【正文】 ，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不容易產(chǎn)生滑移。塑性形變的位錯運動理論 實際晶體中存在位錯缺陷，當(dāng)受剪應(yīng)力作用時，并不是晶體內(nèi)兩部分相互錯動，而是位錯在滑移面上沿滑移方向運動。使位錯運動所需要的力比使晶體兩部分整體相互滑移所需要的力小得多。所以實際晶體的滑移是位錯運動的結(jié)果。 位錯是一種缺陷，在原子排列有缺陷的地方一般勢能比較高。v 內(nèi)力平衡時原子處于勢能最低的位置。有了位錯情況就不同了，在位錯處出現(xiàn)勢能空位，鄰近的原子C2遷移到空位上需要克服勢壘h’比h小?？朔輭緃’所需要的能量可由升高溫度的熱能或由外力作用的功來提供。v 在外力作用下，滑移面CD上就有分剪應(yīng)力τ，此時勢能曲線變得不對稱，C2原子遷移到空位要克服的勢壘為H(τ)，且H(τ) ＜h’。就是說，τ的作用是使h’降低， C2原子遷移到空位更加容易，也就是刃形位錯線向右移動更加容易。 τ的作用提供了克服勢壘所需要的能量。顯然， H(τ)叫做“位錯運動激活能”，和τ有關(guān)。τ大， H(τ)??；τ小， H(τ)大，故H(τ)為τ的函數(shù)。當(dāng)沒有剪應(yīng)力作用時， H(τ)最大，此時H(τ) =h’。 一個原子能脫離平衡位置的幾率是由波爾茲曼因子eE/kT決定的，E為激活能。位錯既是一種缺陷，其運動速度也應(yīng)該由波爾茲曼因子決定，所以位錯運動的速度寫成：v 分析上式可以看出：? 當(dāng)無外力時， H(τ) =h’，比kT大得多。例如室溫T=300K，則kT=1021J1018eV=。，而具有方向性的離子、共價鍵的無機材料，其比金屬大得多，約為1eV數(shù)量級，所以室溫下無機材料中位錯運動十分困難；? 位錯只能在滑移面上運動，只有滑移面上的分剪應(yīng)力才能使降低。無機材料中滑移系統(tǒng)只有有限幾個，因此滑移面上分剪應(yīng)力往往很小，尤其是在多晶陶瓷中更是如此。不同晶粒的滑移系統(tǒng)的方向不同，在晶粒中的位錯運動遇到晶界就會塞積下來，形不成宏觀滑移,所以更難產(chǎn)生塑性形變。 溫度升高時，位錯運動的速度加快。所以脆性材料如氧化鋁在高溫下也有一定塑性形變。v 位錯運動的理論充分說明無機材料中產(chǎn)生位錯運動是困難的。當(dāng)滑移面上的分剪應(yīng)力尚未使位錯以足夠速度運動時，此應(yīng)力可能已超過微裂紋擴展所需要的臨界應(yīng)力而使材料脆裂。v 由于滑移反映出來的宏觀上的塑性形變是位錯運動的結(jié)果，因此宏觀上的形變速率和位錯運動有關(guān)。v 由(132)式可知，塑性形變率取決于位錯運動的速度、位錯密度D、柏氏矢量b和位錯增殖系數(shù)c。v 因此要造成宏觀塑性形變，必須（1）足夠多的位錯；（2）位錯有一定的運動速度；（3）從（）式分析，柏氏矢量b大的材料應(yīng)變速率大。v 另一方面，由于位錯的形成需要能量，由彈性理論的計算，位錯形成能為：式中G為剪切模量，a為幾何因子，b為柏氏矢量v 位錯能量和b2成正比，b小，位錯能量也小，容易形成位錯。b相當(dāng)于晶格的點陣常數(shù)。金屬為單元結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)較小，一般為3197。左右，因此，形成位錯的能量小，容易形成位錯。v 無機材料都是二元以上的多元化合物，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，點陣結(jié)點中原子數(shù)較多，如MgAl2O4三元化合物，點陣常數(shù)較大，約為8197。 ，氧化鋁的點陣常數(shù)也在5197。 以上，形成位錯的能量較大。因此，無機材料中不容易形成位錯，位錯運動也很困難，也就難以產(chǎn)生塑性形變。3. 塑性形變速率對屈服強度的影響 在一定的剪應(yīng)力作用下，將使位錯運動激活能減小。剪應(yīng)力越大，激活能越小，因而位錯運動速率越大，所以塑性形變速率與所受剪應(yīng)力的大小成正比?！鏈囟认聦尉а趸X試樣進行不同形變速率的拉伸試驗。v 從圖中可見，形變速率大的，相應(yīng)的剪應(yīng)力最大值也大，表現(xiàn)在宏觀上屈服強度點也越高，因而塑性變形速率與屈服強度有一定關(guān)系：v 式中，m為位錯運動速率的應(yīng)力敏感性指數(shù)。 無機材料的高溫蠕變 在高溫下無機材料卻有不同程度的蠕變行為，因此在高溫下使用無機材料時，就必須考慮蠕變。實驗發(fā)現(xiàn)。v 該曲線可分為四段：? 起始段oa。在外力作用下發(fā)生瞬時彈性形變。若外力超過試驗溫度下的彈性極限，則oa段也包括一部分塑性形變。? 第一階段蠕變ab，也叫蠕變減速階段（或一次蠕變），此段的特點是應(yīng)變速率隨時間遞減，即ab段的斜率dε/dt隨時間的增加愈來愈小，曲線愈來愈平緩。其變化規(guī)律可用經(jīng)驗公式表示如下：? 第二階段蠕變bc，也叫穩(wěn)態(tài)蠕變階段（或二次蠕變，中期蠕變）。材料進入二次蠕變階段，最終必然導(dǎo)致斷裂。這一階段的特點是蠕變速率幾乎保持不變。dε/dt=K（常數(shù)），所以v 第三階段蠕變cd，也叫加速蠕變階段（或三次蠕變）。此段特點是應(yīng)變率隨時間增加而自增加，即蠕變曲線變陡，最后到d點斷裂。材料處于即將斷裂的危險狀態(tài)，蠕變斷裂發(fā)生在伸長達到某一斷裂伸長值時，此時伸長量對負荷和溫度的依賴關(guān)系并不明顯。v 當(dāng)外力和溫度不同時，雖然蠕變曲線仍保持上述幾個階段的特點，但各階段時間及傾斜程度將變化。v 。v 從圖可以看出，當(dāng)溫度或應(yīng)力較低時，穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長；當(dāng)應(yīng)力或溫度增加時穩(wěn)定態(tài)蠕變階段縮短，甚至不出現(xiàn)。外力對應(yīng)變速率的影響很大，可表示為 K為常數(shù)。n為2－20。1. 高溫蠕變的位錯運動理論v 根據(jù)這種理論，無機材料中晶相的位錯在低溫下受到障礙難以發(fā)生運動，在高溫下院子熱運動加劇，可以使位錯從障礙中解放出來，引起蠕變。由前面討論的式（）（）可知，當(dāng)溫度增加時，位錯運動的速度加快。除位錯產(chǎn)生滑移外，位錯的攀移也能產(chǎn)生宏觀上的變形。攀移是位錯的運動的另一種形式。v 通過吸收空位，位錯可攀移到滑移面以外，繞過障礙物，使滑移面移位。攀移是通過擴散進行的。由于晶體中存在過飽和的空位，多余的半片原子可以向空位擴散。如果整個半片原子擴散走了，位錯就移出晶體之外。熱運動有助于使位錯從障礙中解放出來，并使位錯運動加速。v 當(dāng)受阻礙較小，容易運動的位錯解放出來完成蠕變后，蠕變速率就會降低。這就解釋了蠕變減速階段的特點。如果繼續(xù)增加溫度或延長時間，受阻礙較大的位錯也能進一步解放出來，引起最后的加速蠕變階段。常溫高應(yīng)力下的金屬蠕變，多半由于位錯運動所致。 2. 擴散蠕變理論v 這種理論認為高溫下的蠕變現(xiàn)象和晶體中的擴散現(xiàn)象類似，并且把蠕變過程看成是外力作用方向擴散的一種形式。當(dāng)試件受拉時，受拉晶界的空位濃度增加。式中Ω為空位體積，c0為平衡空位濃度。在受壓晶界上，空位濃度c壓減小。 這樣，受拉晶界與受壓晶界產(chǎn)生了空位濃度差，受拉晶界的空位向受壓晶界遷移，同時原子朝相反方向擴散，導(dǎo)致沿受拉方向伸長，發(fā)生形變。 Nabarro和Herring計算了沿晶粒內(nèi)部擴散的穩(wěn)態(tài)蠕變速率： 如果擴散沿晶界進行，根據(jù)Coble的計算，蠕變率為 在晶粒內(nèi)部，各點的應(yīng)力狀態(tài)（或者說最大剪應(yīng)力方向）不同，不可能產(chǎn)生集中的位錯塞積，而是產(chǎn)生高溫下短程的位錯運動的迭加。每次位錯運動均選擇最優(yōu)的滑移系統(tǒng)。所以在顯微尺度上，看不出有規(guī)律的滑移線組，而是呈現(xiàn)宏觀塑性變形。3. 晶界蠕變理論v 多晶陶瓷中存在著大量晶界，當(dāng)晶界位向差大時，可以把晶界看成是非晶體，因此在溫度較高時，晶界粘度迅速下降，外力導(dǎo)致晶界粘滯流動，發(fā)生蠕變。4. 影響蠕變的因素v (1) 溫度 前面已經(jīng)提到溫度升高蠕變增大。這是由于溫度升高，位錯運動和晶界錯動加快，擴散系數(shù)增大，這些都對蠕變有所貢獻。 v (2) 應(yīng)力 ，蠕變隨應(yīng)力增加而增大。若對材料施加壓應(yīng)力，則增加另外蠕變的阻力。v (3) 顯微結(jié)構(gòu)的影響 蠕變是結(jié)構(gòu)敏感的性能。氣孔、晶粒尺寸、玻璃相等都是對蠕變有很大影響。，隨著氣孔率的增加，蠕變率也增大。這是因為氣孔減少了抵抗蠕變的有效截面積。此外，當(dāng)晶界粘性流動起主要作用時，氣孔的空余體積可以容納晶粒所發(fā)生的形變。 關(guān)于晶粒尺寸的影響，可以從公式看出，晶粒愈小，蠕變率愈大。這是因為晶粒愈小，晶界的比例大大增加，晶界擴散及晶界流動的貢獻也就增大。，尖晶石的晶粒尺寸為2~5181。m時，ε’＝10－5；當(dāng)晶粒尺寸為1~3mm時， ε’＝10－5 ，蠕變率減小很多。單晶沒有晶界，因此，抗蠕變的性能比多晶材料好。 玻璃相對蠕變的影響也很大。通常多晶陶瓷存在玻璃相。當(dāng)溫度升高時，玻璃相的粘度降低，因而變形速率增大，亦即蠕變率增大。，非晶態(tài)玻璃的蠕變率比結(jié)晶態(tài)要大得多。玻璃相對蠕變的影響還取決于玻璃相對晶相的濕潤程度。如果玻璃相不濕潤晶相，（a），則在晶界處為晶粒與晶粒結(jié)合，抵抗蠕變的性能就好；如果玻璃相完全濕潤晶相，（b）,玻璃相穿入晶界，將晶粒包圍，形成抗蠕變最弱的結(jié)構(gòu)。其他濕潤程度處在以上二者之間。v 從高溫耐火材料中消除玻璃相是必要的，但實踐上難以做到。當(dāng)然也可以控制溫度，改變玻璃組成等辦法來降低玻璃的濕潤特性，但這樣一來，又會使得低溫下不易燒結(jié)成致密的 耐火材料。v 此外，還可以通過改變玻璃組成來改變玻璃相的粘度。在氧化鎂中加入氧化鉻制成鎂磚，由于降低了玻璃相的濕潤性，從而提高了抗蠕變的性能；反之，添加Fe2O3時，由于增加了玻璃相的濕潤性而降低了強度。v (4) 組成 顯然，組成不同的材料其蠕變行為不同。即使組成相同，單獨存在和形成化合物，其蠕變行為也不一樣。例如Al2O3和SiO2，單獨存在和形成莫來石（3Al2O32SiO2 ）時，蠕變行為就不相同。v (5) 晶體結(jié)構(gòu) 隨著共價鍵結(jié)構(gòu)程度增加，擴散及位錯運動降低，因此，像碳化物，硼化物等陶瓷材料的抗蠕變性能就很好。第三章 無機材料的脆性斷裂與強度 平面應(yīng)力：只在平面內(nèi)有應(yīng)力，與該面垂直方向的應(yīng)力可忽略，例如薄板拉壓問題。 平面應(yīng)變：只在平面內(nèi)有應(yīng)變，與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略，例如水壩側(cè)向水壓問題。 具體說來：平面應(yīng)力是指所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)，如果平面是OXY平面，那么只有正應(yīng)力σx，σy，剪應(yīng)力τxy(它們都在一個平面內(nèi))，沒有σz，τyz，τzx。平面應(yīng)變是指所有的應(yīng)變都在一個平面內(nèi)，同樣如果平面是OXY平面，則只有正應(yīng)變εx，εy和剪應(yīng)變γxy，而沒有εz，γyz，γzx。 舉例說來：平面應(yīng)變問題比如壓力管道、水壩等，這類彈性體是具有很長的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長度不變；作用外力與縱向軸垂直，并且沿長度不變；柱體的兩端受固定約束。平面應(yīng)力問題討論的彈性體為薄板，薄壁厚度遠遠小于結(jié)構(gòu)另外兩個方向的尺度。薄板的中面為平面，其所受外力，包括體力均平行于中面面內(nèi)，并沿厚度方向不變。2002年11月19日，希臘“威望”號油輪在西班牙加利西亞省所屬海域觸礁，斷裂成兩截，隨后逐漸下沉。1912年號稱永不沉沒的豪華的泰坦尼克號(Titanic)沉沒于冰海中。什么是材料的強度?v 材料的強度：抵抗外加負荷的能力。根據(jù)使用中受力的情況，要求材料具有抗拉、壓、彎、扭、循環(huán)荷載等指標。從兩個不同角度對材料強度進行研究：? 以應(yīng)用力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀現(xiàn)象研究材料應(yīng)力應(yīng)變狀況，進行力學(xué)分析，總結(jié)出經(jīng)驗規(guī)律，作為設(shè)計、使用材料的依據(jù)。這是力學(xué)工作者的任務(wù)；? 從材料的微觀結(jié)構(gòu)研究材料的力學(xué)性狀，即研究材料宏觀力學(xué)性能的微觀機理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。這是材料科學(xué)的研究范圍為什么是發(fā)生脆性斷裂?v 脆性斷裂：在外力作用下，在高度應(yīng)力集中點（內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋）附近單元, 所受拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍。如果超過材料的臨界拉應(yīng)力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導(dǎo)致脆性斷裂。v 因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應(yīng)力集中度很高的地方，并選擇這種地方的某一缺陷（或裂紋、傷痕）而開裂。裂紋的存在及其擴展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。l 在臨界狀態(tài)下，當(dāng)斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力＝結(jié)合強度→裂紋擴展→引起周圍應(yīng)力再分配→裂紋的加速擴展→突發(fā)性斷裂。l 當(dāng)裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴展，但在長期受力情況下（高溫或腐蝕性氣體），會出現(xiàn)裂紋的緩慢生長。脆性斷裂現(xiàn)象斷裂現(xiàn)象分類:? 金屬類：先是彈性形變，然后塑性變， 直至斷裂。? 高分子類：先是彈性形變（很大），然 后塑性形變，直至斷裂。? 無機材料：先是彈性形變（較小），然 后不發(fā)生塑性形變（或很?。? 而直接脆性斷裂。脆性斷裂的特點：l 斷裂前無明顯的預(yù)兆l 斷裂處往往存在一定的斷裂源l 由于斷裂源的存在，實際斷裂強度 遠遠小于理論強度脆性斷裂的微觀過程： 突發(fā)性裂紋擴展 裂紋的緩慢生長 理論斷裂強度固體的強度—固體材料抵抗破壞的能力。? 按破壞形式分：屈服強度 斷裂強度? 按討論方式分：理論強度 實際強度? 奧羅萬：以正弦曲線近似原子間約束力隨距離變化的曲線。則： 將材料拉斷時就形成兩個新的表面，使單位面積的原子平面分開所做的功等于產(chǎn)生兩個單位面積的新表面所需的表面能時，材料才能斷裂。 分開單位面積原子平面所做的功為： 形成兩個新的表面： 由虎克定律 根據(jù)Orowan 模型，經(jīng)過推導(dǎo)出：高強度的固體必須要求E、γ大，a小，γ約為aE/100，故理論結(jié)合強度可寫成： 理論結(jié)合強度與實際強度的比較32 格里菲斯微裂紋理論 格里菲斯認為實際材料中總存在許多細小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力達到一定程度時，裂紋就開始擴展而導(dǎo)致斷裂。所以，斷裂并不是晶體兩部分同時沿整個橫截面被拉斷，而是裂紋擴展的結(jié)果。1. Inglis斷裂理論 孔洞兩個端部的應(yīng)力幾乎取決于孔洞的長度和端部的曲率半徑而與孔洞的形狀無關(guān)，依據(jù)彈性理論：考慮到:考慮到裂紋尖端曲率