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1、20232023年年年年6 6月月月月1010日日日日无机材料物理性能无机材料物理性能 第三讲第三讲1-2 1-2 无机材料中晶相的塑性形变无机材料中晶相的塑性形变基本概念及现象基本概念及现象:q 塑性形变塑性形变q 屈服极限屈服极限q 滑移滑移带带的形成的形成q 临临界分切界分切应应力力 塑性形变塑性形变塑性形变塑性形变是指外力移去后不能是指外力移去后不能 恢复的形变。恢复的形变。无机材料屈服极限无机材料屈服极限 当应力足够大，材料便开始发生当应力足够大，材料便开始发生塑性变形，产生塑性变形的最小应力塑性变形，产生塑性变形的最小应力就称为屈服极限就称为屈服极限(Yield limit)或屈服
2、或屈服强度（强度（s）。）。应力超过应力超过s后，应力后，应力应变曲线开始弯曲。应变曲线开始弯曲。屈服极限屈服极限:s 屈服强度屈服强度屈服极限屈服极限滑移带滑移带滑移滑移带带的形成：弹性变形外的形成：弹性变形外 力克服单晶原子间的键力克服单晶原子间的键 合力，使原子偏离其平合力，使原子偏离其平 衡位置，试样开始伸长。衡位置，试样开始伸长。滑移滑移带带与滑移与滑移线线的关系的关系 单单晶晶锌变锌变形后滑移形后滑移带带的照片的照片 临临界分切界分切应应力力 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
3、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 的大小；的大小；滑移系统越多，滑移系统越多，cos cos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塑性形变机理塑性形变机理 晶格滑
4、移理论晶格滑移理论晶格滑移的基本规律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滑移的距离必然是晶格常数的整数倍滑移的距离必然是晶格常数的整数倍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晶体中间滑移总是发生在主要晶面和晶体中间滑移总是发生在主要晶面和晶体中间滑移总是发生在主要晶面和 主要晶向上主要晶向上主要晶向上主要晶向上 滑移是在剪应力的作用下进行，滑移是在剪应力的作用下进行，滑移是在剪应力的作用下进行，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对一定的滑移面只有当剪应力超过对一定的滑移面只有当剪应力超过对一定的滑移面只有当剪应力超过 临界剪应
5、力时，才发生沿该晶面临界剪应力时，才发生沿该晶面临界剪应力时，才发生沿该晶面临界剪应力时，才发生沿该晶面 的滑移的滑移的滑移的滑移 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；
6、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；量级；实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。量几个数量级。位位错错运运动动理理论论 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，
7、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 位错运动理论位错运动理论 Al2O3在高温的塑性形变在高温的塑性形变(a)(a)温度影响温度影响温度影响温度影响 (b)b)应变速率的影响应变速率的影响应变速率的影响应变速率的影响 结结 论论位错运动理论说明，无机材料中难以发生塑位错运动理论说明，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，最终导致材料的脆纹扩展所需的临界应力，最终导致材料
8、的脆断。断。形形变变速率与位速率与位错错运运动动的关系的关系 lll塑塑性性形形变变简简化化模模型型 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
9、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=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
10、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的为的为5A。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
11、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；有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能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；使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。重排。不需初始的屈服应力就能变形不需初始的屈
12、服应力就能变形-粘性流动粘性流动影响塑性形变的因素影响塑性形变的因素影响因素影响因素影响因素影响因素缺陷类型缺陷类型缺陷类型缺陷类型缺陷形貌缺陷形貌缺陷形貌缺陷形貌晶体结构和键型晶体结构和键型晶体结构和键型晶体结构和键型 本征缺陷本征缺陷本征缺陷本征缺陷点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷空位，填隙原子空位，填隙原子空位，填隙原子空位，填隙原子 线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷刃位错刃位错刃位错刃位错 螺旋位螺旋位螺旋位螺旋位错错错错较大缺陷较大缺陷较大缺陷较大缺陷空洞，气孔空洞，气孔空洞，气孔空洞，气孔面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷晶界晶界晶界晶界外来缺陷外来缺陷外来缺陷外来缺陷杂质杂质杂质杂质晶格或晶界固溶晶格或晶界固溶晶格或晶界固溶晶格或晶界固溶非连续第二相物非连续第二相物非连续第二相物非连续第二相物质质质质思考题：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？