第一章材料的受力形變

1、l第一節(jié)第一節(jié) 材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變l第二節(jié)第二節(jié) 材料中晶相的塑性形變材料中晶相的塑性形變l第三節(jié)材料的高溫蠕變第三節(jié)材料的高溫蠕變l第四節(jié)第四節(jié) 高溫下玻璃相的粘性流動高溫下玻璃相的粘性流動第一章第一章 材料的受力形變材料的受力形變各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，稱為形變。第一節(jié)第一節(jié) 材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變l1.脆性材料脆性材料：如上圖曲線（a），即在彈性變形后沒有塑性變形（或塑性變形很?。┙又褪菙嗔?，總彈性應(yīng)變能非常小。不同材料的變形行為不同。不同材料的變形行為不同。l2.延性材料：延性材料：如上圖曲線（b）

2、開始為彈性形變，接著有一段彈塑性形變，然 后才斷裂，總變形能很大。l3.彈性材料：彈性材料：如上圖曲線（c），沒有殘余形變。 無機材料的形變是重要的力學(xué)性能，與材料的無機材料的形變是重要的力學(xué)性能，與材料的制造、加工和使用都有著密切的關(guān)系。因此，研究無制造、加工和使用都有著密切的關(guān)系。因此，研究無機材料在受力情況下產(chǎn)生形變的規(guī)律是有重要意義的。機材料在受力情況下產(chǎn)生形變的規(guī)律是有重要意義的。 材料在外力作用下都要產(chǎn)生內(nèi)力，同時發(fā)生形變。通常內(nèi)力用應(yīng)力描述，形變則用應(yīng)變表示。 定義：應(yīng)應(yīng) 力力: 單位面積上所受的內(nèi)力。 一、應(yīng)一、應(yīng) 力力AF=外力，單位 ；應(yīng)力，單位 ； 面積，單位 . 定義：

3、名義應(yīng)力：00AF=材料受力前的初始面積0AFAPam2Nxyz zx xy yy xx zz yz zy yx xz應(yīng)力分量應(yīng)力分量S圍繞材料內(nèi)部一點圍繞材料內(nèi)部一點P，取一體積單元取一體積單元1.2 任意的力在任意方向上作用于物體任意的力在任意方向上作用于物體1. 應(yīng)力應(yīng)力2. 剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變負荷作用在面積為負荷作用在面積為S的的ABCD面上，面上，剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力： =P/S; 剪切應(yīng)變：剪切應(yīng)變： =U/L=tg.正應(yīng)力引起材料的伸長或縮短，剪應(yīng)力引起材料的正應(yīng)力引起材料的伸長或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動?；儯⑹共牧习l(fā)生轉(zhuǎn)動。PABCDEA

4、 B ULF說明：說明：下腳標的意義：下腳標的意義：每個面上有一個法向應(yīng)力和兩個剪應(yīng)力，應(yīng)力分量下標：每個面上有一個法向應(yīng)力和兩個剪應(yīng)力，應(yīng)力分量下標：第一個字母表示應(yīng)力作用面的法線方向；第一個字母表示應(yīng)力作用面的法線方向；第二個字母表示應(yīng)力的作用方向。第二個字母表示應(yīng)力的作用方向。方向的規(guī)定方向的規(guī)定正應(yīng)力的正負號規(guī)定：拉應(yīng)力（張應(yīng)力）為正，壓應(yīng)力正應(yīng)力的正負號規(guī)定：拉應(yīng)力（張應(yīng)力）為正，壓應(yīng)力為負。為負。剪應(yīng)力的正負號規(guī)定：剪應(yīng)力的正負號規(guī)定：正剪應(yīng)力正剪應(yīng)力負剪應(yīng)力負剪應(yīng)力應(yīng)力間存在以下關(guān)系：應(yīng)力間存在以下關(guān)系：根據(jù)平衡條件，體積元上相對的兩個平行平面上的根據(jù)平衡條件，體積元上相對的兩個

5、平行平面上的法向應(yīng)力大小相等，方向相反；法向應(yīng)力大小相等，方向相反；剪應(yīng)力作用在物體上的總力矩等于零。剪應(yīng)力作用在物體上的總力矩等于零。應(yīng)力應(yīng)力張量張量T1T2T3T4T5T6 xx yy zz yz zx xy結(jié)論：一點的應(yīng)力狀態(tài)有六個分量決定結(jié)論：一點的應(yīng)力狀態(tài)有六個分量決定體積元上任意面上的法向應(yīng)力與坐標軸的正方向相體積元上任意面上的法向應(yīng)力與坐標軸的正方向相同，則該面上的剪應(yīng)力指向坐標軸的正方向者為正；同，則該面上的剪應(yīng)力指向坐標軸的正方向者為正；如果該面上的法向應(yīng)力指向坐標軸的負方向，則剪如果該面上的法向應(yīng)力指向坐標軸的負方向，則剪應(yīng)力指向坐標軸的正方向者為負。應(yīng)力指向坐標軸的正方向

6、者為負。二、應(yīng)變二、應(yīng)變應(yīng)變是用來描述物體內(nèi)部各質(zhì)點之間的相對位移。1. 名義應(yīng)變和真實應(yīng)變名義應(yīng)變和真實應(yīng)變 一根長度為 的桿，在單向拉應(yīng)力作用下被拉長到 ，則應(yīng)變的定義為： 稱為名義應(yīng)變名義應(yīng)變。 如果上式中分母不是 ，而是隨拉伸而變化的真實長度 ，則真實應(yīng)變真實應(yīng)變?yōu)?0L1L0001)-(LLLLL0LL01ln10LLLdLLLtrue=AOBOAOByx,2. 剪應(yīng)變剪應(yīng)變定義：物體內(nèi)部一體積元上的二個面元之間的夾角的變化。形變未發(fā)生時線元 及 之間的夾角 形變后為 ，則 間的剪應(yīng)變定義為：+=xy通常為了方便起見都用名義應(yīng)變。BOA如上圖：研究物體中一點的應(yīng)變狀態(tài)，在物體內(nèi)圍繞該

7、點取出一體積元 點處沿 方向的位移分量為Odzdydx，、zyx，A點在點在x方向的位移是：方向的位移是：u+( u/ x)dx， OA的長的長度增加度增加( u/ x)dx.O點在點在 y方向的應(yīng)變：方向的應(yīng)變： v/ x, A點在點在y方向的位方向的位移移v +( v/ x)dx,A點在點在y方向相對方向相對O點的位移為：點的位移為： ( v/ x)dx,同理：同理：B點在點在x方向相對方向相對O點的位移為：點的位移為： ( u/ y)dy。、wvu線段線段OA及及OB之間的夾角變化之間的夾角變化OA與與OA 間的夾角間的夾角 =( v/ x)dx/dx= v/ x OB與與OB 間的夾角

8、間的夾角 = ( u/ y)dy/dy= u/ y線段線段OA及及OB之間的夾角減少了之間的夾角減少了 v/ x + u/ y，xz平面的剪應(yīng)變?yōu)槠矫娴募魬?yīng)變?yōu)? xy= v/ x + u/ y （ xy與與 yx) 一點的應(yīng)變狀態(tài)由與應(yīng)力分量對應(yīng)的六個應(yīng)變分量決定，即三個剪應(yīng)變分量 及三個伸長應(yīng)變分量因此，平面 之間的剪應(yīng)變?yōu)椋簔uxwywzvyuxvzxyzxyyzxz與zxyzxy，。，zzyyxx1、 廣義虎克定律廣義虎克定律 一長方體，各棱邊平行于坐標軸，在垂直于 軸的兩個面上受有均勻分布的正應(yīng)力 三三. 材料的彈性變形行為材料的彈性變形行為xxu 對于各向同性體，這些正應(yīng)力不會引起

9、長方體的 角度改變。長方體在x軸的相對伸長可表示為： 式中 為彈性模量，對各向同性體為一常數(shù)。E表示材料抵抗變形的能力。u當長方體伸長時，側(cè)向要發(fā)生橫向收縮Exx =。LLx =Ebbbbbccccczy- 橫向變形系數(shù) ，叫做泊松比泊松比。 y y=-=-X X=-=- x/E z z=-=- x/E u若長方體各面分別受有均勻分布的正應(yīng)力 ,則在各方面的總應(yīng)變可以將三個應(yīng)力分量中的第一個應(yīng)力分量引起的應(yīng)變分量疊加而求得。此時，虎克定律為：xzxyyxzzzxyyzyxxEEE111zyx，對于剪應(yīng)變，則有：=GGGzxzxyzyzxyxy式中 為剪切模量或剛性模量。 之間有下列關(guān)系：G，

10、EG()12+=EG 各向同等的壓力 除以體積變化為材料的體積模量。KP2-13EVVPK 大多數(shù)多晶材料雖然微觀上各晶粒具有方向性，但因晶粒數(shù)量很大，且隨機排列，故宏觀上可以當作各向同性體處理。 對于彈性形變，金屬材料的泊松比為0.290.33，無機材料為0.20.25。無機材料的彈性模量E隨材料不同變化范圍大，約為109 1011Pa。u單晶及具有織構(gòu)的材料或復(fù)合材料（用纖維增強）具有明顯的方向性，在此情況下，各種彈性常數(shù)隨方向不同，則虎克定律描述了更一般的-關(guān)系。作用力對不同方向正應(yīng)變的影響作用力對不同方向正應(yīng)變的影響 不同不同各種彈性常數(shù)隨方向而不同，各種彈性常數(shù)隨方向而不同，即：即：

11、 Ex Ey Ez , xy yz zx在在單向受力單向受力 x時，在時，在y, z方向的應(yīng)變?yōu)椋悍较虻膽?yīng)變?yōu)椋?yx = yx x= yx x/Ex=（ yx /Ex ） x =S21 x zx = zx x= zx x/Ex=S31 xS21, S31為彈性柔順系數(shù)。為彈性柔順系數(shù)。1, 2,3分別表示分別表示x,y,z (2) 各向異性（自學(xué)）各向異性（自學(xué)）同時受同時受三個方向的正應(yīng)力三個方向的正應(yīng)力，在，在x, y, z方向方向的應(yīng)變?yōu)椋旱膽?yīng)變?yōu)椋?xx= xx/Ex+S12 yy +S13 zz yy= yy/Ey+S21 yy +S23 zz zz= zz/Ez+S31 yy +

12、S32 zz正應(yīng)力對剪應(yīng)變有影響，剪應(yīng)力對正應(yīng)變也有影響，通正應(yīng)力對剪應(yīng)變有影響，剪應(yīng)力對正應(yīng)變也有影響，通式為：式為： xx= S11 xx+S12 yy +S13 zz+S14 yz+S15 zx+S16 xy yy= S22 yy+S21 xx +S23 zzS24 yz +S25 zx+S26 xy zz= S33 zz+S31 yy +S32 zzS34 yz +S35 zx+S36 xy yz= S41 xx+S42 yy +S43 zz+S44 yz +S45 zx+S46 xy zx=S51 xx+S52 yy +S53 zz+S54 yz +S55 zx+S56 xy xy=

13、S61 xx+S62 yy +S63 zz+S64 yz +S65 zx+S66 xy 總共有總共有36個系數(shù)。個系數(shù)。根據(jù)根據(jù)倒順關(guān)系倒順關(guān)系有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）：有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）： Sij=Sji , 21/E1 12/E2，系數(shù)減少至系數(shù)減少至21個個考慮考慮晶體的對稱性晶體的對稱性，例如：例如：斜方晶系斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，S數(shù)為數(shù)為9個個(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12 = S21,S23,S13) 。六方晶系六方晶系只有只有5個個S(S11 = S22, S33, S

14、44, S66, S13)立方晶系立方晶系為為3個個S(S11,S44,S12)MgO的柔順系數(shù)在的柔順系數(shù)在25oC時，時， S11 =4.0310-12 Pa-1; S12 =0.9410-12 Pa-1; S44 = 6.4710-12 Pa-1 . 由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的?？偨Y(jié)總結(jié)虎克定律表明，對于足夠小的形變，應(yīng)力與應(yīng)變成虎克定律表明，對于足夠小的形變，應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，系數(shù)為彈性模量線性關(guān)系，系數(shù)為彈性模量E。rrror 12FUm在在r=ro時，原子時，原子1和和2處于平衡狀處于平衡狀態(tài)，其合力態(tài)，其合力F=0.

15、當原子受到拉伸時，原子當原子受到拉伸時，原子2向右向右位移，起初作用力與位移呈線位移，起初作用力與位移呈線性變化，后逐漸偏離，達到性變化，后逐漸偏離，達到r 時，時，合力最大，此后又減小。合力合力最大，此后又減小。合力有一最大值，該值相當于材料有一最大值，該值相當于材料斷裂時的作用力。斷裂時的作用力。斷裂時的相對位移：斷裂時的相對位移：r ro= 把合力與相對位移的關(guān)系看作把合力與相對位移的關(guān)系看作線性關(guān)系，則彈性常數(shù)：線性關(guān)系，則彈性常數(shù)： K F/ =tg 2 原子間相互作用力和彈性常數(shù)的關(guān)系原子間相互作用力和彈性常數(shù)的關(guān)系u1）在不受外力的情況下， 就反映了彈性模量 的大小， 較小， 較

16、小， 也就小 ，原子間結(jié)合力弱。 較大， 較大， 也就大 ，原子間結(jié)合力強。 從圖1.5中原子間的結(jié)合力曲線可以看出，彈性模量E實際上和原子間結(jié)合力曲線上任一受力點的曲線斜率有關(guān)。tgE11tg1E22tg2E a. 共價鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強，E都較大； b . 分子鍵結(jié)合力弱，這樣鍵合的物體E較低。u2）改變原子間距離將影響彈性模量. 壓應(yīng)力使原子間距離變小，曲線上該點的斜率增 大，因而E將增大。 張應(yīng)力使原子間距離增加，因而E下降。u3）在兩相系統(tǒng)中，總彈性模量在高彈性模量成分與低彈性模量成分的數(shù)值之間。 a. 假定兩相系統(tǒng)的泊松比相同，在力的作用下兩相的應(yīng)變相同，則根據(jù)力的平衡

17、條件可得到下面公式：2211VEVEEU+= 式中 ： 分別為兩相的彈性模量 分別為兩相的體積分數(shù) 為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，叫上限模量。21EE ，21VV ，UE此式適用于估算金屬陶瓷，玻璃纖維、增強塑料以及在玻璃質(zhì)基體中含有晶體的半透明材料的彈性模量。 b. 假定兩相的應(yīng)力相同，則可得兩相系統(tǒng)彈性模量的最低值 也叫下限模量。11221EVEVELLE c. 對于氣孔，不能應(yīng)用上述公式計算 對于連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用經(jīng)驗公式計算 。E：E209.09.11PPEE式中: 材料無氣孔時的彈性模量 ， 為氣 孔率.0EP對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面經(jīng)驗公式：對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可

18、用下面經(jīng)驗公式： E=Eo(11.9P+0.9P2)適用于適用于P 50 材料材料E(Gpa)材料材料E(Gpa)氧化鋁晶體氧化鋁晶體380燒結(jié)燒結(jié)TiC(P=5 % )310燒結(jié)氧化鋁（燒結(jié)氧化鋁（P=5 % ） 366燒結(jié)燒結(jié)MgAl2O4(P=5 % )238高鋁瓷（高鋁瓷（P=9095 % ）366密實密實SiC(P=5 % )470燒結(jié)氧化鈹（燒結(jié)氧化鈹（ P=5 % ） 310燒結(jié)穩(wěn)定化燒結(jié)穩(wěn)定化ZrO2 P=5 % 150熱壓熱壓BN（ P=5 % ）83石英玻璃石英玻璃72熱壓熱壓B4C（ P=5 % ）290莫來石瓷莫來石瓷69石墨（石墨（ P=20 % ）9滑石瓷滑石瓷69

19、燒結(jié)燒結(jié)MgO（ P=5 % ）210鎂質(zhì)耐火磚鎂質(zhì)耐火磚170燒結(jié)燒結(jié)MoSi2（ P=5 % ） 407 3. 粘彈性與滯彈性粘彈性與滯彈性 一些非晶體和多晶體在比較小的應(yīng)力時，可以同時表現(xiàn)出彈性和粘性，稱為粘彈性粘彈性。 對于理想的彈性固體，作用應(yīng)力會立即引起彈性應(yīng)變，一旦應(yīng)力消除，應(yīng)變也隨之立即消除。但對于實際固體這種彈性應(yīng)變的產(chǎn)生與消除需要有限時間，這種與時間有關(guān)的彈性稱為滯彈性滯彈性。高溫下許多含有玻璃相材料， （彈性模量）與時間有關(guān)，隨時間的增加而降低。這是因為在高溫下，應(yīng)力的作用使一些原子從一個位置移到另一個位置，在此情況下，形變是滯彈性或粘彈性。應(yīng)力除去后，可以漸漸恢復(fù)。0E

20、 當對粘彈性體施加恒定應(yīng)力 時，其應(yīng)變隨時間而增加，這種現(xiàn)象叫蠕變?nèi)渥儯藭r彈性模量 也隨時間而減小。 0scE ttEc0如果施加恒定應(yīng)變 ，則應(yīng)力將隨時間而減小，這種現(xiàn)象叫馳豫馳豫。此時，彈性模量 也隨時間而降低。0rE 0ttEr可以用力學(xué)模型來表示物體在外力作用下的形變行為。 為恒定應(yīng)變下應(yīng)力馳豫時間應(yīng)力馳豫時間， 為恒定應(yīng)力下應(yīng)變?nèi)渥儠r間應(yīng)變?nèi)渥儠r間。 用這兩種元件進行各種組合，可得到各種模型，來表示不同的力學(xué)性能。根據(jù)模型：22211112112彈彈粘彈彈彈彈彈粘粘粘彈彈EE=+=+=E=()221EEE+= 它們都是表示材料在外力作用下從不平衡狀態(tài)通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新組合而達到平衡狀

21、態(tài)所需的時間。a 若材料的 大， 小，則 和 都大，說明滯彈性大。 b 若 彈性模量為常數(shù)，彈性 在結(jié)晶的陶瓷中，滯彈性馳豫最主要的根源是殘余的玻璃相。E()，粘度000=陶瓷中的主晶相與玻璃相 塑性形變塑性形變是指一種在外力移去后不能恢復(fù)的形變。材料經(jīng)受塑性形變而不破壞的能力叫延展性延展性，此種性能在材料加工和使用中都很有用，是一種重要的力學(xué)性能。屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力：當外力超過物體彈性極限，達到某一點后，在外：當外力超過物體彈性極限，達到某一點后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點為屈服點，力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點為屈服點，達到屈服點的應(yīng)力。達到屈服點的應(yīng)力。 無機材

22、料在常溫時大都缺乏延展性延展性，使得材料的應(yīng)用受到限制。究其原因，必須研究塑性形變的機理，首先從單晶入手，這樣可以不考慮晶界的影響。第二節(jié)第二節(jié) 材料中晶相的塑性形變材料中晶相的塑性形變一、一、 晶格滑移晶格滑移 晶體中的塑性形變塑性形變有兩種基本方式基本方式：滑移和孿晶。晶體受力時，晶體的一部分相對另一部分發(fā)生平移滑動，叫做滑移滑移 :l晶體中滑移總是發(fā)生在主要晶面和主要晶向上，這些晶面和晶向指數(shù)較小，原子密度大，也就是柏 氏矢量b較小，只要滑動較小距離就能使晶體結(jié)構(gòu) 復(fù)原，所以比較容易滑動。滑動面和滑動方向組成晶體的滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng)。l 滑移是在剪應(yīng)力作用下在一定滑移系統(tǒng)上進行的?；疲夯?/p>

23、移：晶體的一部分相對另一部分平移滑動。晶體的一部分相對另一部分平移滑動。在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對滑動。對滑動。 如上圖所示,拉伸或壓縮都會在滑動面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，由于滑移面的取向不同，其上的剪應(yīng)力也不同。 產(chǎn)生滑移的條件：產(chǎn)生滑移的條件： 面間距大；面間距大； 每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的電荷相反；電荷相反； 滑移

24、矢量（柏格斯矢量）小?；剖噶浚ò馗袼故噶浚┬?。 110滑移面（滑移面（111）滑移面（滑移面（110）滑移面（滑移面（112）滑移面（滑移面（123）方向）方向111（111）面面心心格格子子體體心心格格子子l由左圖可知，滑移面上F方向的應(yīng)力為：l此應(yīng)力在滑移方向上的分剪應(yīng)力為：AFAF/coscos/=AF/coscos=現(xiàn)以單晶受拉為例現(xiàn)以單晶受拉為例,分析臨界剪應(yīng)力大小分析臨界剪應(yīng)力大?。号R界分解剪切應(yīng)力臨界分解剪切應(yīng)力 a）不同滑移面及滑移方向的剪應(yīng)力不一樣不同滑移面及滑移方向的剪應(yīng)力不一樣 b）同一滑移面上不同滑移方向剪應(yīng)力也不一同一滑移面上不同滑移方向剪應(yīng)力也不一 樣樣 c）當當

25、 （臨界剪應(yīng)力），發(fā)生滑移（臨界剪應(yīng)力），發(fā)生滑移 d）當當 角和角和 角處于同一平面時，角處于同一平面時， 角最小角最小，即 。 所以， 的最大值為0.5。 0=+90coscos可見，在外力 的作用下，在 處于同一平面內(nèi)滑移方向上，剪應(yīng)力達最大值。其他方向剪應(yīng)力均較小。FFN， e）產(chǎn)生滑移機會多少取決于晶體中的滑移系統(tǒng)數(shù)產(chǎn)生滑移機會多少取決于晶體中的滑移系統(tǒng)數(shù) 量。量。 對于金屬，金屬鍵沒有方向性，滑移系統(tǒng)多。 所以易于滑移而產(chǎn)生塑性形變。 對無機材料，離子鍵和共價鍵具有明顯的方向 性，同號離子相遇，斥力極大。只有個別滑移 系統(tǒng)才能滿足幾何條件與靜電作用條件。晶體 結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，滿足這種條

26、件就愈困難。所以不 易產(chǎn)生滑移。 f）多晶材料 晶粒在空間隨機分布，不同方向的晶 粒其 滑移面上的剪應(yīng)力差別大，晶粒相互制約， 所以，不易產(chǎn)生滑移。 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)雜金屬鍵無方向性金屬鍵無方向性 共價鍵或離子鍵有方向共價鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 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)少金屬與非金屬晶體滑移難易的比較金屬與非金屬晶體滑移難易的比較 實際晶體中存在位錯缺陷。當受剪應(yīng)力作用時，并不是晶體內(nèi)部整體相互錯動，而是位錯在滑移面上沿滑移方向運動。這是因為，使位錯運動所需要的力比使晶體兩部分整體滑移所需的力小得

27、多。所以實際晶體的滑移是位錯運動得結(jié)果。二、二、 塑性形變的位錯運動理論塑性形變的位錯運動理論l1）在位錯處出現(xiàn)勢能空位。鄰近原子 遷移空位 上需要克服的勢壘 比 小。l2）在外力作用下，滑移面 就有分剪應(yīng)力 。 此時，勢能曲線變得不對稱， 遷移到空2ChhCD2C位要克服得勢壘為 ，且 小 于 ， 的作用使 降低。 原子遷移變得容易。()H()Hh h2Cl3） 叫做位錯運動激活能位錯運動激活能。與 有關(guān) , 大, 小； 小， 大； 故 為 的函數(shù)。()H()H()H()H下圖中:（a）有位錯時原子列中出現(xiàn)勢能空位； （b）未受力時的勢能曲線； （c）加剪應(yīng)力后的勢能曲線。完整晶體的勢能曲線

28、完整晶體的勢能曲線有位錯時，晶體的勢能有位錯時，晶體的勢能曲線曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線 hh H( )滑移面滑移面 一個原子能擺脫平衡位置的幾率是由波爾茲曼因子 決定的。 為激活能，位錯速度為： KTEeE KTHeVV0式中： 與原子熱振動固有頻率有關(guān)得常數(shù)， 波爾茲曼常數(shù)為1.3810-23J/K, 絕對溫度.0VKTl 1） 當無外力時， ，比 大得多. 如，室溫 =300K， 則 =4.1410-21J =0.26ev hHKTTKTl2）位錯只能在滑移面上運動，只有滑移面上的分 剪應(yīng)力才能使 降低金屬材料 約為0.10.2ev，無機材料約為1ev。所以，室溫下無機

29、材料中位錯運動十分困難。h Hl3）溫度升高，位錯運動的速度加快，對于一些在常對于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。 由于滑移反映出來的宏觀上的塑性形變是位錯滑移反映出來的宏觀上的塑性形變是位錯 運動的結(jié)果運動的結(jié)果，因此宏觀上的形變速率和位錯運 動有關(guān)，圖中的簡化模型表示了這種關(guān)系。 設(shè)在時間 內(nèi)，長度為 的試件變形量為 ，應(yīng)變?yōu)?， 應(yīng)變率 設(shè) 平面上有 個位錯，則參與形變的滑移面上的位錯密度為：tlllldtdlln2lnD位錯運動的平均速度為 vtlv另外，在時間 內(nèi)不但此 個位錯通過試樣邊界，而且還會引起位錯增殖，

30、使通過邊界的位錯數(shù)增加到 個， 稱為稱為位錯增殖系數(shù)位錯增殖系數(shù)。ntncc 每個位錯的運動造成位錯方向上的一個原子間距大小的滑移。即一個柏氏矢量的滑移。則單位時間內(nèi)的滑移量為：tltnbc則宏觀應(yīng)變率vDbctllbncltbncltldtd2 因此，要造成宏觀塑性變形，必須滿足下列條件：（）有足夠多的位錯（）位錯有一定的運動速度（ 3 ）柏氏矢量 大的材料 大bl ）位錯的形成需要能量，由彈性理論的計算，位錯形成能為 a.為幾何因子，約. b.相當于晶格的點陣常數(shù)。 越小，容易形成位錯。金屬為單元結(jié)構(gòu) 約埃，容易形成位錯。材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜。點陣結(jié)構(gòu)中原子數(shù)較多。 所以，形成位錯的能量較大，不易

31、形成位錯，位錯運動也很困難，也就難以產(chǎn)生塑性形變。2aGbE bb三、三、 塑性形變速率對屈服強度的影響塑性形變速率對屈服強度的影響式中， 為位錯運動速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)。m 在一定的剪應(yīng)力 作用下，將使位錯運動激活能 減小。 越大， 越小，因而，位錯運動速 率 越大。所以塑性形變速率 與所受剪應(yīng)力 的大 小呈正比。 H Hv形變速率大，相應(yīng)的剪應(yīng)力最大值也大。表現(xiàn)在宏觀上屈服強度點也越高。因而塑性變形速率 與屈服強度有一定關(guān)系： mYS 結(jié)結(jié) 論論 1、位錯運動理論說明，無機材料中難以、位錯運動理論說明，無機材料中難以發(fā)生塑性形變。發(fā)生塑性形變。2、當滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯以、當滑移面

32、上的分剪應(yīng)力尚未使位錯以足夠速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微足夠速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材裂紋擴展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。料的脆斷。無機材料是很有前途的高溫材料。因此在高溫下使用的無機材料，就必須考慮其高溫蠕變。第三節(jié)第三節(jié) 材料的高溫蠕變材料的高溫蠕變 材料在高溫下長時間的受到小應(yīng)力作用，出現(xiàn)蠕材料在高溫下長時間的受到小應(yīng)力作用，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，即時間應(yīng)變的關(guān)系。變現(xiàn)象，即時間應(yīng)變的關(guān)系。從熱力學(xué)觀點出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。從熱力學(xué)觀點出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的作用，在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的作

33、用，形變的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生形變的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生了不可逆的微觀過程。了不可逆的微觀過程。典型的蠕變曲線如圖所示。 l ） 在外力作用下發(fā)生瞬時彈性形變l ） 蠕變減速階段。特點是應(yīng)變速率隨時間遞減。其規(guī)律可表示為 oaabnAtdtdAtAnln1，3232Btn，為常數(shù).低溫時，高溫時，該曲線分四個階段:l 4） 加速蠕變階段。 特點是應(yīng)變率隨時間增加 而增加，最后到 點斷裂。 當外力和溫度不同時，蠕變各階段時及曲線傾斜程度將有所變化。dl） 穩(wěn)定蠕變階段。特點是蠕變速率幾乎保持 不變。 ，所以， bc（常數(shù)）kdtdktcd（） 或應(yīng)力較低時，穩(wěn)定蠕

34、變階段延長。（）外力對應(yīng)變速率的影響很大， 為220。Tnkn，l 1）在高溫下原子熱運動加劇。可以使位錯從障礙 中解放出來，并使位錯運動加速。l 2）位錯運動除產(chǎn)生滑移外，位錯攀移也能產(chǎn)生宏 觀上的形變。由于晶體中存在過飽和的空位, 多余的半片原子可以向空位擴散，通過吸收空 位，位錯可攀移到滑移面以外，繞過障礙物， 使滑移面移位。一一、高溫蠕變的位錯理論高溫蠕變的位錯理論 認為高溫下的蠕變現(xiàn)象類似于晶體中的擴散現(xiàn)象。并且把蠕變過程看成是外力作用下沿應(yīng)力作用方向擴散的一種形式。l 1）當試件受拉時，受拉晶界的空位濃度 增加，二、擴散蠕變理論二、擴散蠕變理論拉CKTCCexp0拉空位體積 平衡空

35、位濃度0C在受壓晶面上，空位濃度 減少。壓CKTCCexp0壓則：l 2）受拉晶界與受壓晶界產(chǎn)生空位濃度差，受拉晶界 的空位向受壓晶界遷移。同時，原子朝相反方向 擴散。導(dǎo)致沿受拉方向伸長，發(fā)生形變。l 3）這種擴散可以是體擴散，沿晶粒內(nèi)部進行；也可 以是晶界擴散。1.溫度溫度 溫度升高，蠕變大。因為 升高，位錯運動和晶界錯動加快。三三、晶界蠕變理論晶界蠕變理論 多晶陶瓷中存在著大量晶界。當晶界位相差大時，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時，晶界粘度迅速下降。外力導(dǎo)致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。四、影響蠕變的因素四、影響蠕變的因素t2.應(yīng)力應(yīng)力 蠕變隨應(yīng)力增加而增大. 若對材料施加壓應(yīng)力，則增

36、加了蠕變的阻力。.顯微結(jié)構(gòu)的影響顯微結(jié)構(gòu)的影響 多孔率增加，蠕變率增大。 晶粒越小，蠕變率越大。 玻璃相含量高, 蠕變率增大。 玻璃相對蠕變的影響取于玻璃相對晶相的濕 潤程度，不濕潤完全濕潤。2 m1250oC2 m1350oC2 m1450oC 玻璃相對晶相的濕潤情況圖4.組成組成 組成不同的材料其蠕變行為不同。 即使組成相同，單獨存在和形成化合物，其蠕 變行為不一樣。5.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 共價鍵結(jié)構(gòu)程度增加，擴散及位錯運動降低抗 蠕變性能就較好。式中，比例常數(shù) 為粘性系數(shù)粘性系數(shù)或或粘度粘度，是材料的性能參數(shù)。單位： 玻璃相或陶瓷材料中的玻璃相在高溫下，粘度降低，同時又有剪應(yīng)力的作用就會發(fā)

37、生粘性流動。在粘性流動中，剪應(yīng)力與速度梯度成正比。即：dtdrdxdvdxdv或sPa第四節(jié)第四節(jié) 高溫下玻璃相的粘性流動高溫下玻璃相的粘性流動 這一定律稱為牛頓定律。符合這一定律的流體叫牛牛頓液體頓液體。其特點是應(yīng)力與應(yīng)變率之間呈直線關(guān)系。 一、流動模型一、流動模型 出發(fā)點出發(fā)點： 認為液體流動是一種速率過程。液體層相對于鄰層液體流動時，液體分子從開始的平衡狀態(tài)過渡到另一平衡狀態(tài)。其間液體分子必須越過勢壘 絕對速率模型 。如圖1.18所示。El 2）在剪切力 作用下，勢能曲線變得不對稱，沿流 動方向上的勢壘減少了 根據(jù)絕對反應(yīng)速率 理論，流動速率:l1）在沒有剪切力 作用時，勢能曲線是對 稱的。EkTuekTE2sinh213201dxdv根據(jù)牛頓定律 : , 得: kTekTE3sinh2132011可認為 , 則： 321kTkTEv2