《第2章 无机材料的受力形变优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 无机材料的受力形变优秀课件.ppt（114页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2章 无机材料的受力形变第1页，本讲稿共114页2.剪切应力和剪切应变负荷作用在面积为S的ABCD面上，剪切应力：=P/S;剪切应变：=U/L=tg.正应力引起材料的伸长或缩短，剪应力引起材料的畸变，并使材料发生转动。PABCDEABULF第2页，本讲稿共114页xyzzxxyyyxxzzyzzyyxxz应力分量S围绕材料内部一点P，取一体积单元2.1.2 任意的力在任意方向上作用于物体1.应力第3页，本讲稿共114页说明：下脚标的意义：每个面上有一个法向应力和两个剪应力，应力分量下标：第一个字母表示应力作用面的法线方向；第二个字母表示应力的作用方向。方向的规定正应力的正负号规定：拉应力（张
2、应力）为正，压应力为负。剪应力的正负号规定：正剪应力负剪应力第4页，本讲稿共114页应力间存在以下关系：根据平衡条件，体积元上相对的两个平行平面上的法向应力大小相等，方向相反；剪应力作用在物体上的总力矩等于零。应力张量T1T2T3T4T5T6xxyyzzyzzxxy结论：一点的应力状态有六个分量决定体积元上任意面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的正方向者为负。第5页，本讲稿共114页2.应变dxdyBCAC BA(v/y)dy(v/x)dx(u/x)dx(u/y)dyxy0 XY面上的剪应变x
3、yyx第6页，本讲稿共114页已知：O点沿x,y,z方向的位移分量分别为u,v,w应变为：u/x ，用偏微分表示：u/x在O点 处沿x方向的正应变是：xx=u/x同理：yy=v/y zz=w/z.uxOAxAOu（1）正应变 第7页，本讲稿共114页A点在x方向的位移是：u+(u/x)dx，OA的长度增加(u/x)dx.O点在 y方向的应变：v/x,A点在y方向的位移v+(v/x)dx,A点在y方向相对O点的位移为：(v/x)dx,同理：B点在x方向相对O点的位移为：(u/y)dy（2）剪切应变第8页，本讲稿共114页线段OA及OB之间的夹角变化OA与OA间的夹角=(v/x)dx/dx=v/x
4、 OB与OB间的夹角=(u/y)dy/dy=u/y线段OA及OB之间的夹角减少了v/x+u/y，xz平面的剪应变为:xy=v/x+u/y（xy与yx)第9页，本讲稿共114页同理可以得出其他两个剪切应变：yz=v/z+w/y zx=w/x+u/z结论：一点的应变状态可以用六个应变分量来决定，即三个剪应变分量及三个正应变分量。第10页，本讲稿共114页（1）各向同性体的虎克定律xLLbccbxzxy长方体在轴向的相对伸长为：x=x/E应力与应变之间为线性关系，E-弹性模量，对各向同性体，弹性模量为一常数。2.1.3 弹性形变1.广义虎克定律（应力与应变的关系）第11页，本讲稿共114页当长方体伸
5、长时，横向收缩：y=c/c z=b/b横向变形系数（泊松比）：=|y/x|=|z/x|则 y=x=x/E z=x/E如果长方体在x y z的正应力作用下，虎克定律表示为：x=x/E y/E z/E=x（y z）/E y=y/E x/E y/E=y（x z）/E z=z/E x/E y/E=z（x y）/E第12页，本讲稿共114页对于剪切应变，则有如下虎克定律：xy=xy/G yz=yz/G zx=zx/GG-剪切模量或刚性模量。G,E,参数的关系：G=E/2(1+)如果 x=y=z，材料的体积模量K-各向同等的压力与其引起的体积变化率之比。K=p/(V/V)=E/3(12)第13页，本讲稿共
6、114页作用力对不同方向正应变的影响 各种弹性常数随方向而不同，即：Ex Ey Ez,xy yz zx在单向受力x时，在y,z方向的应变为：yy=yx x=yx x/Ex=（yx/Ex）x=S21 x zz=zx x=zx x/Ex=S31 xS21,S31为弹性柔顺系数。1,2,3分别表示x,y,z (2)各向异性第14页，本讲稿共114页同时受三个方向的正应力，在x,y,z方向的应变为：xx=xx/Ex+S12 yy+S13 zz yy=yy/Ey+S21 yy+S23 zz zz=zz/Ez+S31 yy+S32 zz第15页，本讲稿共114页正应力对剪应变有影响，剪应力对正应变也有影响
7、，通式为：xx=S11xx+S12 yy+S13 zz+S14 yz+S15zx+S16xy yy=S22yy+S21 xx+S23 zzS24 yz+S25zx+S26 xy zz=S33zz+S31 yy+S32 zzS34 yz+S35 zx+S36 xy yz=S41xx+S42 yy+S43 zz+S44 yz+S45zx+S46 xy zx=S51xx+S52 yy+S53 zz+S54 yz+S55zx+S56 xy xy=S61xx+S62 yy+S63 zz+S64 yz+S65zx+S66 xy 总共有36个系数。第16页，本讲稿共114页根据倒顺关系有（由弹性应变能导出）
8、：Sij=Sji ,21/E112/E2，系数减少至21个考虑晶体的对称性，考虑晶体的对称性，例如：斜方晶系，剪应力只影响与其平行的平面的应变，例如：斜方晶系，剪应力只影响与其平行的平面的应变，不影响正应变，不影响正应变，S数为数为9个个(S11,S22,S33,S44,S55,S66,S12=S21,S23,S13)。六方晶系只有六方晶系只有5个个S(S11=S22,S33,S44,S66,S13)立方晶系为立方晶系为3个个S(S11,S44,S12)MgO的柔顺系数在的柔顺系数在25oC时，时，S11=4.0310-12 Pa-1;S12=0.9410-12 Pa-1;S44=6.4710
9、-12 Pa-1.由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。由此可知，各向异性晶体的弹性常数不是均匀的。第17页，本讲稿共114页2.弹性变形机理虎克定律表明，对于足够小的形变，应力与应变成线性关系，系数为弹性模量E。作用力和位移成线性关系，系数为弹性常数K。第18页，本讲稿共114页rrror12FUm在r=ro时，原子1和2处于平衡状态，其合力F=0.当原子受到拉伸时，原子2向右位移，起初作用力与位移呈线性变化，后逐渐偏离，达到r时，合力最大，此后又减小。合力有一最大值，该值相当于材料断裂时的作用力。断裂时的相对位移：rro=把合力与相对位移的关系看作线性关系，则弹性常数：K F/=tg
10、(1)原子间相互作用力和弹性常数的关系第19页，本讲稿共114页 U(ro+）=U(ro)+(dU/dr)ro+1/2(d2U/dr2)ro 2 =U(ro)+1/2(d2U/dr2)ro 2 F=du(r)/dr=(d2U/dr2)ro K=(d2U/dr2)ro就是势能曲线在最小值u(ro)处的曲率。结论：K是在作用力曲线r=ro时的斜率，因此K的大小反映了原子间的作用力曲线在r=ro处斜率的大小.(2)原子间的势能与弹性常数的关系结论：弹性常数的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。第20页，本讲稿共114页使原子间的作用力平行于x轴，作用于原子上的作用力：F=u/r ,应力
11、：xx(u/r)/ro2 dxx(2u/r2)dr/ro2 ,相应的应变：d xx=dr/rodxx=C11d xx C11(d2U/dr2)ro/ro=K/ro=E1 C-弹性刚度系数（与弹性柔顺系数S成反比）结论：弹性刚度系数的大小实质上也反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。大部分无机材料具有离子键和共价键，共价键势能曲线的谷比金属键和离子键的深，即：弹性刚度系数大。(3)弹性刚度系数第21页，本讲稿共114页晶体C11C12C44TiC5011.3017.50MgO28.928.8015.46LiF11.14.206.30NaCl4.871.231.26NaBr3.870.970.9
12、7KCl3.980.620.62KBr3.460.580.51 NaCl型晶体的弹性刚度系数 （1011达因/厘米2，200C）第22页，本讲稿共114页（4）用原子间振动模型求弹性常数原子振动时有以下关系：原子振动时有以下关系：m1r1=m2r2,r=r1+r2=r1(1+m1/m2)外力使其产生振动时，外力使其产生振动时，则：则：F=m1d2r1/dt2=m2d2r2/dt2=K(rro)得得:md2(rro)/dt2=K(rro)或或 md2/dt2=K 其中：其中：m=m1m2/(m1+m2)（折合质量）（折合质量）解此方程可以得共振频率：解此方程可以得共振频率：=(K/m)1/2/2
13、 (与晶格振与晶格振动中的长光学纵波相似，也叫极化波，能引起静电极动中的长光学纵波相似，也叫极化波，能引起静电极化化)，则，则：K=m(2)2=m(2 c/)2可以利用晶体的红外吸收波长测出弹性常数。可以利用晶体的红外吸收波长测出弹性常数。rm1m2r1r2第23页，本讲稿共114页3.影响弹性模量的因素架状结构 石英和石英玻璃的架状结构是三维空间网络，不同方向上的键结合几乎相同-几乎各向同性。单链结构 Si2O6 双链结构 Si4O11 环状结构（岛状结构）Si6O18 方向不同弹性模量不一样（1）晶体结构第24页，本讲稿共114页架状结构石英 SiO2 C11=C22=0.9,C33=1.
14、0石英玻璃SiO2 C11=C22=C33=0.8单链状硅酸盐霓辉石 NaFeSi2O6 C11=1.9 C22=1.8 C33=2.3普通辉石(CaMgFe)SiO3 C11=1.8 C22=1.5 C33=2.2透辉石 CaMgSi2O6 C11=2.0 C22=1.8 C33=2.4双链状硅酸盐 角闪石普通角闪石(CaNaK)2-3(HgFeAl)5(SiAl)8O22(OH)2 C11=1.2 C22=1.8 C33=2.8环状硅酸盐绿柱石Be3Al2Si6O8 C11=C22=3.1 C33=0.6电气石(NaCa)(LiMgAl)3(AlFeMn)6(OH)4(BO3)3Si6O1
15、8 C11=C22=2.7 C33=1.6层状硅酸盐黑云母K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH)2 C11=C22=1.9 C33=0.5白云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2 C11=C22=1.8 C33=0.6金云母KMg3(AlSi3O10)(OH)2 C11=C22=1.8 C33=0.5 1012达因/厘米2第25页，本讲稿共114页 大部分固体，受热后渐渐开始变软，弹性常数随温度升高而降低。弹性模量与温度的定量关系：E=EobTexp(-To/T)或 (EEo)/T=bexp(-To/T)Eo,b,To是经验常数，对MgO,Al2O3，ThO2等氧化物，b=2.75
16、.6 ,To=180320温度对弹性刚度系数的影响，通常用弹性刚度系数的温度系数表示：Tc=(dC/dT)/C对在电子仪器中的所谓延迟线和标准频率器件十分重要，因为它们寻求零温度系数材料。(2)温度第26页，本讲稿共114页温度补偿材料：一种异常的弹性性质材料（Tc是正的），补偿一般材料的负Tc值.且压电偶合因子大。MgO Tc11=2.3 Tc44=1.0SrTiO3 Tc11=2.6 Tc44=1.1SiO2 Tc11=0.5 Tc33=2.1 Tc44=1.6 Tc66=1.6 其中：Tc10-4/oC低温石英有一个方向Tc是正值，低温石英在570oC通过四面体旋转，进行位移式相转变，变
17、成充分膨胀的敞旷高温型石英结构。原因：对高温石英和低温石英施加拉伸应力，前者由于SiOSi键是直的，仅发生拉伸，后者除拉伸外，还有键角改变，即发生转动运动。随着温度的增加，其刚度增加，温度系数为正值。第27页，本讲稿共114页说明：Tc和转动相关。启示：温度补偿材料具有敞旷结构，内部结构单位能发生较大转动的物质，这种敞旷式结构具有小的配位数。架状结构：方石英、长石、沸石、白榴子石等具有正的Tc.第28页，本讲稿共114页在二相系统中，总模量介于高模量成分和低模量成分间，类似于二相系统的热膨胀系数，通过假定材料有许多层组成，这些层平行或垂直于作用单轴应力，找出最宽的可能界限。第一种模型每种组分中
18、的应变相同，即并联，Eu=V2E2+(1V2)E1（上限）大部分应力由高模量的相承担。第二种模型每个相中的应力相同，即串联，1/EL=V2/E2+(1V2)/E1 （下限）气孔对弹性模量的影响（气孔的弹性模量为零）（3）复相的弹性模量第29页，本讲稿共114页对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：E=Eo(11.9P+0.9P2)适用于P50 材料E(Gpa)材料E(Gpa)氧化铝晶体380烧结TiC(P=5%)310烧结氧化铝（P=5%）366烧结MgAl2O4(P=5%)238高铝瓷（P=9095%）366密实SiC(P=5%)470烧结氧化铍（P=5%）310烧结稳定化ZrO2 P=
19、5%150热压BN（P=5%）83石英玻璃72热压B4C（P=5%）290莫来石瓷69石墨（P=20%）9滑石瓷69烧结MgO（P=5%）210镁质耐火砖170烧结MoSi2（P=5%）407第30页，本讲稿共114页2.2.1 晶体的塑性形变2.2 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。屈服应力：当外力超过物体弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力。第31页，本讲稿共114页滑移：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
20、面都有一定面间距，且晶面指数小的面，原子的面密度越大，面间距越大，原子间的作用力小，易产生相对滑动。1.晶格滑移第32页，本讲稿共114页 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。第33页，本讲稿共114页滑移系统：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。2.滑移系统和临界分解剪切应力（1）滑移系统第34页，本讲稿共114页110滑移面（111）滑移面（110）滑移面（112）滑移面（123）方向111（111）面心格子体心格子第35页，本讲稿共114页滑移面面
21、积：S/cos；F在滑移面上分剪力：Fcos；滑移面上分剪应力：=Fcos/(S/cos)=(F/S)coscos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。F滑移面滑移方向S（2）临界分解剪切应力第36页，本讲稿共114页 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第37页，本讲稿共114页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
22、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。3.塑性形变的机理（位错运动理论）第38页，本讲稿共114页负荷作用前原子的位置小负荷作用下的应变高负荷作用下的应变 达到高负荷作用下的状态除去负荷后原子的位置（1）形变时晶体中原子的位置第39页，本讲稿共114页原子局部位移引起塑性形变的过程剪力作用，仅引起半个晶面1的原子，从平衡位置（兰点）位移到一个新位置（红点）。（2）在剪应力作用下，原子的局部位移
23、1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 41 2 3 4 第40页，本讲稿共114页第41页，本讲稿共114页当力持续作用，处于移动面1的下端棱上原子产生一个位移，使它们的位置与半晶面2上端原子位置连成一线，半晶面1和2的原子（红点）形成一个新原子面，晶面2 进一步向右移动，形成一个附加半晶面。依次类推，下一步2和3 连接起来。外力持续作用的结果：晶体在剪切应力作用下，不是晶体中所有原子都同时移动，而是其中一小部分，在较小外力作用下，使晶体两部分彼此相对移动。第42页，本讲稿共114页从上图可以理解在外力作用下：刃型位错的形成过程；刃型位错沿滑移面从晶体内部移出的
24、过程；塑性形变的过程；位错线运动的特点：整个原子组态作长距离的传播，而每一参与运动的原子只作短距离（数个原子间距）的位移。第43页，本讲稿共114页实际晶体中存在许多局部高能区，如位错；受剪应力作用，并不是晶体内两部分整体错动，而是位错在滑移面上沿 滑移方向运动；位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑动所需力小得多；实际晶体的滑动是位错运动的结果。（3）位错的滑移运动第44页，本讲稿共114页位错的产生：滑移是由一个有限的小面积畸变区穿过晶体的运动而产生。刃型位错第45页，本讲稿共114页 滑移面DA BCO 迁移方向第46页，本讲稿共114页 附加半晶面棱上的一个原子O受到原子C和D的吸引
25、力。这两个原子对原子O水平方向上的吸引力大小相等，方向相反。当有剪应力作用，并使原子O有一个小的向右移动，原子D对原子O的吸引力增加，而原子C对原子O的吸引力减小。此时原子O受到向右的推力，使位错向右移动一个距离。第47页，本讲稿共114页 单个位错移过晶体后，形成一个原子滑移台阶（红色多边形表示滑移面）位错滑移的结果在宏观上的表现为材料发生了塑性形变。第48页，本讲稿共114页一列原子的势能曲线 a 原子的势能曲线（4）塑性形变的位错运动理论第49页，本讲稿共114页完整晶体的势能曲线有位错时，晶体的势能曲线加剪应力后的势能曲线 hhH()滑移面第50页，本讲稿共114页位错运动的激活能H(
26、)，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。尔兹曼因子成正比。v=v0exp-H()/kT v0-与原子热振动固有频率有关的常数；与原子热振动固有频率有关的常数；k-波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，为1.3810-23 J/Kb 原子运动的速度第51页，本讲稿共114页 =0，T=300则则 kT=4.1410-21J=4.1410216.241018eV=0.026e
27、V金属材料金属材料H()为为0.10.2eV，离子键、共价键为，离子键、共价键为1eV数数量级，室温下无机材料位错难以运动；因为量级，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。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。发生塑性形变的材料，在高温下具有一定塑性。C 讨论第52页，本讲稿共114页 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
28、致材料的脆断。第53页，本讲稿共114页（5）形变速率(或应变速率）LLL塑性形变的简化模型 a 应变速率应变速率设设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，位错内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平均速度为：运动平均速度为：v=L/t设：在时间设：在时间t内，长度为内，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第54页，本讲稿共114页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
29、矢量(b)，单位时间内的滑移量：cnb/t=L/t 应变速率：U=d/dt=L/Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc 第55页，本讲稿共114页b 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。第56页，本讲稿共114页伸长量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的影响形变速率的
30、影响温度的影响第57页，本讲稿共114页弗兰克瑞德源引起的弗兰克瑞德机理A BA B滑移区 位错的增殖机理A B未滑移区位错线A B位错环（6）位错的增殖机理第58页，本讲稿共114页第59页，本讲稿共114页 5.2.2 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。第60页，本讲稿共114页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，
31、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。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？第61页，本讲稿共114页影响因素缺陷类型缺陷形貌晶体结构和键型 本征缺陷点缺陷空位，填隙原子 线缺陷刃位错 螺旋位错较大缺陷空洞，气孔面缺陷晶界外来缺陷杂质晶格或晶界固溶非连续第二相物质影响塑性形变的因素5.2.3 影响塑性形变的因素第62页，本讲稿共114页1.本征因素晶界作为一种势垒，足以使滑移过程中的位错塞积起来，引起应力集中，并导致此滑移系统的激活。（1）晶粒内部的滑移系统相互交截一个单晶体通过滑移发生应变，需要有较多的滑移系统（一般至少有5个）。
32、对于晶粒取向杂乱的多晶材料，还要求各滑移系统之间能相互穿透。（2）晶界处的应力集中第63页，本讲稿共114页多晶体中晶粒各向异性是晶界处形成内应力重要因素。大晶粒导致晶界处较大的应力集中。对于一定的晶相，粗晶粒的屈服应力（弹性极限）比单晶的屈服应力大，而细晶粒的屈服应力则比单晶的屈服应力大的多。很细的晶粒组成的多晶没有塑性，但高温塑性就不同。因此，晶粒大小分布比平均晶粒尺寸更能表征多晶塑性与晶粒大小关系。（3）晶粒大小和分布第64页，本讲稿共114页晶界作为点缺陷的源和阱，易于富积杂质，沉淀有第二相。特别当含有低熔点物质时，多晶材料的高温塑性滑移首先发生在晶界。晶界处杂质的弥散影响到晶体生长、
33、晶界扩散以及一系列晶界特征。例如，含0.05wt%MgO的多晶Al2O3中晶界处的硬度超出晶体0.7GN/m2,说明MgO弥散相引起晶界的硬化作用。2.外来因素（1）杂质在晶界的弥散第65页，本讲稿共114页晶界处的第二相是玻璃相或微晶相，取决于化学组成和热处理条件。可能是连续的薄膜层，也可能是不连续的质点分布。例如，晶界相微晶化的Si3N4与含玻璃相的Si3N4相比，前者具有较高的屈服强度。（2）晶界处的第二相气孔在晶界处的存在减少相邻晶粒间的接触，加速多晶材料的塑性形变。（3）晶界处的气孔第66页，本讲稿共114页2.3 无机材料的高温蠕变无机材料的高温蠕变 材料在高温下长时间的受到小应力
34、作用，出现蠕变现象，即时间应变的关系。从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。第67页，本讲稿共114页 1.各阶段的特点延延伸伸率率10-2864200 100 200 300 400 500 600 时间（小时）第一阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变2.3.1 典型的蠕变曲线第68页，本讲稿共114页起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。（1）弹性形变阶段其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短，应变速率有如下关系：U=d/dt=At-n 低温时n=1，得：=Blnt
35、高温时n=2/3，得：=Bt-2/3 此阶段类似于可逆滞弹性形变。（2）第一阶段蠕变（蠕变减速阶段或过渡阶段）第69页，本讲稿共114页此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。形变与时间的关系为线性关系：=Kt此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。（3）第二阶段蠕变（4）第三阶段蠕变（加速蠕变）第70页，本讲稿共114页曲线的起始部分有下式表示：=（常数）t-n 温度不同，有不同的n值。温度和应力都影响恒定温度曲线的形状：当温度升高时，形变速率加快，恒定蠕变阶段缩短。增加应力时，曲线形状的变化类似与温度。形变率与应力有如下关系：=（常数
36、）n n变动在220之间，n=4最为常见。2.影响蠕变曲线形状的因素第71页，本讲稿共114页延伸率 时间温度或应力 温度和应力对蠕变曲线的影响第72页，本讲稿共114页2.3.2 蠕变机理 蠕变机理分为两大类：晶界机理-多晶体的蠕变；晶格机理-单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程。第73页，本讲稿共114页在一定温度下，热运动的晶体中存在一定数量空位和间隙原子；位错线处一列原子由于热运动移去成为间隙原子或吸收空位而移去；位错线移上一个滑移面。或其他处的间隙原子移入而增添一列原子，使位错线向下移一个滑移面。位错在垂直滑移面方向的运动-位错的爬移运动。1.晶格机理（位错的爬移和晶体内部的自扩散
37、）滑移和爬移的区别：滑移与外力有关；爬移与晶体中的空位和间隙原子有关。第74页，本讲稿共114页 第75页，本讲稿共114页实际生产中利用位错的爬移运动来消除位错。位错爬移时，应变速率：U=Anexp(-Q/RT)=Anexp(S/R)exp(-H/RT)Q-自扩散激活能；S-熵；H-自扩散激活焓。该方程为杜恩和魏脱迈方程。位错爬移是第二阶段蠕变的发生机理，当温度、应力恒定时，应变速率为一常数。第76页，本讲稿共114页2.扩散蠕变理论-空位扩散流动（纳巴罗赫润蠕变)第77页，本讲稿共114页晶界上的张应力使空位的浓度增加到 c=c0exp(/kT)压应力使浓度减少到：c=c0exp(-/kT
38、)式中：为空位体积，c0为平衡浓度。应力造成空位浓度差，质点由高浓度向低浓度扩散，即原子迁移到平行于压应力的晶界，导致晶粒伸长，引起形变。第78页，本讲稿共114页稳定态条件下，纳巴罗赫润计算蠕变速率（蠕变率）：体扩散（通过晶粒内部）蠕变率：U=13.3 Dv/(kTd2)晶界扩散（沿晶界扩散）蠕变率：U=47Db/(kTd3)式中：-晶界的宽度；Dv-体扩散系数；Db-晶界扩散系数；d-晶粒直径。晶界对蠕变速率有两种影响：第一，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到松弛。第二，晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失。3.晶界蠕变理论第79页，本讲稿共114页说明：大角度晶
39、界是晶格匹配差的区域，可以认为是晶粒之间的非晶态结构区域。在高温下，晶界表现为粘滞性扩散蠕变与晶界蠕变是互动的。如果蠕变由扩散过程产生，为了保持晶粒聚在一起，就要求晶界滑动；另一方面，如果蠕变起因于晶界滑动，要求扩散过程来调整。第80页，本讲稿共114页3.显微结构 2.3.3 影响蠕变的因素1.温度、应力（外界因素）2.晶体的组成结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。第81页，本讲稿共114页（1）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。原因：气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。（2）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。原因
40、：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动加强。（3）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。说明粘性流动对材料致密化的影响：材料在高温烧结时，晶界粘性流动，气孔容纳晶粒滑动时发生的形变，即实现材料致密化。第82页，本讲稿共114页材料蠕变率T（13000C)1.24107Pa材料蠕变率T(13000C)7104Pa多晶Al2O30.1310-5多晶BeO3010-5多晶MgO（注浆）3310-5多晶MgO（等静压）3310-5软玻璃 8多晶MgAl2O4(2-3)m (1-3)mm26.310-50.110-5铬砖0.0005
41、多晶ThO210010-5镁砖0.00002多晶ZrO2310-5石英玻璃200010-5石英玻璃0.001隔热耐火砖1000010-5隔热耐火砖0.005第83页，本讲稿共114页2.4 第四节第四节 液体及玻璃（非晶态）的液体及玻璃（非晶态）的粘粘 滞滞 流流 动动AFxv1v2晶体中塑性流动强烈地决定于结晶学，即具有一定的滑移系统，与此相比较，液体和玻璃的粘滞形变完全是各向同性的，只决定于作用应力。第84页，本讲稿共114页流动度-粘度的倒数1/。粘度在宽广范围内变动。例如：室温下，水和液态金属粘度为0.01泊数量级。液线温度下钠钙硅酸盐玻璃，其值约1000泊；在退火范围的玻璃约为101
42、4泊。第85页，本讲稿共114页绝对速率模型：把粘滞流动看成是受高能量过渡状态控制的一种速率过程。绝对速率理论的含义：液体分子从开始的平衡位置过渡到另一平衡状态。越过能垒进行传输，该能垒受到作用应力的影响发生偏移。1.绝对速率理论2.4.1 流动模型第86页，本讲稿共114页 液体流动模型与势能曲线123EEE/2势能流动方向根据绝对速度理论，流动速度为：u=2 0exp(-E/kT)sin(1 2 3/2kT)根据牛顿液体定律：=dv/dx=u/1 第87页，本讲稿共114页得：=1/u=1/20exp(-E/kT)sin(1 23/2kT)假定：=1=2=3则：=exp(E/kT)/2 0
43、 sin(V0/2kT)当外应力很小，气体分子体积很小，V0kT得：=kT/0V0 exp(E/kT)=0 exp(E/kT)说明：在外应力很小时，粘度与应力无关，应力较大时，粘度随温度提高而剧烈的下降。第88页，本讲稿共114页表达式：=Bexp(KV0/Vf)其中：Vf=VV0Vf-自由体积，由于提高了容许分子运动的空隙，其值越大粘度越小；V-给定温度下分子的体积，温度越高，其值越大。所以温度升高，自由体积增大，粘度降低；V0-分子有效的硬核体积，其值恒定不变。2.自由体积理论温度下降，液体的熵降低，使形变增加困难。表达式：=Cexp(D/TS0)3.过剩熵理论第89页，本讲稿共114页2
44、.4.2 影响粘度的因素不同种类的材料，粘度对温度的依赖关系有很大差别。1.温度玻璃粘度随温度变化的特点：在玻璃转变温度，相当于粘度等于1013泊所对应的温度，玻璃的折射率、比热、热膨胀系数、粘度等物理性质发生突变，在性质与温度曲线上表现为斜率突然改变。第90页，本讲稿共114页温度粘度熔化范围：=50500泊工作范围（成型温度）：=104108 泊退火点（消除内应力温度）：=10 12.510 13.5泊软化点：=10 7.6 泊 钠钙硅系统玻璃温度和粘度的关系曲线第91页，本讲稿共114页15.515.014.514.00 1000 2000 minlg在退火点487.70C以下保温一段时
45、间，粘度随时间的变化曲线从高温状态冷却到退火点时粘度随时间的变化曲线在玻璃转变温度，玻璃的粘度与时间有关。2.时间第92页，本讲稿共114页 3.熔体结构、组成玻璃的粘度与熔体结构密切相关，而熔体结构又决定玻璃的粘度与熔体结构密切相关，而熔体结构又决定于玻璃的化学组成和温度，其结构主要由氧硅比决定。于玻璃的化学组成和温度，其结构主要由氧硅比决定。玻璃的粘度几乎总是随网络改变阳离子浓度的增加而玻璃的粘度几乎总是随网络改变阳离子浓度的增加而下降。下降。例如：在例如：在16000C，熔融石英的粘度因掺，熔融石英的粘度因掺2.5mol%K2O，粘度下降约四个数量级。，粘度下降约四个数量级。原因：改性离
46、子减弱了原因：改性离子减弱了SiO键。键。第93页，本讲稿共114页在碱硅二元玻璃中，当硅氧在碱硅二元玻璃中，当硅氧O/Si比值很高，已接近岛状比值很高，已接近岛状结构，其间很大程度上依靠结构，其间很大程度上依靠RO相连接，粘度按相连接，粘度按Li2ONa2OK2O顺序递减，当比值低时，顺序相反。顺序递减，当比值低时，顺序相反。阳离子的极化力大，对氧离子极化、变形大，减弱硅氧键的作用大，表现为粘度下降。一般非惰性气体型的氧离子极化力大于惰性气体型的氧离子。例如：二价铅取代电荷相同、大小相近的二价锶离子，玻璃的粘度下降。过渡金属取代镁，粘度下降。（1）化学键的强度（2）离子的极化第94页，本讲稿
47、共114页结构不对称，有可能在结构中存在缺陷，粘度下降。结构不对称，有可能在结构中存在缺陷，粘度下降。例如：例如：SiO、BO键强相差不大，但石英玻璃的键强相差不大，但石英玻璃的粘度比氧化硼玻璃的粘度大的多。粘度比氧化硼玻璃的粘度大的多。磷酸盐玻璃中磷氧有单键和双键，即结构不对称性。磷酸盐玻璃中磷氧有单键和双键，即结构不对称性。（3）结构的对称性第95页，本讲稿共114页氧化硼的配位数对粘度的影响比较突出。氧化硼的配位数对粘度的影响比较突出。16Na2OxB2O3(84x)SiO2玻璃系统粘度随硼含玻璃系统粘度随硼含量的变化：量的变化：开始加入的硼处于氧四面体，使结构网络聚集紧密，开始加入的硼
48、处于氧四面体，使结构网络聚集紧密，粘度提高，当含量增加到一定值时，硼处于三角体粘度提高，当含量增加到一定值时，硼处于三角体中，使结构疏松，粘度下降。中，使结构疏松，粘度下降。In2O3(N=6)Al2O3(N=4)ZrO2(N=8)TiO2(N=6)GeO2(N=4)（4）配位数N第96页，本讲稿共114页1.SiO2、Al2O3、ZrO2 等提高粘度。2.碱金属氧化物降低粘度。3.碱土金属氧化物对粘度的作用较复杂。一方面类似于碱金属氧化物，能使大型的四面体群解聚，减小粘度，表现在高温。另一方面，其电价较高，离子半径不大，故键力较大，有可能夺取小型四面体群的氧离子，使粘度增大，表现在低温；4.
49、PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。5.Li2O、ZnO、B2O3等增加低温粘度，降低高温粘度。氧化物对玻璃粘度的影响总结第97页，本讲稿共114页 2.5 滞弹性 流变学研究物体的流动和变形科学，综合研究物体的弹性形变、塑形形变和粘性流动。例如：水泥砂浆和新拌混凝土粘性、塑性、弹性的演变和硬化混凝土的徐变；金属材料高温徐变、应力松弛；高温玻璃液特性；高聚合物加工成形等都涉及到流动和变形。1.流变学基础第98页，本讲稿共114页流变特性：物体在某一瞬间所表现的应力与应变的定量关系。即用一些参数把应力和应变的关系表示为流变方程式。流变模型的作用：用某些理想元件组成的模型，近似而定性的模
50、拟某些真实物体的力学结构，并以作用力和变形关系导出物体流变方程。第99页，本讲稿共114页虎克固体模型：一个完全弹性的弹簧，应力和应变服从虎克定律。G G-剪切模量 或 E 牛顿液体模型：一个带孔活塞在装满粘性液体的圆柱形容器内运动。液体服从牛顿液体定律。或 E -速度梯度，相当于形变；-粘度（粘性系数）圣维南塑性固体模型：一个静置桌面上的重物，与桌面间存在摩擦力，当作用力稍大于静摩擦力时，重物即以匀速移动（应力不超过某一限定值以前，物体为刚性，一旦超过限定值，则会迅速流动变形）。=t t-屈服应力（1）基本模型第100页，本讲稿共114页 虎克型 牛顿型 圣维南型 流动曲线摩擦力F弹簧PPP