材料强化基本原理

第十章材料的强韧化

第一节材料强化基本原理

结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。

一、金属材料的强化原理

纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象，

称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作

用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可

分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。

（1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的

长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相

位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要

看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位

错截交成弯曲形状。如图10—l所示．

图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。

x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。

处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强，

这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力

求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形

状。相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要

式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故

从图10—1看，沿着xx＇方向，单位长度上有1／y个溶质原子。用柯氏气团的概念，如果位错和溶质原子交互作用能为U0，则单位长度位错受溶质钉扎将降低的能量为

所以

设C为溶质原子百分数，在滑移面单位面积上有1／62个原子，其中有C／62个为溶质原子。又注意到面积xy上只摊上一个原子，所以C/b2≈1/xy，所以式(10—4)可写为

此式表明在强钉扎下，推动位错所需的临界切应力既与溶质-位错相互作用能U0。成正比也与溶质浓度C 成正比。实验表明面心立方合金在常温下的固溶强化符合这样的规律。

(2)有序固溶强化

当一个位错在具有短程有序因溶体中运动时，由异类原子对构成的局部有序受到破坏，引起能量升高，必须付出破坏短程有序提高能量的代价，位错才能运动。若位错扫过单位面积而增高的能量为E，则位错运动的阻力是

设固溶体短程有序度为a,N为二元合金的原子总数，x为B组元的摩尔分数，l-x为A组元的摩尔分数，w是原子对作用能差值，即

对于面心立方结构的短程有序固溶体，位错扫过（111）上的单位面积提高的能量是

式中：a位晶胞参数。位错所遇到的阻切应力应等于E/b，故

注意b=a/21/2。这是面心立方结构二元合金具有短程有序度a时所产生的强化作用。

2．细晶强化

多晶体金属的晶粒边界通常是大角度晶界，相邻的不同取向的晶粒受力产生塑性变形时，部分施密特(Schmid,E.)因子大的晶粒内位错源先开动，并沿一定晶面产生滑移和增殖。滑移至晶界前的位错被晶界阻挡。这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，且造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。当应力场作用于位错源的作

用力等于位错开动的临界应力时，相邻晶粒内的位错源开动、滑移与增殖，造成塑件形变。塞积位错应力场强度与塞积位错数目和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源，这就意味着，细晶粒产生塑性受形要求更高的外加作用力，也就体现了细晶粒对金属材料强化的贡献。

在霍尔—佩奇(Hall,E,O-Petch,N.J.)公式。中为晶粒平均直径，Ky反映了位错被溶质原子特别是C、N等原子的订扎程度和塑性形变时可以参加滑移的滑移系数目，滑移系少则Ky大。

应该指出，霍尔—佩奇(Hall,E,O-Petch,N.J.)公式适用的晶粒尺寸有一个界限，例如0．3—400μm。因为d＜0．3μm的非常细小的晶粒内提供不出足够数量的位错，以构成足够强度的应力集中应力场，而比400μm更为粗大的晶粒再多些塞积位错数目，对应力集中应力场强度的影响也不大。

3.位错强化

从金属晶体完整的概念出发．提高强度最为直接的方法是消除其中所存在的缺陷，主要是消除位错，制造完整晶体。但金属晶体的缺陷理论又指出，晶体中的位错密度ρ达到一定值后也可以有效地提高金属的强度。位借间的弹性交互作用可造成位错运动的阻力，表现为强度的增高。通过热处理和冷塑性变形以提高位错密度是钢材强化的重要手段之一。

当晶体中的位错的分布比较均匀时，流变应力τ和位错密度间存在培莱－赫许(Bailey，J．E-Hirsch，P．B)关系式．即

(10—13)

式中：ρ为位错密度；G为切变模量；b为柏氏矢量；a为系数，多晶体铁素体a＝0．4；参量τ0表示位错交互作用以外的因素对位错运动所造成的阻力。由上式可见．当ρ增高时，τ也增大。在金属晶体受到外力作用时，内部增殖大量位错。位错的增殖是塑性变形造成的，所以流变应力的增大率与塑性应变的增大率有关，即流变应力的增大率取决于塑性形变引起的位错密度的增大率。

4．沉淀相颗粒强化

多相合金的高强度基础是由位错与沉淀析出相的交互作用而产生的，弥散分

布的沉淀相颗粒是阻碍位错运动的最有效的障碍物。当强化效果等效于固溶强化

时，它对塑性的削弱作用用比较小。

沉淀相颗粒强化效果视颗粒在钢材屈服时本身可否塑变而定，另外，第二相

的分布方式也可有不同的强化效应。

(1)可形变颗粒的强化作用

所谓可形变颗粒系指这沉淀相通常处于与母相共格状态。颗粒尺寸小＜

15nm，可为运动的位错所切割。因此可变形颗粒的强化效应与以下几个方面有

关：

①第二相颗粒具有不同于基体的点阵结构和点阵常数，当位错切过共格颗粒

时，在滑移面上造成错配的原子排列，因而增大位错运动的作功；

②沉淀相颗粒的共格应力场与位错的应力场之间产生弹性交互作用，位错通

过共格应变区时，会产生一定的强化效应；

③位错切过颗粒后形成滑移台阶，增加界面能，加大位错运动的能量消耗；

④当颗粒的弹性切变模量高于基体时，位错进入沉淀相便增大位错自身的弹性畸变能，引起位错的能量和线张力变大，位错运动遇到更大的阻力．述分析表明：与基体相完全共格的沉淀相颗粒具有显著的强化效应。

(2)不可形变颗粒的强化作用

不可变形颗粒具有较高硬度和一定尺寸并与母相部分共格或非共格的沉淀相颗粒。位错遇到这类颗粒无法切过颗粒，只能沿着颗粒围绕，绕过的最大角θ可达到π，每一条位错绕过粒颗后留下一个位错圈(环)，面后恢复平直状态，继续向前推移。位错的能量是正比于其长度的，因此位错遇到颗粒，滑移受到阻碍面发生弯曲时，必须增高外加切应力以克服位错弯曲而引起的位错线张力的加大。作用于位错线的切应力增值△τbs与位错线张力增量2Tsinθ的平衡表明，附加切应力τ是以补偿位错线弯成曲线长度，和绕过角θ所引起的能量增大，

于是可有，当θ很小时sin/θ/2≈θ/2，s≈λp=rθ，λp

为有效的颗粒间距，r为位错弯曲线的曲率半径，又T＝1/2·Gb2得到

△T＝Gb/rθ，b为柏氏矢量．当位错弯曲得使r1＝λp/2时，τ将为最大，或者说要使位错围绕颗粒所需要的最大附加切应力，即临界切应力为

这就是不可变形颗粒对屈服强度的贡献。这个位错围绕颗粒的强化机制是由奥罗万(Orowan，E)提出的，是一个比较成功的理论，也得到实验上的证实。可见位错绕过粒子所需的切应力反比于颗粒间距．故当沉淀相颗粒的半径为r，体积分数为f，且在基体上是弥散分布时，那么可导出沉淀相颗粒强化对合金屈服强度的贡献，即

f很小时可简化为

综上所述，不可变形颗粒的强化作用反比于颗粒尺寸，而正比于其数目。

(3)粗大的沉淀相群体的强化作用

在钢中粗大的沉淀相颗粒成群分布，如奥氏体不锈钢的δ相和碳钢或低合金钢中的珠光体会产生显著的强化作用。当两个相所组成的组织是一种不同晶粒尺寸的多晶体时，一个相晶粒的预先形成可以明显地影响另一个相晶粒的成长，可

以规定另一个相的生长范围，并有可能引起另一个相晶粒细化，沉淀相的作用大小与沉淀相的形态、分布和数量，以及每一沉淀物承受外力的能力有关。

由两个相混合组成的组织的强化主要是由于：

①纤维强化；

②—个相对另一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化，直到末形变的相开始形变为止；

③在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错。

5．强化作用的更加

如上所述，各个强化机制的作用对强度贡献虽有不同，但所起作用是一致的，而对其他性能，特别是塑性则有差异。从此也可以看出，霍尔—佩奇

(Hall,E,O-Petch,N.J.)公式中的σ1内容是很复杂的，它包含着除开细晶强化作用以外的其他的所有强化因子，可写为

式中；σ1取决于温度和形变速率，是与P—N力密切相关的．σ2是为组织因素决定的，可有

式中：△σsh、

△σph和△σdh相应

的为固溶强化、沉淀

强化和位错强化所引

起的强度增量。影响

△σsh、△σph和

△σdh的因素是多方面的，在当前要准确计算尚有不少困难。但对于具体钢种可以通过实验予以测定。图l0—6为铁素体+珠光体型C—Mn钢于不同C量时各个强化因子对强度的贡献。

二、高聚物的强化原理

高分子材料的强化主要有以下几个方面：

(1)引入极性基链间作用力对高聚物的机械强度有着很大的影响，对不同的高聚物，为了比较它们分子链间的作用力的大小，一般取长度为0．5nm，配位数为4时计算出来的作用能数值。链上极性部分越多，极性越强，链间作用

力就越大；

(2)链段交联在环境温度高于玻璃温度Tg时，随着交联程度的增加，交联键的平均距离缩短，高分子材料的断裂强度将会进一步增大，屈服强度和弹性模量也会大幅度提高；

(3)结晶度和取向结晶性高分子材料的结晶度和大分子取向对其强度有着明显的影响．实际的结晶性尚聚物中存在着晶区和非晶区，一个大分子链可以贯穿好几个晶区和非晶区。在非晶区分子链是卷曲和互相缠结的，因而当结晶性高聚物受力时，可使应力分散并导致分子微晶取向化，使强度得到提高。结晶度的增大使高分子的密度增大，而且微晶还会起到物理交联的作用，使应力均匀分布，断裂强度上升；

(4)定向聚合定向聚合是提高高分子材料结构上均一性的有效方法，能使高聚物的密度、拉伸弹性模量和物理性能、机械性能都有了提高。

第二节材料的韧化基本机理

一、金属材料的韧化原理

韧性是断裂过程的能量参量，是材料强度与塑性的作用综合表现，当不考虑外因时，断裂过程实际上包括裂纹形核所要求的塑性形变，以及裂纹的形核和扩展。通常是以裂纹形核和扩展的能量消耗或裂纹扩展抗力来标志材料韧性的。

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，从而反映出不同的断裂方式，以及不同的断裂机制；它涉及到位错的运动，位错间弹性交互作用，位错与溶质原子和沉淀相弹性交互作用，以及组织形态，其中包括基体、沉淀相和晶界的作用。这些作用结果体现了组织结构对裂纹的形核和扩展的促进或缓和，显示为材料的韧化或脆化。

金属材料的断裂类型主要分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂系指在断裂之前发生一定的塑性变形，例如宏观塑性变形不小于5％；脆性断裂则包括解理断裂、沿晶断裂．韧性断裂是微孔形成、聚集长大的过程，在这种断裂机制中，塑性变形起着主要作用．因此改善金属材料韧性断裂的途径是：

①减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量；

②提高基体塑性，从面可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗；

③增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中；

④避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展；

1．位错强化与塑性和韧性

金属材料的位错密度ρ对其塑性和韧性的影响是双重的。一般地，位错密度提高，其金属材料的拉伸塑性和韧性都降低。现在认为，均匀分布的位错对韧性的危害小于位错列阵，所以，可动的未被锁住的位错对韧性损害小于被沉淀物或固溶原于锁住的位错。位错遭到订扎，表明塑性变形受到抑制，塑性就将降低．当位错密度增大时，位错间的交互作用便增强，使位错的可动性降低，并提高流变应力。

2．固溶强化与塑性

(1)在保证强度的前提下，提高塑性，可以提高材料的韧性。通常在合金元素中，以Si和Mn对铁的塑性损害较大，且置换固溶量越多，塑性应变越低。

增大体心立方点阵金属的脆性解理断裂抗力是令人感兴趣的问题．实际上α-Fe置换固溶Ni，已成为改善塑性的主要手段。另外加入Pt、Rh、Ir和Re 也可优化塑性。其中Pt的作用尤具吸引力，它不但改善塑性，也有相当大的强化效应。Ni改善塑性的原因是促进交滑移，特别是基体金属在低温下易于发生交滑移。关于Pt等元素的塑化机制还没有确切的解释．

(2)α-Fe固溶碳量低于0．2％，例如低碳马氏体的a/c≈1，不出现点阵正方度的畸变，全部溶质原子偏聚于刃位错线附近(ρ＝1011-l012cm-2)。严格说，低碳位错型马氏体并不是真实的间隙固溶体，只有当c＞0．2％时才出现。α-Fe点阵的间歇固溶。因此低碳位错型马氏体，位错可带着气团在铁原子完全规则排列的基体中运动，表现出良好的塑性。低碳位错型马氏体的强韧配合是比较合理的。

3．细化晶粒与塑性

改变金属材料基体相的晶粒尺寸对塑变性能的影响是十分令人感兴趣的问题。因为唯独细化晶粒既能提高强度，又能明显优化塑性和韧性。在生产实际上，实现晶粒细化的办法有很多种，而且都非常有效。依据裂纹形成的断裂理论，晶粒尺寸(d)与裂纹扩展临界应力σc，以及冷脆转化温度Tc的关系有以下的式子：

(10—22)

又 (10—23)

式中：γp为比表面能，即裂纹扩展时每增加单位表面积所消耗的功(大部分消耗于塑性变形)；k y为Petch斜率；β、B和C为常数．当γp定值时，d小则σc高。凡是可提高σc值的因素均能改善塑性。显微组织结构分析表明，当晶粒尺寸较小时，晶粒内的空位数目和位错数目都比较少，位错与空位，以及位错间的弹性交互作用的机遇相应减少，位错将易于运动，亦即表现出好的塑性；又位错数目少，位错塞积数日减少。只能造成轻度的应力集中，从而推迟微孔和裂纹的萌生，增大断裂应变。此外，细晶粒为同时在更多的晶粒内开动位错和增殖位错提供了机遇，亦即细晶粒能使塑性变形更为均匀，表现出较高的塑性。 4．沉淀相颗粒与塑性

总的来说，析出相沉淀强化危害塑性。这是因为沉淀相颗粒常以本身的断裂，或颗粒与基体间界的脱开作为诱发微孔的地点，从而降低塑性应变，以致断裂。已经知道：

①沉淀相颗粒越多，提高流变应力越显著，而塑性越低；

②呈片状的沉淀相对塑性损害大，呈球状的析出相损害小；

③均匀分布的沉淀相对塑性削弱小；

④沉淀相沿晶界的连续分布，特别是网状析出降低晶粒间的结合力，明显危害塑性。

二、高聚物的韧化原理

高聚物在拉伸中由于内部结构的不均一性导致裂纹尖端应力集中，产生塑性应变，引发大量银纹，称为银纹化。银纹首先在与应力垂直的方向上增厚，直到增厚的银纹进一步演变成裂缝。这个过程加快了裂纹尖端区域弹性质变能的释放，即应变能释放率gc加大。对于韧性高分于材料gc有一临界值gic，gc＞gic时，材料会发生韧脆转变。研究显示，材料的韧性是拉伸试验速率的函数，裂纹尖端的有效应变速率往往比标称应变速率高得多。随着应变速率的增加，gic减小，即越容易出现gc＞gic，导致材料发生韧—脆转化，在银纹化过程中

gic主要消

耗在银纹的形成相变形上。

材料纤不同拉伸速度拉拉伸所得到的应

力一应变曲线如图10—8，曲线下的面积是

材料的冲击韧性值。拉伸速度增大应力应受

曲线间纵轴靠近，断裂强度增大，伸长率减

小，曲线下的总面积减小，即冲击韧性下降。

如果提高温度，使试验温度向于人则断裂强

度下降，断裂伸长率增大。断裂伸长率的大

小往往对材料的冲击韧性起着更大的作用，

通常材料冲击韧性随着伸长率增大而增大。

非晶态高分子链越柔顺，相对分子质量越大，在外力作用下，能将较多的外加动能变为热能(内分子内摩擦产牛)，则其冲击韧性越高。

三、无机非金属材料的韧化机理

陶瓷实际上是各种无机非金属材料的通称，同金属和高聚物一起成为现代工程材料的支柱。陶瓷受载时不发生塑性变形就在较低的应力下断裂，因此韧性极低，这是阻碍陶瓷作为结构材料广泛应用的主要原因。陶瓷的增韧机制主要合相变增韧和微裂纹增韧。

1.相变增韧

处于陶瓷基体内的ZrO2存在着的可逆相变特性，晶体结构的转变伴有3％一5％的体积膨胀。ZrO2颗粒弥散分布于陶瓷基

吉林大学,考研,材料科学 金属材料的强化方法

1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。第二, 合金组元与基体金属的 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)

材料成型基本原理第十八章答案

第十九章思考与练习 1.主应力法的基本原理和求解要点是什么？ 答：主应力法（又成初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，但不考虑变形体内的应变状态。其基本要点如下： ⑴把变形体的应力和应变状态简化成平面问题（包括平面应变状态和平面应 力状态）或轴对称问题，以便利用比较简单的塑性条件，即 G -二=七S。对于形状复杂的变形体，可以把它划分为若干形状简单的变形单元，并近似地认为这些单元的应力应变状态属于平面问题或轴对称问题。 ⑵根据金属流动的方向，沿变形体整个（或部分）截面（一般为纵截面）切取包含接触面在 内的基元体，且设作用于该基元体上的正应力都是均布的主应力，这样，在研究基元体的力的平衡条件时，获得简化的常微分方程以代替精确的偏微分方程。接触面上的摩擦力可用库仑摩擦条件或常摩擦条件等表示。 ⑶在对基元体列塑性条件时，假定接触面上的正应力为主应力，即忽略摩擦 力对塑性条件的影响，从而使塑性条件大大简化。即有二X- J y=叙（当二X > 二y） ⑷将经过简化的平衡微分方程和塑性条件联立求解，并利用边界条件确定积分常数，求得接 触面上的应力分布，进而求得变形力。 由于经过简化的平衡方程和屈服方程实质上都是以主应力表示的，故而得名“主应力法”。 2 .一20钢圆柱毛坯，原始尺寸为-5Qmm 50mm ,在室温下镦粗至高度h=25mm 设接触表面摩擦切应力E =0.2丫。已知Y =746 ￡2Q MPa ,试求所需的变形力P和单位流动压力P O

解：根据主应力法应用中轴对称镦粗得变形力算得的公式 . Y 而本题.=0.2Y 与例题.=mk , k =—相比较得：m=0.4,因为该圆柱被压缩至 2 h=25mm 根据体积不变定理，可得r e =25 ,2 , d=50 2 ,h=25 又因为 Y = 746 ；0.2 （1 -—2 ） 15 3 .在平砧上镦粗长矩形截面的钢坯，其宽度为 a 、高度为h ,长度 l a ,若接触面上的摩擦条件符合库仑摩擦 定律，试用主应力法推导单位流动压力 P 的表 达式。 解：本题与例1平面应变镦粗的变形力相似，但又有 其不同点，不同之处在于■= U^y 这个摩擦条件，故在 2U ；二 y ^y LdX 中是一个一阶微分方程， J 算得的结果不一样，后面的答案也不 h 一样， 4 .一圆柱体，侧面作用有均布压应力 G ,试用主应力法求镦粗力 P 和单位流动压力p （见图19-36） 解：该题与轴对称镦粗变形力例题相似，但边界条件不一样，当r =r e ,二 re -J 0 而不是二re =0 ,故在例题中，求常数C 不一样: 2 . C = X e ? 2k 飞0 h 2τ ■ -y （X -X e ） 2k — h m d P = 丫（1 图 19-36

金属材料的强化方法

第五章金属材料的强化方法 一、金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构

图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。 由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，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。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这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面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率 εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算： ?+=f l d d d l εεεε σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类：

管理学原理与方法周三多第六版

第一篇 第一章管理与管理学 第一节人类的管理活动 一：人类活动的特点(目的性、依存性、知识性) 二：管理的必要性 三：管理的概念 第二节管理的职能与性质 一：管理的职能（计划、组织、领导、控制、创新） 二：管理的自然属性 三：管理的社会属性 第三节管理者的角色与职能 一：管理者的角色（人际角色、信息角色、决策角色） 二：管理者的职能 罗伯特卡次的研究，管理者必须具备三种技能：（技术技能、人际技能、概念机能）第四节管理学的对象与方法 一：管理学的研究对象 二：管理学的研究方法 （一）归纳法（二）试验法（三）演绎法 第二章管理思想的发展 第一节中国传统管理思想 一：中国传统思想形成的社会文化背景 二：中国传统管理思想的要点 第二节西方传统管理思想 一：西方早期管理思想的产生 1：亚当斯密《国富论》1776（英国） 2：查理巴贝奇（英国） 3：罗伯特。欧文（英国的空想主义家） 二：科学管理理论的产生和发展（19世纪末20世纪初） （一）“泰罗”的科学管理理论——科学管理之父 亨利。甘特：布雷斯及他的妻子： （二）对“泰罗制”的评价 （三）法约尔的“组织管理理论” 第三节西方现代管理思想的发展 一：行为科学学派 霍桑试验： 1：需求层次理论——马斯洛 2：双因素理论——赫茨伯格 3：X、Y理论 4：Z理论——威廉。大内 二：“管理科学”学派 三：“决策理论”学派 四：对现代管理理论的思考 五：新经济时代管理思想的变革

（一）管理思想的创新 （二）管理原则的创新 （三）经营目标创新 （四）经营战略创新 （五）生产系统创新 （六）企业组织创新 第三节中国现代管理思想的发展 一：中国现代管理思想形成的历史背景 （一）中国官僚资本企业和民族资本企业的管理 （二）我国革命根据地公营企业的管理 （三）全面学习西方的管理模式 （四）探索中国现在管理模式 二：社会主义经济管理体制改革 （一）由国内管理向国际化管理转化 （二）由科学管理向信息化管理转化 （三）由首长管理向人性化管理转化 （四）由政府管理向民营化管理转化 （五）由封闭式实体管理向开放式虚拟管理转化 第三章管理的基本原理 第四章第一节管理原理的特征 第五章一：管理原理的主要特征 第六章二：研究管理原理的意义 第七章第二节系统原理 第八章一：系统的概念 第九章二：系统的特征 第十章三：系统原理要点 第十一章第三节人本原理 第十二章一：职工是企业的主体 第十三章二：有效管理的关键是职工参与 第十四章三：现代管理的核心是使人性得到最完美的发展 第十五章四：管理是为人服务的 第十六章第四节责任原理 第十七章一：明确每个人的职责 第十八章二：职位设计和权限委任要合理 第十九章三：奖惩要分明，公正而及时 第二十章第五节效益原理 第二十一章一：效益的概念 第二十二章二：效益的评价 第二十三章三：效益的追求 第四章信息化管理 第一节信息与信息化 一、信息的含义 二、信息化的内涵 三、信息化的影响

材料成型基本原理习题答案

第一章习题 1 . 液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？答：（1）液体与固体及气体比较的异同点可用下表说明 （2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明： ①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化?V m/V为3%~5%左右， 表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 ②金属熔化潜热?H m约为气化潜热?H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间距r1各表示什么？ 答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。 N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。 r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。 3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。 答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。 近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团 （2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证 ①偶分布函数的特征

工程材料强化方法综述

工程材料强化方法综述 xxx 【摘要】本文主要包括金属固溶体强化，第二项强化，形变强化，细化晶粒强化，热处理强化以及表面热处理和化学热处理等。 【关键词】固溶体位错细化晶粒退火正火淬火回火 【作者简介】李洪民机制本科班 引言 随着现代科技的发展，越来越多的材料被运用到日常的生活生产之中，这就使得强化和处理材料成为工程材料应用的重要问题之一，通过各类强化和处理手段，既可以提高材料的力学性能，充分发挥材料的潜力又可以获得一些特殊要求的性能，以满足各种各样使用条件下对材料的要求。 1.固溶体强化 1.1固溶体定义及表示方法 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。 1.2.固溶体的分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子; 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。 1.3.固溶体强化机理 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 2.金属化合物强化（第二相强化） 复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。使得合金强度、硬度和耐磨性都有所提高。对于位错的运动来说，合金所含的第二相有以下两种情况：（1）、不可变形微粒的强化作用。（2）、可变形微粒的强化作用。 弥散强化和沉淀强化均属于第二相强化的特殊情形。 3.形变强化 金属在冷变形过程由于位错使得强度和硬度提高但塑性下降，该现象被称为加工硬化。多用于不可热处理强化的金属材料。 4.细化晶粒强化 金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织，晶粒的大小对金属的力学性能物理性能和化学性能均有很大影响细晶组织的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好。这是因为，晶粒越细一定体积中的晶粒数目越多，在同样的变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀不致产生应力集中的现象。此外，晶粒细化，晶界就越多，越曲折，越不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前能承受较大的塑性变形，表现较高的塑性和韧性。常见细化晶粒方法如下：

管理学原理与方法课后习题答案11905

第一章 1.人类活动的特点是什么？为什么管理实践与人类历史同样悠久？ 答：三个基本特点：目的性、依存性、知识性。这三个特点为人类的管理实践提供了客观条件，所以管理实践与人类历史同样悠久。 2．何谓管理？管理的基本特征是什么？ 答：管理是管理者为了有效地实现组织目标、个人发展和社会责任，运用管理职能进行协调的过程。特征：1、管理是人类有意识有目的的活动2、管理应当是有效的3、管理的本质是协调4、协调是运用各种管理职能的过程。 3. 管理活动具有哪些基本职能？它们之间的关系是什么？ 答：基本职能有：计划、组织、领导、控制、创新。每一项管理工作一般都是从计划开始，经过组织、领导到控制结束。各职能之间同时相互交叉渗透，控制的结果可能又导致新的计划，开始又一轮新的管理循环。创新在这管理循环之中处于轴心的地位，成为推动管理循环的原动力。 4.分析管理二重性的基本内容。 答：管理的自然属性，管理的出现是由人类活动的特点决定的，管理性质并不以人的意志为转移，也不因社会制度意识形态的不同而有所改变。管理的社会属性，管理是为了达到预期目的而进行的具有特殊职能的活动，是为了使人与人之间的关系以及国家、集体和个人的关系更加和谐。 5.一个有效的管理者需要扮演哪些角色？需要具备哪些技能？ 答：有人际角色、信息角色、决策角色。技能：技术技能、人际技能、概念技能。 6.分析管理学的研究对象及其方法目标。 答：各种管理工作中普遍适用的原理和方法。方法：归纳法、实验法、演绎法。 第二章 1.理解中国古代管理思想要点的主要内容，并思考对现代企业经营有何启示。比如，中国古代法制思想的基本原则是什么？ 答：顺“道”、重人、人和、守信、利器、求实、对策、节俭、法治。现代企业做到这几点才能在企业中得人心，每个人都积极做好自己的工作，企业工作效率才会提高。“明法、一法”明法是法律公布于世。一法是在法律面前人人平等。 2.请综合分析斯密与巴贝奇关于劳动分工的研究。 答：斯密认为日用必需品供应情况的好坏，决定于两个因素：一是这个国家的人民的劳动熟练程度、劳动技巧和判断力的高低；二是从事游泳劳动的人数和从事无用劳动人数的比例。巴贝奇提出了“边际熟练”原则认为分工可以减少支付工资这一好处。 3.科学管理理论为什么会在19世纪末的美国产生？泰罗为什么要研究并提出科学管理理论？其理论的实质是什么？其理论的主要内容是什么？并谈谈科学管理理论对目前我国企业管理的启发。 答：因为当时随着生产的发展，科学技术的进步，自由竞争的资本主义也逐步走向垄断的资本主义。单凭经验进行生产和管理已经不能适应这种剧烈争夺的局面了。泰罗认为单凭经验进行管理的方法是不科学的，必须加以改变。实质是谋求最高工作效率。内容：1.对工人提出科学的操作方法，以便合理利用工时，提高工效。2.在工资制度上实行差别计件制。3.对工人进行科学的选择、培训和提高。4.制定科学的工艺规程，并用文件形式固定下来以利推广。5.使管理和劳动分离，把管理工作称为计划职能，工人的劳动称为执行职能。

金属材料的强化机理讲解

材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理

摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变

Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition

材料成型基本原理期末考试总结

名词解释 1溶质平衡分配系数;特定温度T*下固相合金成分浓度C*S与液相合金成分C*L达到平衡时的比值。 2缩孔：纯金属火共晶合金铸件中最后凝固部位形成的大而集中的孔洞； 缩松:具有宽结晶温度温度范围的合金铸件凝固中形成的细小而分散的缩孔； 3沉淀脱氧：将脱氧元素（脱氧剂）溶解到金属液中以FeO直接进行反应而脱氧，把铁还原的方法。 4均质形核:形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，所以也成“自发形核”（实际生产中均质形核是不太可能的）非均质形核:依靠外来质点或型壁界面而提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。 5.简单加载:是指在加载过程中各应力分量按同一比例增加，应力主轴方向固定不变。 6.冷热裂纹:冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹，热裂纹是金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的开裂现象 7.最小阻力定律:当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动. 填空 1.动力学细化四个内容:铸型振动、超声波振动、液相搅拌、流变铸造 2.铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同的形态的晶区 3.细化铸件宏观凝固组织的措施有合理地控制浇注工艺和冷却条件、孕育处理、动力学细化等三个方面 4.微观偏析的两种主要类型为晶内偏析与晶界偏析，宏观偏析按由凝固断面表面到内部的成分分布，有正常偏析与逆偏析两类 5.铸造过程中的气体主要来源是熔炼过程和浇注过程和铸型 6.我们所学的特殊条件下的凝固包括快速凝固和失重条件下凝固和定向凝固 7.液态金属（合金）凝固的驱动力由过冷度提供，而凝固时的形核方式有：均质形核和非均质形核两种 8.晶体的生长方式有连续生长和台阶方式生长两种 9.凝固过程的偏析可分为：微观偏析和宏观偏析两种 10.液体原子的分布特征为:长程无序，短程有序，即液态金属原子团的结构更类似于固态金属 11.Jakson因子α可以作为固液界面微观结构的判据，凡α<=2的晶体，其生长界面为粗糙，凡α>5的晶体，其生长界面为光滑 12.液态金属需要净化的有害元素包括碳氧硫磷 13.塑形成形中的三种摩擦状态分别是干摩擦、流体摩擦、边界摩擦 14.对数应变的特点是具有真实性、可靠性、和可加性 15.就大多数金属而言，其总的趋势是随着温度的升高，塑形增加 16.钢冷挤压时，需要对胚料表面进行磷化、皂化润滑处理 选择题1.塑形变形时，工具表面粗糙度对摩擦系数的影响（A）工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响 A大于B等于C小于 2.塑形变形时，不产生硬化的材料叫做（A）A理想塑形材料B理想弹性材料C硬化材料 3.用近似平衡微分方程和近似塑形条件求解塑形成形问题的方法称为（B）A解析法B主应力法C滑移线法 4.韧性金属材料屈服时（A）准则较符合实际的 A密席斯B屈雷斯加C密席斯与屈雷斯加 5.塑形变形之前不产生弹性变形（或者忽略弹性变形）的材料叫做（B）A理想弹性材料B理性刚塑形材料C塑形材料 6.硫元素的存在使碳钢易产生（A）A热脆性B冷脆性C兰脆性 7.应力状态中的（B）应力，能充分发挥材料的塑形A拉应力B压应力C拉应力与压应力 8.平面应变时，其平均正应力σs（B）中间主应力σz.A大于B等于C小于 9.钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑形、韧性（B）.A提高B降低C没有变化 简答题1.简述顺序凝固原则和同时凝固原则的优缺点和适用范围 答：（1）铸件的顺序凝固原则是采取各种措施保证铸件各部分按照距离冒口的远近，由远及近朝着冒口方

钢铁材料的强化手段与应用

钢铁材料的强化手段及其应用 赵刚领 （化学工程学院化学工程与工艺1143084077） 摘要：随着现代工业和科学技术的不断发展,人们对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。特别是在航空、国防以及高科技领域，一般的金属材料已不能满足它们的要求。因此，对钢铁材料进行强化应用已变得刻不容缓。本文主要概述了人们目前对钢铁材料强化的方法，并介绍了强化钢在不同领域的应用。 关键词：钢铁材料强化手段应用 金属是通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高材料的强度。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。 钢铁材料的强度是其抵抗变形和断裂的能力，而要满足钢铁材料高强度的要求，就必须对它进行强化处理。强化钢铁材料的手段,一般可加入合金元素(加入微量元素如V、Nb、Ti 等)通过调质处理使其析出强化、控制轧制及冷却方法等 对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、分散强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等，这些方法往往是共存的，强化一般伴随着韧性、塑性的降低，但有时也不会降低甚至有所提高。而在工程上更加切实有效的方法是在晶体中引入大量缺陷及阻止位错的运动来提高金属的强度。 由于各种强化方法对钢铁材料强度的不同影响，采用不同强化手段后可使铁的强度提高，这些手段包括固溶强化、细晶强化、冷变形强化、马氏体强化、形变一相变强化、形变强化和脱溶强化等多种强化方法，形变热处理和冷拔高碳钢丝的强度已接近晶须的强度。 1、固溶强化 固溶强化是将合金元素加入到钢铁材料基体金属中形成固溶体以达到强化金属的方法。一般来说,固溶体总是比组成基体的纯金属有更高的强度和硬度,随着合金元素含量的增加,钢的强度和硬度提高。但是当合金元素的含量适当时,固溶体不仅具有高的强度和硬度,而且有良好的塑性和韧性。它是利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。 2、分散强化

金属材料的强化方法和位错的关系

陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。 首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。 其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。 第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。 第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体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增强，因而位错运动变得越来越困难。 第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标

材料成型基本原理课后答案

第十三章思考与练习 简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。 答：滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。 孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。 设有一简单立方结构的双晶体，如图13-34所示，如果该金属的滑移系是{100} <100>，试问在应力作用下，该双晶体中哪一个晶体首先发生滑移？为什么？ 答：晶体Ⅰ首先发生滑移，因为Ⅰ受力的方向接近软取向， 而Ⅱ接近硬取向。 试分析多晶体塑性变形的特点。 答：①多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。 ②多晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。 ③多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。 ④多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大， 金属的强度高。金属的塑性越好。 4. 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？ 答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。 5. 合金的塑性变形有何特点？ 答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。 单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用， 多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。 根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显着的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。 6. 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？ 答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带； 晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状； 晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。 对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。 随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。 7. 产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？ 答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。 加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。 8. 什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？ 答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。 对于层错能高的金属，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。 9. 什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？

材料的强化

1. 材料强化的类型：主要有晶界强化、固溶强化、位错强化、沉淀强化和 弥散强化、相变强化等。 2. 强化机制： (1) 晶界强化： 晶界分为大角度晶界(位向差大于10o)和小角度晶界(亚晶界，位向差1~2o)。晶界 两边相邻晶粒的位向和亚晶块的原子排列位向存在位向差，处于原子排列不规则的畸 变状态。晶界处位错密度较大，对金属滑移(塑性变形)、位错运动起阻碍作用，即晶界 处对塑性变形的抗力较晶内为大，使晶粒变形时的滑移带不能穿越晶界，裂纹穿越也 困难。因此，当晶粒越细，晶界越多，表现阻碍作用也越大，此时金属的屈服强度也 越高。 方法： 根据晶界强化的原理，在热处理工艺方法上发展了采用超细化热处理的新工艺，即细化奥氏体(A)晶粒 或碳化物相，使晶粒度细化到十级以上。由于超细化作用，使晶界面积增大，从而对金属塑性变形的抗力 增加，反映在力学性能方面其金属强韧性大大提高。 如果奥氏体晶粒细化在十级以上，则金属的强韧性将大大提高，为达此目的，现代发展的热处理新技 术方法有以下三种。 ①利用极高加热速度的能量密度进行快速加热的热处理。 由于极高的加热能量密度，使加热速度大大提高，在10-2 ~1s 的时间内，钢件便可加热到奥氏体(A)状 态，此时A 的起始晶粒度很小，继之以自冷淬火(冷速达104 ℃/s 以上)，可得极细的马氏体(M)组织，与一 般高频淬火比较硬度可高出Hv50，而变形只有高频淬火的1/4~1/5，寿命可提高1.2~4倍。 ②利用奥氏体(A)的逆转变 钢件加热到 A 后，淬火成M，然后快速(20s)内重新加热到 A 状态，如此反复3~4 次，晶粒可细化到 13~14级。 ③采用A-F两相区交替加淬火 采用亚温淬火(F+A 双相区加热)，在提高材料强韧性的同时显著降低临界脆化温度，抑制回火脆性。 在A-F两相区交替加热，可使A/F相界面积大大增加，因而使奥氏体形核率大大增多，晶粒也就越细化。 (2) 固溶强化： 是利用金属材料内部点缺陷(间隙原子置换原子)对金属基体(溶剂金属) 进行强化。它分为两类：间隙式固溶强化和置换式固溶强化。 a. 间隙式固溶强化：原子直径很小的元素如C、N、O、B 等，作为溶质元素溶入 溶剂金属时，形成间隙式固溶体。C、N 等间隙原子在基体中与“位错”产生弹性 交互作用，当进入刃型位错附近并沿位错线呈统计分布，形成“柯氏气团”。当在螺 型位错应力场作用下，C、N 原子在位错线附近有规则排列就形成“snock”气团。 7这些在位错附近形成的“气团”对位错的移动起阻碍和钉扎作用，对金属基体产生 强化效应。

设计管理的基本原理与方法

第三章设计管理的基本原理与方法 设计管理是一个过程，在这个过程中，企业的各种设计活动，包括产品设计、环境设计、视觉传达设计等，被合理化和组织化。另外，设计管理还要负责处理设计与其它管理功能的关系，并负责有效地使用设计师。 在设计管理的过程中，设计管理者扮演了组织者、协作者、整合者、同中求异者、传达沟通者及媒介者等诸多角色。本章在管理学的基础上，总结归纳出设计管理的基本原理与方法。 第1节设计管理的基本原理 原理是指某种客观事物的实质及其运动的基本规律。设计管理原理是对设计管理工作的实质内容进行科学分析总结而形成的基本原理，除具有管理原理的基本特征外，还具有自己的独特特点。 一、系统原理是指将产品创新设计的整个过程视为一个开放式系统，运用系统理论和系统方法，对设计要素、设计组织、设计过程进行系统分析，旨在优化设计管理系统的最优功能，以实现企业产品的整体优化和产品创新的总体目的。 在一项产品创新设计过程中，管理工作的内部存在着错综复杂、相互制约的关系，而且还表现在这一管理工作与其他管理工作之间也存在着这种错综复杂、相互制约的关系。任何一种关系处理不好，任何一个环节出现问题，都会对设计管理系统的正常活动带来不利的影响。因此，这就要求设计管理者必须坚持系统理论和方法论，通盘考虑，全面权衡，综合处理它们之间的各种问题。 产品创新设计系统内诸要素都不是孤立地存在的，其性质必然满足系统存在的一切条件。一方面，系统的整体目标规定着要素的根本性质及其存在和发展；另一方面，要素又随着管理系统是开放而同外部环境以及其它系统发生着各种形式的“输入和输出”，表现为一种相互制约、相互促进的动态相关图景。设计管理强调运用系统理论和方法，在确定和不确定的条件下，对管理对象诸要素及其相互关系进行充分的系统管理和综合，以实现设计管理的最优化目标。 为了正确贯彻设计管理系统的原理，必须掌握它的三个主要观点： 1、目的性观点 设计管理意义上的“目的”一词，是指设计管理系统存在的依据和最终目标。没有目的的设计管理系统是毫无意义和价值的系统；目的不明确或混淆了不同的目的，都必然会造成设计管理系统的紊乱。一般讲，设计管理对象在未经管理之前呈无序状态。设计管理的任务就在于：通

金属材料的强化方法

金属材料的强化方法 金属材料的强化途径，主要有以下几个方面； (1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括： 1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。 2)提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化．通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化。含金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构．使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类： 1)沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3．NbC 等，二是六方晶系，如M02、W2C、wc等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。 2）马氏体强化。金属材料经过淬火和随后同火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身：世在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩敞速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化品界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，足由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的品格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；B还减缓了合金元素沿晶界的扩放过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如： 1)固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。 2)结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。 3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳裁荷的构件，常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。 4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用．进一步提高材料的高温强度。

材料成型基本原理第十八章答案

第十九章思考与练习 1．主应力法的基本原理和求解要点是什么？ 答：主应力法（又成初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化 的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，但不考虑变形体内的应变状态。其基本要点如下： ⑴把变形体的应力和应变状态简化成平面问题（包括平面应变状态和平面应力状态）或轴对称问题，以便利用比较简单的塑性条件，即13s σσβσ-=。对于形状复杂的变形体，可以把它划分为若干形状简单的变形单元，并近似地认为这些单元的应力应变状态属于平面问题或轴对称问题。 ⑵根据金属流动的方向，沿变形体整个（或部分）截面（一般为纵截面）切取包含接触面在内的基元体，且设作用于该基元体上的正应力都是均布的主应力，这样，在研究基元体的力的平衡条件时，获得简化的常微分方程以代替精确的偏微分方程。接触面上的摩擦力可用库仑摩擦条件或常摩擦条件等表示。 ⑶在对基元体列塑性条件时，假定接触面上的正应力为主应力，即忽略摩擦力对塑性条件的影响，从而使塑性条件大大简化。即有 x y Y x y σσβσσ-=（当＞） ⑷将经过简化的平衡微分方程和塑性条件联立求解，并利用边界条件确定积分常数，求得接触面上的应力分布，进而求得变形力。 由于经过简化的平衡方程和屈服方程实质上都是以主应力表示的，故而得名“主应力法”。 2．一20钢圆柱毛坯，原始尺寸为mm 50mm 50?φ，在室温下镦粗至高度 h =25mm ，设接触表面摩擦切应力Y 2.0=τ 。已知MPa 74620 .0ε =Y ，试求所需的 变形力P 和单位流动压力p 。

解：根据主应力法应用中轴对称镦粗得变形力算得的公式)61(h d m Y p + = 而本题Y 2.0＝τ与例题2 ,Y k mk =＝τ相比较得：m=0.4,因为该圆柱被压缩至 h=25mm 根据体积不变定理，可得225=e r ， d=502 ,h=25 又因为Y ＝746) 15 221(2.0+ ε 3．在平砧上镦粗长矩形截面的钢坯，其宽度为a 、高度为h ，长度 l a ，若接触面上的摩擦条件符合库仑摩擦 定律，试用主应力法推导单位流动压力p 的表达式。 解：本题与例1平面应变镦粗的变形力相似，但又有 其不同点，不同之处在于y u στ＝这个摩擦条件，故在 dx h u d y y σσ 2- =中是一个一阶微分方程，y σ 算得的结果不一样，后面的答案也不 一样， 4．一圆柱体，侧面作用有均布压应力0 σ，试用主应力法求镦粗力P 和单位流动压力p (见图19-36)。 解：该题与轴对称镦粗变形力例题相似，但边界条件不一样，当e r r = ,0σσ=re 而不是0=re σ，故在例题中，求常数c 不一样： 22στ++=k x h c e 2)(2σ τσ ++-- =∴k x x h e y 图 19-36