無(wú)機(jī)材料物理性能第3講

1、2021年年11月月13日日基本概念及現(xiàn)象基本概念及現(xiàn)象 : : s 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度coscosafafafcoscos滑移面面積：滑移面面積：a/cos ；f在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：fcos ；滑移面上滑移面上f方向的應(yīng)力為：方向的應(yīng)力為：滑移面上分剪應(yīng)力：滑移面上分剪應(yīng)力： 在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定大小決定 coscos coscos 的大??；的大??； 滑移系統(tǒng)越多，滑移系統(tǒng)越多， coscos coscos大的機(jī)會(huì)就多，大的機(jī)會(huì)就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會(huì)也越多。達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會(huì)也越多。金屬與非金屬晶體滑移難

2、易的比較金屬與非金屬晶體滑移難易的比較 金屬金屬 非金屬非金屬 由一種離子組成由一種離子組成 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無(wú)方向性金屬鍵無(wú)方向性 共價(jià)鍵或離子鍵有方向共價(jià)鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系統(tǒng)多滑移系統(tǒng)多 滑移系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少 從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對(duì)于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新的一部分原子相對(duì)于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時(shí)，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積平衡位置時(shí)，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒(méi)有變化，僅是形狀發(fā)生變化。沒(méi)有變化，僅是形狀發(fā)生變化。 如果所有原子同時(shí)移動(dòng)，需要很大能量才出如果所有原子同

3、時(shí)移動(dòng)，需要很大能量才出現(xiàn)滑動(dòng)，該能量接近于所有這些鍵同時(shí)斷裂現(xiàn)滑動(dòng)，該能量接近于所有這些鍵同時(shí)斷裂時(shí)所需的離解能總和；時(shí)所需的離解能總和； 由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級(jí)；量級(jí)； 實(shí)際測(cè)試結(jié)果：晶格能超過(guò)產(chǎn)生塑變所需能實(shí)際測(cè)試結(jié)果：晶格能超過(guò)產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。完整晶體的勢(shì)能曲線完整晶體的勢(shì)能曲線有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能曲線曲線加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線 hh h( )滑移面滑移面 thevv0v0：與原子熱振動(dòng)固有頻率有關(guān)的常數(shù) ：波爾茲曼常數(shù)，1.3810-23j/k t ：絕對(duì)溫度無(wú)外

4、力時(shí)，h() =h，比kt大得多， 很小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難 無(wú)機(jī)材料中滑移系統(tǒng)只有有限幾個(gè), 難產(chǎn)生塑性形變 溫度升高,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快 , 塑性形變開(kāi)始增強(qiáng) kthe結(jié)結(jié) 論論 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說(shuō)明，無(wú)機(jī)材料中難以發(fā)生塑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說(shuō)明，無(wú)機(jī)材料中難以發(fā)生塑性形變。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯(cuò)性形變。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯(cuò)以足夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過(guò)微裂以足夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過(guò)微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。斷。lll塑性形變簡(jiǎn)化模型塑性形變簡(jiǎn)化模型 設(shè)設(shè)ll平面上有平面上有n個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度：個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度： d=n/

5、l2在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過(guò)晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過(guò)晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速度為：均速度為： v=l/t設(shè)：在時(shí)間設(shè)：在時(shí)間t內(nèi)，長(zhǎng)度為內(nèi)，長(zhǎng)度為l的試件形變量的試件形變量l ， 應(yīng)變：應(yīng)變：l /l= ， 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率：u=d /dt 考慮位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程增殖，通過(guò)邊界位錯(cuò)數(shù)為考慮位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程增殖，通過(guò)邊界位錯(cuò)數(shù)為nc個(gè)，個(gè)，c為位錯(cuò)增殖系數(shù)。為位錯(cuò)增殖系數(shù)。 每個(gè)位錯(cuò)在晶體內(nèi)通過(guò)都會(huì)引起一個(gè)原子間距滑每個(gè)位錯(cuò)在晶體內(nèi)通過(guò)都會(huì)引起一個(gè)原子間距滑移，也就是一個(gè)柏格斯矢量移，也就是一個(gè)柏格斯矢量(b)，單位時(shí)間內(nèi)的滑，單位時(shí)間內(nèi)的滑移量：移量： nbc/t

6、= l /t 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率： u=d /dt= l /lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vdbcdbcvtlbcltnbcltldtd2ln宏觀應(yīng)變率為： 塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度、位錯(cuò)密塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度、位錯(cuò)密度、柏格斯矢量、位錯(cuò)的增殖系數(shù)，且與其度、柏格斯矢量、位錯(cuò)的增殖系數(shù)，且與其成正比。成正比。 柏格斯矢量與位錯(cuò)形成能有關(guān)系柏格斯矢量與位錯(cuò)形成能有關(guān)系e=agb2，柏，柏格斯矢量影響位錯(cuò)密度，即柏格斯矢量越大，格斯矢量影響位錯(cuò)密度，即柏格斯矢量越大，位錯(cuò)形成越難，位錯(cuò)密度越小。位錯(cuò)形成越難，位錯(cuò)密度越小。 金屬與無(wú)機(jī)材料的柏格斯矢量比較：金屬與無(wú)機(jī)材料的柏

7、格斯矢量比較： 金屬的柏格斯矢量一般為金屬的柏格斯矢量一般為3a左右，無(wú)機(jī)材料左右，無(wú)機(jī)材料的大，如的大，如mgal2o4三元化合物為三元化合物為8a，al2o3的為的為5a。多晶的的塑性形變多晶的的塑性形變 多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。 多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：多晶塑性形變包括以下內(nèi)容： 晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑變；晶體中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起塑變； 晶粒與晶粒間晶界的相對(duì)滑動(dòng)；晶粒與晶粒間晶界的相對(duì)滑動(dòng)； 空位的擴(kuò)散；空位的擴(kuò)散； 粘性流動(dòng)。粘性流動(dòng)。例如：玻璃是無(wú)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，例如：玻璃是無(wú)序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆性，但在高溫時(shí)又能變形，為什么？呈脆性，但在高溫時(shí)又能變形，為什么？ 玻璃發(fā)生塑性形變的過(guò)程：玻璃發(fā)生塑性形變的過(guò)程： 正是因?yàn)榉情L(zhǎng)程有序，許多原子并不在勢(shì)能正是因?yàn)榉情L(zhǎng)程有序，許多原子并不在勢(shì)能曲線低谷；曲線低谷； 有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使