無機(jī)材料物理性能第二章-1o0913

1、無機(jī)材料物理性能Chapter 2 無機(jī)材料的受力形變 2.1 無機(jī)材料的應(yīng)力、應(yīng)變無機(jī)材料的應(yīng)力、應(yīng)變 各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，稱稱為形變。為形變。 不同類型材料的幾種典型的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的差別是比較大。幾種典型材料在室溫下的應(yīng)力幾種典型材料在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線低碳鋼低碳鋼蘇打石灰石蘇打石灰石鋁合金（鋁合金（5454-H34)聚氯乙烯聚氯乙烯 一、應(yīng)力一、應(yīng)力 單位面積上所受的力 工程應(yīng)力（名義應(yīng)力）： 真實(shí)應(yīng)力（真應(yīng)力）:（2-1） 作用于材料某一平面上的外力可以分解為兩個(gè)相互垂直的外力，一個(gè)垂直于作用面，一個(gè)平

2、行于作用面，由此可以定義兩種應(yīng)力正應(yīng)力和剪應(yīng)力正應(yīng)力和剪應(yīng)力。 FS 外力方向與作用面垂直的應(yīng)力為正應(yīng)正應(yīng)力力（或法向力），以表示。00FS正應(yīng)力作用的結(jié)果，引起材料的伸長或縮短。正應(yīng)力作用的結(jié)果，引起材料的伸長或縮短。 FS0S外力方向與作用面方向平行時(shí)的應(yīng)力為剪應(yīng)力。外力方向與作用面方向平行時(shí)的應(yīng)力為剪應(yīng)力。 剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動。在剪應(yīng)力作用在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切變形。下發(fā)生剪切變形。F 圍繞材料內(nèi)部一點(diǎn)P取一體積單元，體積單元的六個(gè)面均垂直于坐標(biāo)軸x,y,z。在這六個(gè)面上的作用力可分解為法向力zzyyxx,和剪應(yīng)力yzxzxy, 。應(yīng)力分量：應(yīng)力分量：。 一點(diǎn)的應(yīng)力狀

3、態(tài)有六個(gè)應(yīng)力分量決定，即和剪應(yīng)力。 每個(gè)面上有一個(gè)法向力和兩個(gè)剪應(yīng)力。 zyzy二、應(yīng)變二、應(yīng)變應(yīng)變是用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對位移的。 如果有一根長度為L0的桿，在單向拉應(yīng)力作用下被拉長到L，則其應(yīng)變的定義為： 00lnLtrueLLdLLL（2-2）（2-3）000LLLLL這種應(yīng)變稱為工程應(yīng)變（或名義應(yīng)變）。真實(shí)應(yīng)變：工程上都用工程應(yīng)變。FS0S剪應(yīng)變的定義為：物體內(nèi)部一體積元上的兩個(gè)面元（或特征剪應(yīng)變的定義為：物體內(nèi)部一體積元上的兩個(gè)面元（或特征面上的兩個(gè)線元）之間的夾角的變化。面上的兩個(gè)線元）之間的夾角的變化。 x、y間的剪應(yīng)變就定義為： xy在o點(diǎn)處沿x方向的正應(yīng)變是xxxu

4、dxdxxu/同理,yvyy，zwzzoA及及oB之間的夾角的變化之間的夾角的變化：dxxvv，B點(diǎn)沿x方向的位移為dyyuu()vvvdxvxx， 。由于這些位移, A與A 之間在y方向的距離為。首先看體積元各方向的拉伸應(yīng)變：。A點(diǎn)沿y方向的位移為因此，OA與OA之間的夾角為：1vvdxvxxtguuxdxdxxx同理，B與B之間在x方向的距離為()uuudyuyy則oB與oB之間的畸變夾角為：1uudyuyytgvvydydyyy，那么， xyuvyx 此即為平面xz與yz之間的剪應(yīng)變。同樣地也可以求出另外兩個(gè)剪應(yīng)變來。 zuxwywzvxvyuzxyzxy 和一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可有六個(gè)應(yīng)力分

5、量來決定一樣，一點(diǎn)的一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)也可由與應(yīng)力分量對應(yīng)的六個(gè)應(yīng)變分量來決定：即應(yīng)變狀態(tài)也可由與應(yīng)力分量對應(yīng)的六個(gè)應(yīng)變分量來決定：即三個(gè)剪應(yīng)變分量及三個(gè)伸長應(yīng)變分量。三個(gè)剪應(yīng)變分量及三個(gè)伸長應(yīng)變分量。（2-6）把三個(gè)剪應(yīng)變都寫出來即為： 2.2 材料的彈性變形材料的彈性變形一、虎克定律一、虎克定律1各向同性材料簡單應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律各向同性材料簡單應(yīng)力狀態(tài)的虎克定律 設(shè)想一長方體，各棱邊平行于坐標(biāo)軸，在垂直于x軸的兩個(gè)面上受有均勻分布的正應(yīng)力x，如下圖所示。 長方體在x軸向的相對伸長可表示為： Exx 式中。E為彈性模量，對各向同性體來說為一常數(shù);LLx（2-7）當(dāng)長方體伸長時(shí)，側(cè)向要發(fā)生橫向收

6、縮。x方向的收縮為單獨(dú)作用下，在y、zcccccy bbbbbz。設(shè)橫向變形系數(shù) xzxy 叫做泊松比，由上式可得 Exxy xzxE 對于剪切和扭轉(zhuǎn)情況下，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變之間的關(guān)系可表示為：（2-8）（2-9） G式中G為剪切模量或剛性模量。yxzzzxyyzyxxEEE111GGGzxzxyzyzxyxy（2-10）（2-11）2各向同性材料的廣義虎克定律各向同性材料的廣義虎克定律如上述長方體各面上分別受有均勻分布的正應(yīng)力，此時(shí)虎克定律表示為：對于剪切應(yīng)變則有：3E、G和和的關(guān)系的關(guān)系)1 (2EG（2-12） 體彈性模量體彈性模量：K在各向同等的壓力（等靜壓）在各向同等的壓力（等靜壓）P

7、作用下，作用下，Pzyx，則由（2-10）式可得：) 12()2(1EPPPEzyx（2-13）相應(yīng)的體積變化率為：相應(yīng)的體積變化率為： 1)1)(1)(1 (VV) 12(33EPVV定義定義各向同等的壓力各向同等的壓力P除以體積的變化為材料的體積模量除以體積的變化為材料的體積模量K,即即 )21 (3) 12(3EEVVPK （2-15）（2-14）材料的體積模量材料的體積模量K又稱為流體靜壓模量又稱為流體靜壓模量 對于各向異性材料，各種彈性常數(shù)隨方向而不同，即： zxyzxyzyxEEE,n 在單向受應(yīng)力時(shí)，y, z, x三個(gè)方向的應(yīng)變?yōu)椋簒xxyxxyxyzSE21（2-16）式中xy

8、xES21，稱之為彈性柔順系數(shù)彈性柔順系數(shù)。同理 xzxxxxzxzxESSE3131, xxxxxxESSE1,11114各向異性材料的虎克定律各向異性材料的虎克定律y向：z向：x向：如果同時(shí)受有三個(gè)方向的正應(yīng)力正應(yīng)力的作用，則在x、y、z方向的應(yīng)變分別為：121321233132xxyzxyyxzyzzxyzSSESSESSE112233111xyzSESESE111213222123333132xxyzyyxzzzxySSSSSSSSS 令令（2-17） 對于同時(shí)受有三向復(fù)雜應(yīng)力三向復(fù)雜應(yīng)力的各向異性材料，除正應(yīng)力對應(yīng)變有上述關(guān)系以外，剪應(yīng)力也會對正應(yīng)變有影響。而且，正應(yīng)力也會對剪應(yīng)變有

9、影響。因此，對各向異性體在微小變形時(shí)，其廣義虎克定律寫成三向通式為：xyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyxxyzxyzxyzzzyyxxzxyzxyzzzyyxxyxyzxyzzzyyxxxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211（2-18）（2-18）式我們可以寫成以下矩陣形式：）式我們可以寫成以下矩陣形式： xyzxyzzyxxyzxyzzyxSSSSSSSSSSSSSSSSS

10、SSSSSSSSSSSSSSSSSSS666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211 上式可簡寫為：上式可簡寫為： S（2-18） 柔順系數(shù)具有倒順關(guān)系，即柔順系數(shù)具有倒順關(guān)系，即 ijjiSS，如211212EE 1221SS即即 完全彈性體的彈性變形是可逆的，如果其變形是在等溫或絕完全彈性體的彈性變形是可逆的，如果其變形是在等溫或絕熱中進(jìn)行，則外界對彈性體所作的功熱中進(jìn)行，則外界對彈性體所作的功dW將全部轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)將全部轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變能，即彈性體的內(nèi)能，從而有：變能，即彈性體的內(nèi)能，從而有：

11、dW = dU。由熱力學(xué)定律：。由熱力學(xué)定律： xxyyzzyzyzzxzxxyxydWddddd （2-21） xyzyzzxxyxyzyzzxxyUUUUUUdUdddddd（2-22） 。,xyzxyzUUU,yzzxxyyzzxxyUUU比較上兩式，可有： xyyx22,yxyxyxxyUU如果對求偏導(dǎo)，對求偏導(dǎo)，即：所以yxyx比較（2-16）式： xxxyxxyxyxSE21有2112,yxxySS 所以， 1221SS因此就有：ijjiSS即S矩陣是一個(gè)對稱矩陣。 xyzxyzzyxxyzxyzzyxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS6665

12、64636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211（2-18） S的數(shù)目有36個(gè)減至21個(gè)。 312312665544332211,SSSSSSSSS；六方晶系六方晶系S數(shù)減為數(shù)減為5個(gè)：個(gè)：1366443311,SSSSS； 立方晶系減為立方晶系減為3個(gè)：個(gè)：124411,SSS 由于晶體的對稱性，由于晶體的對稱性，S的數(shù)目還可以減少。如斜方晶系可減成的數(shù)目還可以減少。如斜方晶系可減成9個(gè)：個(gè)：因此（2-18）也可以寫成：xyzxyzzyxxyzxyzzyxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS6656

13、55464544363534332625242322161514131211二、彈性模量二、彈性模量 彈性模量彈性模量E是一個(gè)重要的材料常數(shù)，反映的是原子間距的微小變化所是一個(gè)重要的材料常數(shù)，反映的是原子間距的微小變化所需外力的大小，因此，它也是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)志。需外力的大小，因此，它也是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)志。 1。彈性模量的影響因素。彈性模量的影響因素 固體中兩個(gè)原子間的引力和斥力與原子間距的關(guān)系可以寫成：固體中兩個(gè)原子間的引力和斥力與原子間距的關(guān)系可以寫成： 12krBrAf 原子間結(jié)合力弱（曲線原子間結(jié)合力弱（曲線1），），1較小，那么較小，那么tg1較小，較小，E1也就??；

14、原子間結(jié)合力強(qiáng)（曲線也就??；原子間結(jié)合力強(qiáng)（曲線2），），2較大，那么較大，那么tg2較大，較大，E2也就大。從鍵也就大。從鍵和強(qiáng)度上來說，共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，和強(qiáng)度上來說，共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強(qiáng)，結(jié)合力強(qiáng)，E值都較大，分子鍵結(jié)合的結(jié)合力值都較大，分子鍵結(jié)合的結(jié)合力弱，弱，E較低。從圖中還可以看出，改變原子間較低。從圖中還可以看出，改變原子間距離將會影響距離將會影響E的大小。的大小。2。復(fù)合材料的彈性模量。復(fù)合材料的彈性模量（1）兩相應(yīng)變相同）兩相應(yīng)變相同E/E/EE2211VEVEEU（2-45）式中：式中：E1，E2分別為第一相與第二相的彈分別為第一相與第二相的彈 性性模

15、量；模量；V1，V2分別為第一相與第二相的體積分分別為第一相與第二相的體積分?jǐn)?shù)；數(shù)；EU為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，也稱為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，也稱上限模量。上限模量。 （2）兩相應(yīng)力相同）兩相應(yīng)力相同 12212111221VEVEEEEorEVEVELL 對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面的對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈性模量：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈性模量： )9 . 09 . 11 (20ppEE 式中，式中，E0為無氣孔時(shí)材料的彈性模量；為無氣孔時(shí)材料的彈性模量； p為氣孔率。為氣孔率。（2-47）（2-48）2.3 粘彈性與滯彈性粘彈性與滯彈性)()(0ttEc0)()(

16、ttEr 一些非晶體有時(shí)甚至是多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘一些非晶體有時(shí)甚至是多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性，這種性能特征，稱為性，這種性能特征，稱為粘彈性粘彈性。滯彈性（彈性后效）：滯彈性（彈性后效）：是指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生是指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能的附加彈性應(yīng)變的性能。（應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。）。（應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象。） 當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)變將隨時(shí)間當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)變將隨時(shí)間而增加，這種現(xiàn)象叫做而增加，這種現(xiàn)象叫做蠕變?nèi)渥?，此時(shí)物體的彈性模量，此時(shí)物體的彈性模

17、量也將隨時(shí)間而減小：也將隨時(shí)間而減?。?當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)力將隨時(shí)當(dāng)對粘彈性體施加恒定應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)力將隨時(shí)間而減小，這種現(xiàn)象叫做間而減小，這種現(xiàn)象叫做弛豫弛豫，此時(shí)物體的彈，此時(shí)物體的彈性模量也將隨時(shí)間而減?。盒阅Ａ恳矊㈦S時(shí)間而減?。簩椥孕巫?，彈性模量有兩個(gè)范圍：對滯彈性形變，彈性模量有兩個(gè)范圍： 如果測量時(shí)間很短，與時(shí)間有關(guān)的形變還沒有發(fā)生，測得的如果測量時(shí)間很短，與時(shí)間有關(guān)的形變還沒有發(fā)生，測得的應(yīng)力和應(yīng)變之比叫應(yīng)力和應(yīng)變之比叫未弛豫模量未弛豫模量。 如果測量時(shí)間足夠長，則應(yīng)力與長時(shí)間形變后的總應(yīng)變量之比，如果測量時(shí)間足夠長，則應(yīng)力與長時(shí)間形變后的總應(yīng)變量之比，稱稱弛豫模

18、量弛豫模量。 長時(shí)間的應(yīng)變大于瞬時(shí)應(yīng)變，因此，長時(shí)間的應(yīng)變大于瞬時(shí)應(yīng)變，因此，弛豫模量弛豫模量小于小于未弛豫模未弛豫模 量。量。2.4 無機(jī)材料的塑性變形及超塑性無機(jī)材料的塑性變形及超塑性MgO、KBr晶體彎曲晶體彎曲實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 塑性變形是指一種在外力去除后不能恢復(fù)的變形，材料塑性變形是指一種在外力去除后不能恢復(fù)的變形，材料經(jīng)受此種變形而不破壞的能力叫經(jīng)受此種變形而不破壞的能力叫延展性（或塑性）。延展性（或塑性）。與高碳鋼的應(yīng)與高碳鋼的應(yīng)力力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線類似？類似？ ！LiF晶體的應(yīng)晶體的應(yīng)力力-撓度曲線撓度曲線 與低碳鋼的應(yīng)與低碳鋼的應(yīng)力力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線

19、類似類似 一、一、 晶格的滑移晶格的滑移 晶體受力時(shí)，其一部晶體受力時(shí)，其一部分相對于另一部分發(fā)生分相對于另一部分發(fā)生的平動，就稱為的平動，就稱為滑移滑移； 而其一部分相對于另一而其一部分相對于另一部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動，就稱部分發(fā)生的轉(zhuǎn)動，就稱為為孿晶孿晶。 1晶格滑移的條件晶格滑移的條件 從從晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)上來看上來看，晶體中的滑移總是發(fā)生在主要晶面和晶體中的滑移總是發(fā)生在主要晶面和主要晶向上，也就是說滑移只能在一定的晶面（滑移面）且主要晶向上，也就是說滑移只能在一定的晶面（滑移面）且只能沿此面上的一定方向（滑移方向）進(jìn)行。只能沿此面上的一定方向（滑移方向）進(jìn)行。一個(gè)特定的滑一個(gè)特定的滑移面和這

20、個(gè)面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系統(tǒng)。移面和這個(gè)面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系統(tǒng)?；泼婊泼嫱ǔＪ窃优帕凶罹o密的晶面，而滑移方向也常常是滑移面通常是原子排列最緊密的晶面，而滑移方向也常常是滑移面上原子最密排的方向。上原子最密排的方向。 從從靜電作用靜電作用考慮考慮，同號離子存在巨大的斥力，如果在滑移，同號離子存在巨大的斥力，如果在滑移過程中相遇，滑移將無法實(shí)現(xiàn)。過程中相遇，滑移將無法實(shí)現(xiàn)。 舉例舉例 該式為施密特定律。該式為施密特定律。coscos0sAFAFcoscos此應(yīng)力在滑移方向上的分剪應(yīng)力為：此應(yīng)力在滑移方向上的分剪應(yīng)力為：coscoscoscoscosAF0時(shí)，s2臨界滑移力

21、臨界滑移力當(dāng)滑移面上滑移面上F方向的應(yīng)力為方向的應(yīng)力為 3金屬與非金屬滑移難易的比較金屬與非金屬滑移難易的比較 coscoscoscos 如果晶體只有一個(gè)滑移系統(tǒng)，則產(chǎn)生滑移的機(jī)會就很小?；绻w只有一個(gè)滑移系統(tǒng)，則產(chǎn)生滑移的機(jī)會就很小。滑移系統(tǒng)多的話，對其中一個(gè)滑移系統(tǒng)來說，可能移系統(tǒng)多的話，對其中一個(gè)滑移系統(tǒng)來說，可能較小，但對另一個(gè)滑移系統(tǒng)來說，較小，但對另一個(gè)滑移系統(tǒng)來說，到臨界剪應(yīng)力的機(jī)會就較多。金屬易于滑移而產(chǎn)生塑性變形，到臨界剪應(yīng)力的機(jī)會就較多。金屬易于滑移而產(chǎn)生塑性變形，就是因?yàn)榻饘倩葡到y(tǒng)很多，如體心立方的鐵、銅等金屬滑就是因?yàn)榻饘倩葡到y(tǒng)很多，如體心立方的鐵、銅等金屬滑移

22、系統(tǒng)有移系統(tǒng)有48個(gè)之多，而無機(jī)材料的滑移系統(tǒng)卻很少。原因是個(gè)之多，而無機(jī)材料的滑移系統(tǒng)卻很少。原因是金屬鍵沒有方向性，而無機(jī)材料的離子鍵或共價(jià)鍵具有明顯金屬鍵沒有方向性，而無機(jī)材料的離子鍵或共價(jià)鍵具有明顯的方向性。如果同號離子相遇，斥力極大，只有個(gè)別滑移系的方向性。如果同號離子相遇，斥力極大，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)才能滿足統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件幾何條件與靜電作用條件。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滿。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滿足這種條件就越困難。因此只有為數(shù)不多的無機(jī)材料晶體在足這種條件就越困難。因此只有為數(shù)不多的無機(jī)材料晶體在室溫下具有塑性。室溫下具有塑性。 可能就較大，達(dá)可能就較大，達(dá)二、塑性形變機(jī)理二、

23、塑性形變機(jī)理1.位錯(cuò)的概念位錯(cuò)的概念 位錯(cuò)又可稱為差排（位錯(cuò)又可稱為差排（英文英文：dislocation），在），在材料科學(xué)材料科學(xué)中，指中，指晶體材料晶體材料的的一種內(nèi)部微觀缺陷，即一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子原子的局部不規(guī)則排列（的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)晶體學(xué)缺陷）。從缺陷）。從幾何幾何角度角度看，位錯(cuò)屬于一種看，位錯(cuò)屬于一種線缺陷線缺陷，可視為晶體中已，可視為晶體中已滑移滑移部分與未滑移部分的分界線，部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的其存在對材料的物理物理性能，尤其是性能，尤其是力學(xué)力學(xué)性能，具有極大的影響。性能，具有極大的影響。“位錯(cuò)位錯(cuò)”這這一概念最早由一概念最早由意大利意大利數(shù)

24、學(xué)家數(shù)學(xué)家和和物理學(xué)家物理學(xué)家維托維托伏爾特拉伏爾特拉（Vito Volterra）于）于1905年年提出。提出。 理想位錯(cuò)主要有兩種形式：刃位錯(cuò)（理想位錯(cuò)主要有兩種形式：刃位錯(cuò)（edge dislocations）和）和 螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)（screw dislocations）。）。若假設(shè)有一原子平面在晶體內(nèi)部中斷，那么這個(gè)原子面中斷處的若假設(shè)有一原子平面在晶體內(nèi)部中斷，那么這個(gè)原子面中斷處的邊緣就是一個(gè)刃型位錯(cuò)，它好似一把刀刃插入晶體中。位錯(cuò)在外邊緣就是一個(gè)刃型位錯(cuò)，它好似一把刀刃插入晶體中。位錯(cuò)在外力的作用下會產(chǎn)生運(yùn)動、堆積和纏結(jié)，位錯(cuò)附近區(qū)域產(chǎn)生晶格畸力的作用下會產(chǎn)生運(yùn)動、堆積和纏結(jié)，位錯(cuò)

25、附近區(qū)域產(chǎn)生晶格畸變，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度升高。位錯(cuò)的存在和運(yùn)動對塑性變形，起著變，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度升高。位錯(cuò)的存在和運(yùn)動對塑性變形，起著至關(guān)重要的作用。至關(guān)重要的作用。刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖 補(bǔ)充：補(bǔ)充：柏氏矢量柏氏矢量（Burgers vector）是描述位錯(cuò)實(shí)質(zhì)的重要物理）是描述位錯(cuò)實(shí)質(zhì)的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。量。反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度，位錯(cuò)的許多性質(zhì)如位錯(cuò)的能量，所受的力，應(yīng)力場，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其有關(guān)。它也表示能量，所受的力，應(yīng)力場，位錯(cuò)反應(yīng)等均與其

26、有關(guān)。它也表示出晶體滑移時(shí)原子移動的出晶體滑移時(shí)原子移動的大小和方向大小和方向。柏氏矢量柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形狀的位錯(cuò)只有具有守恒性，一根不分叉的任何形狀的位錯(cuò)只有一個(gè)柏氏矢量。一個(gè)柏氏矢量。柏氏矢量的確定方法柏氏矢量的確定方法: 柏氏矢量可通過柏氏回路（柏氏矢量可通過柏氏回路（Burgers circuit）來確定。在含）來確定。在含有位錯(cuò)的實(shí)際晶體中作一個(gè)包含位錯(cuò)發(fā)生畸變的回路，然后將有位錯(cuò)的實(shí)際晶體中作一個(gè)包含位錯(cuò)發(fā)生畸變的回路，然后將這同樣大小的回路置于理想晶體中，此時(shí)回路將不能封閉，需這同樣大小的回路置于理想晶體中，此時(shí)回路將不能封閉，需引一個(gè)額外的矢量引一個(gè)額外的矢

27、量b連接回路，才能使回路閉合，這個(gè)矢量連接回路，才能使回路閉合，這個(gè)矢量b就就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量。它的方向表示滑移方向，其大是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量。它的方向表示滑移方向，其大小一般是一個(gè)原子間距。小一般是一個(gè)原子間距。 柏氏矢量確定柏氏矢量確定2. 塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動理論塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動理論 (1)位錯(cuò)的運(yùn)動速度位錯(cuò)的運(yùn)動速度 kTHevv)(0 （2-72）式分析：）式分析： 1）當(dāng)無外力時(shí)，）當(dāng)無外力時(shí)，H() = h , 比比kT大得多。大得多。 2）位錯(cuò)只能在滑移面上運(yùn)動，只有滑移面上的分剪應(yīng)力才能）位錯(cuò)只能在滑移面上運(yùn)動，只有滑移面上的分剪應(yīng)力才能使使H()減小。減小。

28、 3）溫度升高時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動的速度加快。）溫度升高時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動的速度加快。（2-72） tlv tltnbc 設(shè)在時(shí)間設(shè)在時(shí)間t內(nèi)，長度為內(nèi)，長度為l的試件的的試件的形變量為形變量為l，應(yīng)變?yōu)?，?yīng)變?yōu)閐tdll應(yīng)變率,如果如果ll l平面內(nèi)有平面內(nèi)有n n個(gè)位錯(cuò)，參與形變的滑移平面上的位錯(cuò)密度個(gè)位錯(cuò)，參與形變的滑移平面上的位錯(cuò)密度為為 2lnD 位錯(cuò)運(yùn)動的平均速度為位錯(cuò)運(yùn)動的平均速度為單位時(shí)間內(nèi)的滑移量為單位時(shí)間內(nèi)的滑移量為（2-74）(2)形變速率形變速率位錯(cuò)形成能：位錯(cuò)形成能： 2aGbE ms)(三、塑性形變速率對屈服強(qiáng)度的影響三、塑性形變速率對屈服強(qiáng)度的影響 塑性形變速率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系

29、：塑性形變速率與屈服強(qiáng)度的關(guān)系：Dbcvtllbcnltncbltldtd2則宏觀應(yīng)變率為則宏觀應(yīng)變率為（2-75） （2-76） 各種材料在常溫下的應(yīng)力敏感性指數(shù)值各種材料在常溫下的應(yīng)力敏感性指數(shù)值四、四、 陶瓷材料的超塑性陶瓷材料的超塑性（一）一般規(guī)律（一）一般規(guī)律 相變超塑性相變超塑性（transformation superplasticity）：）： 主要是靠陶瓷在承載時(shí)的溫度循環(huán)產(chǎn)生相變來使材料獲得主要是靠陶瓷在承載時(shí)的溫度循環(huán)產(chǎn)生相變來使材料獲得超塑性。超塑性。 組織超塑性組織超塑性（structural superplasticity）：）： 是靠特定的組織在恒定應(yīng)變速率下獲得

30、超塑性。是靠特定的組織在恒定應(yīng)變速率下獲得超塑性。陶瓷細(xì)晶超塑性的機(jī)理：晶界滑移機(jī)制陶瓷細(xì)晶超塑性的機(jī)理：晶界滑移機(jī)制 Al2O3陶瓷的超塑性拉伸曲線陶瓷的超塑性拉伸曲線 工程應(yīng)變（二）（二）Al2O3&ZrO2陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性Al2O3陶瓷變形前后的組織形態(tài)陶瓷變形前后的組織形態(tài) 變形前后試樣變形前后試樣的宏觀形狀的宏觀形狀 添加添加SiO2的的TZP的超塑性拉伸曲線的超塑性拉伸曲線 TZP變形前后的顯微組織變形前后的顯微組織 變形前后變形前后TZP試樣宏觀形狀試樣宏觀形狀 影響陶瓷材料細(xì)晶超塑性的主要的內(nèi)在因素是：影響陶瓷材料細(xì)晶超塑性的主要的內(nèi)在因素是： 晶粒尺寸及晶界的

31、性質(zhì)晶粒尺寸及晶界的性質(zhì)影響陶瓷材料細(xì)晶超塑性的主要的外在因素是：影響陶瓷材料細(xì)晶超塑性的主要的外在因素是： 變形溫度和應(yīng)變速率變形溫度和應(yīng)變速率不同晶粒尺寸的不同晶粒尺寸的TZP在在1400下的超塑性變形曲線下的超塑性變形曲線 2.5 無機(jī)材料的高溫蠕變無機(jī)材料的高溫蠕變一、蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機(jī)制一、蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變機(jī)制蠕變：蠕變：材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于彈性極 限，也會發(fā)生緩慢的塑性變形，這種現(xiàn)象就稱為蠕變。（一）蠕變的宏觀規(guī)律（一）蠕變的宏觀規(guī)律 材料在高溫下的力學(xué)性能都是和蠕變過程相聯(lián)系的，這一部分將要討論的內(nèi)容主要有高溫蠕變現(xiàn)象、蠕變的宏觀規(guī)律及蠕變的變形機(jī)理，

32、蠕變極限及影響蠕變的主要因素。 材料的蠕變實(shí)驗(yàn)是在蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。材料的蠕變實(shí)驗(yàn)是在蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。 試驗(yàn)期間，試樣的溫度和所受試驗(yàn)期間，試樣的溫度和所受的應(yīng)力的應(yīng)力保持恒定。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間保持恒定。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，試樣逐漸拉長。試樣標(biāo)的延長，試樣逐漸拉長。試樣標(biāo)距內(nèi)的伸長量通過引伸計(jì)測出后，距內(nèi)的伸長量通過引伸計(jì)測出后，輸入到記錄儀中，自動記錄試樣輸入到記錄儀中，自動記錄試樣的伸長和時(shí)間的關(guān)系曲線。的伸長和時(shí)間的關(guān)系曲線。蠕變試驗(yàn)簡圖 2。第一階段蠕變：ab段這一段的變化規(guī)律可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示nAtdtd（2-77）1。起始段低溫時(shí)，低溫時(shí)，n = 1, 此時(shí)得：此時(shí)得： tAl

33、n 高溫時(shí)，取高溫時(shí)，取n = 2/3，得：，得： 31Bt 3。第二階段蠕變：bc段 是穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持不變。即)(常數(shù)Kdtd所以 Kt （2-78）4。第三階段蠕變：cd段 是加速蠕變階段，這一階段的特點(diǎn)是蠕變速率隨時(shí)間的增加而增加，即蠕變曲線變陡，最后到d點(diǎn)斷裂。nK （2 2）蠕變速率和溫度、應(yīng)力的關(guān)系）蠕變速率和溫度、應(yīng)力的關(guān)系 nLGkTGbKD)(（1）蠕變速率和應(yīng)力的關(guān)系）蠕變速率和應(yīng)力的關(guān)系溫度和應(yīng)力對蠕變的影響曲線 （2-79）（二）蠕變變形機(jī)理（二）蠕變變形機(jī)理 1晶格機(jī)理（位錯(cuò)蠕變機(jī)理） 在蠕變過程中，位錯(cuò)滑移仍然是一種重要的變形機(jī)理。

34、位錯(cuò)攀移也能產(chǎn)生宏觀上的形變。攀移：位錯(cuò)在垂直于滑移面方向的運(yùn)動稱為攀移運(yùn)動。 位錯(cuò)攀移的示意圖 攀移是通過擴(kuò)散進(jìn)行的。攀移是通過擴(kuò)散進(jìn)行的。 滑移和攀移的區(qū)別是滑移與外力有關(guān)，而攀移與晶體中的空位和間隙原子的濃度及擴(kuò)散系數(shù)等有關(guān)。位錯(cuò)攀移時(shí)，應(yīng)變速率為exp()exp()exp()nnQSHAARTRRT（2-80） kTeCC0拉kTeCC0壓 （2-83）（2-82）Nabarro & Herring計(jì)算的晶粒內(nèi)部的穩(wěn)定態(tài)蠕變速率： 23 .13kTdDV（2-84）受拉晶界的空位濃度：在受壓晶界上，空位濃度：2 2擴(kuò)散蠕變理論擴(kuò)散蠕變理論空位擴(kuò)散流動空位擴(kuò)散流動當(dāng)應(yīng)力較小而工作

35、溫度很高（0.60。7TM）時(shí)，就發(fā)生擴(kuò)散蠕變。 如果擴(kuò)散沿晶界進(jìn)行，則根據(jù)Coble的計(jì)算，蠕變速率為： 347kTdDb 3晶界蠕變理論（2-85） 當(dāng)溫度較高時(shí)，晶界運(yùn)動也是蠕變的一個(gè)組成部分，不過在金屬中它占的比例并不大，一般為10%左右。在多晶陶瓷中，由于存在著大量的晶界，當(dāng)晶界的位向差大時(shí)，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時(shí)，晶界粘度迅速下降，外力導(dǎo)致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。二、材料的蠕變極限二、材料的蠕變極限1在給定溫度下，當(dāng)蠕變第二階段的蠕變速率恰好等于某一規(guī)定值時(shí)，把對應(yīng)的應(yīng)力值定義為蠕變極限，記作T606001015表示溫度為600，蠕變速率為110-5%/h條件下的

36、蠕變極限為60MPa。（MPa）（MPa） 2在一定溫度下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，恰好產(chǎn)生某一允許的總變形量，其所對應(yīng)的應(yīng)力值定義為蠕變極限，記作Tt（MPa），例：1005001015即表示材料在500，經(jīng)10萬小時(shí)產(chǎn)生的變形量為1%時(shí)的應(yīng)力為100MPa。（MPa）蠕變極限蠕變極限：表示材料對高溫蠕變變形的抗力。例： 三、影響材料蠕變的因素三、影響材料蠕變的因素（一）影響金屬材料高溫蠕變的因素 1合金化學(xué)成分的影響 位錯(cuò)越過障礙所需的激活能（即蠕變激活能）越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。實(shí)驗(yàn)表明，純金屬的蠕變激活能大體上與其自擴(kuò)散能接近。因此，耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或

37、層錯(cuò)能低的金屬及合金。這是因?yàn)樵谝欢囟认?，熔點(diǎn)越高的金屬自擴(kuò)散激活能越大，因而自擴(kuò)散越慢；如果熔點(diǎn)相同但晶體結(jié)構(gòu)不同，則自擴(kuò)散激活能越高者，擴(kuò)散越慢；層錯(cuò)能越低的金屬越易產(chǎn)生擴(kuò)散位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以滑移、攀移。這些都有利于降低蠕變速率。大多數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)的金屬，其高溫強(qiáng)度比體心立方結(jié)構(gòu)的高，這是一個(gè)重要原因。 在基體金屬中加入鉻、鉬、鎢、鈮等合金元素形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用外，還因?yàn)楹辖鹪厥刮诲e(cuò)能降低，易形成擴(kuò)展位錯(cuò)，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強(qiáng)，增大了擴(kuò)散激活能，從而提高蠕變極限。 合金中如果含有形成彌散強(qiáng)化的合金元素，則由于彌散相能強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)的滑移，因而是提高高溫強(qiáng)度的更

38、有效的方法。彌散相粒子硬度越高，彌散度越大，穩(wěn)定性越好，則強(qiáng)化作用越好。在合金中添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（如硼、稀土等），則既能阻礙晶界滑移，又增大晶界裂紋面的表面能，因而對提高蠕變極限，特別是持久強(qiáng)度是很有效的。 2冶煉工藝的影響 各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝要求都很高，因?yàn)殇撝械膴A雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強(qiáng)度降低。高溫合金對雜志元素和氣體含量要求更加嚴(yán)格，常存元素除硫、磷外，還有鉛、錫、砷、銻、鉍等，既使其含量只有十萬分之幾，當(dāng)其在晶界偏聚后，會導(dǎo)致晶界嚴(yán)重弱化，而使熱強(qiáng)性急劇降低，并增大蠕變脆性。 由于高溫合金在使用中通常在垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋，因此，采用

39、定向凝固工藝使柱狀晶沿受力方向生長，減少橫向晶界，可以大大提高持久壽命。例如，有一種鎳基合金采用定向凝固工藝后，在760、645MPa應(yīng)力作用下的斷裂壽命可提高4-5倍。 3熱處理工藝的影響 珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火的熱處理工藝，正火溫度較高，以促使碳化物較充分而均勻地熔于奧氏體中?；鼗饻囟葢?yīng)高于使用溫度100-150，以提高其在使用溫度下的組織穩(wěn)定性。 奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行固溶化處理和時(shí)效處理，使之得到適當(dāng)?shù)木Я６龋⒏纳茝?qiáng)化相的分布狀態(tài)。有的合金在固溶處理后再進(jìn)行一次中間處理（二次固溶化處理或中間時(shí)效），使碳化物沿晶界呈斷續(xù)狀析出，可使持久強(qiáng)度極限和持久伸長率進(jìn)一步提高。 采用形變熱處理改變晶界形狀（形成鋸齒狀），并在晶內(nèi)形成多邊化的亞晶界，則可使合金