無機(jī)材料的塑性形變

1、1.2 無機(jī)材料的塑性形變塑性：使固體產(chǎn)生變形的力，在超過該固體的屈服應(yīng)力后，出現(xiàn)能使該固體長(zhǎng)期保持其變形后的形狀或尺寸，即非可逆性能。塑性形變：一種在外力移除后不能恢復(fù)的形變。材料經(jīng)塑性變形而不破壞的能力叫。無機(jī)材料的塑性形變比金屬困難，在常溫時(shí)大都缺乏延展性。11.2 無機(jī)材料的塑性形變Kbr和MgO晶體彎曲試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2補(bǔ)充知識(shí)：相變?cè)鲰g含CeO2（氧化鈰）的四方ZrO2的多晶瓷在應(yīng)力超過一定值后，由于四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵憩F(xiàn)出很大的塑性變形，稱為相變塑性。ZrO2晶粒具有3種同質(zhì)異構(gòu)體，即立方晶相、四方晶相和單斜晶相。各相穩(wěn)定存在的大致溫度范圍是：立方相大于2300，四方相大于

2、1100，單斜相小于1100。在燒成溫度下，ZrO2顆粒一般以四方相存在。當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，即發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變成單斜ZrO2，并伴隨著一定的體積膨脹和晶粒形狀的變化。但是當(dāng)ZrO2顆粒彌散在其他陶瓷基體中，受到周圍基體的束縛時(shí)，它的相變也受到抑制有可能使四方ZrO2保持到室溫。只有在基體受到外力作用，使基體對(duì)ZrO2顆粒的束縛作用松弛后，才觸發(fā)了它向單斜相轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到相變?cè)鲰g的效果。 31.2.1 晶體的塑性形變晶體中塑性形變的兩種基本方式：滑移和孿晶。在晶體中最常見的是滑移。孿晶是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶

3、”，此公共晶面就稱孿晶面。（P18)4晶格滑移：晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)。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，原子密度越大，滑動(dòng)較小的距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原，比較容易滑動(dòng)。1. 晶格滑移5 產(chǎn)生滑移的條件： 面間距大； 每個(gè)面上是同一種電荷的原子，相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反； 滑移矢量（柏格斯矢量）小。 （P19 歸納為幾何因素和靜電作用因素） 6 （補(bǔ)充知識(shí)）柏氏回路與柏氏矢量： 柏氏矢量可通過柏氏回路（Burgers circuit）來確定。在含有位錯(cuò)的實(shí)際晶體中作一個(gè)包含位錯(cuò)發(fā)生畸變的回路，然后將這同樣大小的回路置于理想晶體中，此時(shí)回路將不能封閉，需

4、引一個(gè)額外的矢量b連接回路，才能使回路閉合，這個(gè)矢量b就是實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量。柏氏矢量反映位錯(cuò)區(qū)域點(diǎn)陣畸變總累積的大小。柏氏矢量越大，位錯(cuò)周圍晶體畸變?cè)絿?yán)重。柏氏矢量方向代表滑移方向，其大小一般是一個(gè)原子間距。7滑移系統(tǒng)：包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向進(jìn)行?；品较蚺c原子最密堆積的方向一致，滑移面是原子最密堆積面。(P19 NaCl結(jié)構(gòu)）2. 滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力（1） 滑移系統(tǒng)801 滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向111面心格子體心格子體心格子體心格子abc1-9滑移面面積：S/cos ；F在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面

5、上分剪應(yīng)力：= Fcos /(S/cos )=(F/S)cos cos在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小取決于cos cos 的大?。换葡到y(tǒng)越多， cos cos 大的機(jī)會(huì)就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力(0)的機(jī)會(huì)也越多。F滑移面滑移方向S（2）臨界分解剪切應(yīng)力10 金屬 非金屬 由一種離子組成 組成復(fù)雜 金屬鍵無方向性 共價(jià)鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系統(tǒng)多 滑移系統(tǒng)少（3）金屬與非金屬晶體滑移難易的比較（P20）11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)移到新平衡位置時(shí)，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒有變化，僅是形狀發(fā)生變化。如果所有原子同時(shí)移

6、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)量級(jí)；實(shí)際測(cè)試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。3 . 塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）12完整晶體的勢(shì)能曲線有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能曲線(對(duì)稱) （h小于h）加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線(不對(duì)稱) （ H()小于h）hhH()滑移面勢(shì)能空位13位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能H() ，與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)力大，H()?。?小，H()大。當(dāng) =0時(shí)，H()最大,H()=h.原子具有激活能的幾率（或原子脫離平衡位置的幾率）與波爾茲曼因子成正比，其運(yùn)動(dòng)速度與波爾茲曼因子成正比。(位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度等同于原子運(yùn)動(dòng)

7、速度) v=v0exp-H()/kT v0-與原子熱振動(dòng)固有頻率有關(guān)的常數(shù)； k-波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23 J/K原子運(yùn)動(dòng)的速度14 =0，T=300K則 kT=4.1410- 21J=4.1410216.241018eV=0.026eV金屬材料H()為0.10.2eV，離子鍵、共價(jià)鍵為1eV數(shù)量級(jí)，室溫下無機(jī)材料位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)；因?yàn)閔 h H()，所以位錯(cuò)只能在滑移面上運(yùn)動(dòng)。 溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快，對(duì)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。討論15 結(jié) 論 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說明，無機(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)以足夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能

8、已超過微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。16形變速率(或應(yīng)變速率）LLL塑性形變的簡(jiǎn)化模型 a 應(yīng)變速率設(shè)LL平面上有n個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度： D=n/L2在時(shí)間t內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速度為： v=L/t（從左邊界運(yùn)動(dòng)至右邊界）設(shè)：在時(shí)間t內(nèi)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的試件形變量L ， 應(yīng)變：L /L= ， 應(yīng)變速率：U=d/dt=L /Lt17考慮位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程增殖，通過邊界位錯(cuò)數(shù)為cn個(gè)，c為位錯(cuò)增殖系數(shù)。每個(gè)位錯(cuò)在晶體內(nèi)通過都會(huì)引起一個(gè)原子間距滑移，也就是一個(gè)柏格斯矢量(b)，單位時(shí)間內(nèi)的滑移量： cnb/t= L /t（將位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和塑性形變聯(lián)系起來）應(yīng)變速率： U=d

9、/dt= L /Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc 18討論： 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)，且與其成正比。柏格斯矢量與位錯(cuò)形成能有關(guān)系E=aGb2，柏格斯矢量(相當(dāng)于晶體的點(diǎn)陣常數(shù))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。(詳見P24)金屬與無機(jī)材料的柏格斯矢量比較：金屬的柏格斯矢量一般為3左右，無機(jī)材料的大，如MgAl2O4三元化合物為8，Al2O3的為5。因此，無機(jī)材料中不易形成位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)也很困難，也就難以產(chǎn)生塑性形變。19宏觀塑性形變的必要條件：有足夠多的位錯(cuò)；位錯(cuò)有一定的運(yùn)動(dòng)速度；柏氏矢量小。20伸長(zhǎng)量L應(yīng)力 單晶氧化鋁的形變