1、1.21.2無機(jī)材料的塑性形變無機(jī)材料的塑性形變塑性形變：塑性形變：工程上常以工程上常以0.2%塑塑性變形量時(shí)的應(yīng)力作性變形量時(shí)的應(yīng)力作為材料的屈服強(qiáng)度為材料的屈服強(qiáng)度,用用0.2表示表示-產(chǎn)生塑產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力性變形的最小應(yīng)力彈性極限e屈服強(qiáng)度s抗拉強(qiáng)度b1.2.11.2.1晶格滑移晶格滑移滑移：晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)。滑移：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，在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一定面間距，每一族晶面都有一定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越大，面間距越大，面密度越大，面間距越大，原子間的作用力小，易

2、產(chǎn)生原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。相對(duì)滑動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可引起晶格滑移，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可引起晶格滑移，而晶格滑移在宏觀上的表現(xiàn)而晶格滑移在宏觀上的表現(xiàn)為塑性形變?yōu)樗苄孕巫?簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣低指數(shù)的晶面其面低指數(shù)的晶面其面間距較大，而高指間距較大，而高指數(shù)面的面間距小。數(shù)面的面間距小。晶面間距最大的面晶面間距最大的面總是陣點(diǎn)總是陣點(diǎn)(或原子或原子)最密排的晶面，晶最密排的晶面，晶面間距越小則晶面面間距越小則晶面上的陣點(diǎn)排列就越上的陣點(diǎn)排列就越稀疏。稀疏。產(chǎn)生滑移條件產(chǎn)生滑移條件:面間距大；面間距大；每個(gè)面上同一每個(gè)面上同一種電荷的原子，種電荷的原子，與相對(duì)滑動(dòng)面與相對(duì)滑動(dòng)面上的電荷相反；上的電

3、荷相反；滑移矢量滑移矢量( (柏格柏格斯矢量斯矢量) )小。小。滑移面滑移面1.2.21.2.2滑移系統(tǒng)和臨界分切應(yīng)力滑移系統(tǒng)和臨界分切應(yīng)力滑移系統(tǒng)：包括滑移方向和滑移面，即滑滑移系統(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。移按一定的晶面和方向進(jìn)行。FCC:12FCC:12BCC:48BCC:48HCP:3HCP:3分切應(yīng)力：分切應(yīng)力：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金屬金屬 非金屬非金屬單一組分單一組分 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無方向性金屬鍵無方向性 共價(jià)鍵或離子鍵有共價(jià)鍵或離子鍵有 方向方向結(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

4、系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少陶瓷晶體的特點(diǎn)： 高的彈性模量：共價(jià)鍵，使晶體具有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力。1) 陶瓷晶體的彈性模量，不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，而且還與其相的種類、分布及氣孔率有關(guān)，而金屬材料的彈性模量是一個(gè)組織不敏感參數(shù)。 2) 壓縮強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度約一個(gè)數(shù)量級(jí)，而金屬的抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度一般相等。 3) 理論強(qiáng)度和實(shí)際斷裂強(qiáng)度相差1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。晶界的影響：晶界的影響：晶界阻滯效應(yīng)晶界阻滯效應(yīng)晶界上原子排列不規(guī)則，點(diǎn)晶界上原子排列不規(guī)則，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重，滑移要從一個(gè)陣畸變嚴(yán)重，滑移要從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到下一個(gè)晶粒晶粒直接延續(xù)到下一個(gè)晶粒是極其困難的。在室溫下晶是極其困難的。在室溫下晶界對(duì)

5、滑移具有阻礙效應(yīng)。這界對(duì)滑移具有阻礙效應(yīng)。這種阻礙效應(yīng)來源于位錯(cuò)塞積種阻礙效應(yīng)來源于位錯(cuò)塞積群。群。1.2.31.2.3塑性形變的機(jī)理塑性形變的機(jī)理( (位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論) )在剪應(yīng)力作用下，原子的局部位移：在剪應(yīng)力作用下，原子的局部位移：外力持續(xù)作用的結(jié)果，晶外力持續(xù)作用的結(jié)果，晶體在剪切應(yīng)力作用下，不體在剪切應(yīng)力作用下，不是晶體中所有原子都同時(shí)是晶體中所有原子都同時(shí)移動(dòng)，而是其中一小部分，移動(dòng)，而是其中一小部分，在較小外力作用下，使晶在較小外力作用下，使晶體兩部分彼此相對(duì)移動(dòng)。體兩部分彼此相對(duì)移動(dòng)。孿生變形孿生變形-孿晶 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能： 實(shí)際晶體中存在的位錯(cuò)往實(shí)際

6、晶體中存在的位錯(cuò)往往是混合型位錯(cuò)，即兼具往是混合型位錯(cuò)，即兼具刃型刃型和和螺型螺型位錯(cuò)的特征位錯(cuò)的特征位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能激活能H(H( ) )：與剪切應(yīng)力有關(guān)，與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)力剪應(yīng)力 大，大，H(H( ) )小；小； 小，小，H(H( ) )大。當(dāng)大。當(dāng) =0=0時(shí)，時(shí)，H(H( ) )最大，最大，H(H( )=h)=h . . 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度：一個(gè)原子能脫離平衡位置的幾率是由波爾茲一個(gè)原子能脫離平衡位置的幾率是由波爾茲曼因子曼因子e e-E/KT-E/KT決定的。決定的。 v=v0exp-H( )/kT溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度加快，對(duì)于一些在溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度

7、加快，對(duì)于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。有一定塑性。 形變速率形變速率( (應(yīng)變速率）應(yīng)變速率）位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：D=n/LD=n/L2 2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, =L /L在時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)，邊界位內(nèi)，邊界位錯(cuò)通過晶體到達(dá)另錯(cuò)通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一邊界，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速度為：平均速度為： v=L/t單位時(shí)間內(nèi)的滑移量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的滑移量：cnb/t=L/t塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度、位塑性形變速率取決于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度、位錯(cuò)密度、柏格斯矢量、位錯(cuò)的增殖系數(shù)，錯(cuò)密度、柏格斯

8、矢量、位錯(cuò)的增殖系數(shù)，且與其成正比。且與其成正比。柏氏矢量與位錯(cuò)形成能的關(guān)系：柏氏矢量與位錯(cuò)形成能的關(guān)系： E=aGb2b b相當(dāng)于晶格的點(diǎn)陣常數(shù)，金屬為單元結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于晶格的點(diǎn)陣常數(shù)，金屬為單元結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣常數(shù)一般為點(diǎn)陣常數(shù)一般為3 3左右，而無機(jī)非金屬材左右，而無機(jī)非金屬材料點(diǎn)陣常數(shù)也較大，如料點(diǎn)陣常數(shù)也較大，如MgAlMgAl2 2O O4 4約為約為8 8 ，AlAl2 2O O3 3約為約為5 5 。這說明在無機(jī)非金屬材料中。這說明在無機(jī)非金屬材料中位錯(cuò)形成不容易，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)也較困難，故位錯(cuò)形成不容易，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)也較困難，故難產(chǎn)生塑性變形。難產(chǎn)生塑性變形。 塑性形變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響：塑

9、性形變速率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響：m m為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感指數(shù)。為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感指數(shù)。 材料材料結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)mLiF巖鹽型巖鹽型13.521NaCl巖鹽型巖鹽型7.829.5MgO巖鹽型巖鹽型2.56CaF2螢石型螢石型7Si金剛石型金剛石型1.44.5在相同條件下，形在相同條件下，形變速率變速率，屈服強(qiáng)，屈服強(qiáng)度度 位錯(cuò)增殖位錯(cuò)增殖滑移面上的分剪應(yīng)力才能使滑移面上的分剪應(yīng)力才能使H(H() )降低，無降低，無機(jī)材料的滑移系統(tǒng)只有有限的幾個(gè)，故在滑機(jī)材料的滑移系統(tǒng)只有有限的幾個(gè)，故在滑移面上分剪應(yīng)力往往很小，尤其是在多晶陶移面上分剪應(yīng)力往往很小，尤其是在多晶陶瓷中，更是如此。無機(jī)非金屬材料

10、難以產(chǎn)生瓷中，更是如此。無機(jī)非金屬材料難以產(chǎn)生塑性形變。塑性形變。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說明，無機(jī)材料中難以發(fā)生塑位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論說明，無機(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)性形變。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)力可能已超過微裂以足夠速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。斷。 為什么常溫下大多數(shù)為什么常溫下大多數(shù)陶瓷材料不能產(chǎn)生塑陶瓷材料不能產(chǎn)生塑性變形而呈現(xiàn)脆性斷性變形而呈現(xiàn)脆性斷裂？裂？1.2.41.2.4影響塑性形變的因素影響塑性形變的因素晶界晶界-產(chǎn)生位錯(cuò)塞產(chǎn)生位錯(cuò)塞積積-降低了塑性形

11、降低了塑性形變變氣孔在晶界處的存氣孔在晶界處的存在減少相鄰晶粒間在減少相鄰晶粒間的接觸，加速多晶的接觸，加速多晶材料的塑性形變材料的塑性形變雜質(zhì)附近晶格畸雜質(zhì)附近晶格畸變，能量較高，變，能量較高，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。1.31.3無機(jī)材料的高溫蠕變無機(jī)材料的高溫蠕變材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的受到小應(yīng)力作用，出現(xiàn)受到小應(yīng)力作用，出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，即時(shí)間應(yīng)變的關(guān)系。蠕變現(xiàn)象，即時(shí)間應(yīng)變的關(guān)系。從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，蠕變是一種熱激活過從熱力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，蠕變是一種熱激活過程。程。在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的在高溫條件下，借助于外應(yīng)力和熱激活的作用，形變的一些障礙物得以克服，材料作用

12、，形變的一些障礙物得以克服，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不可逆的微觀過程。內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了不可逆的微觀過程。 無機(jī)材料在常溫下無機(jī)材料在常溫下通常顯脆性，但在通常顯脆性，但在高溫下，就會(huì)發(fā)生高溫下，就會(huì)發(fā)生蠕變。蠕變。1.3.11.3.1典型的蠕變曲線典型的蠕變曲線T影響蠕變曲線形狀的因素影響蠕變曲線形狀的因素: 溫度和應(yīng)力。溫度和應(yīng)力。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響。1.3.21.3.2蠕變機(jī)理蠕變機(jī)理1)1)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論：無機(jī)材料中晶相的位錯(cuò)在低溫下受到障礙難以無機(jī)材料中晶相的位錯(cuò)在低溫下受到障礙難以發(fā)生運(yùn)動(dòng)，在高溫下，原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)，在高溫下，原子

13、熱運(yùn)動(dòng)加劇，可以使位錯(cuò)從障礙中解放出來，引起蠕變。當(dāng)溫度使位錯(cuò)從障礙中解放出來，引起蠕變。當(dāng)溫度增加時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度加快。除位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)增加時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度加快。除位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移外，位錯(cuò)攀移生滑移外，位錯(cuò)攀移 也能產(chǎn)生宏觀上的形變。也能產(chǎn)生宏觀上的形變。通過吸收空位，位錯(cuò)可攀移到滑移面以外，繞通過吸收空位，位錯(cuò)可攀移到滑移面以外，繞過障礙物，使滑移而移位。攀移通過擴(kuò)散進(jìn)行過障礙物，使滑移而移位。攀移通過擴(kuò)散進(jìn)行的，從而使蠕變得以進(jìn)行。的，從而使蠕變得以進(jìn)行。 對(duì)于高溫蠕變的理論現(xiàn)在還不完善，常見的有三種理論。2)2)擴(kuò)散蠕變理論擴(kuò)散蠕變理論在拉應(yīng)力方向，晶界（晶粒界面，晶粒間接在拉應(yīng)力方向，晶界（晶粒界面，晶粒間接觸的邊緣表面）的空位濃度較高，而在壓應(yīng)觸的邊緣表面）的空位濃度較高，而在壓應(yīng)力的方向，則空位濃度較低，因此，空位就力的方向，則空位濃度較低，因此，空位就要發(fā)生擴(kuò)散，從而產(chǎn)生蠕變。要發(fā)生擴(kuò)散，從而產(chǎn)生蠕變。 應(yīng)力造成空位濃度差，應(yīng)力造成空位濃度差，質(zhì)點(diǎn)由高濃度向低濃質(zhì)點(diǎn)由高濃度向低濃度擴(kuò)散，即原子遷移度擴(kuò)散，即原子遷移到平行于