无机材料的塑性形变

1、1.2 无机材料的塑性形变塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性能。塑性形变：一种在外力移除后不能恢复的形变。材料经塑性变形而不破坏的能力叫。无机材料的塑性形变比金属困难，在常温时大都缺乏延展性。11.2 无机材料的塑性形变Kbr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线2补充知识：相变增韧含CeO2（氧化铈）的四方ZrO2的多晶瓷在应力超过一定值后，由于四方相转变为单斜相，表现出很大的塑性变形，称为相变塑性。ZrO2晶粒具有3种同质异构体，即立方晶相、四方晶相和单斜晶相。各相稳定存在的大致温度范围是：立方相大于2300，四方相大于

2、1100，单斜相小于1100。在烧成温度下，ZrO2颗粒一般以四方相存在。当冷却到某一温度时，即发生相变，转变成单斜ZrO2，并伴随着一定的体积膨胀和晶粒形状的变化。但是当ZrO2颗粒弥散在其他陶瓷基体中，受到周围基体的束缚时，它的相变也受到抑制有可能使四方ZrO2保持到室温。只有在基体受到外力作用，使基体对ZrO2颗粒的束缚作用松弛后，才触发了它向单斜相转变，从而达到相变增韧的效果。 31.2.1 晶体的塑性形变晶体中塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶。在晶体中最常见的是滑移。孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶

3、”，此公共晶面就称孪晶面。（P18)4晶格滑移：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，原子密度越大，滑动较小的距离就能使晶体结构复原，比较容易滑动。1. 晶格滑移5 产生滑移的条件： 面间距大； 每个面上是同一种电荷的原子，相对滑动面上的电荷相反； 滑移矢量（柏格斯矢量）小。 （P19 归纳为几何因素和静电作用因素） 6 （补充知识）柏氏回路与柏氏矢量： 柏氏矢量可通过柏氏回路（Burgers circuit）来确定。在含有位错的实际晶体中作一个包含位错发生畸变的回路，然后将这同样大小的回路置于理想晶体中，此时回路将不能封闭，需

4、引一个额外的矢量b连接回路，才能使回路闭合，这个矢量b就是实际晶体中位错的柏氏矢量。柏氏矢量反映位错区域点阵畸变总累积的大小。柏氏矢量越大，位错周围晶体畸变越严重。柏氏矢量方向代表滑移方向，其大小一般是一个原子间距。7滑移系统：包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向进行。滑移方向与原子最密堆积的方向一致，滑移面是原子最密堆积面。(P19 NaCl结构）2. 滑移系统和临界分解剪切应力（1） 滑移系统801 滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向111面心格子体心格子体心格子体心格子abc1-9滑移面面积：S/cos ；F在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面

5、上分剪应力：= Fcos /(S/cos )=(F/S)cos cos在同样外应力作用下，引起滑移面上剪应力大小取决于cos cos 的大小；滑移系统越多， cos cos 大的机会就多，达到临界剪切应力(0)的机会也越多。F滑移面滑移方向S（2）临界分解剪切应力10 金属 非金属 由一种离子组成 组成复杂 金属键无方向性 共价键或离子键有方向 结构简单 结构复杂 滑移系统多 滑移系统少（3）金属与非金属晶体滑移难易的比较（P20）11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平衡位置时，晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。如果所有原子同时移

6、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量级；实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。3 . 塑性形变的机理（位错运动理论）12完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲线(对称) （h小于h）加剪应力后的势能曲线(不对称) （ H()小于h）hhH()滑移面势能空位13位错运动激活能H() ，与剪切应力有关，剪应力大，H()小； 小，H()大。当 =0时，H()最大,H()=h.原子具有激活能的几率（或原子脱离平衡位置的几率）与波尔兹曼因子成正比，其运动速度与波尔兹曼因子成正比。(位错运动速度等同于原子运动

7、速度) v=v0exp-H()/kT v0-与原子热振动固有频率有关的常数； k-波尔兹曼常数，为1.3810-23 J/K原子运动的速度14 =0，T=300K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。讨论15 结 论 位错运动理论说明，无机材料中难以发生塑性形变。当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度运动时，此应力可能

8、已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。16形变速率(或应变速率）LLL塑性形变的简化模型 a 应变速率设LL平面上有n个位错，位错密度： D=n/L2在时间t内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平均速度为： v=L/t（从左边界运动至右边界）设：在时间t内，长度为L的试件形变量L ， 应变：L /L= ， 应变速率：U=d/dt=L /Lt17考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为cn个，c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移，也就是一个柏格斯矢量(b)，单位时间内的滑移量： cnb/t= L /t（将位错运动和塑性形变联系起来）应变速率： U=d

9、/dt= L /Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc 18讨论： 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，且与其成正比。柏格斯矢量与位错形成能有关系E=aGb2，柏格斯矢量(相当于晶体的点阵常数)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。(详见P24)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3左右，无机材料的大，如MgAl2O4三元化合物为8，Al2O3的为5。因此，无机材料中不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变。19宏观塑性形变的必要条件：有足够多的位错；位错有一定的运动速度；柏氏矢量小。20伸长量L应力 单晶氧化铝的形变