《无机材料物理性能》第3讲.ppt

2020年5月23日,无机材料物理性能,第三讲,1-2无机材料中晶相的塑性形变,基本概念及现象:,塑性形变屈服极限滑移带的形成临界分切应力,塑性形变,塑性形变是指外力移去后不能恢复的形变。,塑性变形的一般特点,变形不可逆；主要有切应力引起；指标延伸率，断面收缩率；形变程度大；塑性变形能力和抗力受多种因素影响；变形过程会产生回复、再结晶、应力松弛等；伴随有弹性变形和加工硬化，变形曲线非线性。,无机材料屈服极限,当应力足够大，材料便开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力就称为屈服极限(Yieldlimit)或屈服强度（s）。应力超过s后，应力应变曲线开始弯曲。,屈服极限:,s屈服强度,屈服极限,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。,滑移带,单晶锌变形后滑移带的照片,产生滑移的条件：面间距大；滑移矢量（柏格斯矢量）小；每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反。,2.滑移系统和临界分解剪切应力,临界分切应力,滑移面面积：A/cos；F在滑移面上分剪力：Fcos；滑移面上F方向的应力为：,滑移面上分剪应力：,在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大小决定coscos的大小；滑移系统越多，coscos大的机会就多，达到临界剪切应力的机会也越多。,金属与非金属晶体滑移难易的比较,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,塑性形变机理,晶格滑移理论,晶格滑移的基本规律:,滑移的距离必然是晶格常数的整数倍晶体中间滑移总是发生在主要晶面和主要晶向上滑移是在剪应力的作用下进行，对一定的滑移面只有当剪应力超过临界剪应力时，才发生沿该晶面的滑移,塑性形变机理,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；但实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。位错解释。,（1）位错,使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，使晶体不符合理想晶体的空间点阵有秩排列，形成线状的缺线，称作位错。位错分为三种基本类型刃型位错，螺型位错及混合型位错。,刃型位错,晶体的上半部平面，比起它的正常平衡位置来要靠得紧一些，而晶体的下半部平面比起正常平衡位置来则离得远一些。可以把变形看作是由于在晶体的上半部分插入一额外的原子平面AB引起的。,图5.2为含Na的-刚玉的高分辩晶体结构像，它显示了刃型位错特征。,螺型位错,当在晶体上加上剪切力，使晶体上下部分沿一平面互相滑移，晶体中滑移部分的相交位错线是和滑移方向平行的。由于原来与位错线AA垂直的平面变形而像螺旋形，故称为螺型位错。,高温合金螺旋凹凸生长台阶，是左右螺旋型位错生长的结果。,混合位错,除上述位错外，实际晶体中还会出现刃型位错和螺型位错的过渡型位错。在混合位错中，柏格斯矢量B在垂直于和平行于位错线之间的各种位置上取向。,图5.6（a）（b）分别为弯曲位错线EF的示意图和位错线周围原子排列的俯视图。在图中E处，位错线与滑移方向平行，是纯螺型位错；在F处，位错线与滑移方向垂直，是刃型位错。EF线上，除E、F二处之外的部分，位错线与滑移方向既不平行又不垂直，属混合型位错，混合型位错的原子排列，如图5.6（b）,应介于螺型位错与刃型位错之间，它们可以分解为螺型位错和刃型位错。,（2）柏格斯（Burgers）矢量,描述位错几何特征的要素仅有位错线的位置和相对位移矢量二者。标志位错特征的剖面两侧的相对位移矢量称作柏格斯（J，M，Burgers）矢量,（3）位错的滑移与攀移,（4）位错运动理论,位错运动理论,位错一种缺陷，其运动速度也应由波尔兹曼因子决定,v0：与原子热振动固有频率有关的常数：波尔兹曼常数，1.3810-23J/KT：绝对温度,位错运动理论,=0，T=300K则kT=4.1410-21J=4.1410216.241018eV=0.026eV金属材料H()为0.10.2eV，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hhH()，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。,无外力时，H()=h，比KT大得多，很小，位错运动困难位错运动理论说明，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。,位错运动理论,速率增大,（5）形变速率与位错运动的关系,塑性形变简化模型,设ll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nc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：nbc/t=l/t应变速率：U=d/dt=l/lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vDbc,宏观应变率为：,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，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3A左右，无机材料的大，如MgAl2O4三元化合物为8A，Al2O3的为5A。,（6）多晶的的塑性形变,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。,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？,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