材料的塑性變形

關(guān)于材料的塑性變形第1頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月2第2頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月3第二章：材料的塑性變形主要內(nèi)容：

一.概述；二.對(duì)塑性變形的認(rèn)識(shí)過程；三.塑性變形的本質(zhì)；四.多晶體的塑性變形。Plasticdeformationofmaterials第3頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月42.1概述1.定義

塑性變形——在外力除去后不能恢復(fù)的變形叫塑性變形，有一部分殘余形變。即使固體產(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。第4頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月52.度量塑性的指標(biāo)工程上：（脆性材料）

（塑性/韌性材料）

延伸率：斷面收縮率：2.1概述第5頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月63.影響因素

①溫度；（MgO高溫下表現(xiàn)一定的塑性）。

②加載方式；（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力）——鑄鐵施加壓力表現(xiàn)為塑性變形；受拉伸應(yīng)力表現(xiàn)為脆性變形。

③加載速度。（沖擊荷載、準(zhǔn)靜荷載）——加載速度越小，塑性變形可以充分表現(xiàn)；加載速度越大，應(yīng)力來不及均勻變化，表現(xiàn)為脆性變形。2.1概述第6頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月72.2理想晶體的強(qiáng)度理想晶體——空間點(diǎn)陣每一個(gè)格點(diǎn)都被原子占有和原子平面的規(guī)整排列未被破壞而構(gòu)成的晶體，即完全符合格子構(gòu)造規(guī)律的晶體。理想晶體的化學(xué)和物理性質(zhì)——取決于原子的結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合性質(zhì)。理想晶體的塑性變形——是由晶體沿著晶面的整體滑移而引起的，塑性變形的出現(xiàn)意味著晶體屈服。第7頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月82.2理想晶體的強(qiáng)度兩列原子間的力有兩種：（1）每層中原子之間的相互作用力，該力與兩層原子相對(duì)位移不相干；（2）上、下兩層原子之間的相互作用力，該力與兩層原子相對(duì)位移有關(guān)，是周期性變化的力。完整晶體原子排列位置第8頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月92.2理想晶體的強(qiáng)度上、下半晶體相對(duì)移動(dòng)假定在晶體特定的晶面及結(jié)晶向上施加切應(yīng)力τ，引起晶體上半部分相對(duì)于下半部分沿兩層原子間MN面上移動(dòng)，如圖所示。在切應(yīng)力作用下，勢(shì)必引起MN面上原子同時(shí)移動(dòng)，同時(shí)切斷MN面上所有的原子鍵，此過程為晶體的整體滑移。第9頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月102.2理想晶體的強(qiáng)度原子位移位置a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線P和R位置上的原子處于晶體點(diǎn)陣的平衡位置，勢(shì)能最低，該位置上的原子處于平衡位置；而P和R之間中央Q位置，勢(shì)能最高，Q位置上的原子處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，勢(shì)能的變化取決于原子鍵的性質(zhì)。因此，勢(shì)能隨位移變化曲線的真實(shí)形狀很難確定。第10頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月112.2理想晶體的強(qiáng)度a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線為了便于分析，假定勢(shì)能隨原子位移變化為正弦波曲線。移動(dòng)原子所需的作用力F的變化可由勢(shì)能-位移曲線（E-x）的斜率確定。第11頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月122.2理想晶體的強(qiáng)度a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線

τm——完整晶體屈服強(qiáng)度，晶體受到的切應(yīng)力超過τm后產(chǎn)生永久變形，即為晶體的塑性變形。第12頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月132.2理想晶體的強(qiáng)度第13頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月142.2理想晶體的強(qiáng)度為什么完整晶體理論屈服強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)測定的屈服強(qiáng)度差異大？原因：近似為彈性變形，利用胡克定律；剪切力與原子間距離并非符合正弦變化；推導(dǎo)過程中針對(duì)的是理想晶體，而實(shí)際晶體存在缺陷。第14頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月152.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）

（1）定義：線狀缺陷。2.3晶格缺陷——位錯(cuò)實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用或晶體由于受到打擊、切割等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部原子排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶體的有序排列，形成線狀缺陷，即為位錯(cuò)。第15頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月162.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）

（1）定義：線狀缺陷。位錯(cuò)的提出——解釋晶體的塑性變形。塑性變形理論滑移模型，1920線缺陷（位錯(cuò)）模型,1934建立位錯(cuò)理論,1956第16頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月171934年

Taylor、Polanyi、Orowan三人幾乎同時(shí)提出晶體中位錯(cuò)的模型?；七^程并非是原子面之間整體發(fā)生相對(duì)位移，而是一部分先發(fā)生位移，然后推動(dòng)晶體中另一部分滑移，循序漸進(jìn)。2.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）第17頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月182.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型2.3晶格缺陷——位錯(cuò)基本類型刃位錯(cuò)（edgedislocation），l⊥螺位錯(cuò)（screwdislocation），l∥混合位錯(cuò)第18頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月192.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型a.刃位錯(cuò)——刃位錯(cuò)的產(chǎn)生半原子面（EFGH）位錯(cuò)線EF刃位錯(cuò)示意圖第19頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月202.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型a.刃位錯(cuò)——刃位錯(cuò)的產(chǎn)生第20頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月212.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型a.刃位錯(cuò)——幾何特征①位錯(cuò)線與原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直；②滑移面上部位錯(cuò)線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；③滑移面下部位錯(cuò)線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。第21頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月22正刃位錯(cuò)負(fù)刃位錯(cuò)2.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型a.刃位錯(cuò)——表示符號(hào)如果半個(gè)原子面在滑移面上方，稱為正刃位錯(cuò)，以符號(hào)“⊥”表示；反之稱為負(fù)刃位錯(cuò)，以符號(hào)“┬”表示。符號(hào)中水平線代表滑移面，垂直線代表半個(gè)原子面。第22頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月23（2）位錯(cuò)的類型b.螺位錯(cuò)——螺位錯(cuò)的產(chǎn)生第23頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月242.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型b.螺位錯(cuò)——螺位錯(cuò)的產(chǎn)生位錯(cuò)線EF螺位錯(cuò)形成示意圖a）與螺位錯(cuò)垂直的晶面的形狀（b）螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況第24頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月252.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型b.螺位錯(cuò)——螺位錯(cuò)的產(chǎn)生第25頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月26（2）位錯(cuò)的類型b.螺位錯(cuò)——螺位錯(cuò)的產(chǎn)生螺形位錯(cuò)示意圖BC線兩側(cè)的上下兩層原子都偏離了平衡位置，圍繞著BC連成了一個(gè)螺旋線.第26頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月27①位錯(cuò)線與原子滑移方向平行；②位錯(cuò)線周圍原子的配置是螺旋狀的，即形成螺位錯(cuò)后，原來與位錯(cuò)線垂直的晶面，變?yōu)橐晕诲e(cuò)線為中心軸的螺旋面。（2）位錯(cuò)的類型b.螺位錯(cuò)——幾何特征第27頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月28如果在外力τ作用下，兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移部分和未滑移部分的交線既不垂直也不平行于滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。如下圖所示。位錯(cuò)線上任一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)分量。2.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型c.混合位錯(cuò)第28頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月29混合位錯(cuò)的形成2.3.1位錯(cuò)的基本概念（dislocation）（2）位錯(cuò)的類型c.混合位錯(cuò)第29頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月30位錯(cuò)線在幾何上的兩個(gè)特征：①位錯(cuò)線的方向ξ，它表明給定點(diǎn)上位錯(cuò)線的取向，由人們的觀察方位來決定，是人為規(guī)定的；②位錯(cuò)線的伯格斯矢量b，它表明晶體中有位錯(cuò)存在時(shí)，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)滑移或畸變，由伯格斯于1939年首先提出，故稱為伯格斯矢量，簡稱為伯氏矢量。

（1）柏氏矢量的確定2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第30頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月31（1）柏氏矢量的確定刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定(a)實(shí)際晶體的柏氏回路；(b)完整晶體相應(yīng)回路2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第31頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月32螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定(a)實(shí)際晶體的柏氏回路；(b)完整晶體相應(yīng)回路（1）柏氏矢量的確定2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第32頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月332.3.2柏氏矢量與柏氏回路（2）柏氏矢量的性質(zhì)與表示方法柏氏矢量具有守恒性，具體表現(xiàn)在如下：柏氏矢量與柏氏回路的起點(diǎn)、形狀、大小和位置無關(guān)。只要回路不與其他位錯(cuò)線或原位錯(cuò)線相遇，則回路所包含的晶格畸變總量不會(huì)改變；一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量，即位錯(cuò)線各部分的柏氏矢量均相同；若幾條位錯(cuò)線匯交于一點(diǎn)時(shí)，則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)的柏氏矢量之和等于離開結(jié)點(diǎn)的各位錯(cuò)柏氏矢量之和。第33頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月34（1）位錯(cuò)滑移位錯(cuò)的滑移面——由位錯(cuò)線與其柏格斯矢量組成的晶面。

滑移運(yùn)動(dòng)——位錯(cuò)沿滑移面的移動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑過整個(gè)滑移面時(shí)，就會(huì)使晶體表面產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論晶體滑移的三種情況刃型位錯(cuò)的滑移螺型位錯(cuò)的滑移混合位錯(cuò)的滑移

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易將直接影響材料的塑性變形和強(qiáng)度。

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：滑移和攀移。第34頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月35（1）位錯(cuò)滑移2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體滑移的示意圖第35頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月36類型柏氏向量位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃⊥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致唯一螺∥位錯(cuò)線⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致多個(gè)混合與位錯(cuò)線成一定角度⊥位錯(cuò)線本身與b一致與b一致刃位錯(cuò)只有唯一的一個(gè)滑移面；對(duì)于螺位錯(cuò)，凡通過位錯(cuò)線的晶面，都是滑移面，有無數(shù)個(gè)。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（1）位錯(cuò)滑移第36頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月372.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（2）位錯(cuò)的攀移位錯(cuò)除滑移外，還可以產(chǎn)生攀移，由于熱運(yùn)動(dòng)，原子之間擴(kuò)散，空位擴(kuò)散到位錯(cuò)處，使位錯(cuò)上移，雜質(zhì)離子擴(kuò)散到位錯(cuò)處，使位錯(cuò)下移。

刃型位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)模型(a)未攀移的位錯(cuò)；(b)空位運(yùn)動(dòng)形成的正攀移；(c)間隙原子擴(kuò)散引起的負(fù)攀移第37頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月382.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（2）位錯(cuò)的攀移

刃型位錯(cuò)攀移的實(shí)質(zhì)——多余半原子面通過空位或原子的擴(kuò)散而擴(kuò)大或縮小。

正攀移——當(dāng)多余原子面縮小，位錯(cuò)線向上攀移。

負(fù)攀移——當(dāng)多余半原子面擴(kuò)大，位錯(cuò)線向下攀移。

注意——由于攀移需要通過原子擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)，故位錯(cuò)的攀移比滑移困難的多，主要發(fā)生在高溫或應(yīng)力條件下。

壓應(yīng)力——正攀移；

拉應(yīng)力——負(fù)攀移。第38頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月392.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論當(dāng)位錯(cuò)穿過晶體時(shí)，其中間所取的位置第39頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月40完整晶體中原子排列及其勢(shì)能曲線2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論根據(jù)平衡理論，完整晶體中的每個(gè)原子處于勢(shì)能最低位置。原子的熱運(yùn)動(dòng)使得原子在它勢(shì)能最低位置附近運(yùn)動(dòng)。原子能越過勢(shì)壘落到臨近的位置上去的機(jī)會(huì)是很小的。第40頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月41晶體中存在缺陷的原子排列及其勢(shì)能變化曲線2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第41頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月42切應(yīng)力作用下含缺陷晶體中原子排列及勢(shì)能變化曲線2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第42頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月432.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論完整晶體的勢(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43頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月44有位錯(cuò)時(shí)，越過能量勢(shì)壘h’；正常原子滑移需越過勢(shì)壘h；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。H(τ)＜h’＜h當(dāng)τ＝0，H(τ)最大，H(τ)＝h’。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第44頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月45金屬材料H()為0.1－0.2eV；由離子鍵、共價(jià)鍵組成的非金屬材料的H()為1eV數(shù)量級(jí)，故室溫下無機(jī)非金屬材料的位錯(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。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第45頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月46當(dāng)位錯(cuò)線在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過滑移面的原子鍵的裂開是逐步發(fā)生的，而不像理想晶體那樣是一次同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。半原子面在運(yùn)動(dòng)中不斷改變位置，運(yùn)動(dòng)的最終結(jié)果使得立方體上半部份相對(duì)于下半部份發(fā)生了平移，其大小等于平衡原子的間距b。但是，這里有重大的差別，這就是說，每次裂開一個(gè)鍵比起同時(shí)裂開所有的鍵來說，所需要的能量要小得多。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第46頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月47晶體中位錯(cuò)從一邊移到另一邊的過程中，滑移面上的原子鍵一個(gè)接一個(gè)地?cái)嚅_。因此，所需外界切應(yīng)力比晶體整體滑移時(shí)滑移面上原子鍵同時(shí)斷開所需的外界切應(yīng)力小得多。由此可見，晶體理論屈服強(qiáng)度與真實(shí)晶體屈服強(qiáng)度之間存在很大差別正是由于真實(shí)晶體中存在位錯(cuò)的緣故。2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（3）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論第47頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月48宏觀上觀察到的塑性變形，是無數(shù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。因此，要表現(xiàn)出塑性變形，必須有位錯(cuò)增殖的機(jī)理。

2.3.3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論（4）位錯(cuò)增殖機(jī)理U型位錯(cuò)增殖過程模型第48頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月492.4塑性變形及其檢驗(yàn)方法

塑性變形：當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限的臨界值，變形就成為永久性的。當(dāng)一個(gè)試樣承載超過這個(gè)極限時(shí)，在作用力撤除后它就不能夠再恢復(fù)到原始長度，這種行為稱為塑性變形或永久變形。塑性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線呈非線性，不服從胡克定律。

延展性——材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力。第49頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月502.4塑性變形及其檢驗(yàn)方法彈性與塑性荷載條件下加載與卸載過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線第50頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月512.4.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)——定量測定結(jié)構(gòu)材料的主要力學(xué)性能。第51頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月522.4.1拉伸試驗(yàn)第52頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月532.4.1拉伸試驗(yàn)工程斷裂應(yīng)變?chǔ)舊的表示形式：試件的伸長率δ：

εf取決于試件的長徑比，長徑比越大，達(dá)到的工程斷裂應(yīng)變就越低。試件的斷面收縮率φ：

優(yōu)點(diǎn)：εf不依賴于試件的長徑比。第53頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月542.4.1拉伸試驗(yàn)各種類型金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Cu、Al等面心立方金屬，屈服點(diǎn)不易確定。碳鋼等材料呈現(xiàn)復(fù)雜的屈服行為。材料開始塑性變形時(shí)的應(yīng)力。產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力。第54頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月552.4.2陶瓷試驗(yàn)陶瓷——四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。第55頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月56優(yōu)點(diǎn)：試樣的幾何形狀簡單（矩形或圓柱形試樣）；試驗(yàn)程序簡化；試驗(yàn)成本較低。缺點(diǎn)：試樣的應(yīng)力分布不均勻。不像拉伸試驗(yàn)?zāi)菢釉谡麄€(gè)標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)力幾乎呈均勻狀態(tài)。應(yīng)力不均勻狀態(tài)的后果：在某些情況下，特別是受載試樣中的最大裂紋位于試樣內(nèi)部時(shí)，在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中會(huì)過高地估計(jì)陶瓷的強(qiáng)度。2.4.2陶瓷試驗(yàn)第56頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月572.4.2陶瓷試驗(yàn)第57頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月582.4.2陶瓷試驗(yàn)陶瓷與金屬的差別：陶瓷的彈性模量E通常比金屬高；陶瓷很少呈明顯的塑性變形；無裂紋的陶瓷的斷裂應(yīng)力往往比金屬高；金屬在拉伸和壓縮試驗(yàn)中所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎相同，而陶瓷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線取決于試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)（壓縮還是拉伸）。第58頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月592.4.3聚合物試驗(yàn)聚合物——塑性變形能力好。聚合物——拉伸試驗(yàn)或者彎曲試驗(yàn)。聚合物的特點(diǎn)——聚合物的彈性模量較低，斷裂強(qiáng)度較低，延展性較高；高度取向的聚合物具有像金屬或陶瓷那樣高的剛度和強(qiáng)度。第59頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月602.5單晶體塑性變形的基本方式最早對(duì)塑性變形的認(rèn)識(shí)——單晶的拉伸試驗(yàn)。

拉伸——最簡單的受力方式，截面積受力均勻；

彎曲應(yīng)力——上表面受到壓應(yīng)力，下表面受到拉應(yīng)力，所受應(yīng)力不均勻。

金屬產(chǎn)生塑性變形的方式滑移slide（占90%）孿生twin（占10%）：形成孿晶的過程。第60頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月611.定義：晶體在切應(yīng)力作用下，其中一部分沿著一定晶面和這個(gè)晶面上的一定方向，相對(duì)另一部分產(chǎn)生的平移滑動(dòng)?！w發(fā)生了塑性變形。2.5.1滑移ττ滑移的結(jié)果：塑性變形，表面形成臺(tái)階。外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）第61頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月62外力作用下晶體滑移示意圖（a）滑移前；（b）滑移后單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變形（a）變形前；（b）變形后2.5.1滑移第62頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月632.5.1滑移第63頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月642.滑移的晶體學(xué)條件：①幾何條件：滑移沿密排面和密排方向進(jìn)行；

②靜電條件：對(duì)于離子晶體和共價(jià)晶體，滑移過程中不應(yīng)遇到同號(hào)離子的巨大斥力作用?；泼妫涸用芘琶?，晶面指數(shù)小；滑移方向：原子密排方向，晶向指數(shù)??；滑移系：滑移面與滑移方向的組合。2.5.1滑移第64頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月652.5.1滑移3.滑移的特點(diǎn)：滑移過程中晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變；滑移的距離為該方向上原子間距的整數(shù)倍；滑移面與滑移方向組成滑移系。第65頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月662.5.2滑移機(jī)制位錯(cuò)——晶體中已滑移部分和未滑移部分的分界線。位錯(cuò)寬度——分界線之間的過渡區(qū)域。位錯(cuò)寬度越窄：界面能越小，但彈性畸變能很高；位錯(cuò)寬度越寬：集中的彈性畸變分?jǐn)偟捷^寬區(qū)域內(nèi)的各個(gè)原子面上，每個(gè)原子偏離平衡位置較小，單位體積內(nèi)的彈性畸變能減小。即——位錯(cuò)寬度越大，位錯(cuò)就越易運(yùn)動(dòng)。第66頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月672.5.2滑移機(jī)制位錯(cuò)寬度越寬——位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的能量勢(shì)壘小。位錯(cuò)寬度越窄——位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的能量勢(shì)壘大。派—納力——在理想晶體中，位錯(cuò)點(diǎn)陣周期場中運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的阻力。定性分析派—納力：位錯(cuò)寬度越小，派—納力越大，材料就難以變形，相應(yīng)屈服強(qiáng)度就高；位錯(cuò)寬度主要決定于結(jié)合鍵的本性和晶體的結(jié)構(gòu)。第67頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月682.5.2滑移機(jī)制共價(jià)鍵：方向性很強(qiáng)，其鍵角和鍵長都很難改變，位錯(cuò)寬度很窄，W≈b，即宏觀表現(xiàn)是屈服強(qiáng)度很高但很脆；金屬鍵：沒有方向性，位錯(cuò)有較大的寬度，對(duì)立方面心金屬如Cu，其W≈6b，其派-納力是很低的。派-納力的計(jì)算公式第一次定量給出了金屬晶體中由于位錯(cuò)的存在，實(shí)際的屈服強(qiáng)度（10-4G）可遠(yuǎn)低于理論的屈服強(qiáng)度（1/30G）。第68頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月69τm=104~105MPa實(shí)際金屬單晶：切變強(qiáng)度值間的巨大差異，使人們認(rèn)識(shí)到:一般金屬理論切變強(qiáng)度：1~10MPa晶體的滑移也并非剛性同步實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)并非理想完整2.5.2滑移機(jī)制第69頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月702.5.2滑移機(jī)制為什么實(shí)驗(yàn)觀察到金屬中的滑移面和滑移方向都是源自排列最緊密的面和方向？原因：位錯(cuò)在不同的晶面和晶向上運(yùn)動(dòng)，其位錯(cuò)寬度是不同的，只有當(dāng)b最小，a最大時(shí)，位錯(cuò)寬度最大，即派-納力最小。位錯(cuò)只有沿著原子排列緊密的面及原子密排方向上運(yùn)動(dòng)，派-納力才最小。第70頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月712.5.3滑移系1.定義滑移面和滑移方向的組合，稱為滑移系。

滑移面和滑移方向?yàn)榻饘倬w中原子面密度最大的晶面（密排面）和其上線密度最大的晶相（密排方向）。

原因：密排面與密排面之間的間距最大，結(jié)合力最弱，滑移容易進(jìn)行。密排方向，相鄰原子的間距較小，容易恢復(fù)晶體結(jié)構(gòu)。因此，滑移往往沿晶體的密排面和該面上的密排方向進(jìn)行。第71頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月722.5.3滑移系注意：晶體中的滑移系越多，越容易發(fā)生滑移，越容易發(fā)生塑性變形；金屬晶體——滑移系較多，滑移時(shí)可能選擇的空間取向越多，發(fā)生滑移的可能性越大，塑性越好。陶瓷晶體——滑移系少，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)陣常數(shù)大，滑移距離大，故其塑性?。◣缀螚l件）；鍵合為共價(jià)鍵/離子鍵（具有方向性/飽和性）（靜電條件）。第72頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月732.5.3滑移系金屬晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，陶瓷的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性差，對(duì)稱性好的晶體容易滑移。實(shí)例：

體心立方金屬有6×2=12個(gè)滑移系；

面心立方金屬有4×3=12個(gè)滑移系（Al）；

密排六方金屬有1×3=3個(gè)滑移系；

MgO在低溫下有2個(gè)滑移系，高溫下有5個(gè)滑移系，是陶瓷中塑性變形較好的；

Al2O3陶瓷只有2個(gè)滑移系，故其滑移比較困難，難以發(fā)生塑性變形。第73頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月742.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力當(dāng)單晶受到拉伸，外力在某個(gè)滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，這一滑移系才開始變形，當(dāng)有許多滑移系時(shí)，就看外力在哪個(gè)滑移系上的分切應(yīng)力最大，分切應(yīng)力最大的滑移系一般首先開始動(dòng)作。當(dāng)晶體受外力時(shí)，不論外力的方向、大小與作用方式如何，在晶體內(nèi)部均可分解為垂直某一晶面的正應(yīng)力與沿此晶面的切應(yīng)力。第74頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月752.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力：為臨界分切應(yīng)力

：位向因子施密特定律：在單晶體某滑移系上的分切應(yīng)力第75頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月762.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值τc時(shí)，晶體就開始屈服，σ=σs。臨界分切應(yīng)力τc為一常數(shù)，對(duì)某種金屬是一定值，其數(shù)值取決于金屬的本性、純度、試驗(yàn)溫度與加載速度，而與加載方向、方式及數(shù)值無關(guān)。cosΦcosλ值大——軟取向，材料的屈服強(qiáng)度較低；第76頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月77cosΦcosλ值小——硬取向，材料的屈服強(qiáng)度較高。當(dāng)滑移面垂直于拉力軸或平行于拉力軸時(shí)，在滑移面上的分切應(yīng)力為零，因此，不能滑移。當(dāng)λ和Φ都等于或接近45°時(shí)，金屬的σs最低，在外力作用下最易產(chǎn)生塑性變形并可表現(xiàn)出最大的塑性。2.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力第77頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月78（1）定義：

孿晶：以共格晶面（晶面）相連接，呈鏡面對(duì)稱的一對(duì)晶體的合稱。

孿生：在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生向）發(fā)生切變變形，以產(chǎn)生孿晶的變形過程。（2）與位錯(cuò)滑移的異同點(diǎn)

相同點(diǎn)：?。┒疾桓淖兙w結(jié)構(gòu)；ⅱ）都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。孿生過程實(shí)際就是“部分位錯(cuò)”的運(yùn)動(dòng)，不同的柏氏矢量的位錯(cuò)相繼掃過孿生面。

2.5.5孿生第78頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月79不同點(diǎn)：?。┗撇桓淖兙w結(jié)構(gòu)和取向；孿生不改變晶體結(jié)構(gòu)，改變了晶體取向。ⅱ）滑移切變量是b的整數(shù)倍；孿生切變量是b的一個(gè)分?jǐn)?shù)。ⅲ）孿生切應(yīng)力大；ⅳ）孿生的晶體學(xué)條件更嚴(yán)格。2.5.5孿生第79頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月80二者的關(guān)系：變形首先由滑移完成，到一定程度滑移困難時(shí)，產(chǎn)生孿生。由于取向改變后，切應(yīng)力又容易使位錯(cuò)進(jìn)行，滑移開始。在整個(gè)塑性變形過程中，二者是相互協(xié)同完成的。

對(duì)于對(duì)稱性差的晶體，可能首先產(chǎn)生孿生，然后再進(jìn)行滑移，但以孿生為主。

孿生發(fā)生切變變形占變形總量的10%。2.5.5孿生第80頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月812.6金屬多晶體的塑性變形2.6.1多晶體與單晶體的區(qū)別

多晶體——是由許多形狀、大小、位向都不相同的晶粒所組成，晶粒之間以晶界相毗連。多晶體的特點(diǎn)：各個(gè)晶粒形狀、大小不同，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻；相鄰晶粒取向不同；晶界處原子排列不規(guī)則，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)與晶粒不同；晶界上聚集著其他物質(zhì)與雜質(zhì)。單晶體的塑性變形——位錯(cuò)理論解釋。第81頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月822.6金屬多晶體的塑性變形2.6.2多晶體塑性變形的過程多晶體的滑移示意圖位錯(cuò)塞積；變形的傳遞；變形的協(xié)調(diào)和制約。第82頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月83玻璃發(fā)生塑性形變的過程：正是因?yàn)榉情L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？2.6金屬多晶體的塑性變形2.6.2多晶體塑性變形的過程第83頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月842.6金屬多晶體的塑性變形2.6.3多晶體塑性變形的特點(diǎn)（1）多晶體塑性變形的協(xié)調(diào)性臨近晶粒的制約和協(xié)調(diào)；相鄰晶粒需與變形晶粒相協(xié)調(diào)的滑移系進(jìn)行滑移、變形。第84頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月852.6.3多晶體塑性變形的特點(diǎn)（2）多晶體變形的不均勻性晶粒的不同區(qū)域——同一晶粒的各向異性（微觀）；各晶粒之間——不同晶粒的組成、形貌不同（微觀）；不同區(qū)域——同一樣品的不同區(qū)域（宏觀）。第85頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月862.7陶瓷的塑性變形陶瓷的脆性離子鍵/共價(jià)鍵的方向性和飽和性——滑移系少；多元化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜——原子遷移過程中克服較大的勢(shì)壘，位錯(cuò)可動(dòng)性差。陶瓷材料——產(chǎn)生塑性變形的主要原因是位錯(cuò)在滑移面上的滑移造成的。晶體中滑移總是發(fā)生在主要的晶面和主要的晶向上。這些晶面和晶向指數(shù)小，原子密度大，即柏氏矢量b較小，只要滑動(dòng)較小的距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原。第86頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月87陶瓷材料塑性變形能力較差的原因：陶瓷材料的鍵合多為離子鍵或共價(jià)鍵，化學(xué)鍵具有明顯的方向性和飽和性，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)滿足滑移的晶體學(xué)條件（幾何條件與靜電條件），所以滑移系少，塑性變形能力差；由塑性變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論可知，由于滑移反映出來的宏觀上的塑性變形是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而陶瓷材料要發(fā)生塑性變形，其位錯(cuò)寬度較窄，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)須克服的勢(shì)壘較高，塑性變形較難；2.7陶瓷的塑性變形第87頁，課件共95頁，創(chuàng)作于2023年2月88陶瓷材料多為二元以上的多元化合物，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中原子數(shù)較多，點(diǎn)