材料的受力形變定義和理論3.1塑性變形

1、材料的受力形變定義和理論3.1 塑性變形塑性：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。屈服應(yīng)力：當(dāng)外力超過物體彈性極限，達(dá)到某一點(diǎn)后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力。 3.1 塑性變形3.1.1 晶體的塑性形變1. 晶格滑移和孿生滑移孿生滑移：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，原子的面密度越大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。孿生： 在切應(yīng)力作用下,晶體的一部分沿一定晶面(孿晶面）和一定的晶向（孿生方向）相對(duì)

2、于另一部分作均勻的切變所產(chǎn)生的變形。產(chǎn)生滑移的條件： 面間距大； 滑移矢量（柏格斯矢量）小； 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。2. 滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力 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。（1） 滑移系統(tǒng)110滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向111（111）面心格子體心格子體心格子體心格子111滑移面面積：S/cos ；F在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上分剪應(yīng)力：= Fcos/(S/cos )=(F/S)coscos在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑

3、移面上剪應(yīng)力大小決定 cos cos 的大??；滑移系統(tǒng)越多， cos cos 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。F滑移面滑移方向S（2）臨界分解剪切應(yīng)力 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)；

4、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)。這只能通過位錯(cuò)的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)來解釋。3 . 塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）負(fù)荷作用前原子的位置小負(fù)荷作用下的應(yīng)變高負(fù)荷作用下的應(yīng)變 達(dá)到高負(fù)荷作用下的狀態(tài)除去負(fù)荷后原子的位置（1）形變時(shí)晶體中原子的位置原子局部位移引起塑性形變的過程剪切應(yīng)力作用，僅引起半個(gè)晶面1的原子，從平衡位置（實(shí)線）位移到一個(gè)新位置（虛線）。（2）在剪應(yīng)力作用下，原子的局部位移1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 4 1 2 3 41 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2

5、3 4當(dāng)力持續(xù)作用，處于移動(dòng)面1的下端棱上原子產(chǎn)生一個(gè)位移，使它們的位置與半晶面2上端原子位置連成一線，半晶面1和2的原子（紅點(diǎn)）形成一個(gè)新原子面，晶面2 進(jìn)一步向右移動(dòng)，形成一個(gè)附加半晶面。依次類推，下一步2和3 連接起來。 外力持續(xù)作用的結(jié)果：晶體在剪切應(yīng)力作用下，不是晶體中所有原子都同時(shí)移動(dòng)，而是其中一小部分，在較小外力作用下，使晶體兩部分彼此相對(duì)移動(dòng)。 從上圖可以理解在外力作用下：刃型位錯(cuò)的形成過程；刃型位錯(cuò)沿滑移面從晶體內(nèi)部移出的過程；塑性形變的過程；位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：整個(gè)原子組態(tài)作長(zhǎng)距離的傳播，而每一參與運(yùn)動(dòng)的原子只作短距離（數(shù)個(gè)原子間距）的位移。實(shí)際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位

6、錯(cuò)；受剪應(yīng)力作用，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯(cuò)動(dòng)，而是位錯(cuò)在滑移面上沿 滑移方向運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的力比使晶體兩部分整體相互滑動(dòng)所需力小得多；實(shí)際晶體的滑動(dòng)是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。（3）位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的產(chǎn)生：滑移是由一個(gè)有限的小面積畸變區(qū)穿過晶體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。刃型位錯(cuò)滑移面DABCO 遷移方向 附加半晶面棱上的一個(gè)原子O受到原子C和D的吸引力。這兩個(gè)原子對(duì)原子O水平方向上的吸引力大小相等，方向相反。當(dāng)有剪應(yīng)力作用，并使原子O有一個(gè)小的向右移動(dòng)，原子D對(duì)原子O的吸引力增加，而原子C對(duì)原子O的吸引力減小。此時(shí)原子O受到向右的推力，使位錯(cuò)向右移動(dòng)一個(gè)距離。a 原子的勢(shì)能曲線（4）塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論位錯(cuò)

7、運(yùn)動(dòng)的激活能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.完整晶體的勢(shì)能曲線有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能曲線加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線hhH()滑移面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。 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/Kb 原子運(yùn)動(dòng)的速度 =0，T=300 K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

8、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。c 討論 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。（5）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

9、=d/dt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 應(yīng)變速率： U=d/dt= L /Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc D=n/L2b 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。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3A左右，無機(jī)材料的大，如MgAl2O4三元化合

10、物為8A，Al2O3的為5A。伸長(zhǎng)量L應(yīng)力 單晶氧化鋁的形變行為上屈服應(yīng)力下屈服應(yīng)力斷裂斷裂溫度升高形變速率的影響溫度的影響速率增大A B弗蘭克瑞德源引起的弗蘭克瑞德機(jī)理(6) 位錯(cuò)的增殖機(jī)理A BA B未滑移區(qū)位錯(cuò)線圖中刃型位錯(cuò)AB的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)點(diǎn)釘住不能運(yùn)動(dòng)。若 沿柏氏矢量b方向施加一切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)。由于AB兩端固定，所以位錯(cuò)線只能發(fā)生彎曲。而單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線所受的滑移力Fd=b,它總是與位錯(cuò)線本身垂直，所以彎曲后的位錯(cuò)每一小段繼續(xù)受到b的作用沿它的法線方向向外擴(kuò)展，其兩端則分別繞節(jié)點(diǎn)A，B發(fā)生回轉(zhuǎn)。當(dāng)兩端彎出來的線段相互靠近時(shí)，由于該兩線段平行于柏氏矢量b，但位錯(cuò)線方向

11、卻相反，分別屬于左螺和右螺位錯(cuò)，因此會(huì)互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)以及位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯(cuò)線。只要外加應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張同時(shí)環(huán)內(nèi)的彎曲位錯(cuò)在線張力作用下又被拉直，恢復(fù)原始狀態(tài)并重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)，這樣源源不斷地產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的增殖。A B滑移區(qū)A B位錯(cuò)環(huán)孿晶形成的原因有兩種，一種是在塑性形變時(shí)，出現(xiàn)形變孿晶；另一種是在塑性形變以后，進(jìn)行退火，形成退火孿晶。退火孿晶的孿晶界面即是孿晶面本身，而形變孿晶由于形成薄透鏡形狀，所以孿晶界面的兩端不是孿晶面，此時(shí)孿晶界面上有位錯(cuò)。3.1.2 孿生1. 孿晶的形成孿晶界面即是孿晶面時(shí)，孿晶界面兩側(cè)的原子排列，相對(duì)于該面成鏡象

12、對(duì)稱, 因而晶體的原子排列即使在孿晶界面處仍保持連續(xù)。孿晶面連續(xù)，其兩邊的原于有一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為共格狀態(tài)。 當(dāng)孿晶界面不是孿晶面時(shí)，孿晶面兩端的原子排列是不同的，在界面上應(yīng)該有位錯(cuò)存在。 其兩邊的原子沒有一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系狀態(tài)，稱非共格狀態(tài)。單晶體中如果滑移系由于某些情況而不能開動(dòng)，就會(huì)發(fā)生另一種重要的變形，這就是孿生。在金相顯微鏡下一般呈帶狀，稱為孿晶帶。2. 孿生的晶體學(xué)孿晶是晶體內(nèi)部的一種均勻切變過程。面心立方 111面為孿生面，為孿生方向。fcc晶體是一系列平行的(111)面所構(gòu)成(按ABCABC規(guī)律)。晶體中局部的幾層(111)面沿112方向均勻移動(dòng) 。均勻移動(dòng)是指每一個(gè)(111)面

13、的移動(dòng)距離，這是相對(duì)于其最臨近晶面而言。 (a)孿晶面與孿生方向 (b)孿生變形時(shí)晶面移動(dòng)情況圖 面心立方晶體孿生變形示意圖 孿生-原子的運(yùn)動(dòng)孿生區(qū)域產(chǎn)生了均勻切變，即每層（111）面相對(duì)其相鄰晶面沿晶向移動(dòng)了該晶向上原子間距的分?jǐn)?shù)d112/3孿生變形也是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，但產(chǎn)生孿晶的位錯(cuò)其柏氏矢量必須小于一個(gè)原子間距。孿生可看成是不全位錯(cuò)滑過切變區(qū)中各層晶面而進(jìn)行的。圖 銅單晶在4.2K的拉伸曲線（1012）1011Zn,Cd,Be,Mg,Zn-Snhcp(112)111Cu-Zn()bcc(112)111Wbcc(112)111-Febcc(111)112Al,Cu-Al,Au-Agf

14、cc孿生要素合金系晶體結(jié)構(gòu)表 一些晶體中的常見孿生要素 3. 孿生變形的特點(diǎn)(1) 孿生是在應(yīng)力集中的局部區(qū)突然萌生， 萌發(fā)于局部應(yīng)力高度集中的地方。(2) 孿生所需的切應(yīng)力比滑移所需的要大10100倍。(3) 孿生形核難，長(zhǎng)大快，通常以猝發(fā)的方式形成并使應(yīng)力-應(yīng)變曲線上呈現(xiàn)鋸齒狀 。形變孿晶：在形變過程中形成的孿晶組織，在金相形貌上一般呈現(xiàn)透鏡片狀，多數(shù)發(fā)源于晶界，終止于晶內(nèi)，又稱機(jī)械孿晶。退火孿晶：變形金屬在退火過程中也可能產(chǎn)生孿晶組織，一般孿晶界面平直，且孿晶片較厚。圖 鋅晶體中的形變孿晶和銅晶體中的退火孿晶組織宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，

15、是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)另一部分的移動(dòng)；都不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)；從機(jī)制上看，都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)結(jié)果?；撇桓淖兙w的位向，孿生改變了晶體位向； 滑移是全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而孿生是不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果； 滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程； 滑移比較平緩，孿生則呈鋸齒狀；兩者發(fā)生的條件不同，孿生所需臨界分切應(yīng)力值遠(yuǎn)大于滑移。孿生和滑移的異同比較： 3.1.3 多晶的塑性形變 多晶體材料在均勻變形時(shí)，各晶粒的變形大致一樣，則其應(yīng)變可以用三個(gè)正應(yīng)變和三個(gè)切應(yīng)變來表示,而一般認(rèn)為塑性變形時(shí)沒有體積變化,則正應(yīng)變的矢量和為0. 因此一般認(rèn)為如果有五個(gè)以上的獨(dú)立的滑移系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作，就可以保證每個(gè)晶體發(fā)

16、生任意形狀的變形，從而保證了多晶體各晶粒變形的協(xié)調(diào)性1. 晶體結(jié)構(gòu)對(duì)多晶體塑性的影響立方晶體金屬具備這種條件，一般表現(xiàn)良好的塑性六方晶體不具備這種條件，不容易保證金屬變形的協(xié)調(diào)性，因此塑性較差多晶體能否自由變形，具備五個(gè)以上的滑移系統(tǒng)還不是充分條件，多晶體的塑性還與所具備的五個(gè)滑移系統(tǒng)能否同時(shí)開動(dòng)有關(guān)，也就是說，位錯(cuò)的交滑移是否容易，不同的滑移帶是否能夠彼此穿過2.內(nèi)應(yīng)力及其影響包興格效應(yīng)：金屬經(jīng)過預(yù)先的塑性變形后，反向加載時(shí)會(huì)使它的屈服應(yīng)力降低，這種現(xiàn)象就是包興格效應(yīng)包興格效應(yīng)的一個(gè)表征-拉伸方向的塑性變形導(dǎo)致了材料壓縮屈服應(yīng)力的降低，在應(yīng)力應(yīng)變曲線上呈現(xiàn)出拉壓不對(duì)稱性。包興格效應(yīng)原因：(1

17、) 殘余應(yīng)力機(jī)理 (2) 障礙附近的位錯(cuò)塞積機(jī)理1, 2 軟位向，塑性變形-受壓硬位向，彈性變形-受拉3. 晶界的作用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。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； 晶粒與晶粒間晶界的相對(duì)滑動(dòng)； 空位的擴(kuò)散； 粘性流動(dòng)?？ǘ┧?Chalmers)對(duì)錫(Sn)雙晶進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)變的應(yīng)力只是和雙晶晶粒的位向差角度有關(guān),應(yīng)力值與該角度成直線關(guān)系. 卡耳末斯的論斷是不全面的,因?yàn)殄a雙晶試樣是有一共同的晶向，這情況不能完全代表一般的晶界。如果按照這一論斷，晶粒大小將對(duì)塑性變形沒有影響，但實(shí)際上晶粒大小的影響是

18、顯著的。一方面, 晶粒越多,變形均勻性提高, 由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機(jī)會(huì)減少, 可承受更大的變形量,表現(xiàn)出高塑性。從塑性變形角度看，晶界在高溫時(shí)是一個(gè)弱點(diǎn)，晶?？梢匝刂Ы缁瑒?dòng)與開裂，這些都引起了多晶體變形的復(fù)雜化晶界往往是微量雜質(zhì)及第二相集中的地方，由此將引起附加作用，便多晶體塑性形變更加復(fù)雜化玻璃發(fā)生塑性形變的過程：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；有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使這些原子間的鍵斷裂；原子躍遷附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服應(yīng)力就能變形-粘性流動(dòng)。另外，玻璃是無序網(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？影響因素缺

19、陷類型缺陷形貌晶體結(jié)構(gòu)和鍵型 本征缺陷點(diǎn)缺陷空位，填隙原子 線缺陷刃位錯(cuò) 螺旋位錯(cuò)較大缺陷空洞，氣孔面缺陷晶界外來缺陷雜質(zhì)晶格或晶界固溶非連續(xù)第二相物質(zhì)影響塑性形變的因素3.1.4 影響塑性形變的因素1. 本征因素晶界作為一種勢(shì)壘，足以使滑移過程中的位錯(cuò)塞積起來，引起應(yīng)力集中，并導(dǎo)致此滑移系統(tǒng)的激活。（1）晶粒內(nèi)部的滑移系統(tǒng)相互交截一個(gè)單晶體通過滑移發(fā)生應(yīng)變，需要有較多的滑移系統(tǒng)（一般至少有5個(gè)）。對(duì)于晶粒取向雜亂的多晶材料，還要求各滑移系統(tǒng)之間能相互穿透。（2）晶界處的應(yīng)力集中多晶體中晶粒各向異性是晶界處形成內(nèi)應(yīng)力重要因素。大晶粒導(dǎo)致晶界處較大的應(yīng)力集中。對(duì)于一定的晶相，粗晶粒的屈服應(yīng)力（彈

20、性極限）比單晶的屈服應(yīng)力大，而細(xì)晶粒的屈服應(yīng)力則比單晶的屈服應(yīng)力大的多。很細(xì)的晶粒組成的多晶沒有塑性，但高溫塑性就不同。因此，晶粒大小分布比平均晶粒尺寸更能表征多晶塑性與晶粒大小關(guān)系。 （3）晶粒大小和分布晶粒尺寸小于10納米時(shí)，屈服強(qiáng)度下降反常Hall-Petch效應(yīng)晶界作為點(diǎn)缺陷的源和阱，易于富積雜質(zhì)，沉淀有第二相。特別當(dāng)含有低熔點(diǎn)物質(zhì)時(shí)，多晶材料的高溫塑性滑移首先發(fā)生在晶界。晶界處雜質(zhì)的彌散影響到晶體生長(zhǎng)、晶界擴(kuò)散以及一系列晶界特征。例如，含0.05wt%MgO的多晶Al2O3中晶界處的硬度超出晶體0.7GN/m2 ,說明MgO彌散相引起晶界的硬化作用。2. 外來因素（1）雜質(zhì)在晶界的彌

21、散晶界處的第二相是玻璃相或微晶相，取決于化學(xué)組成和熱處理?xiàng)l件?？赡苁沁B續(xù)的薄膜層，也可能是不連續(xù)的質(zhì)點(diǎn)分布。例如，晶界相微晶化的Si3N4與含玻璃相的Si3N4相比，前者具有較高的屈服強(qiáng)度。（2）晶界處的第二相氣孔在晶界處的存在減少相鄰晶粒間的接觸，加速多晶材料的塑性形變。（3） 晶界處的氣孔首先強(qiáng)度值不可能無限地增長(zhǎng)，不能超出理論強(qiáng)度的限制。其次，晶界上的任何弛豫過程都可能導(dǎo)致強(qiáng)度的降低，從而在某一臨界粒徑下出現(xiàn)反HP關(guān)系式的現(xiàn)象。第三，HP關(guān)系式是以位錯(cuò)的塞積為理論基礎(chǔ)的，當(dāng)晶粒比較小時(shí)(納米尺寸)，單個(gè)的晶粒不能產(chǎn)生多個(gè)位錯(cuò)塞積，HP關(guān)系式就會(huì)失效。因此可以認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)材料的硬化或軟化機(jī)

22、制與傳統(tǒng)的粗晶材料會(huì)有很大的不同。材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的受到小應(yīng)力作用，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，即時(shí)間應(yīng)變的關(guān)系。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，它在應(yīng)力小于彈性極限時(shí)也能出現(xiàn)。3.2 材料的高溫蠕變 1. 各階段的特點(diǎn)延伸率10-2864200 100 200 300 400 500 600 時(shí)間（小時(shí)）第一階段蠕變第二階段蠕變第三階段蠕變3.2.1 典型的蠕變曲線彈性伸長(zhǎng)起始段，在外力作用下，發(fā)生瞬時(shí)彈性形變，即應(yīng)力和應(yīng)變同步。（1） 彈性形變階段其特點(diǎn)是應(yīng)變速率隨時(shí)間遞減，持續(xù)時(shí)間較短，應(yīng)變速率有如下關(guān)系： U=d/dt=At-n 低溫時(shí)n

23、=1，得：=Blnt 高溫時(shí)n=2/3，得： =Bt1/3 此階段類似于可逆滯彈性形變。 （2）第一階段蠕變（蠕變減速階段或過渡階段）此階段的形變速率最小，且恒定，也為穩(wěn)定態(tài)蠕變。形變與時(shí)間的關(guān)系為線性關(guān)系： =Kt此階段是斷裂即將來臨之前的最后一個(gè)階段。特點(diǎn)：曲線較陡，說明蠕變速率隨時(shí)間增加而快速增加。（3）第二階段蠕變（4）第三階段蠕變（加速蠕變）曲線的起始部分有下式表示： =（常數(shù)）t n溫度不同，有不同的n值。 溫度和應(yīng)力都影響恒定溫度曲線的形狀：當(dāng)溫度升高時(shí)，形變速率加快，恒定蠕變階段縮短。增加應(yīng)力時(shí)，曲線形狀的變化類似于溫度。形變率與應(yīng)力有如下關(guān)系：=（常數(shù)） n n變動(dòng)在220之

24、間，n=4最為常見。2. 影響蠕變曲線形狀的因素延伸率 時(shí)間溫度或應(yīng)力 溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響3.2.2 蠕變機(jī)理 蠕變機(jī)理分為兩大類：晶界機(jī)理-多晶體的蠕變；晶格機(jī)理-單晶蠕變，但也可能控制著多晶的蠕變過程。從熱力學(xué)觀點(diǎn)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，形變的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不可逆的微觀過程。在一定溫度下，熱運(yùn)動(dòng)的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；位錯(cuò)線處一列原子由于熱運(yùn)動(dòng)移去成為間隙原子或吸收空位而移去；位錯(cuò)線移上一個(gè)滑移面?；蚱渌幍拈g隙原子移入而增添一列原子，使位錯(cuò)線向下移一個(gè)滑移面。位錯(cuò)在垂直滑移面方向的運(yùn)動(dòng)-位錯(cuò)的攀移運(yùn)

25、動(dòng)。1 . 晶格機(jī)理（位錯(cuò)的攀移和晶體內(nèi)部的自擴(kuò)散）位錯(cuò)攀移時(shí)，應(yīng)變速率-杜恩和魏脫邁方程： U=Anexp(-Q/RT)= Anexp(S /R)exp(- H/RT)Q-自擴(kuò)散激活能；S-熵；H-自擴(kuò)散激活焓。位錯(cuò)攀移是第二階段蠕變的發(fā)生機(jī)理，當(dāng)溫度、應(yīng)力恒定時(shí)，應(yīng)變速率為一常數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中利用位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)來消除位錯(cuò)。擴(kuò)散蠕變理論-空位擴(kuò)散流動(dòng) （納巴羅赫潤(rùn)蠕變) 在擴(kuò)散蠕變過程中，多晶材料內(nèi)部的自擴(kuò)散使固體在作用應(yīng)力下屈服。形變起因于每個(gè)晶粒的擴(kuò)散流動(dòng)。這種流動(dòng)是受法向壓應(yīng)力的晶界上的原子朝向受法向張應(yīng)力晶界上運(yùn)動(dòng)。晶界上的張應(yīng)力使空位的濃度增加到 c=c0exp(/kT)壓應(yīng)力使?jié)舛葴p少到： c=c0exp(- /kT)式中： 為空位體積，c0為平衡濃度。 應(yīng)力造成空位濃度差，質(zhì)點(diǎn)由高濃度向低濃度擴(kuò)散，即原子遷移到平行于壓應(yīng)力的晶界，導(dǎo)致晶粒伸長(zhǎng)，引起形變。 穩(wěn)定態(tài)條件下，納巴羅赫潤(rùn)計(jì)算蠕變