材料形变规律.ppt

1 3 1晶体的塑性形变 1 3无机材料中晶相的塑性形变塑性 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 屈服应创 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 滑移 晶体的一部分相对另一部分平移滑动 在晶体中有许多族平行晶面 每一族晶面都有一定面间距 且晶面指数小的面 原子的面密度越大 面间距越大 原子间的作用力小 易产生相对滑动 1 晶格滑移 产生滑移的条件 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 滑移矢量 柏格斯矢量 小 滑移系统 包括滑移方向和滑移面 即滑移按一定的晶面和方向进行 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 2 滑移系统和临界分解剪切应力 1 滑移系统 111 滑移面 111 滑移面 110 滑移面 112 滑移面 123 方向 111 111 面心格子 体心格子 滑移面面积 S cos F在滑移面上分剪力 Fcos 滑移面上分剪应力 Fcos S cos F S cos cos 在同样外应力作用下 引起滑移面上剪应力大小决定cos cos 的大小 滑移系统越多 cos cos 大的机会就多 达到临界剪切应力的机会也越多 2 临界分解剪切应力 金属非金属由一种粒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 3 金属与非金属晶格滑移难易的比较 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 1 形变时晶体中原子的位置 原子局部位移引起塑性形变的过程 剪力作用 仅引起半个晶面1 的原子 从平衡位置位移到一个新位置 2 在剪应力作用下 原子的局部位移 当力持续作用 处于移动面1 的下端棱上原子产生一个位移 使它们的位置与半晶面2上端原子位置连成一线 半晶面1 和2的原子形成一个新原子面 晶面2 进一步向右移动 形成一个附加半晶面 依次类推 下一步2 和3连接起来 外力持续作用的结果 晶体在剪切应力作用下 不是晶体中所有原子都同时移动 而是其中一小部分 在较小外力作用下 使晶体两部分彼此相对移动 从上图可以理解在外力作用下 刃型位错的形成过程 刃型位错沿滑移面从晶体内部移出的过程 塑性形变的过程 位错线运动的特点 整个原子组态不作长距离的传播 而每一参与运动的原子只作短距离 数个原子间距 的位移 位错的产生 滑移是由一个有限的小面积畸变区穿过晶体的运动而产生 刃型位错 迁移方向 附加半晶面棱上的一个原子O受到原子C和D的吸引力 这两个原子对原子O水平方向上的吸引力大小相等 方向相反 当有剪应力作用 并使原子O有一个小的向右移动 原子D对原子O的吸引力增加 而原子C对原子O的吸引力减小 此时原子O受到向右的推力 使位错向右移动一个距离 单个位错移过晶体后 形成一个原子滑移台阶 红色多边形表示滑移面 位错滑移的结果在宏观上的表现为材料发生了塑性形变 一列原子的势能曲线 a原子的势能曲线 4 塑性形变的位错运动理论 完整晶体的势能曲线有位错时 晶体的势能曲线加剪应力后的势能曲线 h h H 滑移面 位错运动的激活能H 与剪切应力有关 剪应力 大 H 小 小 H 大 当 0时 H 最大 H h 原子具有激活能的几率 或原子脱离平衡位置的几率 与波尔兹曼因子成正比 其运动速度与波尔兹曼因子成正比 v v0exp H kT v0 与原子热振动固有频率有关的常数 k 波尔兹曼常数 为1 38 10 23J K b原子运动的速度 0 T 300则kT 4 14 10 21J 4 14 1021 6 24 1018eV 0 026eV金属材料H 为0 1 0 2eV 离子键 共价键为1eV数量级 室温下无机材料位错难以运动 因为h h H 所以位错只能在滑移面上运动 温度升高 位错运动速度加快 对于一些在常温下不发生塑性形变的材料 在高温下具有一定塑性 C讨论 结论位错运动理论说明 无机材料中难以发生塑性形变 当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度运动时 此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力 最终导致材料的脆断 5 形变速率 或应变速率 L L L 塑性形变的简化模型 a应变速率设L L平面上有n个位错 位错密度 D n L2在时间t内 边界位错通过晶体到达另一边界 位错运动平均速度为 v L t设 在时间t内 长度为L的试件形变量 L 应变 L L 应变速率 U d dt 考虑位错在运动过程增殖 通过边界位错数为cn个 c为位错增殖系数 每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑移 也就是一个柏格斯矢量 b 单位时间内的滑移量 cnb t L t应变速率 U d dt L Lt cnb Lt cnbL L2t vDbc b讨论 塑性形变速率取决于位错运动速度 位错密度 柏格斯矢量 位错的增殖系数 且与其成正比 柏格斯矢量与位错形成能有关系E aGb2 a为几何因子 柏格斯矢量影响位错密度 即柏格斯矢量越大 位错形成越难 位错密度越小 金属与无机材料的柏格斯矢量比较 金属的柏格斯矢量一般为3A0左右 无机材料的大 如MgAl2O4三元化合物为8A Al2O3的为5A0 单晶氧化铝的形变行为 上屈服应力 下屈服应力 断裂 断裂 温度的影响 形变速率的影响 5 2 2多晶的塑性形变 多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身 而且在很大程度上受晶界物质的控制 多晶塑性形变包括以下内容 晶体中的位错运动引起塑变 晶粒与晶粒间晶界的相对滑动 空位的扩散 粘性流动 玻璃发生塑性形变的过程 正是因为非长程有序 许多原子并不在势能曲线低谷 有一些原子键比较弱 只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂 原子跃迁附近的空隙位置 引起原子位移和重排 不需初始的屈服应力就能变形 粘性流动 例如 玻璃是无序网络结构 不可能有滑移系统 呈脆性 但在高温时又能变形 为什么 影响塑性形变的因素 5 2 3影响塑性形变的因素 1 本征因素 晶界作为一种势垒 足以使滑移过程中的位错塞积起来 引起应力集中 并导致此滑移系统的激活 1 晶粒内部的滑移系统相互交截 一个单晶体通过滑移发生应变 需要有较多的滑移系统 一般至少有5个 对于晶粒取向杂乱的多晶材料 还要求各滑移系统之间能相互穿透 2 晶界处的应力集中 多晶体中晶粒各向异性是晶界处形成内应力重要因素 大晶粒导致晶界处较大的应力集中 对于一定的晶相 粗晶粒的屈服应力 弹性极限 比单晶的屈服应力大 而细晶粒的屈服应力则比单晶的屈服应力大的多 很细的晶粒组成的多晶没有塑性 但高温塑性就不同 因此 晶粒大小分布比平均晶粒尺寸更能表征多晶塑性与晶粒大小关系 3 晶粒大小和分布 晶界作为点缺陷的源和阱 易于富积杂质 沉淀有第二相 特别当含有低熔点物质时 多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界 晶界处杂质的弥散影响到晶体生长 晶界扩散以及一系列晶界特征 例如 含0 05wt MgO的多晶Al2O3中晶界处的硬度超出晶体0 7GN m2 说明MgO弥散相引起晶界的硬化作用 2 外来因素