1、第八章：材料力學(xué)性質(zhì),材料物理導(dǎo)論,1、晶體的塑性變形2、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塑性3、各種金屬的塑性4、高溫蠕變5、非晶態(tài)金屬的強(qiáng)度,本章要點(diǎn),1、晶體的塑性變形材料在外力去除后仍保持部分應(yīng)變的特性稱為塑性.一、變形機(jī)制強(qiáng)度：材料施加應(yīng)力時(shí)，達(dá)到某個(gè)應(yīng)力之前不發(fā)生塑性變形和斷裂，這種承受能力；晶體的變形與：環(huán)境因素（溫度T）和施加應(yīng)力（）有關(guān)；通過(guò)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，可得材料變形機(jī)制圖；確定變形溫度T變形應(yīng)力；實(shí)驗(yàn)有多種：,拉伸實(shí)驗(yàn)疲勞實(shí)驗(yàn)沖擊實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)硬度實(shí)驗(yàn)斷裂實(shí)驗(yàn)蠕變實(shí)驗(yàn),材料力學(xué)性質(zhì),G/,表示支配各自變形機(jī)制區(qū)域的圖變形機(jī)制圖畫出了等應(yīng)變速度，描述了它的晶體塑性行為,鎢多晶體的變形機(jī)制,發(fā)現(xiàn)：變

2、形機(jī)制中低溫：主要為位錯(cuò)滑移機(jī)制高溫：主要為位錯(cuò)蠕動(dòng)機(jī)制,材料力學(xué)性質(zhì),二、晶體的滑移變形晶體的塑性變形主要是：滑移變形滑移是指在剪切應(yīng)力的作用下,晶體的一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生平移滑動(dòng).滑移帶與滑移線的關(guān)系如單晶體的滑移變形首先：使條紋沿特定晶面（滑移面）向特定方向（滑移方向）偏移，一組滑移方向和滑移面稱滑移系：hkl，hkl滑移面：晶格面間距最寬的面；lmn滑移方向：晶格矢量最短的方向；,材料力學(xué)性質(zhì),滑移帶與滑移線的關(guān)系,材料力學(xué)性質(zhì),fcc結(jié)構(gòu)金屬，滑移系：111，有12組相同的滑移系；bcc結(jié)構(gòu)金屬，滑移系：110；作用于滑移系上分切應(yīng)力用施密特定律給出：軸向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力；滑移面法

3、線方向和應(yīng)力軸構(gòu)成的角；滑移面方向和應(yīng)力軸構(gòu)成的角；施密特因子施密特法則,材料力學(xué)性質(zhì),所有相同滑移系中：?jiǎn)尉В簩?duì)滑移系組數(shù)沒(méi)有要求；多晶：由于晶粒間相互束縛，不能隨意變形，要求有5組獨(dú)立滑移系；原因晶體塑性變形自由度為5（空間物體均勻變形自由度9，減去旋轉(zhuǎn)3，體積不變1）；該條件簡(jiǎn)稱馮麥塞斯條件。,材料力學(xué)性質(zhì),三、金屬的塑性特征材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力稱為延展性。只有金屬晶體有延展性；原因：金屬晶體結(jié)構(gòu)致密（與陶瓷等比）。設(shè)：h晶格面間距；b伯格斯矢量大??；h/b越大，越易滑移（由晶格周期性決定）；位錯(cuò)中附帶派爾斯勢(shì)場(chǎng)；派爾斯勢(shì)場(chǎng)：所有相同滑移系中，晶體往哪個(gè)滑移系滑移，由派爾斯勢(shì)場(chǎng)

4、決定；指由于位錯(cuò)本身能量遵循晶體點(diǎn)陣周期性，其勢(shì)能在變化。,材料力學(xué)性質(zhì),派爾斯勢(shì)場(chǎng)消失的溫度：說(shuō)明：h/b值越大，滑移系越容易滑動(dòng)?；葡祷齐y易度由h/b的值和b本身的值決定!金屬加工性能好，由它的晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所決定！,位錯(cuò)超越勢(shì)壘過(guò)程中應(yīng)力與溫度的關(guān)系,派爾斯勢(shì)：原子間距變動(dòng)短程勢(shì)能，位錯(cuò)可借助熱勢(shì)能超越勢(shì)壘，圖示。位錯(cuò)以某種速度滑移需要應(yīng)力在絕對(duì)零度也必要，隨溫度升高而減少。T0附近派爾斯勢(shì)消失，T0用缺陷能量確定，與b3和成正比，如下式：,T0,Tp,0,溫度,應(yīng)力,派爾斯應(yīng)力,伯格斯矢量,材料力學(xué)性質(zhì),派爾斯勢(shì)力：設(shè)晶格面間距為h，彈性模量G；則：位錯(cuò)滑移所需要的臨界切應(yīng)力，依賴于

5、h/b；,材料力學(xué)性質(zhì),2、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塑性一、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻抗晶體的強(qiáng)度由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻抗確定，以下幾點(diǎn)決定：1）派爾斯勢(shì)原子間距變動(dòng)短程勢(shì)能，由晶體種類決定。由派爾斯勢(shì)控制的位錯(cuò)滑移難易程度由b和h/b的值決定。金屬中派爾斯勢(shì)：bcc低溫變形；hcp非底面滑移。,2）滑移位錯(cuò)與其他位錯(cuò)的相互作用對(duì)晶體塑性變形，位錯(cuò)密度增加，晶體變硬加工硬化；下圖所示：間距為h的滑移面上正負(fù)位錯(cuò)相互作用應(yīng)力，是水平距離x的函數(shù)：,l,h,y,0,x,材料力學(xué)性質(zhì),h晶格面間距G彈性模量b伯格斯矢量,晶體塑性變形，使位錯(cuò)密逐漸增加，增加后的位錯(cuò)間有相互作用，使某些位錯(cuò)難運(yùn)動(dòng)（增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻抗），增加晶體強(qiáng)度。重要

6、的是正負(fù)位錯(cuò)使滑移面交錯(cuò)，形成穩(wěn)定位錯(cuò)偶極子；大量偶極子形成多極子，如穿透滑移面，形成林位錯(cuò)?；莆诲e(cuò)受林位錯(cuò)作用，對(duì)應(yīng)變形應(yīng)力：,林位錯(cuò)密度,伯格斯矢量,彈性模量,材料力學(xué)性質(zhì),3）位錯(cuò)與固溶原子的相互作用主要有：彈性相互作用、化學(xué)相互作用、電的相互作用和幾何相互作用。最主要：彈性相互作用；,材料力學(xué)性質(zhì),其主要是：尺寸效應(yīng)和彈性模量效應(yīng)：,（a）尺寸效應(yīng)：母體晶體原子和固溶原子由于尺寸不同在位錯(cuò)周圍產(chǎn)生不同靜水壓;（b）彈性模量效應(yīng)：固溶原子轉(zhuǎn)換使轉(zhuǎn)換處彈性模量發(fā)生局部變化，引起位錯(cuò)應(yīng)變能發(fā)生相應(yīng)變化。,材料力學(xué)性質(zhì),置換固溶原子應(yīng)用尺寸效應(yīng)刃型位錯(cuò)與固溶原子的相互作用能：應(yīng)變能的變化：,

7、尺寸因子=(rs-r0)/r0，r0母體晶體的原子半徑，rs固溶原子的原子半徑,固溶原子的體積,彈性模量參數(shù)=(G-G)/G,材料力學(xué)性質(zhì),填隙固溶原子相互作用能：可見(jiàn)：填隙原子比轉(zhuǎn)換型原子對(duì)位錯(cuò)的影響大得多！,材料力學(xué)性質(zhì),置換固溶原子,4）位錯(cuò)與析出物的相互作用析出物和彌散粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使晶體變硬。析出物分共格和非共格析出物；（a）共格析出物：有與固溶原子一樣的尺寸效應(yīng)和彈性模量效應(yīng)，位錯(cuò)不管是切割析出物還是繞過(guò)析出物，都要有一定的能量才能實(shí)現(xiàn)；（b）非共格析出物：母相中的位錯(cuò)不能切割析出物時(shí)，析出物形成非常強(qiáng)的障礙；,材料力學(xué)性質(zhì),（2）屈服應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性變形區(qū)為直線，表示材料韌

8、性的基本性質(zhì)；但如形變從彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形時(shí)，發(fā)生彎曲，稱材料的屈服。此時(shí)應(yīng)力為屈服應(yīng)力。,材料力學(xué)性質(zhì),屈服的各種形態(tài),afcc金屬單晶中屈服；bfcc金屬多晶材料中屈服；cbcc金屬單晶和半導(dǎo)體晶體中屈服；d軟鋼材料中伴有呂德斯帶傳播的屈服；d中，塑性變形不是試樣整體同時(shí)發(fā)生，變形從產(chǎn)生應(yīng)力集中的部分開(kāi)始，由塑性變形區(qū)逐漸擴(kuò)展到整個(gè)試樣，使變形開(kāi)始變形區(qū)稱為呂德斯帶；,材料力學(xué)性質(zhì),下式：晶體塑性變形速度，N瞬間運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)密度，v平均滑移運(yùn)動(dòng)速度，晶體取向因子；(a)位錯(cuò)發(fā)生增殖屈服稱增殖控制的屈服，(b)可動(dòng)位錯(cuò)變化屈服稱可動(dòng)性控制的屈服。為使應(yīng)變速度一定，值使塑性變形減??；達(dá)上屈服應(yīng)力

9、后，變性應(yīng)力下降，屈服點(diǎn)下降；位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)間相互作用發(fā)生加工硬化，變形應(yīng)力經(jīng)過(guò)極小值后增加，該極小點(diǎn)為下屈服應(yīng)力。,位錯(cuò)的增殖過(guò)程圖,接近c(diǎn)臨界應(yīng)力，v急劇變小，則成為零,屈服的微觀機(jī)制：發(fā)生塑性形變：位錯(cuò)須發(fā)生增殖，同時(shí)可動(dòng)位錯(cuò)密度變大。,（3）加工硬化對(duì)晶體塑性變形，位錯(cuò)密度增加，晶體變硬加工硬化；利用塑性加工引起加工硬化現(xiàn)象如鋼琴絲，強(qiáng)韌性通過(guò)強(qiáng)加工形成；原因：塑性變形引起晶體中大量位錯(cuò)逐漸塞積，從而使發(fā)生形變變得困難。硬化的大小與位錯(cuò)密度的方根成正比；在電子顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，稱為利赫許關(guān)系,材料力學(xué)性質(zhì),（4）固溶硬化和沉淀硬化a）點(diǎn)障礙引起的硬化：固溶原子和微小析出物可近

10、似看成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)障礙。點(diǎn)障礙引起的形變阻抗為：,材料力學(xué)性質(zhì),b）高濃度固溶體的強(qiáng)度：高濃度固溶體，固溶原子不再隨機(jī)分布，而是有一定有短程的序，產(chǎn)生格外的一個(gè)作用力：格外作用在位錯(cuò)上的抗力是固溶原子的抗力，再加上非熱激活應(yīng)力。,材料力學(xué)性質(zhì),c）沉淀硬化：析出硬化應(yīng)力：說(shuō)明：析出硬化量由析出物之間的間距(-d)確定。時(shí)效初期：是小的析出物，然后析出粒子粗化（小的析出物消失，大的析出物長(zhǎng)大），間距(-d)增大硬化量減少，析出硬化進(jìn)行。然后：析出結(jié)束后，析出硬化達(dá)飽和。即：析出硬化量隨時(shí)效時(shí)間增加面減少。,材料力學(xué)性質(zhì),材料力學(xué)性質(zhì),4、高溫蠕變一、高溫蠕變的特征高溫：指高于1/2Tm（金屬融點(diǎn)

11、）的絕對(duì)溫度；蠕變：變形隨著時(shí)間緩慢的蠕動(dòng)。當(dāng)對(duì)材料施加恒定應(yīng)力0時(shí)，其應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象。應(yīng)變速度用公式表示：高溫形變中，產(chǎn)生加工硬化地同時(shí)出現(xiàn)軟化。蠕變類型：納巴-海林蠕變（只有原子擴(kuò)散）；柯布萊蠕變（只在晶界擴(kuò)散）,瞬時(shí)發(fā)生的和時(shí)間沒(méi)有關(guān)系,應(yīng)變與時(shí)間成正比,加速蠕變階段。應(yīng)變率隨時(shí)間增加，最后到d點(diǎn)斷裂,蠕變減速階段,材料力學(xué)性質(zhì),oa段形變是瞬時(shí)發(fā)生的和時(shí)間沒(méi)有關(guān)系第一階段蠕變ab，蠕變減速階段A為常數(shù)；低溫時(shí)n=1，高溫時(shí)n=2/3，第二階段蠕變bc，穩(wěn)態(tài)蠕變階段（常數(shù)）應(yīng)變與時(shí)間成正比；第三階段蠕變cd，加速蠕變階段。應(yīng)變率隨時(shí)間增加，最后到d點(diǎn)斷裂,材料力學(xué)性質(zhì),高溫蠕變理

12、論,1、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論2、擴(kuò)散蠕變理論3、晶界蠕變理論,高溫蠕主要有以下幾種理論:,高溫蠕理論,位錯(cuò)攀移示意圖,高溫蠕理論,(1)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論:在低溫下受到阻礙而難以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò),在高溫下由于熱運(yùn)動(dòng)增大了原子能量,使得位錯(cuò)克服阻礙發(fā)生運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致材料蠕變.,高溫蠕理論,（2）擴(kuò)散蠕變理論與晶體中的擴(kuò)散現(xiàn)象類似,蠕變過(guò)程是應(yīng)力作用下空位沿應(yīng)力作用方向擴(kuò)散的一種形式.,沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率,沿晶界擴(kuò)散擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率,多晶材料中存在著大量晶界，當(dāng)晶界位向差大時(shí)，可以把晶界看成是非晶體。高溫時(shí)，其粘度變小，從而易發(fā)生粘滯流動(dòng)，而產(chǎn)生蠕變。,高溫蠕理論,影響蠕變的因素:溫度、應(yīng)力、組分、晶粒大

13、小等。,（3）晶界蠕變理論,（2）純金屬蠕變與合金蠕變應(yīng)力指數(shù)n接近5時(shí)稱純金屬蠕變；純金屬蠕變：產(chǎn)生特有的二次晶狀組織，形成亞晶界和位錯(cuò)網(wǎng)，阻抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要應(yīng)力是內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)n大約為3時(shí)，稱合金蠕變；合金蠕變：不產(chǎn)生亞晶界和位錯(cuò)網(wǎng)，阻抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力除了內(nèi)部應(yīng)力還有有效應(yīng)力。,材料力學(xué)性質(zhì),圖表示兩者和區(qū)別如下：,純金屬型和合金型的過(guò)渡蠕變曲線,應(yīng)變速度隨時(shí)間逐漸減少，一直達(dá)穩(wěn)定,變形速度一度增加之后，過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)出向下凸的曲線,材料力學(xué)性質(zhì),（3）高溫蠕變的機(jī)制a）純金屬蠕變的位錯(cuò)網(wǎng)長(zhǎng)大理論：位錯(cuò)網(wǎng)長(zhǎng)大的速度：回復(fù)率為：應(yīng)變速度：所以硬化系數(shù)：,5、非晶態(tài)金屬的強(qiáng)度一般結(jié)晶體硬，

14、但同時(shí)也脆，而非晶態(tài)金屬硬而不脆，作為高強(qiáng)度材料極其有用。（1）非金屬塑性行為的兩個(gè)區(qū)域低溫：滑移變形區(qū)高溫：均勻變形區(qū),Cu57Zr43非晶合金的曲阜應(yīng)力和溫度的關(guān)系,材料力學(xué)性質(zhì),a）在某個(gè)溫度（幾百個(gè)K，滑移變形區(qū)）以下，由于變形是因?yàn)榫钟蛐曰圃斐傻模蔷B(tài)與晶體的塑性曲線一樣。但變形不是簡(jiǎn)單的從一個(gè)派爾斯谷移動(dòng)一個(gè)原子距離到另一個(gè)派爾斯谷，而是局域原子都參加的剪切變形而成，因此不能由熱激活，強(qiáng)度非常高。,Cu57Zr43非晶合金的曲阜應(yīng)力和溫度的關(guān)系,材料力學(xué)性質(zhì),b）而在此溫度以上（均勻變形區(qū)），塑性曲線表現(xiàn)出與玻璃在高溫下形變的特性，表現(xiàn)出有粘性的流動(dòng)變形。試樣內(nèi)各處獨(dú)立地由熱激

15、活過(guò)程控制局域剪切變形，是規(guī)模更小的變形，因而表現(xiàn)：粘性、均勻性，流動(dòng)性。,Cu57Zr43非晶合金的曲阜應(yīng)力和溫度的關(guān)系,材料力學(xué)性質(zhì),（2）變形的微觀機(jī)制a）滑移變形非晶中不存在長(zhǎng)程有序，物理性能各向同性；不存在晶界，易獲高強(qiáng)度；改變?cè)蛹敖M成比，改變材料物理參數(shù)，密度，硬度，耐熱性，電導(dǎo)率，折射率和禁帶寬度等。非晶態(tài)金屬無(wú)長(zhǎng)程有序，粘度達(dá)1013泊P，1P=0.1PaS），某一狹窄溫區(qū)可發(fā)生明顯結(jié)構(gòu)相變。力學(xué)性質(zhì)比一般金屬高得多，非晶Fe80B20，斷裂強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)鋼7倍，抗拉強(qiáng)度達(dá)4000MPa，維氏硬度HV達(dá)1400，楊氏模量E和剪切模量G較一般金屬低30%40%。,材料力學(xué)性質(zhì),非晶

16、態(tài)有高強(qiáng)度和硬度，由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征：a、可能有短程序原子尺寸在80埃以內(nèi)，原子位移大小和方向沒(méi)有晶態(tài)金屬特有的晶格滑移限制；b、非晶態(tài)金屬存在活動(dòng)性很高局部區(qū)域，外力作用時(shí)這些局部區(qū)域重新排列形成另一穩(wěn)定組態(tài)，使非晶態(tài)金屬屈服時(shí)呈整體屈服而不是晶態(tài)中局部屈服；c、非晶態(tài)金屬接近是一個(gè)連續(xù)均勻體，基本上各向同性，沒(méi)有晶界、孿晶、位錯(cuò)等微觀缺陷，故有高強(qiáng)度和硬度；d、非晶態(tài)金屬?gòu)?qiáng)度隨溫度升高而急劇下降，拉伸應(yīng)力卻顯著增大，在常溫附近，應(yīng)變速度愈大，強(qiáng)度下降傾向愈大，這一行為與晶態(tài)金屬相反。,材料力學(xué)性質(zhì),b）均勻變形高溫的均勻變形不是變形應(yīng)力的傳播形式，是由試樣內(nèi)各處獨(dú)立由熱激活產(chǎn)生局域剪切變形造成。,材料力學(xué)性質(zhì),第五講復(fù)習(xí)思考題1、簡(jiǎn)述晶體的塑性變形機(jī)制；2、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻抗主要由哪幾點(diǎn)決定？3、加工硬化現(xiàn)象及其引起的原因？4、簡(jiǎn)述高溫蠕變的機(jī)制；5、簡(jiǎn)述非晶態(tài)金屬的強(qiáng)度的決定因素。,第五講復(fù)習(xí)思考題,知識(shí)要點(diǎn)：1.變形機(jī)制2.晶體的滑移變形晶體的滑移系選擇晶格面間距大的面作為滑移面.h/b越大的滑移系越容易滑移.位錯(cuò)周圍的勢(shì)能:派爾斯勢(shì),派爾斯力位錯(cuò)超越勢(shì)壘過(guò)程中的應(yīng)力與溫度關(guān)系.臨界溫度,及與b,h的關(guān)系.位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻抗:(1)派爾斯勢(shì)(2)位錯(cuò)之間的相互作用(3)位錯(cuò)與固溶