陶瓷材料的强化和增韧

第五章陶瓷材料的强化和增韧强化和增韧一.问题的提出二.材料的强化三.陶瓷材料的增韧一、问题的提出人们在利用材料的力学性质时，总是希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料往往二者只能居其一，要么是强度高，韧性差；要么是韧性好，但强度却达不到要求。寻找办法来弥补材料各自的缺点，这就是材料强化和增韧所要解决的问题。一、问题的提出金属材料有较好的韧性，可以拉伸得很长，但是强度不高，所以对金属材料而言，需要增加的是强度，强化成为关键的问题。纳米铜的室温超塑性一、问题的提出而陶瓷材料本身的强度很高（共价键强度高，能量大，断键难，能形成稳定的晶格结构，位错的滑移很困难），其弹性模量比金属高得多，但缺乏韧性，会脆断，所以陶瓷材料要解决的是增韧的问题。故宫宋代哥窑青釉葵瓣口盘损坏一、问题的提出材料强化发生了什么？一、问题的提出材料强化滑移一、问题的提出思考：位错与材料强度存在怎样的关系？金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。一、问题的提出材料强化发生了什么？一、问题的提出思考：位错与材料强度存在怎样的关系？由位错参与塑性变形过程似乎可以得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样，如下图所示。一、问题的提出位错和其它畸变的密度金属材料的强度理论强度晶须强度实际金属强度纯金属强化金属一、问题的提出金属强度随位错密度继续增大而上升的机理？主要是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：①应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍（晶界、析出物等）面前停止的时候就构成了位错的塞积；②位错交织所产生的阻力；③形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交织过程中在一位错上产生短位错）；④割阶运动引起的阻力。一、问题的提出金属强度随位错密度继续增大而上升的机理？位错塞积和位错网络二、材料的强化从理论上来看，提高材料强度有两条途径：①完全消除内部的位错和其它缺陷，使材料的强度接近理论强度。②在材料中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。第一种方法目前已制出无位错高强度的晶须，但实际应用还存在困难。因为这样获得的高强度是不稳定的，对于操作效应和表面情况非常敏感，而且一旦位错产生后，强度就大大下降。在实际生产中，强化材料走的是第二种途径。晶须是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小（微米数量级），不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空穴等），其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。二、材料的强化从理论上来看，提高材料强度有两条途径：①完全消除内部的位错和其它缺陷，使材料的强度接近理论强度。②在材料中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。第二种方法：设法在金属中引入大量的晶体缺陷，大大增加位错之间、位错和其它晶体缺陷之间的交互作用，从而阻碍位错的运动，导致金属抗变形能力被大大提高。形变硬化合金强化细晶强化化学强化沉淀强化。。。金属强化方法（1）形变硬化金属材料大量形变以后强度会提高。二、材料的强化举例1：高强度冷拔钢丝，它是工业上强度最高的钢铁制品，抗拉强度可以达到4000MPa,这就是用强烈冷变形的方法取得的。举例2：下图为冷变形对工业纯铜性能的影响，随变形量增大，铜的屈服强度与抗拉强度提高，而塑性下降。（1）形变硬化金属材料大量形变以后强度会提高。二、材料的强化（1）加工硬化金属材料大量形变以后强度会提高。例如：一根铜丝经过适当弯折后会变硬，这是因为发生的塑性形变产生了大量的位错，位错密度的提高使得金属强度提高。单晶体的典型加工硬化曲线：τ~θ曲线的斜率θ=dτ/dθ称为“加工硬化速率”单滑移，位错移动和增殖所遇到的阻力很小发生多系滑移，位错运动困难多滑移过程二、材料的强化（2）细晶强化二、材料的强化晶界的定义①晶界存在于多晶体中，指周期性排列的点阵的取向发生突然转折的区域；②根据点阵取向的突变程度不同和转折区域构造的差异，一般分为大角度晶界和小角度晶界；③对于纯金属多晶体中大角晶界的厚度大约为几个原子间距，但含有异类原子的合金的晶界厚度则大得多。（2）细晶强化二、材料的强化晶界强化现象左图为仅由两个晶粒构成的试样，在经过拉伸变形后会出现明显的“竹节”现象，即试样在远离夹头和晶粒中部出现明显的颈缩，而在晶界附近则难以变形。由于晶界附近为两晶粒晶格位向的过渡之处，原子排列紊乱；晶界处的杂质原子较多，增大了晶格畸变；因而位错在晶界附近的滑移阻力大，故难以发生变形。（2）细晶强化二、材料的强化晶界强化的原因①由于晶界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向有差异的另一个晶粒上；②但多晶体变形必须满足连续性条件（以保持各晶粒之间微观的连续性），为了使邻近的晶粒也发生滑移，就必须外加以更大的力，因此，晶界就是滑移的障碍；③也说明晶界阻碍变形的能力并不是晶界自身拥有很高的强度；④在金属强化中，大角度晶界起的作用是主要的。（2）细晶强化霍尔-佩奇公式：二、材料的强化21dkyisky是与材料有关、与晶粒大小无关的常数；d为晶粒直径；σi是位错在单晶体中运动时的摩擦阻力，它与晶粒大小无关。晶界是位错运动的障碍，因而晶粒愈细小，晶界的总面积愈大，位错的运动愈困难，材料的强度也因为发生的塑性形变产生了大量的位错，位错密度的提高使得金属强度提高。就愈高。另外一点很重要，细化晶粒在提高金属强度的同时，也使其塑性与韧性得以提高（通常结构和工具材料对热处理后晶粒度的要求不是出于强度上的考虑，而是希望在韧性方面取得一点点好处）。晶粒愈细，单位体积中晶粒愈多，变形时，同样的变形量便可分散到更多的晶粒中，产生较均匀的变形而不致造成局部应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。（3）固溶强化二、材料的强化固溶体纯金属应变应力合金的应变强化能力比纯金属要高，Why?位错机理：融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。（3）固溶强化二、材料的强化①因溶剂和溶质原子的尺寸差异而在固溶体内引起的弹性应力场。它除了增加位错运动的摩擦阻力外，在“稀”的固溶体中突出地表现在对位错的钉扎作用上。②由于溶质原子的溶入，合金的弹性模量会发生变化，特别是在位错的周围形成原子气团之后，弹性常数的变化使位错应力场也发生变化，从而会引起位错和溶质原子间更大的交互作用能；③电子浓度因素：电子对应力场同样是敏感的。在有弹性应力场的晶体缺陷区域电子会较多地集中到张应力地段，这样就产生了电偶极子的作用，溶质原子与带电荷的位错区域之间就有电交互作用，从而促使溶质更倾向于在位错的周围偏聚；（3）固溶强化二、材料的强化④层错能比较低的晶体点阵中存在有堆垛层错，堆垛层错的结构与基体并不相同。异类原子溶入某基体后，除了层错能大小会变化，层错区的宽窄也跟着伸缩，从而使扩张位错的分解或合成所需的外力也要变化外，溶质原子在层错区和基体的溶解度是不一样的。晶体发生塑性变形时，当扩张位错沿滑移面平移的时候，以及它分解、合成、交集的时候，上述浓度的差异并不能和扩张位错的运动作同步的变化。由于塑性变形破坏了这种热力学的平衡，所以位错的运动同样要求外界提供更大的能量。⑤无论是短程有序的还是偏聚状态的固溶体，在塑性变形的同时，其有序区域或偏聚区域将遭到破坏。引起这种稳定状态破坏的塑性变形是要付出更多的能量作为代价的。固溶强化的特点：（1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大；（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大；（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；（3）溶质原子与基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。（3）固溶强化二、材料的强化（4）沉淀强化二、材料的强化铝-铜合金的时效在各种工业部门（特别是航空工业）中，高强度铝合金已经得到广泛的应用。以铝为基的材料取得高强度的基本途径之一是依靠铝的过饱和固溶体的时效硬化。（4）沉淀强化二、材料的强化时效处理经过三个步骤：①固溶：首先将合金加热到溶解度曲线以上的α单相区，以获得均匀的α固溶体；②急冷：在固溶温度，合金中只含α相。将其急冷至室温时，原子没有足够的时间扩散至其潜在的形核位置，因而θ相无法形成。急冷后，合金中依然只含α相，此时，α相中的含铜量大大超过其溶解度，是一种过饱和固溶体。这是一种非平衡结构。③时效。将过饱和的α相加热到低于溶解度曲线的某一温度进行保温，这一温度即为时效温度。在平衡相θ相形成之前，非平衡相区和θ’会形成。它们与基体是共格的。共格析出相原子面与基体原子面是连续过渡的，基体晶格在很大区域中发生畸变。当位错移动时，即使经过共格析出相的附近区域，也会大大受阻。从而产生强化。（4）沉淀强化二、材料的强化沉淀强化机理：增加的相界面1)切断这种情形多数出现在质点与基体仍然存在着共格联系的情况下;增加表面能;当一个大小为b的位错通过质点后,在质点两边增加表面;质点的弹性模量大于基体,因而位错切过质点后需要附加的能量;相界面的弹性应力场也是位错前进的阻力;（4）沉淀强化二、材料的强化沉淀强化机理：2)绕过:当质点长大到其尺寸已经使位错难以借切断的方式通过的时候,位错就只能用绕过的方式前进了。此时，一般质点与基体没有共格联系。当质点较大时，位错采取绕过机制越过质点二、材料的强化（5）弥散强化如果材料中添加的合金元素太多，以致超过了其溶解度，就会出现第二相，形成两相合金。在这两种相之间的界面上的原子排列不再具有晶格完整性。在金属等塑性材料中，这些相界面会阻碍位错的滑移，从而使材料得到强化，这就是弥散强化的由来。在弥散强化合金中，一定存在着一种以上的相，含量大的连续分布的相称为基体，而第二相则一般是数量较少的析出物。二、材料的强化思考：陶瓷材料的强化途径有哪些？其机理是什么？三.陶瓷材料的增韧陶瓷材料的致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响了陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧性，实现材料强韧化，提高其可靠性和使用寿命，才能使陶瓷材料真正地成为一种广泛应用的新型材料。因此，陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。三.陶瓷材料的增韧最原始的增韧方法—层状增韧一枝易折弯,几枝竹断节难层状结构复合陶瓷模型和独石结构陶瓷模型的载荷--位移曲线三.陶瓷材料的增韧陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，那么如何阻止裂纹扩展呢？①分散裂纹尖端应力；②消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；③转换裂纹扩展的能量。思考：陶瓷断裂的主要原因？三.陶瓷材料的增韧思考：针对陶瓷断裂的主要原因，采取哪些措施可以阻止裂纹扩展，从而起到增韧作用？三.陶瓷材料的增韧相变增韧微裂纹增韧裂纹偏折和弯曲增韧裂纹分支增韧桥联与拔出增韧延性颗粒增韧残余热应力增韧压电效应损耗能量增韧电畴翻转增韧复合韧化机制3.1相变增韧三.陶瓷材料的增韧3.1相变增韧三.陶瓷材料的增韧ZrO2颗粒弥散在其他陶瓷(包括ZrO2本身)基体中，由于两者具有不同的热膨胀系数，烧结完成后，在冷却过程中，ZrO2颗粒周围则有不同的受力情况，当它受到压抑，四方相ZrO2（t-ZrO2）的相变也将受到压抑。使得瓷体中部分t-ZrO2在烧成冷却过程中以亚稳态保存下来。在室温时,ZrO2颗粒仍以四方相存在,它有一种力图膨胀而变成单斜相的自发倾向；当外力作用时,陶瓷的内应力可使四方相的ZrO2粒子解除约束,发生四方相ZrO2(t-ZrO2)转变成单斜相(m-ZrO2)的马氏体相变,引起体积膨胀。3.1相变增韧三.陶瓷材料的增韧而相变颗粒的剪切应力和体积膨胀对基体产生压应变,使裂纹停止延伸,以致需要更大的能量才使主裂纹扩展。即在裂纹尖端应力场的作用下,ZrO2粒子发生四方相单斜相的相变而吸收了能量,外力做了功,从而提高了断裂韧性。另外，相转变增韧也是可以应用于功能陶瓷的。如：铁电/压电性畴转变增韧机制，在压电陶瓷材料中，利用使产生裂纹的外应力转变为电能，从而达到增韧的目的。3