1、1.3.1 晶體的塑性形變晶體的塑性形變1.3 無機材料中晶相的塑性形變無機材料中晶相的塑性形變塑性：使固體產(chǎn)生變形的力，在超過該固體的屈服塑性：使固體產(chǎn)生變形的力，在超過該固體的屈服應(yīng)力后，出現(xiàn)能使該固體長期保持其變形后的形狀應(yīng)力后，出現(xiàn)能使該固體長期保持其變形后的形狀或尺寸，即非可逆性能。或尺寸，即非可逆性能。屈服應(yīng)創(chuàng)：當(dāng)外力超過物體彈性極限，達(dá)到某一點屈服應(yīng)創(chuàng)：當(dāng)外力超過物體彈性極限，達(dá)到某一點后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點為屈服點，達(dá)到屈服點的應(yīng)力。此點為屈服點，達(dá)到屈服點的應(yīng)力。 滑移：晶體的一部分相對另一部分平移滑動?；?/p>

2、移：晶體的一部分相對另一部分平移滑動。在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一在晶體中有許多族平行晶面，每一族晶面都有一定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越定面間距，且晶面指數(shù)小的面，原子的面密度越大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相大，面間距越大，原子間的作用力小，易產(chǎn)生相對滑動。對滑動。1. 晶格滑移晶格滑移 產(chǎn)生滑移的條件：產(chǎn)生滑移的條件： 面間距大；面間距大； 每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的電荷相反；電荷相反； 滑移矢量（柏格斯矢量）小?；剖噶浚ò馗袼故噶浚┬?。 滑移系統(tǒng)：包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定滑移系統(tǒng)：

3、包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向進行。的晶面和方向進行?；品较蚺c原子最密堆積的方向一致，滑移面是原滑移方向與原子最密堆積的方向一致，滑移面是原子最密堆積面。子最密堆積面。2. 滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力滑移系統(tǒng)和臨界分解剪切應(yīng)力（1） 滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng)111滑移面（滑移面（111）滑移面（滑移面（110）滑移面（滑移面（112）滑移面（滑移面（123）方向）方向111（111）面面心心格格子子體體心心格格子子滑移面面積：滑移面面積：S/cos ；F在滑移面上分剪力：在滑移面上分剪力：Fcos ；滑移面上分剪應(yīng)力：滑移面上分剪應(yīng)力： = Fcos /(S/cos )=(F/S)c

4、os cos 在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定上剪應(yīng)力大小決定 cos cos 的的大??；大小；滑移系統(tǒng)越多，滑移系統(tǒng)越多， cos cos 大的機大的機會就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機會會就多，達(dá)到臨界剪切應(yīng)力的機會也越多。也越多。F滑移面滑移面滑移方向滑移方向 S（2）臨界分解剪切應(yīng)力）臨界分解剪切應(yīng)力 金屬金屬 非金屬非金屬 由一種粒子組成由一種粒子組成 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無方向性金屬鍵無方向性 共價鍵或離子鍵有方向共價鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 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 滑移系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少（3）金屬與非金屬晶格滑移難易

5、的比較）金屬與非金屬晶格滑移難易的比較從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時，分原子相對于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒有變化，僅是形狀晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒有變化，僅是形狀發(fā)生變化。發(fā)生變化。如果所有原子同時移動，需要很大能量才出現(xiàn)滑動，如果所有原子同時移動，需要很大能量才出現(xiàn)滑動，該能量接近于所有這些鍵同時斷裂時所需的離解能該能量接近于所有這些鍵同時斷裂時所需的離解能總和；總和；由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級；由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級

6、；實際測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個實際測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個數(shù)量級。數(shù)量級。3 . 塑性形變的機理（位錯運動理論）塑性形變的機理（位錯運動理論）負(fù)荷作用前原子的位置負(fù)荷作用前原子的位置小負(fù)荷作用下的應(yīng)變小負(fù)荷作用下的應(yīng)變高負(fù)荷作用下的應(yīng)變高負(fù)荷作用下的應(yīng)變 達(dá)到高負(fù)荷作用下的狀達(dá)到高負(fù)荷作用下的狀態(tài)除去負(fù)荷后原子的位置態(tài)除去負(fù)荷后原子的位置（1）形變時晶體中原子的位置）形變時晶體中原子的位置原子局部位移引起塑性形變的過程原子局部位移引起塑性形變的過程剪力作用，僅引起半個晶面剪力作用，僅引起半個晶面1 的原子，從平衡位置位的原子，從平衡位置位移到一個新位置。移到一個

7、新位置。（2）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 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 當(dāng)力持續(xù)作用，處于移動面當(dāng)力持續(xù)作用，處于移動面1 的下端棱上原子產(chǎn)生的下端棱上原子產(chǎn)生一個位移，使它們的位置與半晶面一個位移，使它們的位置與半晶面2上端原子位置連上端原子位置連成一線，半晶面成一線，半晶面1 和和2的原子形成一個新原子面，晶的原子形成一個新原子面，晶面面2 進一步向右移動，形成一個附加半晶面。進一步向右移動，形成一個附加半晶面。依次類推，下一步依次類推，下一步2 和和3 連接起來。連接起來。 外力持續(xù)作用

8、的結(jié)果：晶體在剪切應(yīng)力作用下，不外力持續(xù)作用的結(jié)果：晶體在剪切應(yīng)力作用下，不是晶體中所有原子都同時移動，而是其中一小部分，是晶體中所有原子都同時移動，而是其中一小部分，在較小外力作用下，使晶體兩部分彼此相對移動。在較小外力作用下，使晶體兩部分彼此相對移動。 從上圖可以理解在外力作用下：從上圖可以理解在外力作用下：刃型位錯的形成過程；刃型位錯的形成過程；刃型位錯沿滑移面從晶體內(nèi)部移出的過程；刃型位錯沿滑移面從晶體內(nèi)部移出的過程；塑性形變的過程；塑性形變的過程；位錯線運動的特點：整個原子組態(tài)不作長距離的傳位錯線運動的特點：整個原子組態(tài)不作長距離的傳播，而每一參與運動的原子只作短距離（數(shù)個原子播，而

9、每一參與運動的原子只作短距離（數(shù)個原子間距）的位移。間距）的位移。實際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯；實際晶體中存在許多局部高能區(qū)，如位錯；受剪應(yīng)力作用受剪應(yīng)力作用 ，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯動，并不是晶體內(nèi)兩部分整體錯動，而是位錯在滑移面上沿滑移方向運動；而是位錯在滑移面上沿滑移方向運動；位錯運動所需的力比使晶體兩部分整體相互滑動位錯運動所需的力比使晶體兩部分整體相互滑動所需力小得多；所需力小得多；實際晶體的滑動是位錯運動的結(jié)果。實際晶體的滑動是位錯運動的結(jié)果。（3）位錯的滑移運動）位錯的滑移運動位錯的產(chǎn)生：滑移是由一個有限的小面積畸變區(qū)穿位錯的產(chǎn)生：滑移是由一個有限的小面積畸變區(qū)穿過晶體

10、的運動而產(chǎn)生。過晶體的運動而產(chǎn)生。刃型位錯刃型位錯 滑移面滑移面DC DCO 遷移方向遷移方向 附加半晶面棱上的一個原子附加半晶面棱上的一個原子O受到原子受到原子C和和D的吸引的吸引力。這兩個原子對原子力。這兩個原子對原子O水平方向上的吸引力大小水平方向上的吸引力大小相等，方向相反。相等，方向相反。當(dāng)有剪應(yīng)力作用，并使原子當(dāng)有剪應(yīng)力作用，并使原子O有一個小的向右移動，有一個小的向右移動，原子原子D對原子對原子O的吸引力增加，而原子的吸引力增加，而原子C對原子對原子O的的吸引力減小。此時原子吸引力減小。此時原子O受到向右的推力，使位錯受到向右的推力，使位錯向右移動一個距離。向右移動一個距離。 單

11、個位錯移過晶體后，形成一個原子滑移臺階（紅單個位錯移過晶體后，形成一個原子滑移臺階（紅色多邊形表示滑移面）色多邊形表示滑移面） 位錯滑移的結(jié)果在宏觀上的表現(xiàn)為材料發(fā)生了塑性位錯滑移的結(jié)果在宏觀上的表現(xiàn)為材料發(fā)生了塑性形變。形變。一列原子的勢能曲線一列原子的勢能曲線 a 原子的勢能曲線原子的勢能曲線（4）塑性形變的位錯運動理論）塑性形變的位錯運動理論完整晶體的勢能曲線完整晶體的勢能曲線有位錯時，晶體的勢能有位錯時，晶體的勢能曲線曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線 hh H( )滑移面滑移面位錯運動的激活能位錯運動的激活能H( ) ，與剪切應(yīng)力有關(guān)，與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)剪應(yīng)力力 大，大，

12、H( )??；??； 小，小，H( )大。當(dāng)大。當(dāng) =0時，時，H( )最最大大,H( )=h .原子具有激活能的幾率（或原子脫離平衡位置的原子具有激活能的幾率（或原子脫離平衡位置的幾率）與波爾茲曼因子成正比，其運動速度與波幾率）與波爾茲曼因子成正比，其運動速度與波爾茲曼因子成正比。爾茲曼因子成正比。 v=v0exp-H( )/kT v0-與原子熱振動固有頻率有關(guān)的常數(shù)；與原子熱振動固有頻率有關(guān)的常數(shù)； k-波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，為1.3810-23 J/Kb 原子運動的速度原子運動的速度 =0，T=300則則 kT=4.1410- 21J=4.1410216.241018eV=0.026

13、eV金屬材料金屬材料H( )為為0.10.2eV，離子鍵、共價鍵為，離子鍵、共價鍵為1eV數(shù)數(shù)量級，室溫下無機材料位錯難以運動；因為量級，室溫下無機材料位錯難以運動；因為h h H( )，所以位錯只能在滑移面上運動。所以位錯只能在滑移面上運動。 溫度升高，位錯運動速度加快，對于一些在常溫下不溫度升高，位錯運動速度加快，對于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。C 討論討論 結(jié)結(jié) 論論 位錯運動理論說明，無機材料中難以發(fā)生塑性位錯運動理論說明，無機材料中難以發(fā)生塑性形變。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯以足形變。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使

14、位錯以足夠速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴展夠速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴展所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。所需的臨界應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料的脆斷。（5）形變速率）形變速率(或應(yīng)變速率）或應(yīng)變速率） LLL塑性形變的簡化模型塑性形變的簡化模型 a 應(yīng)變速率應(yīng)變速率設(shè)設(shè)LL平面上有平面上有n個位錯，位錯密度：個位錯，位錯密度： D=n/L2在時間在時間t內(nèi)，邊界位錯通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯內(nèi)，邊界位錯通過晶體到達(dá)另一邊界，位錯運動平均速度為：運動平均速度為： v=L/t設(shè)：在時間設(shè)：在時間t內(nèi)，長度為內(nèi)，長度為L的試件形變量的試件形變量L ， 應(yīng)變：應(yīng)變：L /L= ， 應(yīng)變速率：

15、應(yīng)變速率：U=d /dt考慮位錯在運動過程增殖，通過邊界位錯數(shù)為考慮位錯在運動過程增殖，通過邊界位錯數(shù)為cn個，個，c為位錯增殖系數(shù)。為位錯增殖系數(shù)。每個位錯在晶體內(nèi)通過都會引起一個原子間距每個位錯在晶體內(nèi)通過都會引起一個原子間距滑移，也就是一個柏格斯矢量滑移，也就是一個柏格斯矢量(b)，單位時間內(nèi)，單位時間內(nèi)的滑移量：的滑移量： cnb/t= L /t 應(yīng)變速率：應(yīng)變速率： U=d /dt= L /Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc b 討論：討論： 塑性形變速率取決于位錯運動速度、位錯密度、塑性形變速率取決于位錯運動速度、位錯密度、柏格斯矢量、位錯的增殖系數(shù)，且與其成正比。柏格

16、斯矢量、位錯的增殖系數(shù)，且與其成正比。柏格斯矢量與位錯形成能有關(guān)系柏格斯矢量與位錯形成能有關(guān)系E=aGb2 (a為幾何為幾何因子因子) ，柏格斯矢量影響位錯密度，即柏格斯矢量，柏格斯矢量影響位錯密度，即柏格斯矢量越大，位錯形成越難，位錯密度越小。越大，位錯形成越難，位錯密度越小。金屬與無機材料的柏格斯矢量比較：金屬與無機材料的柏格斯矢量比較：金屬的柏格斯矢量一般為金屬的柏格斯矢量一般為3 A 0左右，無機材料的左右，無機材料的大，如大，如MgAl2O4三元化合物為三元化合物為8A，Al2O3的為的為5A0 。伸長量伸長量L應(yīng)應(yīng)力力 單晶氧化鋁的形變行為單晶氧化鋁的形變行為上屈服應(yīng)力上屈服應(yīng)力下

17、屈服應(yīng)力下屈服應(yīng)力斷裂斷裂斷裂斷裂溫度的影響溫度的影響形變速率的影響形變速率的影響溫度的影響溫度的影響 5.2.2 多晶的塑性形變多晶的塑性形變多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本多晶塑性形變不僅取決于構(gòu)成材料的晶體本身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。身，而且在很大程度上受晶界物質(zhì)的控制。多晶塑性形變包括以下內(nèi)容：多晶塑性形變包括以下內(nèi)容： 晶體中的位錯運動引起塑變；晶體中的位錯運動引起塑變； 晶粒與晶粒間晶界的相對滑動；晶粒與晶粒間晶界的相對滑動； 空位的擴散；空位的擴散； 粘性流動。粘性流動。玻璃發(fā)生塑性形變的過程：玻璃發(fā)生塑性形變的過程：正是因為非長程有序，許多原子并不在勢能曲線正

18、是因為非長程有序，許多原子并不在勢能曲線低谷；低谷；有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使這有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使這些原子間的鍵斷裂；些原子間的鍵斷裂；原子躍遷附近的空隙位置，引起原子位移和重排。原子躍遷附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服應(yīng)力就能變形不需初始的屈服應(yīng)力就能變形-粘性流動。粘性流動。例如：玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆例如：玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆性，但在高溫時又能變形，為什么？性，但在高溫時又能變形，為什么？影響因素影響因素缺陷類型缺陷類型缺陷形貌缺陷形貌晶體結(jié)構(gòu)和鍵晶體結(jié)構(gòu)和鍵型型 本征缺陷本征缺陷點缺陷點缺陷

19、空位，填隙原子空位，填隙原子 線缺陷線缺陷刃位錯刃位錯 螺旋位錯螺旋位錯較大缺陷較大缺陷空洞，氣孔空洞，氣孔面缺陷面缺陷晶界晶界外來缺陷外來缺陷雜質(zhì)雜質(zhì)晶格或晶界固溶非晶格或晶界固溶非連續(xù)第二相物質(zhì)連續(xù)第二相物質(zhì)影響塑性形變的因素影響塑性形變的因素5.2.3 影響塑性形變的因素影響塑性形變的因素1. 本征因素本征因素晶界作為一種勢壘，足以使滑移過程中的位錯塞晶界作為一種勢壘，足以使滑移過程中的位錯塞積起來，引起應(yīng)力集中，并導(dǎo)致此滑移系統(tǒng)的激積起來，引起應(yīng)力集中，并導(dǎo)致此滑移系統(tǒng)的激活?；?。（1）晶粒內(nèi)部的滑移系統(tǒng)相互交截）晶粒內(nèi)部的滑移系統(tǒng)相互交截一個單晶體通過滑移發(fā)生應(yīng)變，需要有較多的滑移一

20、個單晶體通過滑移發(fā)生應(yīng)變，需要有較多的滑移系統(tǒng)（一般至少有系統(tǒng)（一般至少有5個）。個）。對于晶粒取向雜亂的多晶材料，還要求各滑移系統(tǒng)對于晶粒取向雜亂的多晶材料，還要求各滑移系統(tǒng)之間能相互穿透。之間能相互穿透。（2）晶界處的應(yīng)力集中）晶界處的應(yīng)力集中多晶體中晶粒各向異性是晶界處形成內(nèi)應(yīng)力重要因素。多晶體中晶粒各向異性是晶界處形成內(nèi)應(yīng)力重要因素。大晶粒導(dǎo)致晶界處較大的應(yīng)力集中。大晶粒導(dǎo)致晶界處較大的應(yīng)力集中。對于一定的晶相，粗晶粒的屈服應(yīng)力（彈性極限）比對于一定的晶相，粗晶粒的屈服應(yīng)力（彈性極限）比單晶的屈服應(yīng)力大，而細(xì)晶粒的屈服應(yīng)力則比單晶的單晶的屈服應(yīng)力大，而細(xì)晶粒的屈服應(yīng)力則比單晶的屈服應(yīng)力大的多。屈服應(yīng)力大的多。很細(xì)的晶粒組成的多晶沒有塑性，但高溫塑性就不同。很細(xì)的晶粒組成的多晶沒有