第八章：材料力學性質

第八章：材料力學性質材料物理導論1、晶體的塑性變形2、位錯的運動和塑性3、各種金屬的塑性4、高溫蠕變5、非晶態(tài)金屬的強度本章要點1、晶體的塑性變形材料在外力去除后仍保持部分應變的特性稱為塑性.一、變形機制強度：材料施加應力時，達到某個應力之前不發(fā)生塑性變形和斷裂，這種承受能力；晶體的變形與：環(huán)境因素（溫度T）和施加應力（σ）有關；通過力學性能實驗，可得材料變形機制圖；確定變形溫度T—σ變形應力；實驗有多種：拉伸實驗疲勞實驗沖擊實驗壓縮實驗硬度實驗斷裂實驗蠕變實驗材料力學性質G/σ表示支配各自變形機制區(qū)域的圖—變形機制圖畫出了等應變速度，描述了它的晶體塑性行為鎢多晶體的變形機制發(fā)現(xiàn)：變形機制中低溫：主要為位錯滑移機制高溫：主要為位錯蠕動機制材料力學性質二、晶體的滑移變形晶體的塑性變形主要是：滑移變形滑移是指在剪切應力的作用下,晶體的一部分相對于另一部分發(fā)生平移滑動.滑移帶與滑移線的關系—如單晶體的滑移變形首先：使條紋沿特定晶面（滑移面）向特定方向（滑移方向）偏移，一組滑移方向和滑移面稱—滑移系：{hkl}，<lmn>hkl

滑移面：晶格面間距最寬的面；lmn

滑移方向：晶格矢量最短的方向；材料力學性質滑移帶與滑移線的關系材料力學性質fcc

結構金屬，滑移系：{111}<110>，有12組相同的滑移系；bcc

結構金屬，滑移系：{110}<111>；作用于滑移系上分切應力用施密特定律給出：

—軸向拉應力或壓應力；

—滑移面法線方向和應力軸構成的角；

—滑移面方向和應力軸構成的角；

—施密特因子

—施密特法則材料力學性質所有相同滑移系中：單晶：對滑移系組數(shù)沒有要求；多晶：由于晶粒間相互束縛，不能隨意變形，要求有5組獨立滑移系；原因—晶體塑性變形自由度為5（空間物體均勻變形自由度9，減去旋轉3，體積不變1）；該條件簡稱—馮?麥塞斯條件。

材料力學性質三、金屬的塑性特征材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力稱為延展性。只有金屬晶體有延展性；原因：金屬晶體結構致密（與陶瓷等比）。設：h—晶格面間距；b—伯格斯矢量大小；h/b

—越大，越易滑移（由晶格周期性決定）；位錯中附帶派爾斯勢場；派爾斯勢場：所有相同滑移系中，晶體往哪個滑移系滑移，由派爾斯勢場決定；指由于位錯本身能量遵循晶體點陣周期性，其勢能在變化。材料力學性質派爾斯勢場消失的溫度：說明：h/b值越大，滑移系越容易滑動?；葡祷齐y易度由h/b的值和b本身的值決定!金屬加工性能好，由它的晶體結構簡單所決定！位錯超越勢壘過程中應力與溫度的關系派爾斯勢：原子間距變動短程勢能，位錯可借助熱勢能超越勢壘，圖示。位錯以某種速度滑移需要應力在絕對零度也必要，隨溫度升高而減少。T0附近派爾斯勢消失，T0用缺陷能量確定，與b3和成正比，如下式：T0Tp0溫度應力派爾斯應力伯格斯矢量材料力學性質派爾斯勢力：設晶格面間距為h，彈性模量G；則：位錯滑移所需要的臨界切應力，依賴于h/b；材料力學性質2、位錯的運動和塑性一、位錯運動的阻抗晶體的強度由位錯運動的阻抗確定，以下幾點決定：1）派爾斯勢原子間距變動短程勢能，由晶體種類決定。由派爾斯勢控制的位錯滑移難易程度由b和h/b的值決定。金屬中派爾斯勢：bcc—低溫變形；hcp

—非底面滑移。2）滑移位錯與其他位錯的相互作用對晶體塑性變形，位錯密度增加，晶體變硬—加工硬化；下圖所示：間距為h的滑移面上正負位錯相互作用應力，是水平距離x的函數(shù)：lhy0x材料力學性質h—晶格面間距G—彈性模量b—伯格斯矢量晶體塑性變形，使位錯密逐漸增加，增加后的位錯間有相互作用，使某些位錯難運動（增加位錯運動阻抗），增加晶體強度。重要的是正負位錯使滑移面交錯，形成穩(wěn)定位錯偶極子；大量偶極子形成多極子，如穿透滑移面，形成林位錯?；莆诲e受林位錯作用，對應變形應力：林位錯密度伯格斯矢量彈性模量材料力學性質3）位錯與固溶原子的相互作用主要有：彈性相互作用、化學相互作用、電的相互作用和幾何相互作用。最主要：彈性相互作用；材料力學性質其主要是：尺寸效應和彈性模量效應：（a）尺寸效應：母體晶體原子和固溶原子由于尺寸不同在位錯周圍產(chǎn)生不同靜水壓;（b）彈性模量效應：固溶原子轉換使轉換處彈性模量發(fā)生局部變化，引起位錯應變能發(fā)生相應變化。材料力學性質置換固溶原子應用尺寸效應刃型位錯與固溶原子的相互作用能：應變能的變化：尺寸因子=(rs-r0)/r0，r0

—母體晶體的原子半徑，rs—固溶原子的原子半徑固溶原子的體積彈性模量參數(shù)=(G’-G)/G材料力學性質填隙固溶原子相互作用能：可見：填隙原子比轉換型原子對位錯的影響大得多！材料力學性質—置換固溶原子4）位錯與析出物的相互作用析出物和彌散粒子阻礙位錯運動，使晶體變硬。析出物分共格和非共格析出物；（a）共格析出物：有與固溶原子一樣的尺寸效應和彈性模量效應，位錯不管是切割析出物還是繞過析出物，都要有一定的能量才能實現(xiàn)；（b）非共格析出物：母相中的位錯不能切割析出物時，析出物形成非常強的障礙；材料力學性質（2）屈服應力—應變曲線在彈性變形區(qū)為直線，表示材料韌性的基本性質；但如形變從彈性變形轉為塑性變形時，發(fā)生彎曲，稱—材料的屈服。此時應力為—屈服應力。材料力學性質屈服的各種形態(tài)a—fcc

金屬單晶中屈服；b—fcc

金屬多晶材料中屈服；c—bcc金屬單晶和半導體晶體中屈服；d—軟鋼材料中伴有呂德斯帶傳播的屈服；d中，塑性變形不是試樣整體同時發(fā)生，變形從產(chǎn)生應力集中的部分開始，由塑性變形區(qū)逐漸擴展到整個試樣，使變形開始—變形區(qū)稱為呂德斯帶；材料力學性質下式：

—晶體塑性變形速度，N—瞬間運動位錯密度，v—平均滑移運動速度，

—晶體取向因子；(a)位錯發(fā)生增殖屈服稱增殖控制的屈服，(b)可動位錯變化屈服稱可動性控制的屈服。為使應變速度一定，值使塑性變形減?。贿_上屈服應力后，變性應力下降，屈服點下降；位錯密度增加，位錯間相互作用發(fā)生加工硬化，變形應力經(jīng)過極小值后增加，該極小點為下屈服應力。位錯的增殖過程圖

接近

c臨界應力，v急劇變小，則成為零屈服的微觀機制：發(fā)生塑性形變：位錯須發(fā)生增殖，同時可動位錯密度變大。（3）加工硬化對晶體塑性變形，位錯密度增加，晶體變硬—加工硬化；利用塑性加工引起加工硬化現(xiàn)象—如鋼琴絲，強韌性通過強加工形成；原因：塑性變形引起晶體中大量位錯逐漸塞積，從而使發(fā)生形變變得困難。硬化的大小與位錯密度的方根成正比；在電子顯微鏡觀察實驗得到驗證，稱為利—赫許關系材料力學性質（4）固溶硬化和沉淀硬化a）點障礙引起的硬化：固溶原子和微小析出物可近似看成位錯運動的點障礙。點障礙引起的形變阻抗為：材料力學性質b）高濃度固溶體的強度：高濃度固溶體，固溶原子不再隨機分布，而是有一定有短程的序，產(chǎn)生格外的一個作用力：格外作用在位錯上的抗力是固溶原子的抗力，再加上非熱激活應力。材料力學性質c）沉淀硬化：析出硬化應力：說明：析出硬化量由析出物之間的間距(λ-d)確定。時效初期：是小的析出物，然后析出粒子粗化（小的析出物消失，大的析出物長大），間距(λ-d)增大硬化量減少，析出硬化進行。然后：析出結束后，析出硬化達飽和。即：析出硬化量隨時效時間增加面減少。材料力學性質材料力學性質

4、高溫蠕變一、高溫蠕變的特征高溫：指高于1/2Tm（金屬融點）的絕對溫度；蠕變：變形隨著時間緩慢的蠕動。當對材料施加恒定應力

0

時，其應變隨時間而增加的現(xiàn)象。應變速度用公式表示：高溫形變中，產(chǎn)生加工硬化地同時出現(xiàn)軟化。蠕變類型：納巴-海林蠕變（只有原子擴散）；柯布萊蠕變（只在晶界擴散）瞬時發(fā)生的和時間沒有關系應變與時間成正比加速蠕變階段。應變率隨時間增加，最后到d點斷裂蠕變減速階段材料力學性質

oa

段形變是瞬時發(fā)生的和時間沒有關系第一階段蠕變ab，蠕變減速階段A為常數(shù)；低溫時n=1，

高溫時n=2/3，

第二階段蠕變

bc，穩(wěn)態(tài)蠕變階段（常數(shù)）應變與時間成正比；第三階段蠕變cd，加速蠕變階段。應變率隨時間增加，最后到d

點斷裂材料力學性質高溫蠕變理論1、位錯運動理論2、擴散蠕變理論3、晶界蠕變理論

高溫蠕主要有以下幾種理論:高溫蠕理論

位錯攀移示意圖高溫蠕理論(1)位錯運動理論:在低溫下受到阻礙而難以發(fā)生運動的位錯,在高溫下由于熱運動增大了原子能量,使得位錯克服阻礙發(fā)生運動,導致材料蠕變.高溫蠕理論（2）擴散蠕變理論與晶體中的擴散現(xiàn)象類似,蠕變過程是應力作用下空位沿應力作用方向擴散的一種形式.沿晶粒內部擴散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率沿晶界擴散擴散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率多晶材料中存在著大量晶界，當晶界位向差大時，可以把晶界看成是非晶體。高溫時，其粘度變小，從而易發(fā)生粘滯流動，而產(chǎn)生蠕變。高溫蠕理論影響蠕變的因素:溫度、應力、組分、晶粒大小等。（3）晶界蠕變理論（2）純金屬蠕變與合金蠕變應力指數(shù)n接近5時稱純金屬蠕變；純金屬蠕變：產(chǎn)生特