第一章12材料的塑性、蠕變性與超塑性副本

1.2材料的塑性、蠕變性與超塑性塑性形變：微觀結(jié)構(gòu)相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，在外力移去后形變不能恢復(fù)的現(xiàn)象。材料直到斷裂所經(jīng)受塑性形變的程度稱為延展性。如果一種材料在斷裂前不發(fā)生或只發(fā)生很小的塑性形變，那么這種材料是脆性的。1.2.1晶體的塑性形變滑移孿晶1.晶格滑移滑移：晶體的一部分相對另一部分平移滑動(dòng)?；泼婧突品较虻慕M合稱為滑移系?；葡翟蕉?，塑性越好，但不是唯一因素？結(jié)構(gòu)中最小結(jié)構(gòu)單元越小，越容易發(fā)生滑移，因此在最密排面上最容易滑移滑移發(fā)生在密排方向上，因?yàn)樵诖朔较蛏蟽蓚€(gè)平衡原子之間的距離最短，滑移所需能量最小滑移面面積：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，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定coscos的大?。换葡到y(tǒng)越多，coscos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臨界分解剪切應(yīng)力P8—圖1.8-1.9板書理想晶體中，原子間作用力近似正弦變化，b表示原子間的距離，d表示面間距，圖中發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子位移量u達(dá)到b/4時(shí)，引力達(dá)到最大。剪切應(yīng)力客服這一最大引力，即發(fā)生永久變形，此時(shí)的剪切應(yīng)力就是晶體的理論剪切強(qiáng)度：

以上是近似的推導(dǎo)，更精確的推導(dǎo)可以得到理論剪切強(qiáng)度為G/30~G/10實(shí)測的剪切強(qiáng)度比理論值要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)？

金屬金屬鍵無方向性結(jié)構(gòu)簡單滑移系統(tǒng)多金屬與非金屬晶體滑移難易的比較非金屬共價(jià)鍵或離子鍵有方向結(jié)構(gòu)復(fù)雜滑移系統(tǒng)少多晶體的塑性變形多晶體中每個(gè)晶粒變形的基本方式與單晶體相同相鄰晶粒之間的取向晶界多晶體特點(diǎn)多晶體的塑性變形特點(diǎn)1.各晶粒變形的不同時(shí)性2.各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性3.各晶粒變形的不均勻性多晶體有不同取向的晶粒組成，塑性變形時(shí)，晶粒取向不同，位錯(cuò)滑移時(shí)，晶粒之間相互制約、影響，細(xì)化晶粒提高材料的強(qiáng)度晶粒細(xì)化晶粒越細(xì)，單位體積中晶粒數(shù)量越多，變形時(shí)同樣的形變量便可分散在更多的晶粒中發(fā)生，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力小，晶粒間易于協(xié)調(diào)，產(chǎn)生較均勻的變形，不致于造成局部的應(yīng)力集中，而引起裂紋的過早產(chǎn)生和發(fā)展，因而斷裂前便可發(fā)生較大的塑性變形量，細(xì)化晶?？梢蕴岣哐有詮脑映叨茸兓忉屗苄孕巫儯寒?dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對于另一部分原子轉(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)；實(shí)際測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）影響因素缺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1.2.2材料的高溫蠕變

蠕變是在高溫條件下，受到恒定應(yīng)力作用，隨著時(shí)間的增長持續(xù)發(fā)生形變的現(xiàn)象，即時(shí)間－－應(yīng)變的關(guān)系。

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。1.各階段的特點(diǎn)延伸率×10-2864200100200300400500600時(shí)間（小時(shí)）第一階段蠕變第二階段蠕變第三階段蠕變2.3.1典型的蠕變曲線起始段，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=1，得：=Blnt

高溫時(shí)n=2/3，得：=Bt-2/3

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）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與溫度。2.影響蠕變曲線形狀的因素形變率與應(yīng)力有如下關(guān)系：=（常數(shù)）nn變動(dòng)在2～20之間，n=4最為常見。延伸率

時(shí)間溫度或應(yīng)力

溫度和應(yīng)力對蠕變曲線的影響晶界機(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。蠕變機(jī)理

1.晶格機(jī)理

晶體的塑性形變主要是由于位錯(cuò)的滑移、位錯(cuò)攀移等形式沿著特定的方向運(yùn)動(dòng)所致。位錯(cuò)的滑移沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，而位錯(cuò)攀移是垂直于滑移面運(yùn)動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中利用位錯(cuò)的爬移運(yùn)動(dòng)來消除位錯(cuò)。2.擴(kuò)散蠕變理論---空位擴(kuò)散流動(dòng)（納巴羅－赫潤蠕變)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，引起形變。晶界對蠕變速率有兩種影響：第一，高溫下，晶界能彼此相對滑動(dòng)，使剪應(yīng)力得到松弛。第二，晶界本身是位錯(cuò)源，通過空位的定向擴(kuò)散發(fā)生晶界滑移。3.晶界蠕變理論擴(kuò)散蠕變與晶界蠕變是互動(dòng)的。如果蠕變由擴(kuò)散過程產(chǎn)生，為了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑動(dòng)；另一方面，如果蠕變起因于晶界滑動(dòng)，要求擴(kuò)散過程來調(diào)整。3.顯微結(jié)構(gòu)

影響蠕變的因素1.溫度、應(yīng)力（外界因素）2.晶體的組成結(jié)合力越大，越不易發(fā)生蠕變，所以共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的材料具有好的抗蠕變性。例如碳化物、硼化物。材料中的氣孔、晶粒、玻璃相等對蠕變都有影響。（1）氣孔：氣孔率增加，蠕變率增加。（2）晶粒：晶粒越小，蠕變率越大。原因：晶界的比例隨晶粒的減小而大大增加，晶界擴(kuò)散及晶界流動(dòng)加強(qiáng)。（3）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕變率增加。原因：溫度升高，玻璃的粘度降低，變形速率增大，蠕變率增大。說明粘性流動(dòng)對材料致密化的影響：材料在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，晶界粘性流動(dòng)，氣孔容納晶粒滑動(dòng)時(shí)發(fā)生的形變，即實(shí)現(xiàn)材料致密化。材料蠕變率T（13000C)1.24×107Pa材料蠕變率T(13000C)7×104Pa多晶Al2O30.13×10-5多晶BeO30×10-5多晶MgO（注漿）33×10-5多晶MgO（等靜壓）33×10-5軟玻璃8多晶MgAl2O4(2-3)m(1-3)mm26.3×10-50.1×10-5鉻磚0.0005多晶ThO2100×10-5鎂磚0.00002多晶ZrO23×10-5石英玻璃2000×10-5石英玻璃0.001隔熱耐火磚10000×10-5隔熱耐火磚0.005蠕變損失與蠕變斷裂蠕變的過程伴隨著空穴的形成，從而造成材料損傷，這種損傷通常包括孔穴的成核、生長和連通三個(gè)階段。晶界滑移提高了晶界處尤其是三晶交匯點(diǎn)處的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)就會(huì)引起孔穴成核，在應(yīng)力作用下不斷長大，最后相鄰孔穴沿著晶界合并貫通。連通