1力学2

§1.3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。塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。材料经受塑性形变而不破坏的能力叫延展性。无机非金属材料的致命弱点，大多数不具备延展性，应用受到限制。问题：为什么大多数无机非金属材料不能产生塑性形变？s屈服强度屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上出现锯齿状平台。是材料由弹性变形向塑性变形过渡的明显标志。屈服应力：材料屈服时所对应的应力值，即材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。试样发生屈服而首次下降前的最大应力值称为上屈服点，屈服阶段中最小应力称为下屈服点。屈服阶段产生的伸长称为屈服伸长，屈服伸长对应的水平线段或曲折线段称为屈服平台或屈服齿。滑移：晶体塑性变形的基本方式。指在剪应力作用下，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＋－＋－＋－－＋－＋－＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋产生滑移的条件：几何条件：面间距大；滑移矢量（柏格斯矢量）小。静电条件：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。滑移系统：晶体中滑移系统越多，发生滑移的可能性就越大，材料的塑性就越好。其中，滑移方向的数目比滑移面数目对于塑性的作用更大。各类材料的滑移系统：金属材料的金属键没有方向性，滑移系统多。无机非金属材料的离子键或共价键具有方向性，同号离子斥力极大，满足几何条件与静电条件的滑移系统少。结构越复杂，满足条件就越困难。多晶材料的晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大。即使个别晶粒达发生滑移，也会受周围晶粒的限制，被阻碍而终止。所以多晶材料更不易发生滑移。高分子材料的塑性变形机理不同于金属材料和无机非金属材料：结晶态高分子：薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束；非晶态高分子：在正应力作用下形成银纹或是无取向的分子链在剪应力作用下局部转变为取向排列的纤维束。银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，密度低，对光线的反射能力很强，看起来呈银色。产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。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；晶体中间滑移总上发生在主要晶面和主要晶向上；滑移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，才会发生沿该晶面的滑移。滑移面面积：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)coscos滑移方向和滑移面法线方向垂直，分析两种极端情况。F滑移面滑移方向S引起滑移的剪应力：当分剪应力大于临界剪应力时，发生滑移。即，需要突破一个势垒，多大的势垒？假设：如果滑移时所有原子同时移动，要达到塑性形变的永久应变状态，就需克服滑移面两侧所有原子的相互作用力，能量接近于所有键同时断裂所需的离解能总和，1010Pa。据此推算产生塑性形变所需能量与晶格能同一数量级。晶格能：破坏1mol晶体，将其变成完全分离的自由离子所消耗的能量。实际情况：晶格能远大于产生塑性形变所需的能量，几个数量级。为什么？实际晶体中存在位错。位错：缺陷，其特点是在晶体内部围绕着一跟很长的线，在一定范围内原子发生了有规律的错动，都离开了他们原来的平衡位置。当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互滑动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动。实际上，晶体的滑移是位错运动的结果。在剪力作用，仅引起半个晶面1的原子，从平衡位置位移到一个新位置。1234123412341234123412342、位错运动当力持续作用，处于半晶面1的下端原子产生一个位移，它的位置与半晶面2上端原子位置连成一线，半晶面1和2的原子形成一个新原子面，半晶面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。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过程（微观）；塑性形变的过程（宏观）；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。1、实际晶体中存在许多局部高能区，如位错；2、受剪应力作用，位错在滑移面上沿滑移方向运动；3、位错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑动所需的力小得多；4、位错滑移（微观）的结果在宏观上的表现为材料发生了塑性形变。位错的滑移运动：一列原子的势能曲线······原子的势能曲线：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激活能······hhH()滑移面位错运动的激活能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.塑性形变是位错运动的结果，塑性形变得以发生，需要：①形成位错所需的能量，②位错开始运动所需的能量（克服势垒），③任一特定速度保持位错运动所需力。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。v=v0exp[-H()/kT]H()——位错运动的激活能v0——与原子热振动固有频率有关的常数；k——波尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K3、位错运动速度=0，T=300则kT=4.14×10-21J=4.14×1021×6.24×1018eV=0.026eV1、金属材料H()为0.1－0.2eV，离子键、共价键为1eV数量级，室温下无机非金属材料位错难以运动。2、滑移面上的分剪应力能使H()下降，但无机非金属材料的滑移系统少，只有几个，滑移面上的分剪应力往往很小。而且，分剪应力尚未使位错运动时，应力可能已超过断裂强度而断裂。3、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：4、对于多晶材料，不同晶粒的滑移系统方向不同，在晶粒中的位错运动遇到晶界就会塞积下来，形不成宏观滑移，所以更难产生塑性形变。4、塑性形变速率LLL塑性形变的简化模型设L×L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=L/Lt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塑性形变速率：U=d/dt=L/Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc（位错密度D=n/L2；位错运动速度v=L/t）柏格斯回路是在有缺陷的晶体中围绕缺陷区将原子逐个连接而成的封闭回路，简称柏氏回路。在完整晶体中按同样的顺序将原子逐个连接，可判断所包含的上述缺陷是点缺陷还是位错。位错，使回路封闭还需增加一个向量b。b便称为位错的柏格斯矢量，或简称柏氏矢量。讨论：塑性形变速率U=vDbc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。因此，要形成宏观塑性变形，必须：1、有足够多的位错，2、位错有一定的运动速度，3、伯格斯矢量要大。另一方面，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，较小，根据位错形成能E=aGb2，易形成位错；无机材料的柏格斯矢量较大，如MgAl2O4三元化合物为8A，Al2O3的为5A，难以形成位错。滑移系统少。位错运动需要克服的势垒比较大，位错运动难以实现。施加应力，或者由于滑移系统少无法达到临界剪应力，或者在达到临界剪应力之前就导致断裂。柏格斯矢量b（点阵常数）比较大，位错形成能较大，不易形成位错。为什么无机非金属材料不易塑性形变？弗兰克-瑞德理论：ABAB滑移区位错的增殖机理AB未滑移区位错线AB位错环5、位错的增殖机理6、多晶材料的塑性形变多晶材料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。不同晶粒的滑移方向不同，个别晶粒的滑移受周围晶粒的限制。位错运动遇到晶界而塞积，形不成宏观滑移，更容易形成微裂纹（脆性断裂的根源）。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。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？影响因素缺陷类型缺陷形貌晶体结构和键型本征因素点缺陷空位，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因素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7、影响塑性形变的因素本征因素：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，易发生脆性断裂。（1）晶粒内部的滑移系统相互交截为保持塑性变形的连续性和协调性，晶粒通过滑移发生应变，需要有较多的滑移系统（一般至少有5个）。连续性：晶粒仅在一个滑移系中变形将造成晶粒开裂，五个独立的滑移系统才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。协调性：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，即变形的相互协调性。（2）晶界处的应力集中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，细晶粒（晶界多）的屈服应力（弹性极限）大于粗晶粒的屈服应力大于单晶的屈服应力。很细的晶粒组成的多晶没有塑性，高温塑性例外。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）晶粒大小和分布晶界作为点缺陷的源和阱，易富积杂质，或沉淀有第二相。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界扩散等一系列晶界特征，并影响到材料的塑性。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。外来因素：（1）杂质在晶界的弥散晶界处的第二相是玻璃相还是微晶相，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。均对材料塑性有影响。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（不易塑变）。（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）晶界处的气孔讨论