劉寶忠-第一章-1.ppt

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1、劉寶忠河南理工大學(xué)材料學(xué)院材料物理性能11.1材料的形變形變定義:各種材料在外力作用下，發(fā)生形狀和大小的變化。2形變的類型：彈性形變，塑性形變，粘性形變材料在外力作用下都要產(chǎn)生內(nèi)力，同時(shí)發(fā)生形變。通常內(nèi)力用應(yīng)力描述，形變則用應(yīng)變表示。定義：應(yīng)力:單位面積上所受的內(nèi)力。1.1材料的形變—應(yīng)力固體中任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，可用6個(gè)應(yīng)力分量表示，即σxx、σyy、σzz和剪應(yīng)力τxy、τyz、τzx。3應(yīng)變是用來(lái)描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)由與應(yīng)力分量對(duì)應(yīng)的六個(gè)應(yīng)變分量決定，即三個(gè)剪應(yīng)變分量及三個(gè)伸長(zhǎng)應(yīng)變分量塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線σp為比例極限，應(yīng)力超過(guò)σp時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系偏離線

2、性，是產(chǎn)生屈服的開(kāi)始；σe彈性極限，是材料卸載后能夠完全恢復(fù)、不產(chǎn)生殘留永久形變的最高應(yīng)力值；σs為屈服應(yīng)力，通常以產(chǎn)生0.2%殘留應(yīng)變的應(yīng)力為屈服應(yīng)力；σb為抗拉強(qiáng)度，是最大的張應(yīng)力，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高點(diǎn)；σk為斷裂強(qiáng)度，此時(shí)材料斷裂。1.1材料的形變—應(yīng)力應(yīng)變曲線41.1材料的形變—彈性形變1．各向同性體虎克定律材料受正應(yīng)力時(shí)的虎克定律這就是虎克定律。它說(shuō)明應(yīng)力與應(yīng)變之間為線性關(guān)系。式中,E為彈性模量(楊氏模量)，對(duì)各向同性體為一常數(shù)，E表征材料抵抗變形的能力。5泊松比μ（又橫向變形系數(shù)）泊松比就是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比：這就是應(yīng)力分量σx所引起的另二個(gè)應(yīng)變分量廣義虎克定律：柔順

3、系數(shù)為21個(gè)。1.2塑性、蠕變與超塑—塑性塑性形變：微觀結(jié)構(gòu)相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，在外力移去后形變不能恢復(fù)的現(xiàn)象。6晶格滑移滑移：晶體的一部分相對(duì)另一部分平移滑動(dòng)。滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系。滑移系越多，塑性越好，但不是唯一因素？結(jié)構(gòu)中最小結(jié)構(gòu)單元越小，越容易發(fā)生滑移，因此在最密排面上最容易滑移滑移發(fā)生在密排方向上，因?yàn)樵诖朔较蛏蟽蓚€(gè)平衡原子之間的距離最短，滑移所需能量最小1.2塑性、蠕變與超塑—塑性7晶體中滑移總是發(fā)生在主要晶面和主要晶向上，這些晶面和晶向指數(shù)較小，原子密度大，也就是柏矢量b較小，只要滑動(dòng)較小距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原，所以比較容易滑動(dòng)。臨界剪切應(yīng)力分量1.2塑性、蠕變

4、與超塑—塑性?滑移面面積：A/cos?；?滑移面上F方向的全應(yīng)力為：?此應(yīng)力在滑移方向上的分剪力為：在同樣外應(yīng)力作用下，引起滑移面上剪應(yīng)力大小決定cosl·cosf的大小。不同滑移面及滑移方向的剪應(yīng)力都不一樣；同一滑移面上不同滑移方向，剪應(yīng)力也不一樣滑移。8由于滑移面的法線N，總是和滑移方向垂直。當(dāng)f角與l角處于同一平面時(shí),λ角最小,即l+f=90°。所以cosl·cosf的最大值為0.5?？梢?jiàn)，在外力F作用下，在與N、F處于同一平面內(nèi)的滑移方向上，剪應(yīng)力達(dá)最大值，其他方向剪應(yīng)力均較小只有當(dāng)t≥t0(臨界剪應(yīng)力)時(shí)，才發(fā)生滑移。在不同的滑移系統(tǒng)上的臨界剪應(yīng)力是不同的。1.2塑性、蠕變與超塑—

5、塑性如果晶體只有一個(gè)滑移系統(tǒng)，則產(chǎn)生滑移的機(jī)會(huì)就很小?；葡到y(tǒng)多的話，對(duì)其中一個(gè)滑移系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可能cosl·cosf較小，但對(duì)另一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，cosl·cosf可能就大，達(dá)到臨界剪應(yīng)力的機(jī)會(huì)就較多。理想晶體中，原子間作用力近似正弦變化，b表示原子間的距離，d表示面間距，圖中發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子位移量u達(dá)到b/4時(shí)，引力達(dá)到最大。剪切應(yīng)力客服這一最大引力，即發(fā)生永久變形，此時(shí)的剪切應(yīng)力就是晶體的理論剪切強(qiáng)度：理論剪切強(qiáng)度101.2塑性、蠕變與超塑—塑性11以上是近似的推導(dǎo)，更精確的推導(dǎo)可以得到理論剪切強(qiáng)度為G/30~G/10實(shí)測(cè)的剪切強(qiáng)度比理論值要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)12實(shí)際晶體中存在位錯(cuò)缺陷。當(dāng)受剪應(yīng)力作用時(shí)

6、，并不是晶體內(nèi)部整體相互錯(cuò)動(dòng)，而是位錯(cuò)在滑移面上沿滑移方向運(yùn)動(dòng)。使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需要的力比使晶體兩部分整體滑移所需的力小得多。所以實(shí)際晶體的滑移是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)得結(jié)果。1.2塑性、蠕變與超塑—塑性塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）1）在位錯(cuò)處出現(xiàn)勢(shì)能空位。鄰近原子C2遷移空位上需要克服的勢(shì)壘h’比h小。2）在外力作用下，滑移面CD就有分剪應(yīng)力t。此時(shí)，勢(shì)能曲線變得不對(duì)稱，C2遷移到空位要克服得勢(shì)壘為H(t)，且H(t)小于h’，t的作用使h’降低。C2原子遷移變得容易。3）H(t)叫做位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)激活能。與t有關(guān),t大,H(t)；t小，H(t)大；故H(t)為t的函數(shù)。一個(gè)原子能擺脫平衡位置的幾率是由波爾茲曼

7、因子決定的。為激活能，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度為：式中：——與原子熱振動(dòng)固有頻率有關(guān)得常數(shù)，K——波爾茲曼常數(shù)為1.38×10-23J/K,T——絕對(duì)溫度.1.2塑性、蠕變與超塑—塑性塑性形變的機(jī)理（位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論）2）位錯(cuò)只能在滑移面上運(yùn)動(dòng)，只有滑移面上的分剪應(yīng)力才能使H(t)降低金屬材料h’約為0.1~0.2ev，無(wú)機(jī)材料約為1ev。所以，室溫下無(wú)機(jī)材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)十分困難。3）溫度升高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度加快由于滑移反映出