1、Foundations of Materials Science上課班級(jí)：材料11級(jí)主講教師： 吳 菊E-mail: QQ: 5845913522012-2013學(xué)年第二學(xué)期 （64學(xué)時(shí)，4學(xué)分）第五章第五章 材料的形變和再結(jié)晶材料的形變和再結(jié)晶位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)滑移滑移slip攀爬攀爬climb外切應(yīng)力外切應(yīng)力彈性變形、塑性（永久）變形、斷裂彈性變形、塑性（永久）變形、斷裂主要內(nèi)容主要內(nèi)容5.1 5.1 彈性和黏彈性彈性和黏彈性5.2 5.2 晶體的塑性變形晶體的塑性變形5.3 5.3 回復(fù)和再結(jié)晶回復(fù)和再結(jié)晶5.4 5.4 熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶熱變形與動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶5.5 5.5

2、陶瓷材料變形的特點(diǎn)陶瓷材料變形的特點(diǎn)5.65.6 高聚物的變形特點(diǎn)高聚物的變形特點(diǎn)材料承受載荷時(shí)發(fā)生的變形稱為材料承受載荷時(shí)發(fā)生的變形稱為形變形變。載荷類型載荷類型：拉伸載荷拉伸載荷TensionTension，壓縮壓縮CompressionCompression、剪切剪切ShearShear和和扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)TorsionTorsion。拉伸拉伸Tension壓縮壓縮Compression剪切剪切Shear扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)Torsion材料受力后材料受力后：u 彈性變形彈性變形 Elastic deformation：在載荷相對(duì)較小時(shí)，這在載荷相對(duì)較小時(shí)，這種變形是彈性變形，即卸載后材料恢復(fù)原狀種變形是彈

3、性變形，即卸載后材料恢復(fù)原狀。v 塑性（永久）變形塑性（永久）變形 Plastic deformation：當(dāng)外力超過一當(dāng)外力超過一定限度后，材料將發(fā)生塑性（永久）變形，即卸載后材料定限度后，材料將發(fā)生塑性（永久）變形，即卸載后材料不能恢復(fù)原狀。不能恢復(fù)原狀。w 斷裂斷裂 Fracture：當(dāng)外力過大時(shí)，當(dāng)外力過大時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。就會(huì)發(fā)生斷裂。 研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解研究材料的變形規(guī)律及其微觀機(jī)制，分析了解各種內(nèi)外因素對(duì)變形的影響，研究冷變形材料各種內(nèi)外因素對(duì)變形的影響，研究冷變形材料在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律在回復(fù)再結(jié)晶過程中組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化規(guī)律.

4、材料的形變與再結(jié)晶材料的形變與再結(jié)晶軟鋼的應(yīng)力軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)： e、s、b塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)： （延伸率）（延伸率）（斷面收縮率）（斷面收縮率）金屬變形的三個(gè)階段：金屬變形的三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形、彈性變形、塑性變形、斷裂。斷裂。e代表產(chǎn)生彈性變形的最大應(yīng)力。代表產(chǎn)生彈性變形的最大應(yīng)力。s 代表產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。代表產(chǎn)生塑性變形的最小應(yīng)力。第一節(jié)第一節(jié) 彈性和黏彈性彈性和黏彈性材料在外力作用下發(fā)生變形。當(dāng)外力較小時(shí)，產(chǎn)生彈性材料在外力作用下發(fā)生變形。當(dāng)外力較小時(shí)，產(chǎn)生彈性變形。彈性變形是可逆變形，卸載時(shí)，變形消失并恢復(fù)原變形。彈性變形是可逆變形，卸載時(shí)，

5、變形消失并恢復(fù)原狀。狀。定義：指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形。定義：指外力去除后能夠完全恢復(fù)的那部分變形。實(shí)質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。實(shí)質(zhì)：晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。 一、彈性變形的本質(zhì)一、彈性變形的本質(zhì) 原子處于平衡位置時(shí)，相互作原子處于平衡位置時(shí)，相互作用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài)用力為零，這是最穩(wěn)定的狀態(tài) 原子間距為原子間距為r0，位能，位能U處于最處于最低位置，原子受力后將偏離其平低位置，原子受力后將偏離其平衡位置，原子間距增大時(shí)將產(chǎn)生衡位置，原子間距增大時(shí)將產(chǎn)生引力；原子間距減小時(shí)將產(chǎn)生斥力。引力；原子間距減小時(shí)將產(chǎn)生斥力。 外力去除后，原子都恢復(fù)

6、到原來的外力去除后，原子都恢復(fù)到原來的平衡位置，所產(chǎn)生的變形完全消失平衡位置，所產(chǎn)生的變形完全消失。a)體系能量與原子間距的關(guān)系體系能量與原子間距的關(guān)系b)原子間作用力與距離的關(guān)系原子間作用力與距離的關(guān)系彈性變形本質(zhì)彈性變形本質(zhì)二、彈性變形的特征和彈性模量二、彈性變形的特征和彈性模量彈性變形的特征彈性變形的特征式中，式中，s為正應(yīng)力；為正應(yīng)力； e為正應(yīng)變；為正應(yīng)變； E為彈性模量為彈性模量橫向應(yīng)變：橫向應(yīng)變：t =d / d0軸向應(yīng)變：軸向應(yīng)變：a =l / l0 ta 式中，式中，t為切應(yīng)力；為切應(yīng)力；g為切為切應(yīng)變；應(yīng)變；G為切變模量為切變模量 （3）彈性變形量隨材料的不同而）彈性變形量

7、隨材料的不同而異：多數(shù)金屬材料：彈性變形量小異：多數(shù)金屬材料：彈性變形量小（一般不超過（一般不超過0.5%）；而橡膠類高）；而橡膠類高分子材料的高彈形變量則可高達(dá)分子材料的高彈形變量則可高達(dá)1000%，但這種變形是非線性的。，但這種變形是非線性的。 邊長為邊長為h、側(cè)面面、側(cè)面面積為積為A的立方體承的立方體承受剪切力受剪切力F的作用的作用 彈性模量的物理意義彈性模量的物理意義 彈性模量是應(yīng)力應(yīng)變曲線上彈性變形段的斜率，在彈性模量是應(yīng)力應(yīng)變曲線上彈性變形段的斜率，在拉伸變形中通常稱它為楊氏模量。拉伸變形中通常稱它為楊氏模量。低應(yīng)變區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系低應(yīng)變區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系E 彈性模量代表著使原子離開

8、平衡位置的難易程度，彈性模量代表著使原子離開平衡位置的難易程度，是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量。 即彈性模量相當(dāng)于發(fā)生單位彈性變形所需的應(yīng)力，即彈性模量相當(dāng)于發(fā)生單位彈性變形所需的應(yīng)力，換言之，在給定應(yīng)力下?lián)Q言之，在給定應(yīng)力下E E大的材料只發(fā)生很小的彈性應(yīng)變，大的材料只發(fā)生很小的彈性應(yīng)變，而而E E小的材料則彈性應(yīng)變大。小的材料則彈性應(yīng)變大。 從微觀的角度看，晶體在外力作用下，發(fā)生彈性從微觀的角度看，晶體在外力作用下，發(fā)生彈性變形對(duì)應(yīng)著原子間距的變化。這種性質(zhì)與彈簧很相似，變形對(duì)應(yīng)著原子間距的變化。這種性質(zhì)與彈簧很相似，故可把原子結(jié)合比喻成很多小彈

9、簧的連接。結(jié)合鍵能故可把原子結(jié)合比喻成很多小彈簧的連接。結(jié)合鍵能是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵能越大，則是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵能越大，則“彈彈簧簧”越越“硬硬”，原子之間距離的移動(dòng)所需的外力就越，原子之間距離的移動(dòng)所需的外力就越大，則彈性模量越大。大，則彈性模量越大。E 以共價(jià)鍵或共價(jià)以共價(jià)鍵或共價(jià)- -離子混合鍵結(jié)合的大多數(shù)陶瓷，離子混合鍵結(jié)合的大多數(shù)陶瓷，例如金剛石、例如金剛石、氧化鋁（氧化鋁（AlAl2 2O O3 3) )等，由于其原子間結(jié)合力很大，故其彈性模量很高；等，由于其原子間結(jié)合力很大，故其彈性模量很高；分子鍵分子鍵的固體如塑料、橡膠等的鍵合力很弱，具有很小的彈性模

10、量，的固體如塑料、橡膠等的鍵合力很弱，具有很小的彈性模量，但相對(duì)變形量很大；而但相對(duì)變形量很大；而金屬金屬的彈性模量則介于陶瓷和高分子橡膠之的彈性模量則介于陶瓷和高分子橡膠之間。間。 金屬材料的金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的指標(biāo)彈性模量是一個(gè)對(duì)組織不敏感的指標(biāo)，其大小主，其大小主要取決于原子間的結(jié)合力，與金屬的本性、晶格類型、晶格常數(shù)有要取決于原子間的結(jié)合力，與金屬的本性、晶格類型、晶格常數(shù)有關(guān)，而金屬材料的合金化、加工過程及熱處理的方法對(duì)它的影響很關(guān)，而金屬材料的合金化、加工過程及熱處理的方法對(duì)它的影響很小。小。 在工程上，彈性模量是材料剛度的度量。在工程上，彈性模量是材料剛度的度量

11、。彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為：彈性模量與切變彈性模量之間的關(guān)系為： 單晶體的彈性模量呈各向異性單晶體的彈性模量呈各向異性：沿原子排列最密的晶：沿原子排列最密的晶向彈性模量最大。向彈性模量最大。 多晶體的彈性模量多晶體的彈性模量E呈各向同性呈各向同性。 一個(gè)圓柱形鋼材試樣受到的應(yīng)力為一個(gè)圓柱形鋼材試樣受到的應(yīng)力為100Mpa。試。試樣未變形時(shí)直徑為樣未變形時(shí)直徑為10mm，長度為，長度為40mm；試樣變形；試樣變形后的長度和直徑分別為后的長度和直徑分別為40.019mm和和9.9986mm。假定。假定此時(shí)試樣仍然是彈性的，試計(jì)算這種鋼的彈性模量、此時(shí)試樣仍然是彈性的，試計(jì)算這種鋼的彈性模

12、量、切變彈性模量和泊松比。切變彈性模量和泊松比。例題例題（這個(gè)例子說明各向同性材料的三個(gè)彈性指標(biāo)能夠通（這個(gè)例子說明各向同性材料的三個(gè)彈性指標(biāo)能夠通過測(cè)量圓柱試樣的長度和直徑的變化來確定。）過測(cè)量圓柱試樣的長度和直徑的變化來確定。）三、彈性的不完整性三、彈性的不完整性 多數(shù)材料為多晶體甚至為非晶態(tài)，或者兩者都有的，多數(shù)材料為多晶體甚至為非晶態(tài)，或者兩者都有的，其內(nèi)部存在各種類型的缺陷。其內(nèi)部存在各種類型的缺陷。 彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合，應(yīng)彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合，應(yīng)變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有別于理想彈性變形特點(diǎn)的變的發(fā)展跟不上應(yīng)力的變化等有別于理想彈性變形特

13、點(diǎn)的現(xiàn)象，稱之為彈性的不完整性?，F(xiàn)象，稱之為彈性的不完整性。 彈性不完整性的現(xiàn)象包括：包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性不完整性的現(xiàn)象包括：包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后、循環(huán)韌性。彈性滯后、循環(huán)韌性。1包申格效應(yīng)（包申格效應(yīng)（Bauschinger Effect) 材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（小于4），而），而后同向加載則規(guī)定殘余應(yīng)力后同向加載則規(guī)定殘余應(yīng)力se升高，反向加載則殘余升高，反向加載則殘余應(yīng)力應(yīng)力se下降。此現(xiàn)象稱之為下降。此現(xiàn)象稱之為包申格效應(yīng)包申格效應(yīng)。 它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。它是多晶體金屬材料的普遍現(xiàn)象。 包申格效應(yīng)對(duì)于承受應(yīng)變疲勞的

14、工件很重要。包申格效應(yīng)對(duì)于承受應(yīng)變疲勞的工件很重要。 l 微觀本質(zhì)微觀本質(zhì) 預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)；同相加載，位預(yù)塑性變形，位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)、纏結(jié)；同相加載，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，殘余伸長應(yīng)力增加；反向加載，位錯(cuò)被迫錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，殘余伸長應(yīng)力增加；反向加載，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易殘余伸長應(yīng)力降低。作反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)容易殘余伸長應(yīng)力降低。l 包申格效應(yīng)的危害及防止方法包申格效應(yīng)的危害及防止方法 交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強(qiáng)度極限下降）交變載荷情況下，顯示循環(huán)軟化（強(qiáng)度極限下降）預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。第二預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形，可不產(chǎn)生包申格效應(yīng)。第二次反向受力前，先使

15、金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退火。次反向受力前，先使金屬材料回復(fù)或再結(jié)晶退火。2 2彈性后效彈性后效 一些實(shí)際晶體，在彈性極限范圍一些實(shí)際晶體，在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和內(nèi)，應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為彈性后效或滯彈性。滯彈性。 a b=c d滯彈性應(yīng)變滯彈性應(yīng)變加載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為加載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為正彈性后效，也稱為彈性蠕變或冷正彈性后效，也稱為彈性蠕變或冷蠕變；卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)蠕變；卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為反彈性后效。象稱為反彈性后效。3.3.彈性滯后彈性滯后 由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，在

16、s-e曲線上使加載線與卸載線曲線上使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱之為不重合而形成一封閉回線，稱之為彈性滯后彈性滯后。 物理意義：彈性滯后表明加載時(shí)消耗于材料的變形功物理意義：彈性滯后表明加載時(shí)消耗于材料的變形功大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被大于卸載時(shí)材料恢復(fù)所釋放的變形功，多余的部分被材料內(nèi)部所消耗，稱之為材料內(nèi)部所消耗，稱之為內(nèi)耗內(nèi)耗，其大小即用彈性滯后，其大小即用彈性滯后環(huán)面積度量。環(huán)面積度量。 彈性滯后環(huán)彈性滯后環(huán) a)單向加載彈性滯后環(huán)單向加載彈性滯后環(huán) (b)交變加載（加載速度慢）彈性滯后環(huán)交變加載（加載速度慢）彈性滯后環(huán) c) 交變加載（加載速度快）彈性

17、滯后環(huán)交變加載（加載速度快）彈性滯后環(huán) （d）交變加載塑性滯后環(huán)）交變加載塑性滯后環(huán) l 循環(huán)韌性循環(huán)韌性 若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆可得到塑性滯后環(huán)。金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫變形功的能力，叫循環(huán)韌性循環(huán)韌性。 循環(huán)韌性又稱為消振性循環(huán)韌性又稱為消振性。 循環(huán)韌性不好測(cè)量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)循環(huán)韌性不好測(cè)量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)來表示循環(huán)韌性的大小。來表示循環(huán)韌性的大小。 l 循環(huán)韌性的意義：材料循環(huán)韌性越高，則機(jī)件依靠材循環(huán)韌性的意義：材料循環(huán)韌性

18、越高，則機(jī)件依靠材料自身的消震能力越好。如汽輪機(jī)葉片用料自身的消震能力越好。如汽輪機(jī)葉片用1Cr13鋼制鋼制造，機(jī)床床身，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等選用灰鑄鐵制造，其重造，機(jī)床床身，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等選用灰鑄鐵制造，其重要原因就是這類材料的循環(huán)韌性高，消震性好；儀表要原因就是這類材料的循環(huán)韌性高，消震性好；儀表選用循環(huán)韌性低的材料，可以提高儀表的靈敏度。選用循環(huán)韌性低的材料，可以提高儀表的靈敏度。l 循環(huán)韌性的應(yīng)用循環(huán)韌性的應(yīng)用 減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；減振材料（機(jī)床床身、缸體等）； 樂器要求循環(huán)韌性小。樂器要求循環(huán)韌性小。四、四、 黏彈性黏彈性除彈性變形、塑性變形外還有一種變形是黏性流除彈性變形、塑性變形

19、外還有一種變形是黏性流動(dòng)。動(dòng)。指非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用指非晶態(tài)固體和液體在很小外力作用下便會(huì)發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去下便會(huì)發(fā)生沒有確定形狀的流變，并且在外力去除后，形變不能回復(fù)。除后，形變不能回復(fù)。一些非晶體，甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可一些非晶體，甚至多晶體，在比較小的應(yīng)力時(shí)可以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和黏性，即以同時(shí)表現(xiàn)出彈性和黏性，即。 應(yīng)變落后于應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變落后于應(yīng)力。當(dāng)加上周期應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的就成一回線，所包含的面積即為應(yīng)力循環(huán)一周所損耗的能量，即內(nèi)耗。能量，即內(nèi)耗。 黏彈性變形是既與時(shí)間有關(guān)

20、，又具有可恢復(fù)的彈性變形黏彈性變形是既與時(shí)間有關(guān)，又具有可恢復(fù)的彈性變形，即具有彈性和黏性變形量方面特征。，即具有彈性和黏性變形量方面特征。 黏彈性變形是高分子材料的重要力學(xué)特性之一。黏彈性變形是高分子材料的重要力學(xué)特性之一。黏彈性變形的黏彈性變形的特點(diǎn)特點(diǎn)一、胡克生平簡(jiǎn)介一、胡克生平簡(jiǎn)介 胡克,Robert Hooke(16351703)英國物理學(xué)家。1635年7月18日生于懷特島的一個(gè)鄉(xiāng)村牧師家庭。從小喜好機(jī)械。他在威斯敏斯特中學(xué)畢業(yè)后，1653年作為工讀生進(jìn)入牛津大學(xué)學(xué)習(xí)，但任了R.玻意耳的助手，1663年獲碩士學(xué)位。1665年擔(dān)任倫敦格雷舍姆學(xué)院幾何教授。胡克在牛津大學(xué)學(xué)習(xí)期間就積極參

21、加了牛津和倫敦的科學(xué)小組的活動(dòng)。當(dāng)小組發(fā)展為倫敦的皇家學(xué)會(huì)后，1662年起任學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)主持人。1663年成為正式會(huì)員，16771683年任學(xué)會(huì)秘書，并負(fù)責(zé)出版會(huì)刊。在這20多年的學(xué)會(huì)活動(dòng)中，胡克擔(dān)負(fù)不少實(shí)驗(yàn)和事務(wù)性工作。1703年3月3日在倫敦逝世，享年68歲。 二、胡克科學(xué)成就二、胡克科學(xué)成就 1胡克是一個(gè)多才多藝的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、儀器設(shè)計(jì)胡克是一個(gè)多才多藝的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、儀器設(shè)計(jì)師和發(fā)明家。他協(xié)助玻意耳改進(jìn)師和發(fā)明家。他協(xié)助玻意耳改進(jìn)O.von蓋利克發(fā)明的空蓋利克發(fā)明的空氣泵，改進(jìn)后的空氣泵和近代使用的空氣泵形式相近。氣泵，改進(jìn)后的空氣泵和近代使用的空氣泵形式相近。玻意耳利用它進(jìn)行過許多演示

22、實(shí)驗(yàn)，并建立了玻意耳定玻意耳利用它進(jìn)行過許多演示實(shí)驗(yàn)，并建立了玻意耳定律，胡克對(duì)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的各種儀器幾乎都做過重大改進(jìn)或律，胡克對(duì)當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的各種儀器幾乎都做過重大改進(jìn)或創(chuàng)新，如鐘表的彈簧擺輪，毛發(fā)濕度計(jì)、航海儀器、顯創(chuàng)新，如鐘表的彈簧擺輪，毛發(fā)濕度計(jì)、航海儀器、顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡等等。微鏡與望遠(yuǎn)鏡等等。1665年，他出版了生動(dòng)優(yōu)美的年，他出版了生動(dòng)優(yōu)美的顯顯微圖集微圖集（Micrographia），第一次把植物、動(dòng)物和礦），第一次把植物、動(dòng)物和礦物的顯微結(jié)構(gòu)顯示在人們面前，并引入了細(xì)胞（物的顯微結(jié)構(gòu)顯示在人們面前，并引入了細(xì)胞（cell）這）這一名詞。一名詞。 2胡克建立了彈性體形變與力成正比的定律

23、。胡克建立了彈性體形變與力成正比的定律。1660年他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)螺旋彈簧伸長量和所受拉伸力成正比。年他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)螺旋彈簧伸長量和所受拉伸力成正比。1676年在他的年在他的關(guān)于太陽儀和其他儀器的描述關(guān)于太陽儀和其他儀器的描述(A Description of Helioscopes and Other Instruments)一文中一文中用字謎形式發(fā)表這一結(jié)果，謎面是用字謎形式發(fā)表這一結(jié)果，謎面是ceiiinosssttuv。1678年年在他的小冊(cè)子在他的小冊(cè)子勢(shì)能的恢復(fù)勢(shì)能的恢復(fù)論說明彈跳體能力的彈簧論說明彈跳體能力的彈簧(Lecturse de Potentia Restituva, or

24、 of Spring Explaining the Powerof Springing Bodies)一文中公布了謎底：一文中公布了謎底：ut tensio sic vis,這句拉丁文的意思是這句拉丁文的意思是“伸長量和力成正比伸長量和力成正比”。這是關(guān)于彈性體胡克定律的最早形式。這是關(guān)于彈性體胡克定律的最早形式。 3 3胡克的顯微圖集是歐洲十七世紀(jì)最主要的科學(xué)文胡克的顯微圖集是歐洲十七世紀(jì)最主要的科學(xué)文獻(xiàn)之一，它幾乎成了物理、化學(xué)、生物、礦物學(xué)、地理學(xué)獻(xiàn)之一，它幾乎成了物理、化學(xué)、生物、礦物學(xué)、地理學(xué)等自然科學(xué)的觀察圖集大全。在等自然科學(xué)的觀察圖集大全。在顯微圖集顯微圖集中刊載有胡中刊載有胡

25、克觀察到的云母、玻片間空氣層及薄膜等在光束照射下的克觀察到的云母、玻片間空氣層及薄膜等在光束照射下的彩色環(huán)帶。他指出顏色與薄膜厚度的關(guān)系和顏色變化的周彩色環(huán)帶。他指出顏色與薄膜厚度的關(guān)系和顏色變化的周期性；在書中還斷言：期性；在書中還斷言：“發(fā)光體的每一脈動(dòng)和振動(dòng)都必將發(fā)光體的每一脈動(dòng)和振動(dòng)都必將形成一個(gè)球面并不斷擴(kuò)大，如同投石入水后引起的越來越形成一個(gè)球面并不斷擴(kuò)大，如同投石入水后引起的越來越大的環(huán)狀波一樣。大的環(huán)狀波一樣。”他還用光在薄膜前后表面反射后的脈他還用光在薄膜前后表面反射后的脈沖組合來解釋不同顏色的形成。由此可見胡克是光的波動(dòng)沖組合來解釋不同顏色的形成。由此可見胡克是光的波動(dòng)說最

26、早的倡導(dǎo)人之一。說最早的倡導(dǎo)人之一。.牛頓的許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)直接受到牛頓的許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)直接受到顯微圖集顯微圖集一書的啟發(fā)，但他沖破了胡克的顏色理論。一書的啟發(fā)，但他沖破了胡克的顏色理論。 4 4胡克從胡克從16611661年開始，積極參加了皇家學(xué)會(huì)研究重年開始，積極參加了皇家學(xué)會(huì)研究重力本質(zhì)的專門委員會(huì)的活動(dòng)，對(duì)重力現(xiàn)象進(jìn)行過一些實(shí)驗(yàn)。力本質(zhì)的專門委員會(huì)的活動(dòng)，對(duì)重力現(xiàn)象進(jìn)行過一些實(shí)驗(yàn)。在在16741674年年試證地球周年運(yùn)動(dòng)試證地球周年運(yùn)動(dòng)的報(bào)告中，他提出的報(bào)告中，他提出“一切一切天體都具有傾向其中心吸引力或重力天體都具有傾向其中心吸引力或重力”，“天體在未受其天體在未受其他使其傾斜的作用力前保

27、持直線運(yùn)動(dòng)不變他使其傾斜的作用力前保持直線運(yùn)動(dòng)不變”，“離吸引中離吸引中心越近，吸引力越大心越近，吸引力越大”，16791679年在給牛頓的信中又進(jìn)下提年在給牛頓的信中又進(jìn)下提出平方反比關(guān)系。由于胡克的數(shù)學(xué)素養(yǎng)不夠，未能解決行出平方反比關(guān)系。由于胡克的數(shù)學(xué)素養(yǎng)不夠，未能解決行星的軌道問題，但他的研究和與牛頓的論爭(zhēng)，大促進(jìn)了牛星的軌道問題，但他的研究和與牛頓的論爭(zhēng)，大促進(jìn)了牛頓對(duì)萬有引力定律的深入研究。頓對(duì)萬有引力定律的深入研究。 胡克在熱學(xué)方面曾與胡克在熱學(xué)方面曾與C.惠更斯一起斷定在常壓下冰惠更斯一起斷定在常壓下冰的熔點(diǎn)及水的沸點(diǎn)為固定點(diǎn)，并建議以水的結(jié)冰溫度為溫的熔點(diǎn)及水的沸點(diǎn)為固定點(diǎn)，并

28、建議以水的結(jié)冰溫度為溫度計(jì)的零度，他認(rèn)為熱是物質(zhì)粒子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。他較度計(jì)的零度，他認(rèn)為熱是物質(zhì)粒子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。他較早地觀察到礦物晶體的有序排列。早地觀察到礦物晶體的有序排列。胡克涉及的面很廣，包含化學(xué)中的燃燒問題，生物的胡克涉及的面很廣，包含化學(xué)中的燃燒問題，生物的呼吸問題，地質(zhì)學(xué)的化石，以及天文觀測(cè)、地震、海洋、呼吸問題，地質(zhì)學(xué)的化石，以及天文觀測(cè)、地震、海洋、城市建筑設(shè)計(jì)等等，他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)精湛，物理思想活躍，城市建筑設(shè)計(jì)等等，他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)精湛，物理思想活躍，但受數(shù)學(xué)素養(yǎng)的限制，對(duì)問題的研究往往不能透徹；因此但受數(shù)學(xué)素養(yǎng)的限制，對(duì)問題的研究往往不能透徹；因此胡克在鐘擺、引力、光學(xué)、燃

29、燒、生物進(jìn)化等方面都沒有胡克在鐘擺、引力、光學(xué)、燃燒、生物進(jìn)化等方面都沒有像惠更斯占頓等那樣獲得比較深入而系統(tǒng)和理論成果。像惠更斯占頓等那樣獲得比較深入而系統(tǒng)和理論成果。 三、趣聞?shì)W事三、趣聞?shì)W事 1、胡克與惠更斯?fàn)幇l(fā)條鐘的發(fā)明權(quán)、胡克與惠更斯?fàn)幇l(fā)條鐘的發(fā)明權(quán)關(guān)于彈簧擺輪和發(fā)明權(quán)爭(zhēng)論，暴露了胡克性格的多疑、乖戾關(guān)于彈簧擺輪和發(fā)明權(quán)爭(zhēng)論，暴露了胡克性格的多疑、乖戾和思想不夠縝密。本來，胡克和惠更斯都是獨(dú)立發(fā)現(xiàn)這種機(jī)件的和思想不夠縝密。本來，胡克和惠更斯都是獨(dú)立發(fā)現(xiàn)這種機(jī)件的，在登載胡克定律的，在登載胡克定律的態(tài)勢(shì)的恢復(fù)態(tài)勢(shì)的恢復(fù)一文中確有這一例子并有演一文中確有這一例子并有演示說明，但胡克手中卻

30、沒有制成于示說明，但胡克手中卻沒有制成于1658年的確切證據(jù)。年的確切證據(jù)。1660年左年左右，本來皇家學(xué)會(huì)的玻義耳、右，本來皇家學(xué)會(huì)的玻義耳、R.Moray，W.Brouncker考慮支持胡考慮支持胡克的發(fā)明，因?yàn)樗鼤?huì)帶來巨大的好處。在他們支持下起草的專利克的發(fā)明，因?yàn)樗鼤?huì)帶來巨大的好處。在他們支持下起草的專利早請(qǐng)快要達(dá)成協(xié)議時(shí)，胡克要求支持者進(jìn)一步給以保證，由于這早請(qǐng)快要達(dá)成協(xié)議時(shí)，胡克要求支持者進(jìn)一步給以保證，由于這種過份的要求沒有得到滿意的回答，胡克竟主動(dòng)撤回申請(qǐng)。種過份的要求沒有得到滿意的回答，胡克竟主動(dòng)撤回申請(qǐng)。 與此同時(shí)，惠更斯經(jīng)過多年的實(shí)踐與理論計(jì)算后，利用游絲擺與此同時(shí)，惠更

31、斯經(jīng)過多年的實(shí)踐與理論計(jì)算后，利用游絲擺輪在輪在16551658年間設(shè)計(jì)了新的擺鐘；惠更斯想將已獲得的專利年間設(shè)計(jì)了新的擺鐘；惠更斯想將已獲得的專利轉(zhuǎn)讓皇家學(xué)會(huì)秘書奧登堡（轉(zhuǎn)讓皇家學(xué)會(huì)秘書奧登堡（Henry Oldenburg,16151677）。這）。這時(shí)胡克妒火中燒，惱羞成怒，懷疑他的發(fā)明權(quán)被奧登堡泄漏給了時(shí)胡克妒火中燒，惱羞成怒，懷疑他的發(fā)明權(quán)被奧登堡泄漏給了惠更斯，于是，挑起了優(yōu)先權(quán)爭(zhēng)論。他還請(qǐng)制表匠惠更斯，于是，挑起了優(yōu)先權(quán)爭(zhēng)論。他還請(qǐng)制表匠Thomas Tompion 做了一個(gè)鐘表送給國王，上刻做了一個(gè)鐘表送給國王，上刻“Robert Hooke 1658年年發(fā)明，發(fā)明，T.Tom

32、pion制造于制造于1675”以示抗議，并罵奧登堡為以示抗議，并罵奧登堡為“知識(shí)知識(shí)掮客掮客”。 2死后連一張畫象也沒有留下死后連一張畫象也沒有留下胡克在科學(xué)、技術(shù)上的成就是無可置疑的。但是他為胡克在科學(xué)、技術(shù)上的成就是無可置疑的。但是他為了重大發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)問題，比如為了爭(zhēng)發(fā)條鐘的發(fā)明權(quán)以了重大發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)問題，比如為了爭(zhēng)發(fā)條鐘的發(fā)明權(quán)以及光學(xué)原理和萬有引力定律等的發(fā)現(xiàn)權(quán)，曾經(jīng)和惠更斯、及光學(xué)原理和萬有引力定律等的發(fā)現(xiàn)權(quán)，曾經(jīng)和惠更斯、牛頓發(fā)生過激烈的爭(zhēng)吵。牛頓發(fā)生過激烈的爭(zhēng)吵。1686年英國倫敦皇家學(xué)會(huì)同意出年英國倫敦皇家學(xué)會(huì)同意出版牛頓的版牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書，胡

33、克卻利用皇家一書，胡克卻利用皇家學(xué)會(huì)秘書長的身分執(zhí)意阻撓，不給經(jīng)費(fèi)。他給牛頓學(xué)會(huì)秘書長的身分執(zhí)意阻撓，不給經(jīng)費(fèi)。他給牛頓“穿小穿小鞋鞋”的做法，引起了當(dāng)時(shí)英國學(xué)術(shù)界的不滿，這在一定程的做法，引起了當(dāng)時(shí)英國學(xué)術(shù)界的不滿，這在一定程度上損害上胡克自己的科學(xué)家形象。度上損害上胡克自己的科學(xué)家形象。 胡克生理和心理上的健康受損幾乎無時(shí)無刻不使他處于痛苦之胡克生理和心理上的健康受損幾乎無時(shí)無刻不使他處于痛苦之中。他是一個(gè)被懷疑有多種疾病的人，他不會(huì)有一整天毫沒病痛地中。他是一個(gè)被懷疑有多種疾病的人，他不會(huì)有一整天毫沒病痛地輕松生活。他的多疑、多剌、不慣于與人合作共事，特別是優(yōu)柔寡輕松生活。他的多疑、多剌

34、、不慣于與人合作共事，特別是優(yōu)柔寡斷、拖拉不決的作風(fēng)也影響了他才能的充分發(fā)揮。斷、拖拉不決的作風(fēng)也影響了他才能的充分發(fā)揮。胡克的貢獻(xiàn)與多才多藝，在生前沒有帶他多少歡樂，死后連一胡克的貢獻(xiàn)與多才多藝，在生前沒有帶他多少歡樂，死后連一張畫象也沒有留下，歷史上對(duì)他的評(píng)價(jià)也因與牛頓同一時(shí)時(shí)代和領(lǐng)張畫象也沒有留下，歷史上對(duì)他的評(píng)價(jià)也因與牛頓同一時(shí)時(shí)代和領(lǐng)域幾乎相同而相形失色。域幾乎相同而相形失色。第二節(jié)第二節(jié) 晶體的塑性變形晶體的塑性變形當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生塑性塑性變形變形，即產(chǎn)生不可逆的永久變形。通過塑性變形，即產(chǎn)生不可逆的永久變形。通過塑性變形，不

35、但可使材料獲得預(yù)期的外形尺寸，而且可使，不但可使材料獲得預(yù)期的外形尺寸，而且可使材料內(nèi)部組織和性能產(chǎn)生變化。材料內(nèi)部組織和性能產(chǎn)生變化。一、單晶體的塑性變形一、單晶體的塑性變形 單晶體塑性變形單晶體塑性變形的兩個(gè)基本方式為的兩個(gè)基本方式為滑移滑移和和孿生孿生?；坪?。滑移和孿生都是切應(yīng)變，而且只有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體孿生都是切應(yīng)變，而且只有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體的臨界分切應(yīng)力的臨界分切應(yīng)力tC時(shí)才能開始。時(shí)才能開始。 其中，其中，滑移是不均勻切變，孿生為均勻切變滑移是不均勻切變，孿生為均勻切變。 在在常溫和低溫常溫和低溫下，單晶體的塑性變形主要通過滑移方式下，單晶體的塑性變形主要通過滑移

36、方式進(jìn)行的，此外，還有孿生和扭折等方式。進(jìn)行的，此外，還有孿生和扭折等方式。 擴(kuò)散性變形及晶界滑動(dòng)和移動(dòng)等方式主要存在于擴(kuò)散性變形及晶界滑動(dòng)和移動(dòng)等方式主要存在于高溫高溫形形變中。變中。當(dāng)應(yīng)力超過晶體的彈性極當(dāng)應(yīng)力超過晶體的彈性極限后，晶體中就會(huì)產(chǎn)生層片限后，晶體中就會(huì)產(chǎn)生層片之間的相對(duì)滑移，大量的層之間的相對(duì)滑移，大量的層片間滑動(dòng)的累積就構(gòu)成晶體片間滑動(dòng)的累積就構(gòu)成晶體的宏觀塑性變形。的宏觀塑性變形。(1) 滑移滑移a滑移線與滑移帶滑移線與滑移帶1. 單晶體的滑移單晶體的滑移 由大量位錯(cuò)移動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著由大量位錯(cuò)移動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著一定晶面和晶

37、向作相對(duì)的移動(dòng)，即晶體塑性變形的一定晶面和晶向作相對(duì)的移動(dòng)，即晶體塑性變形的滑移的顯微觀察滑移的顯微觀察對(duì)滑移線的觀察表明：晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是對(duì)滑移線的觀察表明：晶體塑性變形的不均勻性，滑移只是集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片集中發(fā)生在一些晶面上，而滑移帶或滑移線之間的晶體層片則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對(duì)位移而已。則未產(chǎn)生變形，只是彼此之間作相對(duì)位移而已。 滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移。，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移。 滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后

38、滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。單晶體滑移結(jié)論單晶體滑移結(jié)論 塑性變形時(shí)位錯(cuò)只沿著一定的晶面和晶向運(yùn)動(dòng)。這些晶塑性變形時(shí)位錯(cuò)只沿著一定的晶面和晶向運(yùn)動(dòng)。這些晶面和晶向分別稱為面和晶向分別稱為“滑移面滑移面”和和“滑移方向滑移方向”。：晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此：晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此組晶面稱為滑移面；組晶面稱為滑移面；：滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的，此：滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的，此

39、晶向稱為滑移方向。晶向稱為滑移方向。一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系 晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同。晶體結(jié)構(gòu)不同，其滑移面和滑移方向也不同。b b滑移系滑移系。 滑移面和滑移方向是金屬晶體中原子排列最密的晶滑移面和滑移方向是金屬晶體中原子排列最密的晶面和晶向的原因面和晶向的原因 滑移方向滑移方向，滑移面一般為，滑移面一般為111111 l fccfcc滑移系滑移系 面心立方結(jié)構(gòu)共有四個(gè)不同的面心立方結(jié)構(gòu)共有四個(gè)不同的111晶面，每個(gè)滑晶面，每個(gè)滑移面有三個(gè)移面有三個(gè)晶向，故共有晶向，故共有43=12個(gè)滑移系。個(gè)滑移系。滑移方

40、向?yàn)榛品较驗(yàn)椋赡艹霈F(xiàn)的滑移面有，可能出現(xiàn)的滑移面有110、112、123。如果三組滑移面都能啟動(dòng)，則潛在的滑移系數(shù)。如果三組滑移面都能啟動(dòng)，則潛在的滑移系數(shù)目為：目為： （個(gè)）l bcc滑移系滑移系 體心立方結(jié)構(gòu)是一種非密排結(jié)構(gòu)，因此滑移面不體心立方結(jié)構(gòu)是一種非密排結(jié)構(gòu)，因此滑移面不穩(wěn)定，滑移方向?yàn)榉€(wěn)定，滑移方向?yàn)?低溫時(shí)為低溫時(shí)為 112； 中溫時(shí)為中溫時(shí)為110；高溫時(shí)為；高溫時(shí)為123l hcp滑移系滑移系 滑移方向恒為滑移方向恒為，滑移面為（，滑移面為（00010001）或棱柱）或棱柱面面 1 1，0 0， ，00、棱錐面、棱錐面11，0 0，1 1 當(dāng)滑移面為（當(dāng)滑移面為（000

41、1）時(shí)，晶體中滑移面只有時(shí)，晶體中滑移面只有一 個(gè) ， 此 面 上 有 三 個(gè)一 個(gè) ， 此 面 上 有 三 個(gè) 晶向，故滑移晶向，故滑移系數(shù)目為系數(shù)目為13=3個(gè)。個(gè)。 由于由于hcp金屬滑移系金屬滑移系數(shù)目較少，密排六方金數(shù)目較少，密排六方金屬的塑性通常都不太好。屬的塑性通常都不太好。C .C .滑移的臨界分切應(yīng)力滑移的臨界分切應(yīng)力晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。晶體的滑移是在切應(yīng)力作用下進(jìn)行的。許多滑移系并非同時(shí)參與滑移，當(dāng)外力在某一滑移系中許多滑移系并非同時(shí)參與滑移，當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)，該滑移系首先發(fā)生滑移時(shí)的分切應(yīng)力達(dá)到一定臨界值時(shí)，該滑移系首先發(fā)生滑移

42、時(shí)的分切應(yīng)力稱為的分切應(yīng)力稱為?；频呐R界分切應(yīng)力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力起始屈滑移的臨界分切應(yīng)力是一個(gè)真實(shí)反映單晶體受力起始屈服的物理量服的物理量。其數(shù)值與晶體的類型、純度及溫度等因素有。其數(shù)值與晶體的類型、純度及溫度等因素有關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度及滑移系類關(guān)，還與該晶體的加工和處理狀態(tài)、變形速度及滑移系類型等因素有關(guān)。型等因素有關(guān)。 （1 1）設(shè)有一截面積為）設(shè)有一截面積為A A的圓柱形的圓柱形單晶體受軸向拉力單晶體受軸向拉力F F的作用，的作用，f 為為滑移面法線與外力滑移面法線與外力F F中心軸的夾中心軸的夾角，角，l為滑移方向與外力為滑移方向與外力F F的夾角。的夾

43、角?；泼娴拿娣e為 作用在此滑移面上的應(yīng)力作用在此滑移面上的應(yīng)力 cosAFQF 滑移面面積為：滑移面面積為：應(yīng)力可分解為兩個(gè)分應(yīng)力：垂直于滑移面的分正應(yīng)力和應(yīng)力可分解為兩個(gè)分應(yīng)力：垂直于滑移面的分正應(yīng)力和平行于滑移面的分切應(yīng)力。分切應(yīng)力平行于滑移面的分切應(yīng)力。分切應(yīng)力作用在滑移方向作用在滑移方向上，使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：上，使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：coscoscosAF 稱稱 為為取向因子取向因子,又稱為施密特又稱為施密特(Schmid)因子因子 ，取，取向因子越大，則分切應(yīng)力越大。向因子越大，則分切應(yīng)力越大。coscos 對(duì)于任一給定的對(duì)于任一給定的 值，取向因子的最大值出現(xiàn)在值，取

44、向因子的最大值出現(xiàn)在 =90- 時(shí)：時(shí)：2sin21)90cos(coscoscos 當(dāng)當(dāng) =45時(shí)（時(shí)（也為也為45），），取向因子有最大值取向因子有最大值1/2，此時(shí)，此時(shí)，得到最大分切應(yīng)力。得到最大分切應(yīng)力。 最大分切應(yīng)力正好落在與外力軸最大分切應(yīng)力正好落在與外力軸成成45角的晶面以及與外力軸成角的晶面以及與外力軸成45角的滑移方向上。角的滑移方向上。：晶體中有些滑移系與外力取向偏離：晶體中有些滑移系與外力取向偏離45很遠(yuǎn)，很遠(yuǎn)，需要較大的需要較大的s值才能滑移，稱為硬取向。值才能滑移，稱為硬取向。：晶體中有些滑移系與外力的取向接近：晶體中有些滑移系與外力的取向接近45角，角，處于易滑移

45、的位向，具有較小的處于易滑移的位向，具有較小的s值，稱為值，稱為“軟取向軟取向”。通常是軟取向的滑移系首先滑移。通常是軟取向的滑移系首先滑移。（2）能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。）能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。通常把給定滑移系上開始產(chǎn)生滑移所需分切應(yīng)力稱為臨界通常把給定滑移系上開始產(chǎn)生滑移所需分切應(yīng)力稱為臨界分切應(yīng)力。分切應(yīng)力。（3）在拉伸時(shí)，可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用）在拉伸時(shí)，可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用下，滑移系一開動(dòng)就相當(dāng)于晶體開始屈服，此時(shí)，對(duì)應(yīng)下，滑移系一開動(dòng)就相當(dāng)于晶體開始屈服，此時(shí)，對(duì)應(yīng)于臨界分切應(yīng)力的外加應(yīng)力就相當(dāng)于屈服強(qiáng)度于臨界分切應(yīng)力

46、的外加應(yīng)力就相當(dāng)于屈服強(qiáng)度S coscoscoscosskAF coscosks 取向因子增大，取向因子增大，S S 減小，當(dāng)取向因子為減小，當(dāng)取向因子為0.50.5時(shí)，時(shí)，S S 達(dá)到最小值，為臨界分切應(yīng)力的兩倍。達(dá)到最小值，為臨界分切應(yīng)力的兩倍。課堂練習(xí)課堂練習(xí) 有一有一70MPa應(yīng)力作用在應(yīng)力作用在fcc晶體的晶體的001方向上，求作用方向上，求作用在（在（111）/10-1和（和（111）/-110 滑移系上的分切應(yīng)力滑移系上的分切應(yīng)力。 10-1-110兩晶向夾角公式：兩晶向夾角公式：222222212121212121coswvuwvuwwvvuu22222221212121212

47、1coslkhlkhl lkkhh兩晶面夾角公式：兩晶面夾角公式：滑移系：001與與 的夾角的夾角001與與 111 的夾角的夾角滑移系同理得：滑移系同理得：d拉伸和壓縮時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸和壓縮時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)（1）拉伸：）拉伸：?jiǎn)尉w滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外單晶體滑移時(shí)，除滑移面發(fā)生相對(duì)位移外，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)，往往伴隨著晶面的轉(zhuǎn)動(dòng)分正應(yīng)力：分正應(yīng)力： 拉伸作用在中間一拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力層金屬上下兩面的作用力可分為兩可分為兩 個(gè)分應(yīng)力：個(gè)分應(yīng)力： 分正應(yīng)力分正應(yīng)力1 1、2 2 垂直垂直于滑移面，成力偶，使晶于滑移面，成力偶，使晶塊滑移面朝外力軸方向轉(zhuǎn)塊滑移面朝外力軸

48、方向轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)。分切應(yīng)力：分切應(yīng)力：分切應(yīng)力與滑移方向不一致時(shí)，可分解為平行于滑移方分切應(yīng)力與滑移方向不一致時(shí)，可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個(gè)分力。向和垂直于滑移方向的兩個(gè)分力。前一分力產(chǎn)生滑移，后一分力構(gòu)成力前一分力產(chǎn)生滑移，后一分力構(gòu)成力偶，使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方偶，使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向。拉伸時(shí)，在產(chǎn)生滑移的過程向。拉伸時(shí)，在產(chǎn)生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且滑不僅滑移面在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且滑移方向也改變位向。移方向也改變位向。（2 2）壓縮）壓縮 壓縮時(shí)晶體的滑移面，壓縮時(shí)晶體的滑移面， 力圖轉(zhuǎn)至與壓力方向垂直的力圖轉(zhuǎn)

49、至與壓力方向垂直的位置。位置。 e e多系滑移多系滑移 單滑移：只有一個(gè)特定的滑移系處于最有利的位置而單滑移：只有一個(gè)特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動(dòng)時(shí)，形成單滑移。優(yōu)先開動(dòng)時(shí)，形成單滑移。 有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系中進(jìn)行，由于變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)，另一組滑移面上的系中進(jìn)行，由于變形時(shí)晶面轉(zhuǎn)動(dòng)，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生多系

50、滑移。同時(shí)進(jìn)行或交替地進(jìn)行，從而產(chǎn)生多系滑移。 位錯(cuò)交互運(yùn)動(dòng)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，材料得到強(qiáng)化位錯(cuò)交互運(yùn)動(dòng)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，材料得到強(qiáng)化f滑移的位錯(cuò)機(jī)制滑移的位錯(cuò)機(jī)制 晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，這說明位晶體的滑移必須在一定的外力作用下才能發(fā)生，這說明位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)要克服阻力。錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)要克服阻力。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力首先來自位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力首先來自點(diǎn)陣阻力點(diǎn)陣阻力。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期性，。由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期性，當(dāng)位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，位錯(cuò)中心的能量也要發(fā)生周期性的變化。當(dāng)位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，位錯(cuò)中心的能量也要發(fā)生周期性的變化。位錯(cuò)滑移時(shí)核心能量的變化位錯(cuò)滑移時(shí)核心能量的變化 位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到位錯(cuò)在

51、運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到點(diǎn)陣阻力點(diǎn)陣阻力。由于派爾斯（。由于派爾斯（Peierls）和納巴羅）和納巴羅（Nabarro）首先估算了這一阻力，故又稱為）首先估算了這一阻力，故又稱為派一納（派一納（P-N）力。）力。 派派-納（納（P-N）力）力bw2exp12GNP式中，式中，b為滑移方向上的原子間距，為滑移方向上的原子間距，d為滑移面的面間距，為滑移面的面間距，為泊松比，為泊松比，W=d/(1-)代表代表位錯(cuò)寬度。位錯(cuò)寬度。 位錯(cuò)寬度越大，則派一納力越小，這是因?yàn)槲诲e(cuò)寬位錯(cuò)寬度越大，則派一納力越小，這是因?yàn)槲诲e(cuò)寬度表示了位錯(cuò)所導(dǎo)致的點(diǎn)陣嚴(yán)重畸變區(qū)的范圍。寬度大度表示了位錯(cuò)所導(dǎo)致的點(diǎn)陣嚴(yán)重畸變區(qū)的范圍。寬度

52、大則位錯(cuò)周圍的原子就能比較接近于平衡位置，點(diǎn)陣的彈則位錯(cuò)周圍的原子就能比較接近于平衡位置，點(diǎn)陣的彈性畸變能低，故位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)其他原子所作相應(yīng)移動(dòng)的距性畸變能低，故位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)其他原子所作相應(yīng)移動(dòng)的距離較小，產(chǎn)生的阻力也較小。離較小，產(chǎn)生的阻力也較小。 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力與晶體的強(qiáng)化位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力與晶體的強(qiáng)化l 點(diǎn)陣阻力；點(diǎn)陣阻力；l 位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用產(chǎn)生的阻力；位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用產(chǎn)生的阻力；l 運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交截后形成的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)交截后形成的扭折扭折和和割階割階，尤其是螺型，尤其是螺型位錯(cuò)的割階將對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的割階將對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加；的阻力增加；l 位錯(cuò)與其

53、他晶體缺陷如點(diǎn)缺陷，其他位錯(cuò)、晶界位錯(cuò)與其他晶體缺陷如點(diǎn)缺陷，其他位錯(cuò)、晶界和第二相質(zhì)點(diǎn)等交互作用產(chǎn)生的阻力；和第二相質(zhì)點(diǎn)等交互作用產(chǎn)生的阻力；l 對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致晶體強(qiáng)化。 （a）孿生的變形過程）孿生的變形過程 孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向分沿一定的晶面和晶向發(fā)生均勻切變并形成晶體取向的鏡面對(duì)稱關(guān)系。的鏡面對(duì)稱關(guān)系。 a. 變形前變形前 b. 滑移滑移 c. 孿生孿生晶體滑移和孿生變形后的結(jié)構(gòu)與外形變化示意圖晶體滑移和孿生變形后的結(jié)構(gòu)

54、與外形變化示意圖l當(dāng)面心立方晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時(shí)，晶體當(dāng)面心立方晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時(shí)，晶體內(nèi)局部地區(qū)的各個(gè)（內(nèi)局部地區(qū)的各個(gè)（111）晶面沿著）晶面沿著 11-2方向（方向（AC），），產(chǎn)生彼此相對(duì)移動(dòng)距離為產(chǎn)生彼此相對(duì)移動(dòng)距離為a/611-2的均勻切變。的均勻切變。l這樣的切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使這樣的切變并未使晶體的點(diǎn)陣類型發(fā)生變化，但它卻使均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體均勻切變區(qū)中的晶體取向發(fā)生變更，變?yōu)榕c未切變區(qū)晶體呈鏡面對(duì)稱的取向。呈鏡面對(duì)稱的取向。l這一變形過程稱為這一變形過程稱為孿生孿生。變形與未變形兩部分晶體合稱。變

55、形與未變形兩部分晶體合稱為為孿晶孿晶；l均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面（即兩者的鏡面對(duì)稱面）均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面（即兩者的鏡面對(duì)稱面）稱為稱為孿晶界孿晶界；l發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面（即（發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面（即（111）面）；）面）；孿生面的移動(dòng)方向（即孿生面的移動(dòng)方向（即 11-2方向）稱為方向）稱為孿生方向?qū)\生方向。 滑移和孿生的比較滑移和孿生的比較1) 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相

56、對(duì)另一部分的移動(dòng)過程；部分沿一定晶面和晶向相對(duì)另一部分的移動(dòng)過程；兩者都不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)；兩者都不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)； 從機(jī)制上看，都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)結(jié)果。從機(jī)制上看，都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)結(jié)果。 2) 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： 滑移不改變晶體的位相，孿生改變了晶體位向；滑移不改變晶體的位相，孿生改變了晶體位向； 滑移是全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而孿生是不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；滑移是全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而孿生是不全位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果； 滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程；滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程； 滑移比較平緩，應(yīng)力應(yīng)變曲線較光滑、連續(xù)，孿生則呈鋸齒狀；滑移比較平緩，應(yīng)力應(yīng)變曲線較光滑、連續(xù)，孿生則呈鋸齒狀； 兩

57、者發(fā)生的條件不同，孿生所需臨界分切應(yīng)力值遠(yuǎn)大于滑移，因兩者發(fā)生的條件不同，孿生所需臨界分切應(yīng)力值遠(yuǎn)大于滑移，因此只有在滑移受阻情況下晶體才以孿生方式形變。；此只有在滑移受阻情況下晶體才以孿生方式形變。； 滑移產(chǎn)生的切變較大（取決于晶體的塑性），而孿生切變較小，滑移產(chǎn)生的切變較大（取決于晶體的塑性），而孿生切變較小，取決于晶體結(jié)構(gòu)。取決于晶體結(jié)構(gòu)。（1）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移）孿生變形也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，因此，孿生所需的臨界切應(yīng)力要孿生所需的臨界切應(yīng)力要比滑移時(shí)大得多。比滑移時(shí)大得多。 （2）

58、孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層）孿生是一種均勻切變，即切變區(qū)內(nèi)與孿晶面平行的每一層原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，原子面均相對(duì)于其毗鄰晶面沿孿生方向位移了一定的距離，且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成且每一層原子相對(duì)于孿生面的切變量跟它與孿生面的距離成正比。正比。 （3）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。）孿晶的兩部分晶體形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。（4）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。），面心立方

59、晶體中很難發(fā)生孿生。（5）孿生本身對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，但形成的孿晶改變）孿生本身對(duì)金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)了晶體的位向，使新的滑移系開動(dòng)，間接對(duì)塑性變形有貢獻(xiàn)。 b.孿生特點(diǎn)孿生特點(diǎn)c孿晶的形成孿晶的形成 在晶體中形成孿晶的主要方式有三種：在晶體中形成孿晶的主要方式有三種：l一是通過機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為一是通過機(jī)械變形而產(chǎn)生的孿晶，也稱為“變形孿晶變形孿晶”或或“機(jī)械孿晶機(jī)械孿晶”，它的特征通常呈，它的特征通常呈透鏡狀或片狀；透鏡狀或片狀；l其二為其二為“生長孿晶生長孿晶”，它包括晶體自氣態(tài)（如氣相沉，它包括晶體

60、自氣態(tài)（如氣相沉積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長大時(shí)形成的孿晶；積）、液態(tài)（液相凝固）或固體中長大時(shí)形成的孿晶；l其三是變形金屬在其再結(jié)晶退火過程中形成的孿晶，其三是變形金屬在其再結(jié)晶退火過程中形成的孿晶，也稱為也稱為“退火孿晶退火孿晶”，它往往以相互平行的孿晶面為界它往往以相互平行的孿晶面為界橫貫整個(gè)晶粒橫貫整個(gè)晶粒，是在再結(jié)晶過程中通過堆垛層錯(cuò)的生長，是在再結(jié)晶過程中通過堆垛層錯(cuò)的生長形成的。它實(shí)際上也應(yīng)屬于生長孿晶，系從固體中生長形成的。它實(shí)際上也應(yīng)屬于生長孿晶，系從固體中生長過程中形成。過程中形成。 (a) 退火孿晶示意圖 (b)純銅的退火孿晶 孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大