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1、 太原工业学院 专业：无机非金属材料工程班级学号：112073204姓名：王子静金属材料与无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异摘要:介绍了塑性变形的宏观定义、微观解释，晶体的滑移和孪生，屈服极限与屈服点，滑移系统，滑移带与滑移线的关系，临界分解剪切应力，位错的产生及位错运动与材料宏观上塑性变形的关系等基本概念，这样使读者了解与塑性变形有关的理论知识。之后从各个角度分析了金属材料与无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异：第一、分析造成金属与无机非金属晶体滑系统移差异的原因及其对塑性形变的影响；第二、介绍金属与无机非金属位错运动运动的激活能及分析其对塑性形变的影响；第三、介绍金属与无机非金属材料
2、位错运动运动的速度及分析其对塑性形变的影响；第四、介绍金属与无机非金属材料形变速率及着重分析柏格斯矢量对塑性变形的影响；第五、介绍多晶体的塑性形变。关键字：金属材料 非金属材料 多晶材料 塑性变形 滑移 滑移系统 孪生 临界分解剪切应力 位错 激活能 速度 形变速率正文：一、塑性变形及其相关基本概念的介绍 1、塑性变形的宏观定义：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后， 出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性能。 屈服应力：当外力超过物体弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增家加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力。屈服是材料由弹性变形向弹 塑性变形过渡
3、的明显标志。2、塑性变形的微观解释：从原子尺度变化解释塑性形变：当构成晶体的一部分原子相对于另一部分原子转移到新平衡位置时，晶体出现永久形变，晶体体积没有变化，仅是形状发生变化。如果所有原子同时移动，需要很大能量才出现滑动，该能量接近于所有这些键同时断裂时所需的离解能总和；由此推断产生塑变所需能量与晶格能同一数量级；实际测试结果：晶格能超过产生塑变所需能量几个数量级。晶体中的塑性形变有两种基本方式： 滑移和孪生。3、滑移 ：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。在晶体中有许多族平行晶面，每一族晶面都有一定面间距，且晶面
4、指数小的面，原子的面密度越大，面间距越大，原子间的作用力小，易产生相对滑动。晶体形变后，表面出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带。滑移系统：包括滑移方向和滑移面，即滑移按一定的晶面和方向进行。 滑移方向与原子最密堆积的方向一致，滑移面是原子最密堆积面。滑移带与滑移线的关系 ：在高倍显微镜数下，可以发现滑移带是由更细的滑移线所组成。滑移线的集合构成滑移带。通常，滑移带是很狭窄的，所以在单晶试样拉伸时，往往观察到的是呈线状的滑移带。随外力的加大，试样表面线状的滑移带数量不断增多，且出现在一组以上的晶面上。4、孪生：孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发
5、生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。与滑移相比孪生使晶格位向发生改变，所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。如图（滑移与孪生）：5、临界分解剪切应力：在剪切应力作用下位错线滑移，并在表面形成台阶，这就是塑性变形后在表面形成滑移带的本质。那么在拉伸外力作用下，如何能导致位错线滑移？外力 P 作用在面积为 A 的园柱体上，在滑移面上产生的分切应力：显然，只有 值大于和等于某一个临界值，柱体的上下两部分才会相对的滑移，产生宏观的塑性变形。这个分切应力就称为临界分切应力 c 。6、位
6、错的产生：滑移是由一个有限的小面积畸变区穿过晶体的运动而产生，这一畸变区域为位错。为使宏观塑性形变得以发生，就需要使位错发生运动。塑性变形特征不仅与形成位错所需的能量有关，还和任一特定速度保持位错运动所需力有关。二、金属材料与无机非金属材料在塑性变形能力方面的差异1、金属与无机非金属晶体滑移系统角度 如果晶体只有一个滑移系统，产生的滑移机会小；如果有多个滑移系统时， 达到 c的机会就多，产生的滑移机会多。 对于金属材料，一般由一种原子组成，结构简单，金属键无方向性，滑移系统多，如体心立方金属晶体滑移系统就有 48 种之多，金属晶体晶面易发生滑移，所以更易产生位错，也就更易发生塑性变形。 对于无
7、机非金属材料，结构复杂，组成复杂，离子键或共价键具有明显的方向性，滑移系统少，非金属晶体晶面易发生滑移，所以不易产生位错，也就不易发生塑性变形，只有少数无机非金属材料在室温下具有延展性，这些晶体都是属于NaCl型结构的离子晶体结构，如KCl,KBr,LiF等。（注：Al2O3 ( 刚玉 ) ，在室温下几乎不发生塑性形变。）2、金属与无机非金属位错运动运动的激活能角度 理想晶体内部的原子处于周期性势场中，在原子排列中有缺陷的地方一般势能高，使周期势场发生畸变。位错是一种缺陷，也会引起周期势场畸变。在位错出现了空位势能，相邻原子迁移到空位上需要克服的势垒h 比h小，克服势垒h 所需的能量可由热能或
8、外力做功来提供，在外力作用下，滑移面上就有分剪应力，此时势能曲线变的不对称，相邻原子迁移到空位上需要克服的势垒为H（），且H（） h H（），所以位错只能在滑移面上运动。温度升高，位错运动速度加快，对于一些在常温下不发生塑性形变的材料，摄氏度在高温下具有一定塑性。例如Al2O3 在高温下具有一定的塑性形变。氧化铝的塑性形变特征特别有意义，因为氧化铝是一种广泛使用的材料，而且这种非立方晶系、强烈的各向异性晶体可能在性状上代表一种极端的情况。这种形变特征直接和晶体结构有关。在较高温度下，可在一些非基面系统上产生滑移；这些非基面滑移也能在较低温度、在较高的应力下发生。但即使在1700摄氏度，产生非基
9、面滑移的应力也是产生基面滑移的十倍。氧化铝在900摄氏度以上的形变特征可概括为强烈的温度依赖关系；大的应变速率依赖关系；在恒定应变速率测试中有确定的屈服点。位错运动理论说明，无机非金属材料位错运动难以实现，当滑移面上的分剪应力尚未使位错以足够速度运动时，此应力可能已超过微裂纹扩展所需的临界应力，最终导致材料的脆断。4、金属与无机非金属材料形变速率 由于塑性形变是位错运动的结果，因此宏观上讲的形变速率和位错运动有关。设LL平面上有n个位错，位错密度： D=n/ L2。在时间t内，边界位错通过晶体到达另一边界，位错运动平均速度为： v=L/t。设：在时间t内，长度为L的试件形变量rL ，应变：rL
10、 /L= e ， 应变速率：U=de/dt。考虑位错在运动过程增殖，通过边界位错数为cn个，c为位错增殖系数。每个位错在晶体内通过都会引起一个原子间距滑移，也就是一个柏格斯矢量(b)，单位时间内的滑移量： cnb/t= rL /t。应变速率： U=de/dt= rL /Lt=cnb/Lt=cnbL/L2t=vDbc 上式说明塑性形变速率取决于位错运动速度、位错密度、柏格斯矢量、位错的增殖系数，且与其成正比。位错密度是用与单位面积相交的位错线的密度来表示的。要引起宏观塑性变形必须：有足够多的位错；位错有一定的运动速度；柏格斯失量大。柏格斯矢量与位错形成能有关系E=aGb2（a为几何因子，取值范围
11、0.5-1.0；G为弹性模量）柏格斯矢量影响位错密度，即柏格斯矢量越大，位错形成越难，位错密度越小。b相当于晶格点阵常数。金属的柏格斯矢量一般为3A左右，无机材料的大，如MgAl2O4三元化合物为8A，Al2O3的为5A。故金属材料形成位错的能量较小，无机非金属材料形成位错的能量较大，因此无机材料中不易形成位错，位错运动也很困难，也就难于产生塑性形变。5、多晶体的塑性形变 多晶体塑性变形不仅取决于构成材料的晶体本身，而且在很大程度上受晶界物质的控制。多晶塑性变包括以下内容：晶体中的位错运动运动引起塑性变形；晶粒与晶粒晶界的相对滑动；空位的扩散；粘性流动。 但是对于多晶体材料，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大，即使个别晶粒已达到临界剪应力而发生滑移，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不易产生滑移。而且在晶粒中的位错运动遇到晶界就会塞积下来，形不成宏观滑移，更难产生塑性形变。参考文献：无机材料物理性能无机材料科学基础金属材料的塑性变形