《無機(jī)材料物理性能》第3講

1、2022年年5月月31日日基本概念及現(xiàn)象基本概念及現(xiàn)象 : : 塑性變形的一般特點塑性變形的一般特點變形不可逆；變形不可逆；主要有切應(yīng)力引起；主要有切應(yīng)力引起；指標(biāo)指標(biāo)延伸率，斷面收縮率；延伸率，斷面收縮率；形變程度大；形變程度大；塑性變形能力和抗力受多種因素影塑性變形能力和抗力受多種因素影響；響；變形過程會產(chǎn)生回復(fù)、再結(jié)晶、應(yīng)變形過程會產(chǎn)生回復(fù)、再結(jié)晶、應(yīng)力松弛等；力松弛等；伴隨有彈性變形和加工硬化，伴隨有彈性變形和加工硬化，變形曲線非線性。變形曲線非線性。 s 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度滑移：晶體的一部分相對另一部分平移滑動。在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子

2、的面密度越大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對滑動。產(chǎn)生滑移的條件： 面間距大； 滑移矢量（柏格斯矢量）??； 每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的電荷相反。2. 滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力 coscosAFAFAFcoscos滑移面面積：滑移面面積：A/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上滑移面上F方向的應(yīng)力為：方向的應(yīng)力為：滑移面上分剪應(yīng)力：滑移面上分剪應(yīng)力： 在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定大小決定 cos cos coscos 的大??；的大小； 滑移系統(tǒng)越多，滑移系統(tǒng)越多， cos cos

3、coscos大的機(jī)會就多，大的機(jī)會就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會也越多。達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會也越多。金屬與非金屬晶體滑移難易的比較金屬與非金屬晶體滑移難易的比較 金屬金屬 非金屬非金屬 由一種離子組成由一種離子組成 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無方向性金屬鍵無方向性 共價鍵或離子鍵有方向共價鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系統(tǒng)多滑移系統(tǒng)多 滑移系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少 從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新的一部分原子相對于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積平衡位置時，晶體出現(xiàn)永久形

4、變，晶體體積沒有變化，僅是形狀發(fā)生變化。沒有變化，僅是形狀發(fā)生變化。 如果所有原子同時移動，需要很大能量才出如果所有原子同時移動，需要很大能量才出現(xiàn)滑動，該能量接近于所有這些鍵同時斷裂現(xiàn)滑動，該能量接近于所有這些鍵同時斷裂時所需的離解能總和；時所需的離解能總和； 由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級；但實際測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑量級；但實際測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個數(shù)量級。變所需能量幾個數(shù)量級。 位錯位錯 解釋。解釋。晶體的上半部平面，比起它的正常平衡位置來要靠得緊一些，而晶體的下半部平面比起正常平衡位置來則離得遠(yuǎn)一些?？梢园炎冃慰?/p>

5、作是由于在晶體的上半部分插入一額外的原子平面AB引起的。圖5.2為含Na的-剛玉的高分辯晶體結(jié)構(gòu)像，它顯示了刃型位錯特征。 除上述位錯外，實際晶體中還會出現(xiàn)刃型位錯和螺型位錯的過渡型位錯。 在混合位錯中，柏格斯矢量B在垂直于和平行于位錯線之間的各種位置上取向。 圖5.6（a）（b）分別為彎曲位錯線EF的示意圖和位錯線周圍原子排列的俯視圖。在圖中E處，位錯線與滑移方向平行，是純螺型位錯；在F處，位錯線與滑移方向垂直，是刃型位錯。EF線上，除E、F二處之外的部分，位錯線與滑移方向既不平行又不垂直，屬混合型位錯，混合型位錯的原子排列，如圖5.6（b）,應(yīng)介于螺型位錯與刃型位錯之間，它們可以分解為螺型

6、位錯和刃型位錯。描述位錯幾何特征的要素僅有位錯線的位置和相對位移矢量二者。 標(biāo)志位錯特征的剖面兩側(cè)的相對位移矢量稱作柏格斯（J，M，Burgers）矢量 完整晶體的勢能曲線完整晶體的勢能曲線有位錯時，晶體的勢能有位錯時，晶體的勢能曲線曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線 hh H( )滑移面滑移面 THevv0v0：與原子熱振動固有頻率有關(guān)的常數(shù) ：波爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K T ：絕對溫度 =0，T=300 K則 kT=4.1410- 21J=4.1410216.241018eV=0.026eV金屬材料H()為0.10.2eV，離子鍵、共價鍵為1eV數(shù)量級，室溫下無機(jī)材料

7、位錯難以運動；因為h h H()，所以位錯只能在滑移面上運動。 溫度升高，位錯運動速度加快，對于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。無外力時，H() =h，比KT大得多， 很小，位錯運動困難 KTHe伸長量L應(yīng)力 單晶氧化鋁的形變行為上屈服應(yīng)力下屈服應(yīng)力斷裂斷裂溫度升高形變速率的影響溫度的影響速率增大lll塑性形變簡化模型塑性形變簡化模型 設(shè)設(shè)ll平面上有平面上有n個位錯，位錯密度：個位錯，位錯密度： D=n/l2在時間在時間t內(nèi)，邊界位錯通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯運動平內(nèi)，邊界位錯通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯運動平均速度為：均速度為： v=l/t設(shè)：在時間設(shè)：在時間t內(nèi)，長

8、度為內(nèi)，長度為l的試件形變量的試件形變量l ， 應(yīng)變：應(yīng)變：l /l= ， 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率：U=d /dt 考慮位錯在運動過程增殖，通過邊界位錯數(shù)為考慮位錯在運動過程增殖，通過邊界位錯數(shù)為nc個，個，c為位錯增殖系數(shù)。為位錯增殖系數(shù)。 每個位錯在晶體內(nèi)通過都會引起一個原子間距滑每個位錯在晶體內(nèi)通過都會引起一個原子間距滑移，也就是一個柏格斯矢量移，也就是一個柏格斯矢量(b)，單位時間內(nèi)的滑，單位時間內(nèi)的滑移量：移量： nbc/t= l /t 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率： U=d /dt= l /lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vDbcDbcvtlbcltnbcltldtd2ln宏觀應(yīng)變率為：

9、塑性形變速率取決于位錯運動速度、位錯密塑性形變速率取決于位錯運動速度、位錯密度、柏格斯矢量、位錯的增殖系數(shù)，且與其度、柏格斯矢量、位錯的增殖系數(shù)，且與其成正比。成正比。 柏格斯矢量與位錯形成能有關(guān)系柏格斯矢量與位錯形成能有關(guān)系E=aGb2，柏，柏格斯矢量影響位錯密度，即柏格斯矢量越大，格斯矢量影響位錯密度，即柏格斯矢量越大，位錯形成越難，位錯密度越小。位錯形成越難，位錯密度越小。 金屬與無機(jī)材料的柏格斯矢量比較：金屬與無機(jī)材料的柏格斯矢量比較： 金屬的柏格斯矢量一般為金屬的柏格斯矢量一般為3A左右，無機(jī)材料左右，無機(jī)材料的大，如的大，如MgAl2O4三元化合物為三元化合物為8A，Al2O3的為

10、的為5A。（6 6）多晶的的塑性形變）多晶的的塑性形變 多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。 多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：多晶塑性形變包括以下內(nèi)容： 晶體中的位錯運動引起塑變；晶體中的位錯運動引起塑變； 晶粒與晶粒間晶界的相對滑動；晶粒與晶粒間晶界的相對滑動； 空位的擴(kuò)散；空位的擴(kuò)散； 粘性流動。粘性流動。例如：玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，例如：玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆性，但在高溫時又能變形，為什么？呈脆性，但在高溫時又能變形，為什么？ 玻璃發(fā)生塑性形變的過程：玻璃發(fā)生塑性形變的過程： 正是因為非長程有序，許多原子并不在勢能正是因為非長程有序，許多原子并不在勢能曲線低谷；曲線低谷