高磁化能的磁性材料、非晶合金材料；新型光导纤维、敏感材料；新型生物功能材料；国防军工尖端材料（极端条件下）.......?结构材料功能及智能材料金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]81）逻辑推理(古代哲学家，432BC.)2）宏观形貌观察、观测（byeye,1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（《易经》）人类对材料微观结构认识的发展过程概述—金属材料发展历史回顾金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]92、古代欧洲Plato柏拉图(427-347BC,古希腊哲学家)Euclid欧几里得(约公元前3世纪的古希腊数学家)用fire,air,earth,water,ether－以太)描述世界万物.Fire–tetrahedron（四面体）Air–octahedron（八面体）Ether–dodecahedron（十二面体）Earth–cube（六面体）Water–icosahedron（二十面体）概述—金属材料发展历史回顾金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]101669,N.Steno,晶面角守恒定律1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）概述—金属材料发展历史回顾人类对材料微观结构认识的发展过程金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]11晶体的微观周期性结构电子在周期势场中的运动量子力学Schrödinger方程能带理论固体半导体理论晶体点阵中的缺陷金属材料强化理论位错在晶体中运动晶体的宏观几何形貌晶体生长理论表面组装概述—金属材料发展历史回顾金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]12提高材料的强度和韧性的目的节约材料，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希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性，通常的材料二者不可兼得理解材料强韧化机理，掌握材料强韧化现象的物理本质，是合理运用和发展材料强韧化方法从而挖掘材料性能潜力的基础概述—金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化目的金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]13概述—金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化主要研究的问题强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能材料的性能结构敏感的性能强度韧性硬度疲劳强度。。。结构不敏感的性能元素的熔点单一元素物质弹性模量元素的线膨胀系数元素的磁性能。。。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]14金属材料的基本性能概述—金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]15金属材料的强度材料的内部应力：拉伸、压缩、剪切强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳若未到破坏强度，则因形变而失去承载能力强度是在给定条件（温度/压力/应力状态/应变速率/周围介质）下材料达到给定变形量所需要的应力，或材料发生破坏的应力金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]16根据图所示的曲线有:=msin(2x/)式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a0处开始计算，即原子间的位移），为正弦曲线的波长,a0为原子间的平衡距离理想晶体解理断裂的理论断裂强度：m=(E.s/a0)1/2—E=100GPa，s=1J/m2，a0=310-10m，m=18.3GPa，其值大约为E/7。—如金属铁，E=200GPa，，s=2J/m2，a0=2.510-10m，m=40GMPa，约为E/5。高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GPa，未取向，实际强度比理论值小1000倍左右强度来源是原子键合力，取决于元素本质的基本性质，同时也是最典型的结构敏感性能。金属材料的强度金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]17一些金属材料的理论强度与实际强度金属临界分切应力m（MPa）金属临界分切应力m（MPa）实验值理论值实验值理论值Al1.34.3Mn0.82.8Cu1.07.3Zn0.96.0Ag0.64.7Bi2.22.2Au0.94.5Sn1.42.7Ni5.812.4Cd1.64.2cycy2))cos(cos(实际材料断裂时的临界分切应力金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]18材料强度与缺陷数量的关系强度缺陷数量冷加工状态退火状态无缺陷的理论强度强度是在变形及断裂过程中表现出来的特性，因此研究变形及断裂是研究强度的重要手段和过程。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]19金属材料的韧性韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的综合表现裂纹形核前的塑性形变、裂纹的扩展是与金属组织结构密切相关的当不考虑外因时，断裂过程包括裂纹的形核和扩展通常以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标示材料韧性它涉及到位错的运动，位错间的弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相的弹性交互作用以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和晶界的作用等概述—金属材料强韧化的内涵断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂韧性材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]20各种材料的强韧性指标概述—金属材料强韧化的内涵金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]21材料组织与性能关系概述—金属材料强韧化的内涵强韧化问题的主要着眼点在于材料的性能，但是性能是由组织决定的。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]22机械强韧化金属材料强韧化机理物理强韧化化学强韧化物理强韧化：是在金属内部晶体缺陷的作用和通过缺陷之间的相互作用，对晶体的力学性能产生一定的影响，进而改变金属性能化学强韧化：是元素的本质决定的因素以及元素的种类不同和元素的含量不同造成的材料性能的改变机械强韧化：除了结构、尺寸、形状方面的机械原因外，主要指界面作用造成的强韧化Q:相交处的强韧化机制是什么？金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]23提高金属材料强度途径•完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度。在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。这是强化金属主要采用的途径。目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降例如加工硬化、固溶强化、细晶强化、马氏体强化、沉淀强化等综。合运用这些强化手段，也可以从另一方面接近理论强度，例如在铁和钛中可以达到理论强度的38%金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]24金属强化的途径细晶强化加工硬化固溶强化弥散强化金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]25Decreasinggrainsize⇒σyincreases⇒εuvanishes金属强化的途径细晶强化Grainrefinestrengthening:通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。即为通常所讲的强度上升，而塑性下降。金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]26细晶强化细化晶粒可以提高金属的强度1.晶界对位错滑移的阻滞效应2.晶界上形变要满足协调性，需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过晶界，而是塞积在晶界处，引起强度的增高。位错在多晶体中运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，因而一侧晶粒中的滑移带不能直接进入第二个晶粒。晶粒越细小，晶界越多，位错被阻滞的地方就越多，多晶体的强度就越高金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]27细晶强化晶界对位错滑移的阻力•滑移面不能连续•晶界处存在缺陷•控制晶粒尺寸来增加晶界金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]28霍耳-配奇(Hall-Petch)关系式y＝0＋ky·d-1/20和ky是两个和材料有关的常数，d为晶粒直径可知多晶体的晶粒越细，强度越高；多晶体强度高于单晶体常规的多晶体（晶粒尺寸大于100nm）中，处于晶界核心区域的原子数只占总原子数的一个微不足道的分数（小于0.01%）纳米微晶体材料(晶粒尺度在1-100nm间)中，如果晶粒尺寸为数个纳米，晶界核心区域的原子所占的分数可高达50%，这样在非晶界核心区域原子密度的明显下降，以及原子近邻配置情况的截然不同，均将对性能产生显著影响金属材料强韧化原理及应用2020/1/3付瑞东[e-mail]29反Hall-Petch效应在低于100nm的纳米晶中Hall-Petch关系仍然有效临界尺寸dc,十几到二十纳米之间反Hall-Petch效应理论模拟的结果显示存在一个临界尺寸dc,Cu的临界尺寸dc≈19.3nm，Pa的dc≈11.2nm