《无机材料物理性能》第3讲.ppt

2023年5月30日,无机材料物理性能,第三讲,1-2 无机材料中晶相的塑性形变,基本概念及现象:,塑性形变 屈服极限 滑移带的形成 临界分切应力,塑性形变,塑性形变是指外力移去后不能 恢复的形变。,无机材料屈服极限,当应力足够大，材料便开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力就称为屈服极限(Yield limit)或屈服强度（s）。应力超过s后，应力应变曲线开始弯曲。,屈服极限:,s 屈服强度,屈服极限,滑移带,滑移带的形成：弹性变形外 力克服单晶原子间的键 合力，使原子偏离其平 衡位置，试样开始伸长。,滑移带与滑移线的关系,单晶锌变形后滑移带的照片,临界分切应力,滑移面面积：A/cos；F在滑移面上分剪力：Fcos；滑移面上F方向的应力为：,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大小决定 cos cos 的大小；滑移系统越多，cos cos大的机会就多，达到临界剪切应力的机会也越多。,金属与非金属晶体滑移难易的比较,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,塑性形变机理,晶格滑移理论,晶格滑移的基本规律:,滑移的距离必然是晶格常数的整数倍 晶体中间滑移总是发生在主要晶面和 主要晶向上 滑移是在剪应力的作用下进行，对一定的滑移面只有当剪应力超过 临界剪应力时，才发生沿该晶面 的滑移,塑性形变机理,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。,位错运动理论,位错运动理论,位错一种缺陷，其运动速度 也应由波尔兹曼因子决定,v0：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,无外力时，H()=h，比KT大得多，很小，位错运动困难 无机材料中滑移系统只有有限几个,难产生塑性形变 温度升高,位错运动速度加快,塑性形变开始增强,位错运动理论,Al2O3在高温的塑性形变,(a)温度影响(b)应变速率的影响,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，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。,形变速率与位错运动的关系,塑性形变简化模型,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,考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为nc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：nbc/t=l/t应变速率：U=d/dt=l/lt=cnb/lt=cnbl/l2t=vDbc,宏观应变率为：,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。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3A左右，无机材料的大，如MgAl2O4三元化合物为8A，Al2O3的为5A。,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：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；空位的扩散；粘性流动。,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？,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曲线低谷；有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-粘性流动,影响塑性形变的因素,思考题：,为什么室温下大多数无机晶体（复杂晶体）不具有延性？为什么NaCl型结构的晶体在室温下具有延性？为什么无机材料中难以产生塑性形变？,谢谢,