材料形變規(guī)律

材料形變規(guī)律第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一滑移：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)。1.晶格滑移第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一＋－＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋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。＋－＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一滑移系統(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。2.滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力（1）滑移系統(tǒng)第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一[111]滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向[111]（111）面心格子體心格子第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一滑移面面積：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的大小；滑移系統(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（2）臨界分解剪切應(yīng)力第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一金屬非金屬由一種粒子組成組成復(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）金屬與非金屬晶格滑移難易的比較第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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)；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）第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一負(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)晶體中原子的位置第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一原子局部位移引起塑性形變的過程剪力作用，僅引起半個(gè)晶面1的原子，從平衡位置位移到一個(gè)新位置。（2）在剪應(yīng)力作用下，原子的局部位移1234

12341234123412341234第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一當(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)。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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)不作長(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。第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯(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)第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一位錯(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)第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一滑移面DCDCO遷移方向第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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。第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一單個(gè)位錯(cuò)移過晶體后，形成一個(gè)原子滑移臺(tái)階（紅色多邊形表示滑移面）位錯(cuò)滑移的結(jié)果在宏觀上的表現(xiàn)為材料發(fā)生了塑性形變。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一一列原子的勢(shì)能曲線······a原子的勢(shì)能曲線（4）塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一完整晶體的勢(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()滑移面第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一位錯(cuò)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.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1.38×10-23J/Kb原子運(yùn)動(dòng)的速度第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一=0，T=300則kT=4.14×10-21J=4.14×1021×6.24×1018eV=0.026eV金屬材料H()為0.1－0.2eV，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hH()，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討論第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一結(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。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一（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)L×L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=d/dt第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一考慮位錯(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第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一b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(a為幾何因子)，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3A0左右，無機(jī)材料的大，如MgAl2O4三元化合物為8A，Al2O3的為5A0

。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一伸長(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)力斷裂斷裂溫度的影響形變速率的影響溫度的影響第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

5.2.2多晶的塑性形變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)。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一玻璃發(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)。例如：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？第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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5.2.3影響塑性形變的因素第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一1.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