《无机材料物理性能》第3讲

1、2022年年5月月31日日基本概念及现象基本概念及现象 : : 塑性变形的一般特点塑性变形的一般特点变形不可逆；变形不可逆；主要有切应力引起；主要有切应力引起；指标指标延伸率，断面收缩率；延伸率，断面收缩率；形变程度大；形变程度大；塑性变形能力和抗力受多种因素影塑性变形能力和抗力受多种因素影响；响；变形过程会产生回复、再结晶、应变形过程会产生回复、再结晶、应力松弛等；力松弛等；伴随有弹性变形和加工硬化，伴随有弹性变形和加工硬化，变形曲线非线性。变形曲线非线性。 s 屈服强度屈服强度滑移：晶体的一部分相对另一部分平移滑动。在晶体中有许多族平行晶面，每一族晶面都有一定面间距，且晶面指数小的面，原子

2、的面密度越大，面间距越大，原子间的作用力小，易产生相对滑动。产生滑移的条件： 面间距大； 滑移矢量（柏格斯矢量）小； 每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反。2. 滑移系统和临界分解剪切应力 coscosAFAFAFcoscos滑移面面积：滑移面面积：A/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上滑移面上F方向的应力为：方向的应力为：滑移面上分剪应力：滑移面上分剪应力： 在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大小决定大小决定 cos cos coscos 的大小；的大小； 滑移系统越多，滑移系统越多， cos cos

3、coscos大的机会就多，大的机会就多，达到临界剪切应力的机会也越多。达到临界剪切应力的机会也越多。金属与非金属晶体滑移难易的比较金属与非金属晶体滑移难易的比较 金属金属 非金属非金属 由一种离子组成由一种离子组成 组成复杂组成复杂金属键无方向性金属键无方向性 共价键或离子键有方向共价键或离子键有方向 结构简单结构简单 结构复杂结构复杂 滑移系统多滑移系统多 滑移系统少滑移系统少 从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部分原子相对于另一部分原子转移到新的一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时，晶体出现永久形变，晶体体积平衡位置时，晶体出现永久形

4、变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。没有变化，仅是形状发生变化。 如果所有原子同时移动，需要很大能量才出如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现滑动，该能量接近于所有这些键同时断裂现滑动，该能量接近于所有这些键同时断裂时所需的离解能总和；时所需的离解能总和； 由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级；但实际测试结果：晶格能超过产生塑量级；但实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。变所需能量几个数量级。 位错位错 解释。解释。晶体的上半部平面，比起它的正常平衡位置来要靠得紧一些，而晶体的下半部平面比起正常平衡位置来则离得远一些。可以把变形看

5、作是由于在晶体的上半部分插入一额外的原子平面AB引起的。图5.2为含Na的-刚玉的高分辩晶体结构像，它显示了刃型位错特征。 除上述位错外，实际晶体中还会出现刃型位错和螺型位错的过渡型位错。 在混合位错中，柏格斯矢量B在垂直于和平行于位错线之间的各种位置上取向。 图5.6（a）（b）分别为弯曲位错线EF的示意图和位错线周围原子排列的俯视图。在图中E处，位错线与滑移方向平行，是纯螺型位错；在F处，位错线与滑移方向垂直，是刃型位错。EF线上，除E、F二处之外的部分，位错线与滑移方向既不平行又不垂直，属混合型位错，混合型位错的原子排列，如图5.6（b）,应介于螺型位错与刃型位错之间，它们可以分解为螺型

6、位错和刃型位错。描述位错几何特征的要素仅有位错线的位置和相对位移矢量二者。 标志位错特征的剖面两侧的相对位移矢量称作柏格斯（J，M，Burgers）矢量 完整晶体的势能曲线完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能有位错时，晶体的势能曲线曲线加剪应力后的势能曲线加剪应力后的势能曲线 hh H( )滑移面滑移面 THevv0v0：与原子热振动固有频率有关的常数 ：波尔兹曼常数，1.3810-23J/K T ：绝对温度 =0，T=300 K则 kT=4.1410- 21J=4.1410216.241018eV=0.026eV金属材料H()为0.10.2eV，离子键、共价键为1eV数量级，室温下无机材料

7、位错难以运动；因为h h H()，所以位错只能在滑移面上运动。 温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。无外力时，H() =h，比KT大得多， 很小，位错运动困难 KTHe伸长量L应力 单晶氧化铝的形变行为上屈服应力下屈服应力断裂断裂温度升高形变速率的影响温度的影响速率增大lll塑性形变简化模型塑性形变简化模型 设设ll平面上有平面上有n个位错，位错密度：个位错，位错密度： D=n/l2在时间在时间t内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平均速度为：均速度为： v=l/t设：在时间设：在时间t内，长

8、度为内，长度为l的试件形变量的试件形变量l ， 应变：应变：l /l= ， 应变速率：应变速率：U=d /dt 考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为nc个，个，c为位错增殖系数。为位错增殖系数。 每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑移，也就是一个柏格斯矢量移，也就是一个柏格斯矢量(b)，单位时间内的滑，单位时间内的滑移量：移量： nbc/t= l /t 应变速率：应变速率： U=d /dt= l /lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vDbcDbcvtlbcltnbcltldtd2ln宏观应变率为：

9、塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密度、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其度、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其成正比。成正比。 柏格斯矢量与位错形成能有关系柏格斯矢量与位错形成能有关系E=aGb2，柏，柏格斯矢量影响位错密度，即柏格斯矢量越大，格斯矢量影响位错密度，即柏格斯矢量越大，位错形成越难，位错密度越小。位错形成越难，位错密度越小。 金属与无机材料的柏格斯矢量比较：金属与无机材料的柏格斯矢量比较： 金属的柏格斯矢量一般为金属的柏格斯矢量一般为3A左右，无机材料左右，无机材料的大，如的大，如MgAl2O4三元化合物为三元化合物为8A，Al2O3的为

10、的为5A。（6 6）多晶的的塑性形变）多晶的的塑性形变 多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本多晶塑性形变不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。 多晶塑性形变包括以下内容：多晶塑性形变包括以下内容： 晶体中的位错运动引起塑变；晶体中的位错运动引起塑变； 晶粒与晶粒间晶界的相对滑动；晶粒与晶粒间晶界的相对滑动； 空位的扩散；空位的扩散； 粘性流动。粘性流动。例如：玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，例如：玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 玻璃发生塑性形变的过程：玻璃发生塑性形变的过程： 正是因为非长程有序，许多原子并不在势能正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；曲线低谷