第一章1.2材料的塑性、蠕变性与超塑性-副本

1、1.2 1.2 材料的塑性、蠕变性与超塑性材料的塑性、蠕变性与超塑性 塑性形变：微观结构相邻部分产生永久性位塑性形变：微观结构相邻部分产生永久性位移，在外力移去后形变不能恢复的现象。移，在外力移去后形变不能恢复的现象。 材料直到断裂所经受塑性形变的程度称为延材料直到断裂所经受塑性形变的程度称为延展性。如果一种材料在断裂前不发生或只发生很展性。如果一种材料在断裂前不发生或只发生很小的塑性形变，那么这种材料是脆性的。小的塑性形变，那么这种材料是脆性的。1.2.1 晶体的塑性形变晶体的塑性形变滑移滑移孪晶孪晶1. 晶格滑移晶格滑移滑移：滑移：晶体的一部分相对另一部分平移滑动。晶体的一部分相对另一部分

2、平移滑动。 滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。滑移系越多，塑性越好，但不是唯一因素滑移系越多，塑性越好，但不是唯一因素？结构中最小结构单元越小，越容易发生滑移，因结构中最小结构单元越小，越容易发生滑移，因此在最密排面上最容易滑移此在最密排面上最容易滑移滑移发生在密排方向上，因为在此方向上两个平滑移发生在密排方向上，因为在此方向上两个平衡原子之间的距离最短，滑移所需能量最小衡原子之间的距离最短，滑移所需能量最小滑移面面积：滑移面面积：S/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上分剪应力：滑移面上分剪应力： = Fcos /(S/cos

3、 )=(F/S)cos cos 在同样外应力作用下，引起滑移面在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大小决定上剪应力大小决定 cos cos 的的大小；大小；滑移系统越多，滑移系统越多， cos cos 大的机大的机会就多，达到临界剪切应力的机会会就多，达到临界剪切应力的机会也越多。也越多。F滑移面滑移面滑移方向滑移方向 S临界分解剪切应力临界分解剪切应力P8图图1.8-1.9 板书板书理想晶体中，原子间作用力近似正弦变化，理想晶体中，原子间作用力近似正弦变化，b b表示原子间的表示原子间的距离，距离，d d表示面间距，图中发现当原子位移量表示面间距，图中发现当原子位移量u u达到达到b/4b

4、/4时，时，引力达到最大。剪切应力客服这一最大引力，即发生永久变引力达到最大。剪切应力客服这一最大引力，即发生永久变形，此时的剪切应力就是晶体的理论剪切强度：形，此时的剪切应力就是晶体的理论剪切强度： 以上是近似的推导，更精确的推导可以得到理论剪切以上是近似的推导，更精确的推导可以得到理论剪切强度为强度为G/30G/10G/30G/10实测的剪切强度比理实测的剪切强度比理论值要低几个数量级论值要低几个数量级 金属金属 金属键无方向性金属键无方向性 结构简单结构简单 滑移系统多滑移系统多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 非金属非金属共价键或离子键有方向共价键或离子键有

5、方向 结构复杂结构复杂 滑移系统少滑移系统少多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形多晶体中每个晶粒多晶体中每个晶粒变形的基本方式与变形的基本方式与单晶体相同单晶体相同相邻晶粒之间的取向相邻晶粒之间的取向晶界晶界多晶体特点多晶体特点多晶体的塑性变形特点多晶体的塑性变形特点1. 各晶粒变形各晶粒变形的不同时性的不同时性2. 各晶粒变形各晶粒变形的相互协调性的相互协调性3. 各晶粒变形各晶粒变形的不均匀性的不均匀性多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时，多晶体有不同取向的晶粒组成，塑性变形时，晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制晶粒取向不同，位错滑移时，晶粒之间相互制约、影响，细化晶粒提高材料的强度约

6、、影响，细化晶粒提高材料的强度晶粒细化晶粒细化晶粒越细，单位体积中晶粒数量越多，变形时同晶粒越细，单位体积中晶粒数量越多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致于造成局部的应力集中，而引起裂纹变形，不致于造成局部的应力集中，而引起裂纹的过早产生和发展，因而断裂前便可发生较大的的过早产生和发展，因而断裂前便可发生较大的塑性变形量，细化晶粒可以提高延性塑性变形量，细化晶粒可以提高延性从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部从原子尺度变化解释塑性形变

7、：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，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，仅是形状晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。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，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该能量接近于所有这些键同时断裂时所需的离解能总和；总和；由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级；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实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。数量级。塑

8、性形变的机理（位错运动理论）塑性形变的机理（位错运动理论）影响因素影响因素缺陷类型缺陷类型缺陷形貌缺陷形貌晶体结构和键型晶体结构和键型 本征缺陷本征缺陷点缺陷点缺陷空位，填隙原子空位，填隙原子 线缺陷线缺陷刃位错刃位错 螺旋位错螺旋位错较大缺陷较大缺陷空洞，气孔空洞，气孔面缺陷面缺陷晶界晶界外来缺陷外来缺陷杂质杂质晶格或晶界固溶非晶格或晶界固溶非连续第二相物质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1.2.2 1.2.2 蠕变是在高温条件下，受到恒定应力作蠕变是在高温条件下，受到恒定应力作用，随着时间的增长持续发生形变的现象，用，随着时间的增长持续发生形变的现象，即时间应变的关系。即

9、时间应变的关系。 在高温条件下，借助于外应力和热激活在高温条件下，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。内部质点发生了不可逆的微观过程。 1. 各阶段的特点各阶段的特点延延伸伸率率10-2864200 100 200 300 400 500 600 时间（小时）时间（小时）第一阶段蠕变第一阶段蠕变第二阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变第三阶段蠕变2.3.1 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。应力和应变同步。（1）

10、弹性形变阶段弹性形变阶段其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短，其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短，应变速率有如下关系：应变速率有如下关系： U=d /dt=At-n 低温时低温时n=1，得：，得： =Blnt 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（蠕变减速阶段或过渡阶段）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。形变与时间的关系为线性关系：蠕变。形变与时间的关系为线性关系： =Kt=Kt此阶段是断裂即将来临之前的

11、最后一个阶段。此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。而快速增加。（3）第二阶段蠕变）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）第三阶段蠕变（加速蠕变）温度和应力都影响恒定温度曲线的形状温度和应力都影响恒定温度曲线的形状当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短；增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。2. 2. 影响蠕变曲线形状的因素影响蠕变曲线形状的因素形变率与应力有如下关系：形变率与应力有如下关系： = =（常数）（常

12、数） n n n n变动在变动在2 22020之间，之间，n=4n=4最为常见。最为常见。延延伸伸率率 时间时间温温度度或或应应力力 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晶界机理晶界机理-多晶体的蠕变；多晶体的蠕变；晶格机理晶格机理-单晶蠕变，但也可单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程。能控制着多晶的蠕变过程。蠕变机理蠕变机理 1 . 晶格机理晶格机理 晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、晶体的塑性形变主要是由于位错的滑移、位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。位错攀移等形式沿着特定的方向运动所致。位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移位错的滑移沿着滑移面运动，而位错攀移是垂直

13、于滑移面运动。是垂直于滑移面运动。实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。 2. 扩散蠕变理论扩散蠕变理论-空位扩散流动空位扩散流动（纳巴罗赫润蠕变（纳巴罗赫润蠕变)晶界上的张应力使空位的浓度增加到晶界上的张应力使空位的浓度增加到 c=cc=c0 0exp(exp(/kT)/kT)压应力使浓度减少到：压应力使浓度减少到： c=cc=c0 0exp(- exp(- /kT) /kT)式中：式中： 为空位体积，为空位体积，c c0 0为平衡浓度。为平衡浓度。 应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，即原子迁移到平行于

14、压应力的浓度扩散，即原子迁移到平行于压应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。晶界，导致晶粒伸长，引起形变。 晶界对蠕变速率有两种影响：晶界对蠕变速率有两种影响：第一第一 ， 高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到松弛。应力得到松弛。第二第二 ， 晶界本身是位错源，通过空位的定向晶界本身是位错源，通过空位的定向扩散发生晶界滑移。扩散发生晶界滑移。3 . 3 . 晶界蠕变理论晶界蠕变理论扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要求晶界过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑动；另一方面

15、，如果蠕变起因于晶界滑动，要滑动；另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散过程来调整。求扩散过程来调整。3. 显微结构显微结构 影响蠕变的因素影响蠕变的因素1. 温度、应力（外界因素）温度、应力（外界因素）2. 晶体的组成晶体的组成结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。例如碳化物、硼化物。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。（2）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。）晶

16、粒：晶粒越小，蠕变率越大。原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动加强。散及晶界流动加强。（3） 玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。蠕变率增大。说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的形变，即实现材料致密化。形变，即实现材料致密化。材料材料蠕变率蠕变率T（

17、13000C)1.24107Pa材料材料蠕变率蠕变率T(13000C)7104Pa多晶多晶Al2O30.1310-5多晶多晶BeO3010-5多晶多晶MgO（注浆）（注浆） 3310-5多晶多晶MgO（等静（等静压）压）3310-5软玻璃软玻璃 8多晶多晶MgAl2O4(2-3) m (1-3)mm26.310-50.110-5铬砖铬砖0.0005多晶多晶ThO210010-5镁砖镁砖0.00002多晶多晶ZrO2310-5石英玻璃石英玻璃200010-5石英玻璃石英玻璃0.001隔热耐火砖隔热耐火砖1000010-5隔热耐火砖隔热耐火砖0.005蠕变损失与蠕变断裂蠕变损失与蠕变断裂蠕变的过程

18、伴随着空穴的形成，从而造成材料损伤，蠕变的过程伴随着空穴的形成，从而造成材料损伤，这种损伤通常包括孔穴的成核、生长和连通三个阶段。这种损伤通常包括孔穴的成核、生长和连通三个阶段。晶界滑移提高了晶界处尤其是三晶交汇点处的应力集晶界滑移提高了晶界处尤其是三晶交汇点处的应力集中，当应力超过临界值时就会引起孔穴成核，在应力中，当应力超过临界值时就会引起孔穴成核，在应力作用下不断长大，最后相邻孔穴沿着晶界合并贯通。作用下不断长大，最后相邻孔穴沿着晶界合并贯通。连通是孔穴起到类似裂纹的作用，并可能与材料内部连通是孔穴起到类似裂纹的作用，并可能与材料内部的初始裂纹连接，增大主裂纹的尺寸，力学性能下降，的初始裂纹连接，增大主裂纹的尺寸，力学性能下降，最终在外力作用下发生蠕变断