《無(wú)機(jī)材料物理性能》2

1、l第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變l第三節(jié)第三節(jié) 無(wú)機(jī)材料中晶相的塑性形變無(wú)機(jī)材料中晶相的塑性形變l第四節(jié)第四節(jié) 高溫下玻璃相的粘性流動(dòng)高溫下玻璃相的粘性流動(dòng)l第五節(jié)無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變第五節(jié)無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變第一章第一章 無(wú)機(jī)材料的受力形變無(wú)機(jī)材料的受力形變各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化，稱為形變。第一節(jié)第一節(jié) 材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變材料的應(yīng)力、應(yīng)變及彈性形變l1.脆性材料脆性材料：如上圖曲線（a），即在彈性變形后沒(méi)有塑性變形（或塑性變形很?。┙又褪菙嗔眩倧椥詰?yīng)變能非常小。不同材料的變形行為不同。不同材料的變形行為不同。l2.延性材料：延性材料：如上圖

2、曲線（b） 開(kāi)始為彈性形變，接著有一段彈塑性形變，然 后才斷裂，總變形能很大。l3.彈性材料：彈性材料：如上圖曲線（c），沒(méi)有殘余形變。 無(wú)機(jī)材料的無(wú)機(jī)材料的形變形變是重要的力學(xué)性能，與材料的是重要的力學(xué)性能，與材料的制造、加工和使用都有著密切的關(guān)系。因此，研究無(wú)制造、加工和使用都有著密切的關(guān)系。因此，研究無(wú)機(jī)材料在受力情況下產(chǎn)生形變的規(guī)律是有重要意義的。機(jī)材料在受力情況下產(chǎn)生形變的規(guī)律是有重要意義的。一、基本概念 、應(yīng)力與應(yīng)變 、剪應(yīng)力與剪應(yīng)變 1）應(yīng)力）應(yīng)力 材料在外力作用下都要產(chǎn)生內(nèi)力，同時(shí)發(fā)生形變。通常內(nèi)力用應(yīng)力描述，形變則用應(yīng)變表示。 定義：應(yīng)應(yīng) 力力: 單位面積上所受的內(nèi)力。 、應(yīng)

3、力與應(yīng)變、應(yīng)力與應(yīng)變AF外力，單位 ；應(yīng)力，單位 ； 面積，單位 . 定義：名義應(yīng)力：00AF材料受力前的初始面積0AFAPam2kg2）應(yīng)變）應(yīng)變應(yīng)變是用來(lái)描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。名義應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變名義應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變 一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的桿，在單向拉應(yīng)力作用下被拉長(zhǎng)到L1 ，則應(yīng)變的定義為： 稱為名義應(yīng)變名義應(yīng)變。 如果上式中分母不是L0，而是隨拉伸而變化的真實(shí)長(zhǎng)度L，則真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變?yōu)?0001)(LLLLL01ln10LLLdLLLtrue通常為了方便起見(jiàn)都用名義應(yīng)變。2. 剪應(yīng)力與剪應(yīng)變剪應(yīng)力與剪應(yīng)變剪力剪力：沿著截面的內(nèi)力。 如存在一對(duì)方向相反，作用線相距很近的橫向集中力，則

4、必有剪切的趨勢(shì)。剪應(yīng)力剪應(yīng)力：某截面單位面積上剪力的大小。常表示為： Q / A (Pa)剪剪 切切剪應(yīng)變剪應(yīng)變：物體內(nèi)部一體積元上的二個(gè)面元之間的夾角的變化。PABCDEA B ULF負(fù)荷作用在面積為負(fù)荷作用在面積為S的的ABCD面上，面上，剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力： =P/S; 剪切應(yīng)變：剪切應(yīng)變： =U/L=tg.正應(yīng)力引起材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的正應(yīng)力引起材料的伸長(zhǎng)或縮短，剪應(yīng)力引起材料的畸變，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)?；?，并使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。1、應(yīng)力分析、應(yīng)力分析下面圍繞材料內(nèi)部一點(diǎn)P取一體積單元，體積元的六個(gè)面均垂直于坐標(biāo)軸X，Y，Z。分析 點(diǎn)P應(yīng)力狀態(tài)。二、任意的力在任意方向上作用于

5、物體說(shuō)明：1）下角標(biāo)意義：每個(gè)面都有一個(gè)法向應(yīng)力和兩個(gè)剪應(yīng)力。應(yīng)力分量 ，的下標(biāo)第一個(gè)字母表示應(yīng)力作用面的法線方向。第二個(gè)字母表示應(yīng)力的作用方向。2）正負(fù)規(guī)定：法向應(yīng)力：若為拉應(yīng)力，則規(guī)定為正；若為壓應(yīng)力，則 規(guī)定為負(fù)。剪應(yīng)力：如果體積元任一面上的法向應(yīng)力與 坐標(biāo)軸的正方向相同，則該面上的剪應(yīng)力指向坐標(biāo) 軸的正方向者為正；如果該面上的法向應(yīng)力指向坐 標(biāo)軸的負(fù)方向，則剪應(yīng)力指向坐標(biāo)軸的負(fù)方向者為 正。剪應(yīng)力的正負(fù)號(hào)規(guī)定：剪應(yīng)力的正負(fù)號(hào)規(guī)定：正剪應(yīng)力正剪應(yīng)力負(fù)剪應(yīng)力負(fù)剪應(yīng)力 3）應(yīng)力間關(guān)系： 根據(jù)平衡條件，體積元上相對(duì)的兩個(gè)平行面上的法向應(yīng)力是大小相等，正負(fù)號(hào)一樣。任一平面的兩個(gè)剪應(yīng)力相垂直。由于

6、剪應(yīng)力互等定理由于剪應(yīng)力互等定理: :yxxyzxxzzyyz故一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由故一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由六個(gè)應(yīng)力分量表示六個(gè)應(yīng)力分量表示: :zxyzxyzzyyxx , , , ,xydydxACBCdyyudxxudxxvABdyyv o 如上圖：研究物體中一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)，在物體內(nèi)圍繞該點(diǎn)取出一體積元 點(diǎn)處沿 方向的位移分量為 點(diǎn)處沿 方向的正應(yīng)變是：Odzdydx，、zyx，Owvu。在、xxudxdxxuxxyvdydyyvyyzwdzdzzwxx1）正應(yīng)變 下面考察 之間夾角變化。 之間的畸變夾角為：由此可見(jiàn)，線段 之間原來(lái)的直角 減少yu。了yuxvOBOA和AOOA與xvdxvdxxv

7、v1)(BOOB與同理， 之間的畸變夾角為 OBOA與AOB2）剪應(yīng)變 一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)由與應(yīng)力分量對(duì)應(yīng)的六個(gè)應(yīng)變分量決定，即三個(gè)剪應(yīng)變分量 及三個(gè)伸長(zhǎng)應(yīng)變分量因此，平面 之間的剪應(yīng)變?yōu)椋簔uxwywzvyuxvzxyzxyyzxz與zxyzxy，。，zzyyxx 一長(zhǎng)方體，各棱邊平行于坐標(biāo)軸，在垂直于 軸的兩個(gè)面上受有均勻分布的正應(yīng)力 三三. 廣義虎克定律廣義虎克定律xx1、各向同性體的虎克定律 各向同性體：各個(gè)方向上（三維）結(jié)構(gòu)、性質(zhì)都相同，因此，各方向上的彈性模量相同。u 對(duì)于各向同性體，這些正應(yīng)力不會(huì)引起長(zhǎng)方體的 角度改變。長(zhǎng)方體在x軸的相對(duì)伸長(zhǎng)可表示為： 式中 為彈性模量，對(duì)各向同性體

8、為一常數(shù)。表示材料抵抗變形的能力。u當(dāng)長(zhǎng)方體伸長(zhǎng)時(shí)，側(cè)向要發(fā)生橫向收縮Exx。LLxEbbbbbccccczy 橫向變形系數(shù) ，叫做泊松比泊松比。 u若長(zhǎng)方體各面分別受有均勻分布的正應(yīng)力 ,則在各方面的總應(yīng)變可以將三個(gè)應(yīng)力分量中的第一個(gè)應(yīng)力分量引起的應(yīng)變分量疊加而求得。此時(shí)，虎克定律為：EExzxxyxzxyyxzzzxyyzyxxEEE111zyx，對(duì)于剪應(yīng)變，則有：GGGzxzxyzyzxyxy式中 為剪切模量或剛性模量。 之間有下列關(guān)系：G， EG12EG 大多數(shù)多晶材料雖然微觀上各晶粒具有方向性，但因晶粒數(shù)量很大，且隨機(jī)排列，故宏觀上可以當(dāng)作各向同性體處理。 對(duì)于彈性形變，金屬材料的泊

9、松比為0.290.33，無(wú)機(jī)材料為0.20.25。無(wú)機(jī)材料的彈性模量E隨材料不同變化范圍大，約為109 1011Pa。2、各向異性體的虎克定律u單晶及具有織構(gòu)的材料或復(fù)合材料（用纖維增強(qiáng)）具有明顯的方向性，在此情況下，各方向的彈性模量不同，泊松比也不同。虎克定律描述了更一般的-關(guān)系。1）在單向受應(yīng)力）在單向受應(yīng)力 時(shí)， 方向上的應(yīng)變?yōu)椋?。，若zxyzxyzyxEEExzy，xxxyxxyxyxSE21式中： 稱之為彈性柔順系數(shù)彈性柔順系數(shù)柔順系數(shù) 中，下標(biāo)十位數(shù)為應(yīng)變方向；個(gè)位數(shù)為所受應(yīng)力的方向。 xyxES21SxxxxxxxzxxxxzxzxESSEESSE111113131，同理：2）三

10、個(gè)方向同時(shí)受應(yīng)力）三個(gè)方向同時(shí)受應(yīng)力同時(shí)受三個(gè)方向的正應(yīng)力，在同時(shí)受三個(gè)方向的正應(yīng)力，在x, y, z方向方向的應(yīng)變?yōu)椋旱膽?yīng)變?yōu)椋?yy= yy/Ey+S21 yy +S23 zz zz= zz/Ez+S31 yy +S32 zz xx= xx/Ex+S12 yy +S13 zzxyzxyzzzyyxxxyxyzxyzzzyyxxzxxyzxyzzzyyxxyzxyzxyzzzyyxxzxyzxyzzzyyxxyxyzxyzzzyyxxxSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS6665646362615655545352514645444342413635343

11、33231262524232221161514131211對(duì)于同時(shí)受有三向應(yīng)力的各向異性材料，除正應(yīng)力對(duì)正應(yīng)變有關(guān)系外，剪應(yīng)力也會(huì)對(duì)正應(yīng)變有影響，反之，正應(yīng)力對(duì)剪應(yīng)變也有影響?？偣灿锌偣灿?6個(gè)系數(shù)。個(gè)系數(shù)。根據(jù)根據(jù)倒順關(guān)系倒順關(guān)系有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）：有（由彈性應(yīng)變能導(dǎo)出）： Sij=Sji , 21/E1 12/E2，系數(shù)減少至系數(shù)減少至21個(gè)個(gè)考慮晶體的考慮晶體的對(duì)稱性對(duì)稱性，例如：斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，例如：斜方晶系，剪應(yīng)力只影響與其平行的平面的應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，不影響正應(yīng)變，S數(shù)為數(shù)為9個(gè)個(gè)(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12 = S21

12、,S23,S13) 。六方晶系只有六方晶系只有5個(gè)個(gè)S(S11 = S22, S33, S44, S66, S13)立方晶系為立方晶系為3個(gè)個(gè)S(S11,S44,S12)MgO的柔順系數(shù)在的柔順系數(shù)在25oC時(shí)，時(shí)， S11 =4.0310-12 Pa-1; S12 =0.9410-12 Pa-1; S44 = 6.4710-12 Pa-1 . 由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。由此可知，各向異性晶體的彈性常數(shù)不是均勻的。v各向異性材料的各個(gè)方向的彈性模量都不相各向異性材料的各個(gè)方向的彈性模量都不相同同v當(dāng)各向異性材料同時(shí)受到三向應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)各向異性材料同時(shí)受到三向應(yīng)力作用時(shí)，各個(gè)

13、方向的形變也是不同的，因而各個(gè)方向各個(gè)方向的形變也是不同的，因而各個(gè)方向的泊松系數(shù)也隨應(yīng)力的方向變化的泊松系數(shù)也隨應(yīng)力的方向變化v除正應(yīng)力對(duì)應(yīng)變有影響外，剪應(yīng)力也會(huì)對(duì)應(yīng)除正應(yīng)力對(duì)應(yīng)變有影響外，剪應(yīng)力也會(huì)對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生影響變產(chǎn)生影響v除剪應(yīng)力對(duì)剪應(yīng)變有影響外，正應(yīng)力也會(huì)對(duì)除剪應(yīng)力對(duì)剪應(yīng)變有影響外，正應(yīng)力也會(huì)對(duì)剪應(yīng)變產(chǎn)生影響剪應(yīng)變產(chǎn)生影響四、彈性模量四、彈性模量 彈性模量E：是一個(gè)重要的材料常數(shù)，它是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)志。u 在不受外力的情況下， 就反映了彈性模量 的大小， 較小， 較小， 也就小 ，原子間結(jié)合力弱。 較大， 較大， 也就大 ，原子間結(jié)合力強(qiáng)。 從圖1.5中原子間的結(jié)合力曲線可以看

14、出，彈性模量E實(shí)際上和原子間結(jié)合力曲線上任一受力點(diǎn)的曲線斜率有關(guān)。tgE11tg1E22tg2E影響彈性模量的因素影響彈性模量的因素架狀結(jié)構(gòu)架狀結(jié)構(gòu) 石英和石英玻璃的石英和石英玻璃的架狀結(jié)構(gòu)是三維空間網(wǎng)絡(luò)，不同方架狀結(jié)構(gòu)是三維空間網(wǎng)絡(luò)，不同方向上的鍵結(jié)合幾乎相同向上的鍵結(jié)合幾乎相同-幾乎各幾乎各向同性。向同性。 單鏈結(jié)構(gòu)單鏈結(jié)構(gòu) Si2O6 雙鏈結(jié)構(gòu)雙鏈結(jié)構(gòu) Si4O11 環(huán)狀結(jié)構(gòu)（島狀結(jié)構(gòu)）環(huán)狀結(jié)構(gòu)（島狀結(jié)構(gòu)） Si6O18 方向不同彈性模量不一樣方向不同彈性模量不一樣（1）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)（2）化學(xué)鍵類型化學(xué)鍵類型 a. 共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強(qiáng)，E都較大； b . 分子鍵結(jié)合

15、力弱，這樣鍵合的物體E較低。 大部分固體，受熱后漸漸開(kāi)始變軟，彈性常數(shù)隨溫大部分固體，受熱后漸漸開(kāi)始變軟，彈性常數(shù)隨溫度升高而降低。度升高而降低。 通常，溫度升高，原子間距離增加，因而通常，溫度升高，原子間距離增加，因而E下降。下降。(3) 溫度溫度多相體系的彈性模量多相體系的彈性模量 多相體系的彈性模量不僅與原子間結(jié)合力多相體系的彈性模量不僅與原子間結(jié)合力有關(guān)，還與材料的組成、顯微結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，還與材料的組成、顯微結(jié)構(gòu)及材料內(nèi)部的各種缺陷有關(guān)。其估算較為復(fù)雜。內(nèi)部的各種缺陷有關(guān)。其估算較為復(fù)雜。 在二相系統(tǒng)中，總模量介于高模量成分和在二相系統(tǒng)中，總模量介于高模量成分和低模量成分間，類似于二

16、相系統(tǒng)的熱膨脹低模量成分間，類似于二相系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)，通過(guò)假定材料有許多層組成，這些系數(shù)，通過(guò)假定材料有許多層組成，這些層平行或垂直于作用單軸應(yīng)力，找出最寬層平行或垂直于作用單軸應(yīng)力，找出最寬的可能界限。的可能界限。 a.第一種模型：并聯(lián)模型。第一種模型：并聯(lián)模型?？傻脙上嘞到y(tǒng)彈性模量的最高值 。也叫上限模量。2211VEVEEU 式中 ： 分別為兩相的彈性模量 分別為兩相的體積分?jǐn)?shù) 為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，叫上限模量。21EE ，21VV ，UE此式適用于估算金屬陶瓷，玻璃纖維、增強(qiáng)塑料以及在玻璃質(zhì)基體中含有晶體的半透明材料的彈性模量。UE b.第二種模型：串聯(lián)模型。第二種模型：串聯(lián)模

17、型。則可得兩相系統(tǒng)彈性模量的最低值 。也叫下限模量。11221EVEVELLE2211 V VEEEUPP12lAllAV11AllAV2222112211 VVAAAAAP即：根據(jù)壓力平衡方程有：P=1A1+2A2, 兩邊同除以A， 有： 2211 EE2211 V VEE2211 V VEEUE兩相應(yīng)變相同22111EVEVELPP21 22211111 EEEE2211VV=l 1=1l1 2=2l2 =1+ 2 兩相應(yīng)力相同)9 . 09 . 11 (20ppEEE E0 0氣孔率為零時(shí)的氣孔率為零時(shí)的E E值，值，pp為氣孔率。為氣孔率。陶瓷的彈性模量隨氣孔率的表達(dá)式為陶瓷的彈性模量

18、隨氣孔率的表達(dá)式為： 一、一、 晶體的塑性形變晶體的塑性形變第三節(jié)第三節(jié) 無(wú)機(jī)材料的塑性形變無(wú)機(jī)材料的塑性形變屈服應(yīng)力：當(dāng)外力超過(guò)物體彈性極限，達(dá)到某一點(diǎn)屈服應(yīng)力：當(dāng)外力超過(guò)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，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。此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力。 滑移：滑移：晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)。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，原子的面密度越定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越

19、大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)滑動(dòng)。1. 晶格滑移和滑移系統(tǒng)晶格滑移和滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng)：包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定滑移系統(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。的晶面和方向進(jìn)行。通常，滑移方向與原子最密堆積的方向一致，滑移通常，滑移方向與原子最密堆積的方向一致，滑移面是原子最密堆積面。面是原子最密堆積面。 滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng) 產(chǎn)生滑移的條件：產(chǎn)生滑移的條件： 1）幾何條件：）幾何條件：面間距大；面間距大； 滑移矢量（柏格斯矢滑移矢量（柏格斯矢量）小。量）小。 2）靜電條件：每個(gè)面上是同一種電荷的原子，）靜電條

20、件：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；相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反；滑移面面積：滑移面面積：S/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上分剪應(yīng)力：滑移面上分剪應(yīng)力： = Fcos /(S/cos )=(F/S)cos cos 在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定上剪應(yīng)力大小決定 cos cos 的的大??；大小；滑移系統(tǒng)越多，滑移系統(tǒng)越多， cos cos 大的機(jī)大的機(jī)會(huì)就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會(huì)會(huì)就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機(jī)會(huì)也越多。也越多。F滑移面滑移面滑移方向滑移方向 S2、 臨界分解剪切應(yīng)力臨界分解剪切應(yīng)力

21、金屬金屬 非金屬非金屬 由一種離子組成由一種離子組成 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無(wú)方向性金屬鍵無(wú)方向性 共價(jià)鍵或離子鍵有方向共價(jià)鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系統(tǒng)多滑移系統(tǒng)多 滑移系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少金屬與非金屬晶體滑移難易的比較金屬與非金屬晶體滑移難易的比較從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部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)，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(méi)有變化，僅是形狀晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒(méi)有變化，僅是形狀發(fā)生變化。發(fā)生變化。如果所有原子同時(shí)移動(dòng)，需要很大能量才

22、出現(xiàn)滑動(dòng)，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；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)；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(guò)產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)實(shí)際測(cè)試結(jié)果：晶格能超過(guò)產(chǎn)生塑變所需能量幾個(gè)數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。二二 . 塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）實(shí)際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯(cuò)；實(shí)際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯(cuò)；受剪應(yīng)力作用受剪應(yīng)力作用 ，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯(cuò)動(dòng)，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯(cuò)動(dòng)，而是位錯(cuò)在滑移面上沿而

23、是位錯(cuò)在滑移面上沿 滑移方向運(yùn)動(dòng)；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)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；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。實(shí)際晶體的滑動(dòng)是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。1、位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)思考：為何認(rèn)為晶體塑性形變是位錯(cuò)運(yùn)思考：為何認(rèn)為晶體塑性形變是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而不是晶體兩部分整體錯(cuò)動(dòng)動(dòng)的結(jié)果，而不是晶體兩部分整體錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果？的結(jié)果？位錯(cuò)的產(chǎn)生：位錯(cuò)的產(chǎn)生：滑移是由一個(gè)有限的小面積畸變區(qū)穿滑移是由一個(gè)有限的小面積畸變區(qū)穿過(guò)晶體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。過(guò)晶體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 滑移面滑移面DCO 遷移方向遷移方向 附加半

24、晶面棱上的一個(gè)原子附加半晶面棱上的一個(gè)原子O受到原子受到原子C和和D的吸引的吸引力。這兩個(gè)原子對(duì)原子力。這兩個(gè)原子對(duì)原子O水平方向上的吸引力大小水平方向上的吸引力大小相等，方向相反。相等，方向相反。當(dāng)有剪應(yīng)力作用，并使原子當(dāng)有剪應(yīng)力作用，并使原子O有一個(gè)小的向右移動(dòng)，有一個(gè)小的向右移動(dòng)，原子原子D對(duì)原子對(duì)原子O的吸引力增加，而原子的吸引力增加，而原子C對(duì)原子對(duì)原子O的的吸引力減小。此時(shí)原子吸引力減小。此時(shí)原子O受到向右的推力，使位錯(cuò)受到向右的推力，使位錯(cuò)向右移動(dòng)一個(gè)距離。向右移動(dòng)一個(gè)距離。 單個(gè)位錯(cuò)移過(guò)晶體后，形成一個(gè)原子滑移臺(tái)階；單個(gè)位錯(cuò)移過(guò)晶體后，形成一個(gè)原子滑移臺(tái)階； 位錯(cuò)滑移的結(jié)果在宏

25、觀上的表現(xiàn)為材料發(fā)生了塑性位錯(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。形變。一列原子的勢(shì)能曲線一列原子的勢(shì)能曲線 1） 原子的勢(shì)能曲線原子的勢(shì)能曲線2、塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論、塑性形變的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論完整晶體的勢(shì)能曲線完整晶體的勢(shì)能曲線有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能有位錯(cuò)時(shí)，晶體的勢(shì)能曲線曲線加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線加剪應(yīng)力后的勢(shì)能曲線 hh H( )滑移面滑移面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能H( ) ，與剪切應(yīng)力有關(guān)，與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)剪應(yīng)力力 大，大，H( )?。恍?； 小，小，H( )大。當(dāng)大。當(dāng) =0時(shí)，時(shí)，H( )最最大大,H( )=h .原子具有激活能的幾率（或原子脫離平衡位置的原子具有激

26、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。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)；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)，為波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23 J/K2） 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度a、無(wú)外力時(shí)無(wú)外力時(shí)，H() =h，比，比KT大得多，大得多， 很小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難很小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難 。3）討論）討論 KTHeb、H()增大，則v減小。減小。 室溫下室溫下，無(wú)機(jī)材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)十分困難。，無(wú)機(jī)材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)十分困難。 因?yàn)橐驗(yàn)榻饘俨?/p>

27、料金屬材料h約為約為0.10.2ev，無(wú)機(jī)材料約，無(wú)機(jī)材料約為1ev。c、位錯(cuò)只能在位錯(cuò)只能在滑移面上滑移面上運(yùn)動(dòng)，只有滑移面上的分運(yùn)動(dòng)，只有滑移面上的分 剪應(yīng)力才能使剪應(yīng)力才能使H()降低。降低。d、溫度升高溫度升高,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快 ,塑性形變開(kāi)始增強(qiáng)塑性形變開(kāi)始增強(qiáng) 。故常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，高溫下具有一定的塑故常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，高溫下具有一定的塑性。性。 結(jié)結(jié) 論論 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說(shuō)明，無(wú)機(jī)材料中難以發(fā)生塑性位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說(shuō)明，無(wú)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(guò)

28、微裂紋擴(kuò)展夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過(guò)微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。3、形變速率、形變速率(或應(yīng)變速率）或應(yīng)變速率） LLL塑性形變的簡(jiǎn)化模型塑性形變的簡(jiǎn)化模型 a、 應(yīng)變速率計(jì)算應(yīng)變速率計(jì)算設(shè)設(shè)LL平面上有平面上有n個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度：個(gè)位錯(cuò)，位錯(cuò)密度： D=n/L2在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過(guò)晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過(guò)晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速度為：運(yùn)動(dòng)平均速度為： v=L/t設(shè)：在時(shí)間設(shè)：在時(shí)間t內(nèi)，長(zhǎng)度為內(nèi)，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的試件形變量的試件形變量L ， 應(yīng)變：應(yīng)變：L /L= ， 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率：U=d /dt考慮位

29、錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程增殖，通過(guò)邊界位錯(cuò)數(shù)為考慮位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程增殖，通過(guò)邊界位錯(cuò)數(shù)為cn個(gè)，個(gè)，c為位錯(cuò)增殖系數(shù)。為位錯(cuò)增殖系數(shù)。每個(gè)位錯(cuò)在晶體內(nèi)通過(guò)都會(huì)引起一個(gè)原子間距每個(gè)位錯(cuò)在晶體內(nèi)通過(guò)都會(huì)引起一個(gè)原子間距滑移，也就是一個(gè)柏格斯矢量滑移，也就是一個(gè)柏格斯矢量(b)，單位時(shí)間內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)的滑移量：的滑移量： cnb/t= L /t 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率： Dbcvtlbcltnbcltldtd2lnb 討論：討論： 1）塑性形變速率取決于）塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度、位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度、柏格斯矢量柏格斯矢量、位錯(cuò)的增殖系數(shù)位錯(cuò)的增殖系數(shù)，且與其成正比。，且與其成正比。2）b的影響的影響：

30、從公式看，利于形變。實(shí)際上，柏：從公式看，利于形變。實(shí)際上，柏格斯矢量與位錯(cuò)形成能有關(guān)系格斯矢量與位錯(cuò)形成能有關(guān)系E=aGb2，柏格斯矢，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，反而不利于形變。越難，位錯(cuò)密度越小，反而不利于形變。3）金屬與無(wú)機(jī)材料的柏格斯矢量比較：）金屬與無(wú)機(jī)材料的柏格斯矢量比較：金屬的柏格斯矢量一般為金屬的柏格斯矢量一般為3A左右，無(wú)機(jī)材料的大，左右，無(wú)機(jī)材料的大，如如MgAl2O4三元化合物為三元化合物為8A，Al2O3的為的為5A。一一. 粘彈性與滯彈性粘彈性與滯彈性 一些非晶體和多晶體在比較小的應(yīng)

31、力時(shí)，可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和粘性，稱為粘彈性粘彈性。 對(duì)于理想的彈性固體，作用應(yīng)力會(huì)立即引起彈性應(yīng)變，一旦應(yīng)力消除，應(yīng)變也隨之立即消除。但對(duì)于實(shí)際固體這種彈性應(yīng)變的產(chǎn)生與消除需要有限時(shí)間，這種與時(shí)間有關(guān)的彈性稱為滯彈性滯彈性。高溫下許多含有玻璃相材料， 與時(shí)間有關(guān)，隨時(shí)間的增加而降低。這是因?yàn)樵诟邷叵?，?yīng)力的作用使一些原子從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置，在此情況下，形變是滯彈性或粘彈性。應(yīng)力除去后，可以漸漸恢復(fù)。0E第五節(jié)第五節(jié) 材料的高溫蠕變材料的高溫蠕變 當(dāng)對(duì)粘彈性體施加恒定應(yīng)力 時(shí)，其應(yīng)變隨時(shí)間而增加，這種現(xiàn)象叫蠕變?nèi)渥?，此時(shí)彈性模量 也隨時(shí)間而減小。 0scE tstEc0如果施加恒定應(yīng)變 ，

32、則應(yīng)力將隨時(shí)間而減小，這種現(xiàn)象叫馳豫馳豫。此時(shí)，彈性模量 也隨時(shí)間而降低。0rE 0tstEr可以用力學(xué)模型來(lái)表示物體在外力作用下的形變行為。 為恒定應(yīng)變下應(yīng)力馳豫時(shí)間應(yīng)力馳豫時(shí)間， 為恒定應(yīng)力下應(yīng)變?nèi)渥儠r(shí)間應(yīng)變?nèi)渥儠r(shí)間。 用這兩種元件進(jìn)行各種組合，可得到各種模型，來(lái)表示不同的力學(xué)性能。根據(jù)模型：22211112112彈彈粘彈彈彈彈彈粘粘粘彈彈EEE221EEE 它們都是表示材料在外力作用下從不平衡狀態(tài)通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新組合而達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。a 若材料的 大， 小，則 和 都大，說(shuō)明滯彈性大。 b 若 彈性模量為常數(shù)，彈性 在結(jié)晶的陶瓷中，滯彈性馳豫最主要的根源是殘余的玻璃相。E，粘度0

33、00無(wú)機(jī)材料是很有前途的高溫材料。因此在高溫下使用的無(wú)機(jī)材料。就必須考慮其高溫蠕變。典型的蠕變曲線如圖所示。 二、無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變曲線二、無(wú)機(jī)材料的高溫蠕變曲線l ） 在外力作用下發(fā)生瞬時(shí)彈性形變l ） 蠕變減速階段。特點(diǎn)是應(yīng)變速率隨時(shí)間遞減。其規(guī)律可表示為 oaabnAtdtdAtAnln1，3232Btn，為常數(shù).低溫時(shí)，高溫時(shí)，該曲線分四個(gè)階段:l 4） 加速蠕變階段。 特點(diǎn)是應(yīng)變率隨時(shí)間增加 而增加，最后到 點(diǎn)斷裂。 當(dāng)外力和溫度不同時(shí)，蠕變各階段時(shí)及曲線傾斜程度將有所變化。dl） 穩(wěn)定蠕變階段。特點(diǎn)是蠕變速率幾乎保持 不變。 ，所以， bc（常數(shù)）kdtdktcd（） 或較低時(shí)，穩(wěn)

34、定蠕變階段延長(zhǎng)。（）外力對(duì)應(yīng)變速率的影響很大， 為220。Tnkn，l 1）在高溫下原子熱運(yùn)動(dòng)加劇?？梢允刮诲e(cuò)從障礙 中解放出來(lái)，并使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加速。l 2）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)除產(chǎn)生滑移外，位錯(cuò)攀移也能產(chǎn)生宏 觀上的形變。由于晶體中存在過(guò)飽和的空位, 多余的半片原子可以向空位擴(kuò)散，通過(guò)吸收空 位，位錯(cuò)可攀移到滑移面以外，繞過(guò)障礙物， 使滑移面移位。三三、高溫蠕變的位錯(cuò)理論高溫蠕變的位錯(cuò)理論 認(rèn)為高溫下的蠕變現(xiàn)象類似于晶體中的擴(kuò)散現(xiàn)象。并且把蠕變過(guò)程看成是外力作用下沿應(yīng)力作用方向擴(kuò)散的一種形式。l 1）當(dāng)試件受拉時(shí)，受拉晶界的空位濃度 增加，四、擴(kuò)散蠕變理論四、擴(kuò)散蠕變理論拉CKTCCexp0拉空位體積 平衡空位濃度0C在受壓晶面上，空位濃度 減少。壓CKTCCexp0壓則：l 2）受拉晶界與受壓晶界產(chǎn)生空位濃度差，受拉晶界 的空位向受壓晶界遷移。同時(shí)，原子朝相反方向 擴(kuò)散。導(dǎo)致沿受拉方向伸長(zhǎng)，發(fā)生形變。l 3）這種擴(kuò)散可以是體擴(kuò)散，沿晶粒