无机材料物理性能第2讲

微晶粒超塑性：与材料的显微结构密切相关的 超塑性。
超塑性变形行为可采用下式加以描述
&
A(Gb)( b kT d
)m( )n
G
D0
exp(
Q RT
)
细晶结构是无机材料实现超塑性的先决条件！
添加SiO2的TZP的超塑性拉伸曲线
不同晶粒尺寸的TZP在1400℃下的超塑性变形曲线
变形前后TZP试样宏观形状
有关。（详见教材P18！） 3．组成
硅酸盐材料的粘度随着不同阳离子的 加入而变化。氧化物玻璃中，改性阳离子 （如碱金属氧化物）的加入在任何给定温度 下总会使粘度降低。
1.5 无机材料的高温蠕变
高温蠕变：材料在高温和恒定应力作用下，即使应 力低于弹性极限，也会发生缓慢的塑性变形。
➢材料在高温下的力学性能都是和蠕变过程相联系 的。
e u 2
0 E kT sinh
23
2kT
1
根据牛顿定律 : dv , 得:
1
dx
1
1
2
eE
0
kT
sinh 231
3kT
可近似认为
1
2
3
, 则：
expE kT
式中:
v
2
0
sinh
0
2kT
E —没有剪应力时的势垒高度；
—频率，即每秒超过势垒的次数； 0
柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形状的位错 只有一个柏氏矢量。
三、 塑性形变速率对屈服强度的影响
YS m
式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。
1.4 高温下玻璃相的黏性流动
dv
dx
dv 或
dx
dr
dt
式中，常数为粘性系数或粘度，单位为 Pa s
这一定律称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫 牛顿液体。
➢蠕变和塑性形变的区别：塑性变形通常在应力超 过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时 间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。
一、粘弹性与滞弹性
粘弹性：一些非晶体和多晶体在较小的应力时同时表现 出弹性和粘性的现象。
滞弹性（弹性后效）：材料在快速加载或卸载后，随时
间的延长而产生的附加弹性应变的性能，即应变落后于应力
晶格滑移的基本条件:
➢ 几何条件：滑移只能在一定的
晶面（滑移面）且只能沿此面 上的一定方向（滑移方向）进 行，通过滑移使晶体结构复原 所需的位移量要小
➢ 静电作用条件：同号离子不能
滑移过程中相遇
晶体的滑移示意图
晶格滑移的特点:
➢ 滑移距离是晶格常数的整数倍； ➢ 滑移总是发生在主要晶面和主要晶向上，滑移面
剪应力才能使 H 降低，无机材料中滑移系统只有
有限几个，难产生塑性形变 ； 3）温度升高，位错运动的速度加快，塑性形变开 始增强。
单晶氧化铝的形变行为
塑性形变速率的计算：
设在时间t内，长度为l的试件的
形变量为Δl，应变为：
l ,应变率 d
l
dt
如果l×l平面内有n个位错，参与形变
的滑移平面上的位错密度为：
1.3 无机材料中晶相的塑性形变
塑性形变??? 延展性（或塑性）：材料经受塑性形变而不破坏的 能力。
由弹性形变变为塑性形变的 应力或产生塑性变形的最小 应力叫屈服应力，也称为屈 服极限或屈服强度。其特点 是外力达到屈服应力时，变 形骤然加快。
一、 晶格滑移
滑移: 晶体的一部分相对于另一部分发生的平移滑动。 孪晶: 晶体的一部分相对于另一部分发生的转动。
通常是原子排列最紧密的晶面，而滑移方向也常
常是滑移面上原子最密排的方向；
➢ 滑移是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，才发生沿该晶
面的滑移 。
临界剪应力的确定:
由左图可知， 滑移面上F方向的应力为：
F F cos / A A/ cos
此 应 力 在 滑 移 方 向 上 的 分 剪应力为：
F cos cos / A
该式为施密特定律！
a）不同滑移面及滑移方向的剪应力不一样 ；
b）同一滑移面上不同滑移方向剪应力也不一样；
c）当 （0 临界剪应力），发生滑移； d）当 角和 角处于同一平面时，滑移方向的分
剪应力值最大 ；
金属与非金属晶体滑移难易的比较
金属
由一种离子组成 金属键无方向性
塑性形变的位错运动理论示意图
由统计热力学理论可得位错运动的速率：
V V0eH T
式中： V0 —与原子热振动固有频率有关的常数
—波尔兹曼常数，为1.38×10-23J/K
T — 绝对温度
1） 当无外力时， H 比 KT 大得多，位错运动
困难；
2）位错只能在滑移面上运动，只有滑移面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的分
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界为晶粒与晶粒结合， 抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全湿润晶相， 玻璃相穿入晶界，将晶粒包围，就形成了抗蠕变最 薄弱的结构，抵抗蠕变的性能就差，其它湿润程度处 在二者之间。
➢ 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕 变行为不一样。
２） ab 蠕变减速阶段。特点是应变速率随时间
递减，其规律可表示为
d Atn
dt
A为常数.低温时， n 1， Aln t
高温时，
n
2 ，&
2
At 3
3
３） bc稳定蠕变阶段。特点是蠕变速率几乎保持
不变，即d dt k（常数），所以， kt
4） cd 加速蠕变阶段。 特点是应变率随时间增加 而增加，最后到 d 点断裂。
➢位错的基本形式：刃型、螺型位错。 ➢在外力的作用下，位错会产生运动、堆积和缠结， 位错附近区域产生晶格畸变，提高材料的强度。 ➢位错的存在和运动对塑性变形至关重要。
塑性形变的位错运动理论（熟记）：实际 晶体中存在位错缺陷，当受到剪切应力作用 时，并不是晶体内两部分整体相对错动，而 是位错在滑移面上沿滑移方向运动。即晶体 的滑移是位错运动的结果，而滑移反映出来 的宏观上的塑性形变也是位错运动的结果。
一、流动模型
绝对速率模型：液体流动是一种速率过程，液体层相 对于邻层液体流动时，液体分子从开始的平衡状态过 渡到另一平衡状态，其间液体分子必须越过势垒E 。
1）在没有剪切力 作用时，势能曲线是对称的。
2）在剪切力 作用下，势能曲线变得不对称，沿流
动方向上的势垒减少了E，根据绝对反应速率 理论，流动速率：
（ 3 ）柏氏矢量 b 较大。
位错的形成需要能量，由弹性理论的计算，位错
形成能为：E aGb2
a—为几何因子，约０.５～１.０； b—柏氏矢量，相当于晶格的点阵常数，b越小， 愈易形成位错。
为什么无机材料难以产生塑性形变？？？
➢ 无机材料是二元以上的多元化合物，结构比较复 杂，位错形成能较大，不易形成位错，加上位错 运动也很困难，因此难以产生塑性形变。
➢ 5.晶体结构 共价键结构程度增加，扩散及位错运动降低，
抗蠕变性能就较好。
1.6 无机材料的超塑性
超塑性：一些晶粒尺寸非常细小的无机材料在较高温度下 受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变能力发生较 大幅度的提高，远大于常规变形极限的现象。
超塑性
相变超塑性：由于材料发生结构相变而导致永 久性的各向异性尺寸变化。
温度和应力对蠕变曲线的影响：
（１） T 或负荷较低时，稳定蠕变阶段延长。 （２）外力对应变速率的影响很大，& k n，n为蠕变
的应力指数，通常在2～20之间变化。
三、高温蠕变理论(自学)
四、蠕变断裂
蠕变变形量达到一定程度后，便会发生蠕变断裂。
蠕变断裂
晶格蠕变：晶粒表面处聚集的缺陷逐渐发育， 当缺陷尺寸达到某一临界值时，于外力作用 迅速扩展而致，主要表现为穿晶断裂。
结构简单 滑移系统多
非金属
组成复杂 共价键或离子键有方向
结构复杂 滑移系统少
二、 塑性形变的位错运动理论
“位错”这一概念最早由意大利数学家和物理学家维 托·伏尔特拉（Vito Volterra）于1905年提出。又可称 为差排，是晶体材料的一种内部微观缺陷。从几何角 度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部 分与未滑移部分的分界线。
的现象。
蠕变或徐变：当对粘弹性体施加恒定应力时，其应变将
随时间而增加的现象。此时的弹性模量可表示为：
Ec
(t)
0 (t)
弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变时，其应力将随时 间而减小的现象。此时弹性模量可表示为：
Er
(t)
(t) 0
二、高温蠕变曲线
该曲线分四个阶段：
１） oa在外力作用下发生瞬时弹性形变
知识补充：柏氏矢量
柏氏矢量（Burgers vector）：描述位错实质的重 要物理量，反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的 总积累。
柏氏矢量亦称为位错强度，位错的许多性质如位错的 能量、所受的力、应力场、位错反应等均与其有关。它也 表示晶体滑移时原子移动的大小和方向，其方向表示滑移 方向，其大小一般是一个原子间距。
晶界蠕变：晶界的滑移使微裂纹在晶界的一些 薄弱点形成，并逐渐发育长大至临界尺寸时 失稳扩展导致材料断裂，主要表现为沿晶断裂。
五、影响蠕变的因素
➢ 1.温度 温度升高，位错运动和晶界错动加快，扩散系数增 大，蠕变增大。
➢ 2.应力 蠕变随应力增加而增大； 对材料施加压应力，则增加了蠕变的阻力。
➢ ３.显微结构的影响 气孔率增加，蠕变率增大； 晶粒越小，蠕变率越大； 玻璃相含量高,蠕变率增大；玻璃相对蠕变的影响 取决于玻璃相对晶相的湿润程度，不湿润＜完全湿 润。
k —波尔兹曼常数；
T —绝对温度；
v0 3 —流动体积，与分子体积大小相当。
一般地， 很小，v0也很小。 而 v0
小于 kT ，即
sinh
v0
2kT
v0
2kT
，则：
远远
e
kT
E
kT
v e 0 0
E
kT 0
二、影响粘度的因素
1．温度 温度升高，粘度下降。
2．时间 在玻璃转变区域内，玻璃液的粘度与时间
D n
l2
v 位错运动的平均速度为：
l
t
每个位错的运动造成位错方向上的一个原子间距
大小的滑移，即一个柏氏矢量的滑移，则单位时间内
的滑移量为：
nbc l tt
宏观应变率 &
d
dt
l lt
bnc lt
lbnc l 2t
vDbc
要造成显著的宏观塑性变形，必须满足： （１）有足够多的位错；
（２）位错有一定的运动速度；
思考题
➢为什么室温下大多数无机晶体（复杂晶体）不 具有延性？ ➢为什么NaCl型结构的晶体在室温下具有延性？ ➢为什么无机材料中难以产生塑性形变？ ➢高温蠕变的位错运动理论的含义？ ➢影响蠕变的因素有哪些？怎样影响？ ➢玻璃相的粘度与哪些因素有关？ ➢影响无机材料超塑性的主要因素有哪些？
作业：
1.1、1.4、1.6 注：1.1中圆杆拉细 后的直径应为2.4mm （教材有误）！