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分析在外力作用下无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异班级：1020731学号：07姓名：丘辉彬教师：赵彦亮日期：2012.11.06分析在外力作用下无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异摘要：分析在外力作用下无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异简介：塑性变形机理 屈服现象与屈服强度 应变硬化 抗拉强度与缩颈条件 塑性与塑性指标正文：一、塑性变形机理定义 ：微观结构的相邻部分发生永久性位移，并不引起材料断裂的现象。1 、主要讲解陶瓷材料的塑性变形：（ 1 ） 基本概念及现象陶瓷材料的组成主要是晶体材料，由于陶瓷晶体多为离子键或共价键，具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统满足位错运动的几何条件和静电作用条件，所以陶瓷材料只有少数具有简单晶体结构的晶体（如 MgO 、 KCl 、 KBr 单晶），在室温下具塑性。为什么常温下，大多数无机材料不能产生塑性形变？要回答这个问题，首先要研究塑性形变的机理。我们先从比较简单的单晶入手，这样可以不考虑晶界的影响。晶体中的塑性形变有两种基本方式： 滑移和孪晶 。滑移 ：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。晶体形变后，表面出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带。滑移带的形成 ：弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长。晶面滑移 ：当外力大于屈服极限后，沿单晶的某一特定晶面原子的产生相对滑移。随应力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形量加大。能用肉眼看到相互平行、台阶状的滑移带。滑移带与滑移线的关系 ：在高倍显微镜数下，可以发现滑移带是由更细的滑移线所组成。滑移线的集合构成滑移带。通常，滑移带是很狭窄的，所以在单晶试样拉伸时，往往观察到的是呈线状的滑移带。随外力的加大，试样表面线状的滑移带数量不断增多，且出现在一组以上的晶面上。临界分切应力： 在剪切应力作用下位错线滑移，并在表面形成台阶，这就是塑性变形后在表面形成滑移带的本质。那么在拉伸外力作用下，如何能导致位错线滑移？外力 P 作用在面积为 A 的园柱体上，在滑移面上产生的分切应力：显然，只有 值大于和等于某一个临界值，柱体的上下两部分才会相对的滑移，产生宏观的塑性变形。这个分切应力就称为临界分切应力 c 。有多滑移系统时， 达到 0 的机会就多，无机材料中的离子键与共价具有明显的方向性。只有个别滑移系才能满足于几何条件与静电作用条件。显然，晶体结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。从而也就更难发生塑性形变。如 Al 2 O 3 ( 刚玉 ) ，在室温下几乎不发生塑性形变。在室温下具有延性的晶体，都具有 NaCl 型的简单晶体，如： AgCl 、 KCl 、 MgO 、 KBr 、 LiF 等。图 临界剪应力的确定晶体中的滑移总是发生在主要晶面和主要晶向上。这些晶面和晶向指数较小，原子密度大，只要滑动较小的距离就能使晶体结构复原，所以比较容易滑动。滑动面和滑动方向组成晶体的滑移系统。如果晶体只有一个滑移系统，则产生滑移的机会就很小。金属滑移系统就很多，如体心立方金属滑移系统就有 48 种之多。而无机材料的滑移系统就很少。原因是金属键没有方向性，而无机材料的离子键或共价键具有明显的方向性。同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构越复杂，满足这种条件就越难。（ 2 ）多晶体的塑性变形无机材料的塑性形变弱，小且难，大多表现为脆性。只有一些结构简单的晶体具有较为明显的塑性，如： AgCl 的单晶可冷轧变薄， MgO 、 KCl 、 KBr 单晶可弯曲而不断裂。晶体的塑性形变主要表现为滑移切变 ( 剪切 ) ，主要呈现为一个方向上的长度的变化 ( 即使在法线应力作用下也是如此 ) 。滑移切变沿着特定的晶面 ( 即滑移面 ) 并在特定的方向上发生。滑移面和滑移方向组成的滑移系统是由晶格及其化学键的种类决定的。 从几何上看， 要求柏氏矢量较小的方向 ( 柏氏矢量决定于晶格常数 ) ，从静电作用因素上看，则要求相互间的静电力不要太大。 滑移切变的模型，可用 ” 香肠切片模型 ” 形象地表示出来，可作如下说明：省力 ： 作用于晶格上的力不是均匀地分布于固体的各个部位，而是集中作用发生滑移切变的少量滑移面上，从而从作用力所取得的效果更显著，在滑移面之间和相邻的滑移面群 ( 滑移带 ) 之间，有大量的晶格区保持不发生形变。省能量 ： 它并不试图借助外部供给的剪应力将滑移面两侧的两半晶体一次性地 ( 如两块波纹层屋面板一样 ) ，互相推移开以产生剪切滑移，而是将剪切应力集中到滑移平面内的一条 ” 前沿线上 ” 使之在应力作用下运动，并贯通整个滑移面。这如同一条蚯蚓向前运动一样。由此可见，是否能够发生剪切变形，与晶格中是否存在滑移面或滑移面的多少有关。拉伸状态下的滑移模式及剪切滑移的模式 ( 与蚯蚓类比 ) 。（ 3 ） 说明 ：陶瓷材料一般呈多晶状态，而且还存在气孔、微裂纹、玻璃相等。位错更加不易向周围晶体传播，更易在晶界处积聚而产生应力集中，形成裂纹引起断裂，所以陶瓷材料很难进行塑性变形。（ 4 ） 非晶态玻璃材料 ：通过分子位置的热激活交换来进行。二、屈服现象与屈服强度1 、屈服现象定义 ：当拉伸力达到 Fs 后，材料开始产生不均匀的塑性变形，力 伸长曲线上出现平台或锯齿。在此过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形。屈服是材料由弹性变形向弹 塑性变形过渡的明显标志。物理本质 ：金属材料 ：（ 1 ）材料在屈服变形前可动位错密度很小，或虽有大量位错，但被钉扎住，随着塑性变形的发生，位错能快速增殖。（ 2 ）孪晶的成核需要很高的应力，然而孪晶长大所需的应力往往比成核应力要小很多，所以孪晶一旦形核就会爆炸性传播。2 、屈服强度定义 ：材料屈服时所对应的应力值 - 材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。实际应用 ：（ 1 ）作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；（ 2 ）根据屈服强度与抗拉强度之比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。三、应变硬化定义： 材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。应变硬化是材料阻止继续塑性变形的一种力学性能。绝大多数金属和高分子材料具有应变硬化特性。 应变硬化机理基本机理： 塑性变形过程中多系滑移和交滑移造成位错运动阻力增大。 应变硬化指数（自学） 应变硬化的意义（ 1 ）保证冷变形工艺顺利实施：讲解 ：利用应变硬化和塑性变形合理配合，可使金属进行均匀的塑性变形。由于已变形的部位产生加工硬化，屈服强度提高，将变形转移到别的未变形部位，如此反复进行，便可得到均匀的塑性变形。（ 2 ）改善低碳钢的切削加工性能：讲解 ：低碳钢具有一定的塑性，在切削时，易产生粘刀现象，表面加工质量差。在切削加工前进行冷变形降低塑性，可使切削容易脆断脱落，改善切削加工性能。（ 3 ）使金属机件具有一定的抗偶然过载能力：讲解 ：机件在使用过程中，可能因偶然过载而产生塑性变形，但是，由于应变硬化的作用，会阻止塑性变形继续发展，从而保证机件的安全使用。（ 4 ）强化金属的重要手段。四、抗拉强度与缩颈条件1 、抗拉强度 b ：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力。 b = F b / A 0F b - 最大拉力；A 0 - 试棒的原始截面面积。2 、意义 ：标志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力，是产品设计的重要依据，在材料的生产应用和科学研究中被广泛用作产品规格说明和质量控制指标。3 、缩颈 ：出现在一些金属材料和高分子材料的拉伸实验中变形集中于局部区域的特殊状态，它是在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生的。五、塑性与塑性指标1 、塑性 ：材料断裂前产生塑性变形的能力。2 、塑性的作用 ： 当材料偶然过载，通过塑性变形可避免机件发生突然破坏； 当机件因存在台阶、勾槽、小孔而产生局部应力集中时，通过材料的塑性变形可削减应力高峰使之重新分布，从而保证机件正常运行； 有利于塑性加工和修复工艺的顺利进行。3 、材料塑性的评价 ：在工程上一般以光滑圆柱试样的拉伸伸长率和断面收缩率作为塑性性能指标。常用的伸长率指标有以下几种：（ 1 ）最大应力下非比例伸长率 g g = L g / L 0 100%（ 2 ）最大应力下总伸长率 gt gt = L gt / L 0 100%（ 3 ）断后伸长率 = L K / L 0 100%其中，断后伸长率是最常用的一种材料塑性指标。4 、断面收缩率 ：试样断裂后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 = （ A 0 A 1 ） / A 0 100%A 0 - 试样原始横截面积；A 1 - 缩颈处最小横截面积。5 、说明：试样缩颈前均匀伸长 L gt 的大小与 L 0 有关，缩颈后局部伸长 L N （ L N = L K L gt ）的大小与 A 0 有关。1、 L gt