2014-材料物理性能01.pdf

材料物理性能材料物理性能 路海路海路海路海 物理与电子工程学院物理与电子工程学院物理与电子工程学院物理与电子工程学院 2014201420142014年年年年02020202月月月月24242424日日日日 材料物理性能材料物理性能 我的部分我的部分 第一章第一章第一章第一章材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能 第三章第三章第三章第三章材料的光学性能材料的光学性能材料的光学性能材料的光学性能 第四章第四章第四章第四章材料的热学性能材料的热学性能材料的热学性能材料的热学性能 学时学时 学分 学分 72学时学时 4学分学分 概念 概念 格物致知 推物及理 自然哲学 物理学 格物致知 推物及理 自然哲学 物理学 Physics 是研究物质世界最基本的结 构 最普遍的相互作用 最一般的运动规律及所使用 的实验手段和思维方法的自然科学 是研究物质世界最基本的结 构 最普遍的相互作用 最一般的运动规律及所使用 的实验手段和思维方法的自然科学 研究方法 研究方法 观测 实验 理论 计算 观测 实验 理论 计算 材料物理性能材料物理性能 引子引子材料物理性能材料物理性能 引子引子 1 学习对象学习对象 晶体 陶瓷 玻璃 耐火材料 水泥等的各种物 理性能 不涉及化学性能 晶体 陶瓷 玻璃 耐火材料 水泥等的各种物 理性能 不涉及化学性能 2 学习的内容学习的内容 无机材料的各种物理性能 包括无机材料的各种物理性能 包括 力学 光学 热 学 声学 电学和磁学等性能 力学 光学 热 学 声学 电学和磁学等性能 3 学习的目的学习的目的 为研究和探索新材料 新性能 新工艺打下基础 为研究和探索新材料 新性能 新工艺打下基础 材料物理性能材料物理性能 引子引子 4 学习的要求学习的要求 研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用无机材料 中 对它们提出来的一系列技术要求 即材料的本征参数 需 了解以下内容 研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用无机材料 中 对它们提出来的一系列技术要求 即材料的本征参数 需 了解以下内容 掌握上述 各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实 际问题中所处的地位 掌握上述 各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实 际问题中所处的地位 要搞懂这些性能参数的影响因素 即性能和材料组成 结 构的关系 性能参数的物理本质 物理模型 变化规律以及基 本的性能测试方法 要搞懂这些性能参数的影响因素 即性能和材料组成 结 构的关系 性能参数的物理本质 物理模型 变化规律以及基 本的性能测试方法 材料物理性能材料物理性能 引子引子 5 先修课程 先修课程 大学物理 材料物理 热学 固体材料结构基础 光学 半导体物理学等等 大学物理 材料物理 热学 固体材料结构基础 光学 半导体物理学等等 说明 说明 本课程对很多公式本课程对很多公式 方程方程 和结论的推导过程不 着重讲解 着重点放在讲述各种参数的来源 物理意 义和作用 和结论的推导过程不 着重讲解 着重点放在讲述各种参数的来源 物理意 义和作用 材料物理性能材料物理性能 引子引子 1 郑冀 材料物理性能 天津大学出版社 郑冀 材料物理性能 天津大学出版社 2007 2 任凤章任凤章 材料物理基础 机械工业出版社 材料物理基础 机械工业出版社 2006 3 周世勋周世勋 量子力学教程 高等教育出版社 量子力学教程 高等教育出版社 1979 4 黄昆 固体物理学 高等教育出版社 黄昆 固体物理学 高等教育出版社 2005 参考教材参考教材 材料的力学性能材料的力学性能 本章将主要介绍材料力学性能指标的物 理意义 讨论材料形变与断裂行为的基本规 律及其与材料组成和结构之间的关系 并在 此基础上探讨提高材料力学性能的途径和机 理 同时 对材料力学性能的测试方法作简 单介绍 本章将主要介绍材料力学性能指标的物 理意义 讨论材料形变与断裂行为的基本规 律及其与材料组成和结构之间的关系 并在 此基础上探讨提高材料力学性能的途径和机 理 同时 对材料力学性能的测试方法作简 单介绍 材料的力学性能材料的力学性能 第一节材料的形变 第二节材料的塑性 蠕变性与超塑性 第三节材料的断裂与机械强度 第四节材料的摩擦与磨损 第五节材料的增强与增韧 第一节材料的形变 第二节材料的塑性 蠕变性与超塑性 第三节材料的断裂与机械强度 第四节材料的摩擦与磨损 第五节材料的增强与增韧 材料的形变 材料的形变 重点重点 应力 应变 弹性形变等基本概念 各种形变发 生的原因和应力与应变的关系 应力 应变 弹性形变等基本概念 各种形变发 生的原因和应力与应变的关系 难点难点 是对弹性形变双原子模型和广义虎克定律的理解 是对弹性形变双原子模型和广义虎克定律的理解 当材料受到载荷作用时会发生形状和尺寸的变化 即产生形变 在力学分析中 通常使用应力和应变的概念代替作用力和位移 当材料受到载荷作用时会发生形状和尺寸的变化 即产生形变 在力学分析中 通常使用应力和应变的概念代替作用力和位移 定义 定义 应 力应 力 单位面积上所受的内力 单位面积上所受的内力 一 应力一 应力 F 外力 外力 N 应力 应力 Pa A 面积 面积 m2 0 0 F A 名义应力名义应力 A F A0 面积 面积 m2 材料的形变 材料的形变 围绕材料内部一点围绕材料内部一点P取 一体积单元 体积元 的六个面均垂直于坐 标轴 取 一体积单元 体积元 的六个面均垂直于坐 标轴X Y Z 分析 点 分析 点P应力状态 应力状态 x y z zx xy yy xx zz yz zy yx xz 应力分量应力分量 S 材料的形变 材料的形变 每个面都有一个法向应力 和两个剪应力 每个面都有一个法向应力 和两个剪应力 A 应力分量 的下标第一个字母表示应力作用面的 法线方向 第二个字母表示应力作用方向 应力分量 的下标第一个字母表示应力作用面的 法线方向 第二个字母表示应力作用方向 B 法向应力 若为拉应力 则规定为正 若为压应力 则规定为负 法向应力 若为拉应力 则规定为正 若为压应力 则规定为负 C 剪应力 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的 正方向相同 则剪应力指向坐标轴的正方向者为正 如果 该面上的法向应力指向坐标轴的负方向 则剪应力指向坐 标轴的负方向者为正 剪应力 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的 正方向相同 则剪应力指向坐标轴的正方向者为正 如果 该面上的法向应力指向坐标轴的负方向 则剪应力指向坐 标轴的负方向者为正 材料的形变 材料的形变 根据平衡条件 体积元上相对的两个平行面上的法向应 力是大小相等 正负号一样 作用在体积元上任一平面 的两个剪应力应相垂直 根据平衡条件 体积元上相对的两个平行面上的法向应 力是大小相等 正负号一样 作用在体积元上任一平面 的两个剪应力应相垂直 根据剪应力互等定理 故一点的应力状态由六个应力分 量决定 即 根据剪应力互等定理 故一点的应力状态由六个应力分 量决定 即 法向应力导致材料伸长或缩短 剪应力引起材料的剪切 畸变 法向应力导致材料伸长或缩短 剪应力引起材料的剪切 畸变 zxyzxyzzyyxx 材料的形变 材料的形变 应变应变是用来描述物体内部质点在应力 作用下产生的相对位移 是用来描述物体内部质点在应力 作用下产生的相对位移 1 名义应变和真实应变名义应变和真实应变 长度为长度为L0的杆 在单向拉应力作用下被拉长 到 的杆 在单向拉应力作用下被拉长 到L1 则应变的定义为 则应变的定义为 二 应变二 应变 真实应变真实应变为 0001 LLLLL 1 0 10 ln L L L dL LLL 为了方便起见都用名义应变为了方便起见都用名义应变 F S l0 l1 S0 伸长 伸长 l 材料的形变 材料的形变 称为名义应变名义应变 应变应变是用来描述物体内部质点在应力 作用下产生的相对位移 是用来描述物体内部质点在应力 作用下产生的相对位移 工程应变和真实应变之间的关系工程应变和真实应变之间的关系 二 应变二 应变 长度增加同时 侧向所发生的横向收缩长度增加同时 侧向所发生的横向收缩 1 L e 0 00 w www ww F S w0 w0 w S0 伸长 伸长 l 材料的形变 材料的形变 横向的应变与长度方向的应变之比称为泊松比横向的应变与长度方向的应变之比称为泊松比v v ww LL v 应力应力 应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性形变的抗 力 用弹性模量 应变曲线与横轴夹角的大小表示材料对弹性形变的抗 力 用弹性模量E表示 表示 E tan a 脆性材料 脆性材料 b 塑性材料 塑性材料 c 弹性材料 弹性材料 不同材料的变形行为不同不同材料的变形行为不同 材料的形变 材料的形变 三 应力 应变曲线三 应力 应变曲线 脆性材料 脆性材料 如上图曲线如上图曲线 a 即在弹性变形后没有塑性 变形 即在弹性变形后没有塑性 变形 或塑性变形很小或塑性变形很小 接着就是断裂 总弹性应变能非 常小 接着就是断裂 总弹性应变能非 常小 塑性材料 塑性材料 如上图曲线如上图曲线 b 开始为弹性形变 接着有 一段弹塑性形变 然后才断裂 总变形能很大 开始为弹性形变 接着有 一段弹塑性形变 然后才断裂 总变形能很大 弹性材料 弹性材料 如上图曲线如上图曲线 c 没有残余形变 没有残余形变 形变是无机材料重要的力学性能 与材料的制造 加工和使用 都有着密切的关系 因此 研究材料在受力情况下产生形变的 规律是有重要意义的 形变是无机材料重要的力学性能 与材料的制造 加工和使用 都有着密切的关系 因此 研究材料在受力情况下产生形变的 规律是有重要意义的 材料的形变 材料的形变 双原子模型双原子模型 在平衡状态下 晶格中的原子在其平衡位置附近做微小的热 振动 原子之间的作用 在平衡状态下 晶格中的原子在其平衡位置附近做微小的热 振动 原子之间的作用 吸引力和排斥力是平衡的 原子之间 保持着一定的平衡距离 原子间作用力 吸引力和排斥力是平衡的 原子之间 保持着一定的平衡距离 原子间作用力F随原子间距随原子间距r的变化而 变化的关系为 式中 的变化而 变化的关系为 式中m n A B是与原子本性和晶格类型有关的常数 是与原子本性和晶格类型有关的常数 四 弹性形变四 弹性形变 11nm nAmB F r rr 材料的形变 材料的形变 四 弹性形变四 弹性形变 广义虎克定律广义虎克定律 一长方体 各棱边平行于坐标轴 在垂直于一长方体 各棱边平行于坐标轴 在垂直于x轴的两个面上受有 均匀分布的正应力 轴的两个面上受有 均匀分布的正应力 x 材料的形变 材料的形变 对于各向同性体 这些正应力不会引起长方体的角度改变 长 方体在 对于各向同性体 这些正应力不会引起长方体的角度改变 长 方体在x轴的相对伸长可表示为 轴的相对伸长可表示为 虎克定律虎克定律 这说明应力与应变之间为线性关系 式中 这说明应力与应变之间为线性关系 式中 E为弹性模量 对各向同性体为一常数 反映材料抵抗变形的 能力 为弹性模量 对各向同性体为一常数 反映材料抵抗变形的 能力 E xx LL x 材料的形变 材料的形变 若长方体各面分别受有均匀分布的正应力若长方体各面分别受有均匀分布的正应力 则 在各方面的总应变可以将三个应力分量中的第一个应力 分量引起的应变分量叠加而求得 则 虎克定律为 则 在各方面的总应变可以将三个应力分量中的第一个应力 分量引起的应变分量叠加而求得 则 虎克定律为 yxzz zxyy zyxx E E E 1 1 1 zyx 材料的形变 材料的形变 对于剪应变 则 对于剪应变 则 G G G zx zx yz yz xy xy 式中式中 G为剪切模量或刚 性模量 之间有下列 关系 为剪切模量或刚 性模量 之间有下列 关系 EG 12 E G 材料的形变 材料的形变 弹性模量弹性模量 弹性模量弹性模量E是重要的材料常数 是原子间结合强度的一个标志 是重要的材料常数 是原子间结合强度的一个标志 从图中原子间的 结合力曲线可以看 出 弹性模量 从图中原子间的 结合力曲线可以看 出 弹性模量E实际上 和原子间结合力曲线 上任一受力点的曲线 斜率有关 实际上 和原子间结合力曲线 上任一受力点的曲线 斜率有关 材料的形变 材料的形变 tg E 1 1 tg 1 E 2 2 tg 2 E 1 在不受外力的情况下 在不受外力的情况下 tg 就反映了弹性模量 就反映了弹性模量E的大小 的大小 1较小 较小 tg 1较小 较小 E1也就小 原子间结合力弱 也就小 原子间结合力弱 2较大 较大 tg 2较大 较大 E2也就大 原子间结合力强 也就大 原子间结合力强 a 共价键 离子键结合的晶体 结合力强 共价键 离子键结合的晶体 结合力强 E都较大 都较大 b 分子键结合力弱 这样键合的物体分子键结合力弱 这样键合的物体E较低 较低 2 改变原子间距离将影响弹性模量 改变原子间距离将影响弹性模量 压应力使原子间距离变小 曲线上该点的斜率增大 因而压应力使原子间距离变小 曲线上该点的斜率增大 因而E将增大 张应力使原子间距离增加 因而 将增大 张应力使原子间距离增加 因而E下降 下降 3 在两相系统中 总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之 间 在两相系统中 总弹性模量在高弹性模量成分与低弹性模量成分的数值之 间 材料的形变 材料的形变 假定两相系统的泊松比相同 在力的作用下两相的 应变相同 则根据力的平衡条件可得到下面公式 假定两相系统的泊松比相同 在力的作用下两相的 应变相同 则根据力的平衡条件可得到下面公式 2211 VEVEE U 式中 分别为两相的弹性模量 分别为两相的体积分数 为两相系统弹性模量的最高值 叫上限模量 式中 分别为两相的弹性模量 分别为两相的体积分数 为两相系统弹性模量的最高值 叫上限模量 12 EE 12 VV U E 此式适用于估算金属陶瓷 玻璃纤维 增强塑料及在 玻璃质基体中含有晶体的半透明材料的弹性模量 此式适用于估算金属陶瓷 玻璃纤维 增强塑料及在 玻璃质基体中含有晶体的半透明材料的弹性模量 材料的形变 材料的形变 假定两相的应力相同 则可得两相系统弹性模量 的最低值也叫下限模量 假定两相的应力相同 则可得两相系统弹性模量 的最低值也叫下限模量 1 1 2 2 1 E V E V E L L E 对于气孔 不能应用上述公式计算 对于连续基体内的密闭气孔 可用经验公式计算 对于气孔 不能应用上述公式计算 对于连续基体内的密闭气孔 可用经验公式计算 E E 20 9 09 11PPEE 式中式中 材料无气孔时的弹性模量 材料无气孔时的弹性模量 为气孔率 为气孔率 0 E P 材料的形变 材料的形变 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 重点重点 塑性 蠕变性 超塑性等基本概念 不同材料 塑性形变之间的异同点 塑性 蠕变性 超塑性等基本概念 不同材料 塑性形变之间的异同点 难点难点 是对塑性形变机理和蠕变机理的理解 是对塑性形变机理和蠕变机理的理解 塑性 塑性 使固体产生变形的力 在超过该固体的屈服应力后 出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸 即非可逆 性能 使固体产生变形的力 在超过该固体的屈服应力后 出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸 即非可逆 性能 屈服应力 屈服应力 当外力超过物体弹性极限 达到某一点后 在外 力几乎不增加的情况下 变形骤然加快 此点为屈服点 达 到屈服点的应力 当外力超过物体弹性极限 达到某一点后 在外 力几乎不增加的情况下 变形骤然加快 此点为屈服点 达 到屈服点的应力 塑性形变塑性形变 指一种在外力移去后不能恢复的形变 指一种在外力移去后不能恢复的形变 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 晶体中的晶体中的塑性形变塑性形变有两种基本方式 有两种基本方式 滑移和孪晶滑移和孪晶 晶体受力时 晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动 叫 做 晶体受力时 晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动 叫 做滑移 滑移 塑性形变机理塑性形变机理 由于滑移现象在晶体中最为常见 所以本课程主要讨论晶体的滑移 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 晶体形变后 表面出现一些裂纹 在显微镜下可以看 到这些裂纹组成一些滑移带 见图 a 晶体形变后 表面出现一些裂纹 在显微镜下可以看 到这些裂纹组成一些滑移带 见图 a 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 产生滑移的条件 产生滑移的条件 面间距大 面间距大 每个面上是同一种电荷的原子 相对滑动面上的电荷相反每个面上是同一种电荷的原子 相对滑动面上的电荷相反 滑移矢量 柏格斯矢量 小 滑移矢量 柏格斯矢量 小 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 晶体中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 也就是柏氏矢量b较小 只要滑动较小距离就能使晶 体结构复原 所以比较容易滑动 滑移方向与原子最密堆积的方向一致 滑移面是原子最密堆积面 滑动面和滑动方向组成晶体的滑移系统滑移系统 滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的 拉伸或压缩都会在滑动面上产生剪应力 由于滑移面的取向不同 其 上的剪应力也不同 晶格滑移的一些基本特性晶格滑移的一些基本特性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 由左图可知 滑移面上F方向的应力为 此应力在滑移方向上的分剪应 力为 A F A F cos cos cos cos A F N 临界分解剪切应力临界分解剪切应力 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 不同滑移面及滑移方向的剪应力不一样 同一滑移面上不同滑移方向剪应力也不一 样 当 临界剪应力 发生滑移 当 角 和 角 处 于 同 一 平 面 时 角 最 小 即 的最大值为0 5 0 90 coscos 可见 在外力的作用下 在处于同一平面内滑移 方向上 剪应力达最大值 其他方向剪应力均较小 FFN 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键无方向性共价键或离子键有方向 结构简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键无方向性共价键或离子键有方向 结构简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 金属与非金属晶体滑移难易的比较金属与非金属晶体滑移难易的比较 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 实际晶体中存在位错缺陷 当受剪应力作用时 并不是晶体内部整体相互错动 而 是位错在滑移面上沿滑移方向运动 使位错运动所需要 的力比使晶体两部分整体滑移所需的力小得多 所以实 际晶体的滑移是位错运动得结果 塑性形变的位错运动理论塑性形变的位错运动理论 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 从原子尺度变化解释塑性形变 当构成晶体的一部分原子相对 于另一部分原子转移到新平衡位置时 晶体出现永久形变 晶 体体积没有变化 仅是形状发生变化 如果所有原子同时移动 需要很大能量才出现滑动 该能量接 近于所有这些键同时断裂时所需的离解能总和 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级 实际测试结果 晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级 从原子尺度变化解释塑性形变 当构成晶体的一部分原子相对 于另一部分原子转移到新平衡位置时 晶体出现永久形变 晶 体体积没有变化 仅是形状发生变化 如果所有原子同时移动 需要很大能量才出现滑动 该能量接 近于所有这些键同时断裂时所需的离解能总和 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级 实际测试结果 晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 负荷作用前原子的位置 小负荷作用下的应变 高负荷作用下的应变 负荷作用前原子的位置 小负荷作用下的应变 高负荷作用下的应变 达到高负荷作用下的状态除 去负荷后原子的位置 达到高负荷作用下的状态除 去负荷后原子的位置 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 影响因素缺陷类型缺陷形貌 晶体结构和键型 本征缺陷 点缺陷空位 填隙原子 线缺陷刃位错螺旋位错 较大缺陷空洞 气孔 面缺陷晶界 外来缺陷杂质晶格或晶界固溶非连续第 二相物质 影响因素缺陷类型缺陷形貌 晶体结构和键型 本征缺陷 点缺陷空位 填隙原子 线缺陷刃位错螺旋位错 较大缺陷空洞 气孔 面缺陷晶界 外来缺陷杂质晶格或晶界固溶非连续第 二相物质 影响塑性形变的因素影响塑性形变的因素 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变 材料在高温下长时间的受到小应力作用 出现蠕变现象 即时间 应变的关系 从热力学观点出发 蠕变是一种热激活过程 在高温条件下 借助于外应力和热激活的作用 形变的一 些障碍物得以克服 材料内部质点发生了不可逆的微观过 程 材料在高温下长时间的受到小应力作用 出现蠕变现象 即时间 应变的关系 从热力学观点出发 蠕变是一种热激活过程 在高温条件下 借助于外应力和热激活的作用 形变的一 些障碍物得以克服 材料内部质点发生了不可逆的微观过 程 无机材料是很有前途的高温材料 因此在高温下使用的无机 材料 就必须考虑其高温蠕变 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 延 伸 率 延 伸 率 10 2 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 时间 小时 时间 小时 第一阶段蠕变 第二阶段蠕变 第三阶段蠕变 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线 a a b c d 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 起始段 在外力作用下 发生瞬时弹性形变 即应力和 应变同步 若外力超过试验温度下的弹性极限 则 起始段 在外力作用下 发生瞬时弹性形变 即应力和 应变同步 若外力超过试验温度下的弹性极限 则oa段也包括一部 分塑性形变 段也包括一部 分塑性形变 Oa段形变是瞬时发生的和时间无关段形变是瞬时发生的和时间无关 1 弹性形变阶段 弹性形变阶段 oa段段 各阶段的特点各阶段的特点 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 其特点是应变速率随时间递减 即其特点是应变速率随时间递减 即ab段的斜率段的斜率d dt随时间 的增加愈来愈小 曲线越来越平缓 该阶段持续时间较短 应变速率有如下关系 随时间 的增加愈来愈小 曲线越来越平缓 该阶段持续时间较短 应变速率有如下关系 U d dt At n 低温时低温时n 1 得 得 Alnt 高温时高温时n 2 3 得 得 Bt 2 3 此阶段类似于可逆滞弹性形变此阶段类似于可逆滞弹性形变 2 第一阶段蠕变 第一阶段蠕变 ab段 蠕变减速阶段或过渡阶段 段 蠕变减速阶段或过渡阶段 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 此阶段的形变速率最小 且恒定 也为稳定态蠕变此阶段的形变速率最小 且恒定 也为稳定态蠕变 特点是 蠕变速率几乎保持不变 特点是 蠕变速率几乎保持不变 形变与时间的关系为线性关系 形变与时间的关系为线性关系 Kt 此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段 特点 蠕变速率随时间增加而快速增加 蠕变曲线变陡 最后 到 此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段 特点 蠕变速率随时间增加而快速增加 蠕变曲线变陡 最后 到d点断裂点断裂 3 第二阶段蠕变 第二阶段蠕变 bc段 稳定蠕变阶段段 稳定蠕变阶段 4 第三阶段蠕变 第三阶段蠕变 cd段 加速蠕变阶段 段 加速蠕变阶段 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 影响蠕变曲线形状的因素影响蠕变曲线形状的因素 延 伸 率 延 伸 率 时间时间 温 度 或 应 力 温 度 或 应 力 温度和应力对蠕变曲线的影响温度和应力对蠕变曲线的影响 当外力和温度不同时 虽 然蠕变曲线仍保持典型蠕 变曲线的阶段特点 但各 阶段时间及倾斜程度将变 化 当外力和温度不同时 虽 然蠕变曲线仍保持典型蠕 变曲线的阶段特点 但各 阶段时间及倾斜程度将变 化 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 曲线的曲线的起始部分起始部分有下式表示 有下式表示 常数 常数 t n 温度不同 有不同的温度不同 有不同的n值 温度和应力都影响 值 温度和应力都影响稳态蠕变阶段稳态蠕变阶段曲线的形状 当温度或应力较低时 稳态蠕变阶段延长 当温度或应力增加时 形变速率加快 稳定态蠕变阶段缩短 甚至不出现 形变率与应力有如下关系 曲线的形状 当温度或应力较低时 稳态蠕变阶段延长 当温度或应力增加时 形变速率加快 稳定态蠕变阶段缩短 甚至不出现 形变率与应力有如下关系 常数 常数 n n变动在变动在2 20之间 之间 n 4最为常见最为常见 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 高温蠕变机理高温蠕变机理 蠕变机理包括 高温蠕变的位错运动理论 扩散蠕变理论 晶界蠕变理论 蠕变机理包括 高温蠕变的位错运动理论 扩散蠕变理论 晶界蠕变理论 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 1 高温蠕变的位错运动理论 位错的攀移 高温蠕变的位错运动理论 位错的攀移 无机材料中晶相的位错在低温下受障碍难以发生运动 在高温下原子热运 动加剧 可以使位错从障碍中解放出来 并使位错运动加速 位错运动除产生滑移外 位错攀移也能产生宏观上的形变 由于晶体中存在过饱和的空位 多余的半片原子可以向空位扩散 通过吸 收空位 位错可攀移到滑移面以外 绕过障碍物 使滑移面移位 攀移是位错运动的另一 形式 如图所示 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 在一定温度下 热运动的晶体中存在一定数量空位和间 隙原子 在一定温度下 热运动的晶体中存在一定数量空位和间 隙原子 位错线处一列原子由于热运动移去成为间隙原子或吸收 空位而移去 位错线处一列原子由于热运动移去成为间隙原子或吸收 空位而移去 位错线移上一个滑移面 或其他处的间隙原子移入而增 添一列原子 使位错线向下移一个滑移面 位错线移上一个滑移面 或其他处的间隙原子移入而增 添一列原子 使位错线向下移一个滑移面 位错在垂直滑移面方向的运动 位错的攀移运动位错在垂直滑移面方向的运动 位错的攀移运动 1 高温蠕变的位错运动理论 位错的攀移 高温蠕变的位错运动理论 位错的攀移 滑移和攀移的区别 滑移与外力有关 攀移与晶体中的空位 和间隙原子有关 滑移和攀移的区别 滑移与外力有关 攀移与晶体中的空位 和间隙原子有关 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 扩散蠕变理论扩散蠕变理论 空位扩散流动 纳巴罗 赫润蠕变空位扩散流动 纳巴罗 赫润蠕变 高温下的蠕变现象类似于晶体中的扩散现象 把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散 的一种形式 扩散蠕变理论基础扩散蠕变理论基础 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 高温受力下晶粒中原子的扩散示意图 这种扩散可以是体扩 散 沿晶粒内部进行 也可以是晶界扩散 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 在晶粒内部 各点的应力状态在晶粒内部 各点的应力状态 或者说最大剪应力方向或者说最大剪应力方向 不同 不可能产生集中的位错塞积 而是产生高温下短程的位错运 动的迭加 每次位错运动均选择最优的滑移系统 所以在显 微尺寸上 看不出有规律的滑移线组 而是呈宏观塑性变形 不同 不可能产生集中的位错塞积 而是产生高温下短程的位错运 动的迭加 每次位错运动均选择最优的滑移系统 所以在显 微尺寸上 看不出有规律的滑移线组 而是呈宏观塑性变形 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性 多晶陶瓷中存在着大量晶界 当晶界位相差大时 可以把晶 界看成是非晶体 因此在温度较高时 晶界粘度迅速下降 外力导致晶界粘滞流动 发生蠕变 多晶陶瓷中存在着大量晶界 当晶界位相差大时 可以把晶 界看成是非晶体 因此在温度较高时 晶界粘度迅速下降 外力导致晶界粘滞流动 发生蠕变 晶界对蠕变速率的影响晶界对蠕变速率的影响 1 高温下 晶界能彼此相对滑动 使剪应力得到松弛高温下 晶界能彼此相对滑动 使剪应力得到松弛 2 晶界本身是位错源 离晶界约为一个障碍物间距内的位 错会消失 晶界本身是位错源 离晶界约为一个障碍物间距内的位 错会消失 晶界蠕变理论晶界蠕变理论 多晶体的蠕变多晶体的蠕变 材料的塑性 蠕变性与超塑性 材料的塑性 蠕变性与超塑性