固體力學—固體材料性態(tài)的細觀機制

1、固體材料性態(tài)的細觀機制 第一章 原子和分子結構 1.1 引言 1.2 晶格幾何 1.3 工程材料的晶體結構 1.4 工程材料的多晶體結構 1.5 原子內部能量與力 第二章 變形機制 2.1 晶體的彈性變形機制 2.2 晶體的塑性變形機制 2.3 晶體內的位錯 2.4 位錯應力場 2.5 位錯與塑性變形 2.6 多晶體的塑性變形與斷裂

2、 2.7 多晶體材料的蠕變機制 2.8 無序高分子材料的變形機制,宏觀現(xiàn)象從微觀角度探討產(chǎn)生這些現(xiàn)象的內在原因,人類對自然界的認識涉及到宇觀（宇宙尺度）、巨觀（地球尺度）、宏觀（人體尺度）、細觀（微米尺度）和納觀（納米尺度）等層次。力學在每一層次都各有其研究前沿，復雜的力學行為牽涉到多個主導層次的關聯(lián)問題。固體變形直至破壞：跨越了從原子結構到宏觀的9至11個尺度量級。細觀結構上的細微缺陷，在力場作用下往往會非線性的涌

3、現(xiàn)為整體的破壞，是固體力學挑戰(zhàn)性的前沿之一。尺度效應是反映材料宏微觀跨層次的核心科學問題。,1.1 引言材料學就是研究材料的成分、組織結構、合成加工、性質與使用性能之間關系的科學，這四個方面構成了材料學的基礎。,不同加工方法的工件組織與性能,材料的性能是由材料的內部結構決定的。材料的結構根據(jù)不同的尺度可以分為不同層次，包括原子結構、原子的排列、相結構、顯微組織（多相結構）。 晶體中的結構缺陷也包括在結構之中，每個層次的結構都以不同

4、方式?jīng)Q定著材料的性能。,1.2 晶格幾何原子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)則排列的固體稱為晶體。晶體中原子排列方式多種多樣，為了描述其排列規(guī)律，通常假定晶體中的物質質點為固定的鋼球，由這些鋼球堆垛而成晶體，即原子堆垛模型。為了研究方便，將構成晶體的實際質點忽略而抽象成純粹的幾何點，形成空間點陣，其中每一個點成為陣點或結點。,晶體中原子排列示意圖 原子堆垛模型 晶格

5、 晶胞,金的電子顯微鏡照片,為了表征空間點陣的幾何規(guī)律，人為地將陣點用一系列相互平行的直線連接起來形成空間格架，這種假想的格架在晶體學上就稱為晶格。構成晶格的最基本單元稱為晶胞?？梢?，將晶胞在三維空間重復堆砌就構成了空間點陣，用晶胞可描述晶體結構。,在同一點陣中可以選取不同的形狀和大小的晶胞，因此，認為規(guī)定在選取晶胞時應滿足下列條件： ● 晶胞能充分反映整個空間點陣的對稱性；

6、 ● 平行六面體內相等的 棱和角的數(shù)目應最多，擁有盡可能多的直角； ● 晶胞的體積應最小。選取晶胞角上的一陣點作為坐標原點（一般取左下角后面一點）沿三個棱邊作坐標軸x，y，z（稱為晶軸）。則此晶胞的形狀和大小就可由其三個棱邊的長度a，b，c和晶軸之間的夾角α，β，γ（稱為點陣常數(shù)）六個參數(shù)完全表達出來。,自然界中的晶體有成千上萬種，它們的晶體結構各不相同，但根據(jù)空間點陣“每個陣點周圍有相同的環(huán)境”的要求，法國晶體學家

7、布拉菲（Bravais）于1848年用數(shù)學方法證明空間點陣共有且只能有14種。進一步根據(jù)晶胞的三個棱邊長度a，b，c和三個晶軸之間的夾角α，β，γ的相互關系對所有晶體進行分類，又可把14種空間點陣歸納為7個晶系。,將所有的，（幾乎所有的）知識納入一個叫做標準模型的美麗的理論之中。Steven Weinberg,1.3 工程材料的晶體結構,元素周期表中所列的金屬元素有八十余種，工業(yè)上使用的金屬有三四十種。大多數(shù)金屬都具有簡單的晶體結構，

8、常見金屬的晶體結構為以下三種：,面心立方晶胞,鋼球模型,體心立方晶胞,密排六方晶胞,質點模型,晶胞原子數(shù),晶胞原子數(shù)：由于晶體是由大量晶胞堆砌而成的，故處于晶胞頂角或周面上的原子就不會為一個晶胞所獨有，只有晶胞體內的原子才為該晶胞獨占。對于立方晶體結構，頂角原子應為8個晶胞所共有，因此每個晶胞只占有八分之一個原子，晶胞周面上的原子為相鄰兩晶胞共有，故每個晶胞只占有二分之一個原子。對于六方晶體結構，頂角原子應為6個晶胞所共有，因此每個晶

9、胞只占有六分之一個原子。這樣，三種結構每個晶胞擁有的原子數(shù)目n為：n=8*1/8+1=2 α-鐵、鉻、鎢等n=8*1/8+6*1/2=4 β-鐵、鋁、金n=12*1/6+2*1/2+3=6 鋅、鎂等,對于密排六方結構，按照原子為等徑鋼球可計算出其軸比c/a≈1.638，但實際金屬的軸比常偏離此值。這說明視金屬原子為等徑鋼球只是一種近似的假設。實際上，原子半徑隨原子周圍緊鄰的原子數(shù)和結合鍵的變化而變化。,點陣常

10、數(shù)晶胞的棱邊長度（a, b, c）稱為點陣常數(shù)。如果把原子看作半徑為r的剛性球，則從幾何關系可求出a, b, c與r之間的關系。,密排面,1.4 工程材料的多晶體結構,固體從蒸汽、溶液或熔體中結晶出來時，只有在一定條件下，例如有籽晶存在時，才能形成單晶，而大多數(shù)固體屬于多晶體（polycrystalline） 。多晶是由許多小晶粒組成。這些小晶粒本身可以近似看作單晶，且在多晶體內做雜亂排列。多晶體中晶粒與晶粒的交界區(qū)域稱為晶界。,1.

11、5 原子內部能量與力,空間中兩個原子的相互作用包括相互作用的引力（attractive force）和斥力（repulsive force），當兩個原子相距為r時，其勢能可表示為：,設r=r0時兩原子平衡，因為系統(tǒng)能量最低時穩(wěn)定，此時Ep取最小值,m>n，說明與斥力相關的能量受r的影響更大,考慮兩個原子A和B位于平衡位置，相距為r0，此時兩原子之間相互作用的引力和斥力的合力為零?，F(xiàn)在給B一個無窮小的正向位移dr，必然會出現(xiàn)恢復力F

12、，在此過程中恢復力所做的功等于勢能的變化量。,,,α,β,m,n為正的常數(shù)，與溫度有關，鍵能與溫度有關。,三原子作用模型固態(tài)金屬中的周期勢場,,原子能夠結合成為晶體的根本原因在于原子結合起來后可使體系的總能量降低。由于兩側原子的共同作用，使B原子處于一個對稱的勢能谷中，且能谷更深了。能谷的深淺反映出原子結合的強弱，能谷越深，結合能越大，原子結合越牢固。,第二章 變形機制2.1 晶體的彈性變形機制,晶體彈性變形的物理機制可以用晶體中

13、原子結構及其作用力來解釋。取如下圖所示的密排六方晶胞中一個密排面，只在x方向作用一拉應力τxx，使相鄰原子間產(chǎn)生Δx=x-a變形，根據(jù)上一章獲得的原子間作用力公式得：,溫度升高時晶體膨脹，原子間距a變大，彈性模量E下降。,以上所獲得的彈性模量的值僅適于密排六方晶體中在密排面上沿晶軸方向受一維載荷的情況；當晶軸方向與載荷作用方向存在一夾角θ時，彈性模量E可以看成是θ的函數(shù)，E=E（θ） 。此時E的平均值就可以看作是所有可能方向作用的結果。

14、對于多晶體而言，晶粒的分布是隨機的 ，因此，上述計算得到的彈性模量的平均值可以表示晶體宏觀的彈性性能。,實驗獲得鎂的泊松比0.33，鋁的泊松比0.32≤μ≤0.34以上的計算僅僅考慮兩個原子之間的相互作用，而實際的晶體結構由大量的原子組成，故而計算時要應用此方法考慮多個原子相互作用的情況。同時由于實際晶體結構的復雜性，以上的計算結果在實際上僅具有數(shù)量級上的精確性，但可以解釋一些物理現(xiàn)象。,延性材料拉伸破壞,2.2 晶體的塑性變形機制

15、,對變形后的晶體進行x射線結構分析，發(fā)現(xiàn)晶體結構類型并未改變，同時，平行線兩側晶體的取向亦未發(fā)生改變，故可推知，晶體的滑移是晶體一部分相對于另一部分沿著晶面發(fā)生的平移滑動。每一層晶面平移滑動后在晶體表面形成一個滑移臺階（滑移線），臺階的高度標志了該晶面的滑移量，所有滑移臺階的積累造成了宏觀塑性變形?；频木嚯x是滑移方向原子間距的整數(shù)倍,由滑移帶和滑移線結構示意圖可以看出，晶體的滑移并非是均勻分布的，滑移集中在某些晶面上，可連續(xù)滑動一個

16、很大的距離，而相鄰兩條滑移線之間的晶體并未滑移。,點陣變形,滑移帶和滑移線結構示意圖,常溫下晶體的塑性變形的主要方式有滑移和孿晶兩種， 此外還有扭折，其中滑移是最基本的方式。高溫變形時，還會以擴散蠕變與晶界滑動方式進行。,滑移特征1 滑移系,在塑性變形試樣中出現(xiàn)的滑移線與滑移帶并不是任意排列的，它們彼此之間或者相平行，或者互成一定角度，這表明金屬中的滑移只能沿一定的晶面和一定的晶向進行。這些特定的晶面和晶向分別稱為金屬的滑移面和滑移方

17、向。一個滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系（滑移與滑移系有關，但與缺陷更是緊密相關），每一個滑移系表示金屬晶體進行滑移時可能采取的一個空間取向。在其它條件相同時，晶體中的滑移系越多，滑移過程可能采取的空間取向便越多，該金屬的塑性便越好?；葡档亩嗌僦饕Q于晶體結構?；泼嬉话憧偸蔷w的密排面，而滑移方向也總是密排晶向。這是因為晶體中密排面之間距離最大，其結合力最弱，滑移阻力最小，故最易滑動。沿原子密度最大的晶向滑移時阻力也最

18、小?；泼婧突品较蛲ǔＪ窃优帕凶蠲芗钠矫婧头较颉?晶面間距,面心立方晶體滑移系,2 滑移臨界分切應力,對于金屬晶體受到的外力可將其分解為垂直某滑移面的正應力和沿此滑移面的切應力。實驗表明，只有當作用于滑移面上沿著滑移方向的分切應力達到一定的數(shù)值時，晶體才沿著該滑移系開始滑移。開始滑移所需的最小分切應力，稱為臨界分切應力，以τcrit表示。,設如圖所示一截面積為A的圓柱形金屬單晶體，受到軸向拉力P的作用。橫截面A上的正應力為：P

19、在滑移面上沿滑移方向的切向分力為：滑移面的面積為：則P在滑移方向上的分切應力為 ：,令 稱為取向因子。當滑移面的法線、滑移方向和外力軸三者處于同一平面，且滑移面的傾斜角為45°時，取向因子取最大值0.5，此時的分切應力也最大，是最有利于滑移的取向，稱為軟取向。臨界分切應力的大小主要取決于金屬的本性，與外力無關。屈服極限Y則不同，晶體取向不同時，Y在一個很大

20、的范圍內變化，如圖所示。當φ=45°時，即處于軟取向時，晶體產(chǎn)生塑性變形的屈服極限最小。換句話說，就是在最下的拉應力作用下，即可達到滑移所需要的臨界分切應力值。當取向因子降低時，屈服極限迅速升高，這意味著需要更大的拉應力才能使晶體滑移，而導致塑性變形。,鎂晶體的屈服應力與晶體取向的關系（施密特的實驗結果）,3 滑移時晶體的轉動隨滑移的進行，金屬晶體會產(chǎn)生轉動，從而導致晶體空間取向發(fā)生變化。如下圖所示，當晶體在拉伸力P作用下

21、產(chǎn)生滑移時，假若不受夾頭的限制，即拉伸機夾頭可以自由移動，欲使滑移面的滑移方向保持不變，拉伸軸取向必須不斷變化。但是上夾頭是固定不動的，拉伸軸方向不能改變，如此，晶體的取向就必須不斷發(fā)生變化，即試樣中部的滑移面朝著與拉伸軸平行的方向發(fā)生轉動，使相當于φ角增大，λ角減小，即拉伸軸和滑移方向的夾角不斷變小，結果造成了晶體位向的改變。,由上述分析可見，滑移過程中滑移面及滑移方向的轉動必然導致取向因子的改變，如果某一滑移系原處于軟取向，在拉伸時

22、，隨晶體取向的變化，滑移面的法向與外力軸的夾角越來越遠離45°，使滑移變得越來越困難，這種現(xiàn)象稱為“幾何硬化”。與此相反，經(jīng)滑移和轉動后，滑移面法線與外力軸的夾角越來越接近45°，使滑移越來越易于進行，這種現(xiàn)象稱為“幾何軟化”。,思考：滑移機理晶體滑移時，滑移面上的原子究竟是怎樣移動的呢？最初設想滑移面上的原子像一個整體那樣作相對滑移，這種滑移方式稱為“剛性滑移”，如下圖所示。,在切應力作用下原子層剛性滑移示意圖

23、,可是按照剛性滑移模型從理論上計算出的臨界分切應力比實測值高三個數(shù)量級。大量的實驗表明，晶體的滑移是通過位錯的運動來實現(xiàn)的。由于晶體內部存在大量的缺陷，故實際變形的應力要比理論小得多。,2.3 晶體內的位錯,原子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)律排列形成晶體。理想晶體中每一個原子都按晶體結構的要求占據(jù)它們應有的位置，但實際金屬晶體中的原子排列未必完全規(guī)則。 這些原子排列的規(guī)律性受到嚴重偏離的區(qū)域，稱之為晶體缺陷，晶體缺陷對

24、金屬的許多性能有著極重要的影響。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將它們分為三類： 點缺陷：偏離區(qū)域在三維空間的各個方向上尺度均很小，約為一個或幾個原子間距，又被稱為零維缺陷。,線缺陷：偏離區(qū)域在兩個空間方向的尺度很小，在另一個方向的尺度較大，也稱一維缺陷，如位錯。 面缺陷：偏離區(qū)域在一個空間方向的尺度很小，在另兩個方向的尺度較大，也稱二維缺陷，如晶界。,晶體中的點缺陷并非固定不動的，由于原子的熱運動，點缺陷將不斷產(chǎn)生，運動和消亡。,刃

25、型位錯 edge dislocation,理想的完整晶體可以被看作是由一層層原子平面按照一定的規(guī)律平行堆垛而成的。假如一個額外的半原子面從上方切入晶體，則刀刃周圍的原子必然發(fā)生位置的偏移，半原子面的最下端直線（即刀刃）便是刃型位錯的中心線，稱為刃型位錯線。顯然，離位錯線越遠，相對于理想晶體排列狀態(tài)的偏離越小。,習慣上，將半原子面在晶體上部的位錯稱為正刃型位錯，記作“┴”，將半原子面在晶體下部的位錯稱為負刃型位錯，記作“┬”。注意：刃型

26、位錯的正負只是相對而言的，例如，同一位錯，經(jīng)過晶體旋轉180°后，正負號也改變。,螺型位錯 screw dislocation,假設有一簡單的立方晶體，沿ABCD平面局部切開，該裂縫只在晶體的右側貫穿，然后沿aa方向使晶體上部的右側邊緣移動一個原子間距。由于晶體的左側未被切開，結果使晶體右側上下兩部分局部發(fā)生扭動，如下圖所示，其中圖b為圖a的俯視圖。從圖中可以看出，EF線與aa線之間形成了一個上下兩層原子相對錯動的區(qū)域。在這

27、個點陣嚴重畸變的區(qū)域里，從立體模型的正面看過去，原來的原子平面變成了螺旋面。這個嚴重的畸變區(qū)便是螺形位錯，與刃型位錯一樣，離位錯線越遠，相對于理想晶體的排列偏離越小。,以大拇指代表螺旋前進的方向，其他四指代表螺旋面的螺旋方向，符合右手法則的稱為右旋螺形位錯，符合左手法則的稱為左旋螺形位錯。螺型位錯的左右并非是相對的，一個晶體的螺型位錯不管從哪個方向看都不變。圖中為右旋螺形位錯。,混合位錯,既有刃型位錯特征又有螺型位錯特征的位錯，稱為

28、混合位錯。,柏氏矢量 Burgers vector,1939年，柏格斯提出把位錯抽象成一條線，用形成位錯的滑移矢量定義位錯矢量，并稱之為柏格斯矢量，簡稱為柏氏矢量，以b表示。該矢量的模稱為位錯的強度，用柏氏矢量可以表示位錯引起的晶格畸變。,,柏氏矢量的確定方法,規(guī)定位錯線的正向：通常規(guī)定位錯線由線面向外伸出的方向為正向；按右手法則作回路：右手大拇指指向位錯線的正向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實際晶體中的任一原子M出發(fā)，圍繞位

29、錯線（避開嚴重畸變區(qū)）以一定 的步數(shù)作一個封閉回路MNOPQ（其中Q點和M點重合），該回路稱為柏氏回路。在完整晶體中按同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉， 即Q點和M點不重合。由終點向始點引一矢量QM使該回路封閉，則矢量QM即為實際晶體中位錯的柏氏矢量b。,,,,刃型位錯的柏氏矢量在二維晶格中就能確定，而要確定螺型位錯的柏氏矢量則只能在三維晶格中進行。,注意：刃型位錯柏氏矢量與位錯線垂直 螺型位錯柏氏矢量與位錯

30、線平行 柏氏矢量與回路起點的選擇，回路的大小無關（避開嚴重畸變區(qū)）,2.4 位錯應力場,晶體中有位錯存在時，位錯周圍的原子都偏離了其原來的平衡位置而處于彈性應變狀態(tài)。在位錯線的中心區(qū)產(chǎn)生嚴重畸變，而且在其周圍點陣中產(chǎn)生了彈性應變和應力場，影響了晶體的許多性能，尤其是強度性能。,位錯彈性連續(xù)介質模型 用連續(xù)的彈性介質來代替實際晶體，由于是彈性體，所以符合虎克定律；近似地認為晶體內部由連續(xù)介質組成，晶體中沒有空隙，因此晶體中

31、的應力、應變、位移等是連續(xù)的，可用連續(xù)函數(shù)表示；把晶體看成是各向同性的，這樣晶體的彈性常數(shù) （彈性模量、泊松比等）不隨方向而改變。這樣就可以應用經(jīng)典的彈性理論計算應力場。,這種理論模型忽略了晶體結構，因此不能處理原子嚴重錯排的位錯線中心區(qū)。但對中心區(qū)以外的區(qū)域的問題所得結果是可靠的。因此分析位錯應力場時，常設想把半徑約為0.5-1nm的中心區(qū)挖去，而在中心區(qū)以外的區(qū)域采用彈性連續(xù)介質模型導出應力公式。,下圖是分析螺型位錯的應力場時采用

32、的連續(xù)介質模型。將一彈性圓柱體挖去半徑為r0的中心區(qū)后，沿xz面切開。然后使兩個切開面沿 z軸移動一個柏氏矢量b的距離，再把這兩個面粘結。這樣，該圓柱體的應力場與位錯線在 z軸，柏氏矢量為b，滑移面為 xoz的螺型位錯周圍的應力場相似。,螺型位錯的應力場,,,螺型位錯連續(xù)介質模型,采用直角坐標時，螺型位錯應力場表達式為：,下圖是分析刃型位錯的應力場時采用的連續(xù)介質模型。將一彈性圓柱體挖去半徑為 r。的中心區(qū)后，沿 xoz面切開。然后

33、使兩個切開面沿x軸移動一個柏氏矢量b的距離，再把這兩個面粘結。這樣，在該圓柱體內產(chǎn)生了與位錯線在 z軸，柏氏矢量為b，滑移面為 xoz的刃型位錯相似的應力場。將刃型位錯的應力場看作是一個平面應變問題，采用半逆解法進行求解。Chapter12 Eqs(12.83),刃型位錯應力場,刃型位錯連續(xù)介質模型,,,2.5 位錯與塑性變形,晶體滑移時，滑移面上的原子究竟是怎樣運動的呢？最初設想晶體中的原子是理想規(guī)則排列，并且在切

34、應力的作用下作整體的相對滑動，即“剛性滑移”?？墒前创四Ｐ退愠龅呐R界分切應力比實測值高3~4個數(shù)量級。,位錯本是1920年左右提出的一種假設，50年時通過透射電鏡等實驗觀察到位錯，然后通過幾十年的發(fā)展，建立了位錯理論。,在切應力作用下原子層剛性滑移示意圖,晶體的滑移是通過位錯運動來實現(xiàn)的以刃型位錯為例，如下圖所示，晶體在滑移時，并不是滑移面上的全部原子同時移動，而是只有位錯線中心附近的少數(shù)原子移動很小的距離（小于一個原子間距），因此所

35、需的應力要比晶體作整體剛性滑移低得多。當一個位錯移到晶體表面時，便會在表面上留下一個原子間距的滑移臺階，其大小等于柏氏矢量。如果大量的位錯滑過晶體，就會在晶體表面形成顯微鏡下能觀察到的滑移痕跡，這就使滑移線的實質。因此，可將位錯線看作是晶體中已滑移區(qū)域和未滑移區(qū)域的分界。,螺型位錯運動導致晶體滑移刃型位錯和螺型位錯運動導致的晶體滑移如下圖所示?？梢钥闯?，同一晶體，受到同一方向的切應力，最后得到了同一滑移效果，但位錯運動的過程并不一樣。

36、,刃型位錯運動的方向與其位錯線垂直，即與柏氏矢量一致。因此，刃型位錯的滑移面是由位錯線與柏氏矢量所決定的平面，其滑移方向為柏氏矢量的方向；螺型位錯運動的方向也垂直于位錯線，但同時垂直于柏氏矢量，即其運動方向與晶體滑移方向相互垂直。,2.6 多晶體的塑性變形與斷裂,實際使用的材料大多數(shù)是多晶體。多晶體塑性變形的基本方式也是滑移與孿晶，但多晶體由許多取向不同的晶粒組成，晶粒之間還有晶界，使多晶體的變形過程更為復雜。,多晶體的變形受到晶界的

37、阻礙和位向不同的晶粒的影響；任何一個晶粒的塑性變形都受到相鄰晶粒的約束，需協(xié)同變形以保持材料的連續(xù)性。,晶粒取向的影響,在多晶體中，由于各個晶粒位向不同，在給定外力作用下，不能同時變形。處于有利取向的晶粒，其分切應力較早達到臨界分切應力，首先發(fā)生滑移；處于硬取向的晶粒，還未開始滑移。在位向有利的晶粒內開始塑性變形，意味著其滑移面上的位錯已開動，并源源不斷地沿著滑移面發(fā)射位錯。但是由于周圍晶粒的位向不同，滑移系取向不同，因此，運動著的位

38、錯不能越過晶界，在晶界處造成塞積。這種塞積造成很高的應力集中，會使相鄰晶粒中某些滑移系的分切應力達到臨界值而開動。相鄰晶粒的滑移會使應力集中松弛，使原晶粒中的位錯源重新開始，并使位錯移出這個晶粒。這樣變形便從一個晶粒傳向另一個晶粒，并波及整個試樣。,多晶體的每個晶粒都處于其它晶粒的包圍之中，其變形必須與周圍的晶粒相互協(xié)調配合，否則就不能保持材料的連續(xù)性，會造成空隙而導致材料破壞。這樣就使多晶體的塑性變形較單晶體困難，其屈服應力也高于單

39、晶體。,多晶體滑移示意圖,晶界的影響,雙晶粒試樣拉伸變形前后的形狀,變形后，晶界處呈竹節(jié)狀，說明晶界附近滑移受阻，變形量較小。這是因為晶界上的原子排列不達規(guī)則，雜質和缺陷多，能量較高，阻礙位錯的通過，即晶界對塑性變形起阻礙作用。晶界越多，即晶粒越細，材料的強度越高。（細晶強化）,金屬鑄錠的組織1－細晶區(qū) 2－柱狀晶區(qū) 3－中心等軸晶區(qū),應變強化現(xiàn)象（strain hardening）,單滑移： 一個滑移系統(tǒng)上的分切應力最大并達到了臨界

40、切應力，這時只發(fā)生單滑移。交滑移：螺位錯在兩個相交的滑移面上運動。多滑移：當拉力軸在晶體的特定取向上，可能會使幾個滑移系上的分切應力相等，在同時達到臨界切應力時，就會發(fā)生多滑移。,滑移變形：,由于這些滑移系是由不同位向的滑移面和滑移方向構成，所以當一個滑移系啟動后，另一滑移系的滑動就必須穿越前者，兩個滑移系上的位錯會有交互作用，產(chǎn)生交割和反應。位錯的交割對位錯運動的影響不大，但位錯的反應會形成一個不可動的位錯，使得兩個滑移面上隨后運

41、動的位錯受到阻塞（pile up）。,位錯的增殖：金屬變形后產(chǎn)生大量位錯。金屬在退火態(tài)位錯密度只有108 /cm2，但強烈變形之后位錯密度可達 1012/cm2。理論和實驗都得出流變應力和位錯密度有以下關系:增殖方式主要有兩種：F-R源(Frank-Read source)和雙交滑移機制。,工業(yè)用鋼強烈冷變形后的顯微組織,低應力擴散蠕變（diffusion creep）,2.8 無序高分子材料的變形機制,高分子材料屬于有機物質，它

42、具有大的分子量，商業(yè)上用的高分子材料分子量至少在 104g/g·mol以上。這樣巨大的分子是由許多小分子通過聚合反應形成的，因此高分子也叫聚合物。,乙烯單體 聚乙烯聚合物,,加聚反應,高分子材料按受熱表現(xiàn)分類：,熱塑性：熱塑性聚合物，受熱時軟化，可塑制成一定的形狀，冷卻時變硬，再加熱仍可軟化或再成型。,熱固性：熱固性聚合物，

43、初受熱時變軟，這時可塑制成一定形狀，但加熱到一定時間或固化劑后，就硬化定型，再重復加熱也不會軟化了。,聚合物的塑性變形與金屬的不同點：,聚合物的模量和強度比金屬材料低得多，屈服應變和斷裂伸長比金屬高得多；聚合物屈服后出現(xiàn)應變軟化；聚合物的屈服應力強烈地依賴溫度和應變速率。,熱塑性聚合物冷拉過程應力—應變曲線和試樣形狀變形示意圖,由于聚合物具有粘彈性，其應力—應變行為受溫度、應變速率的影響很大，下圖給出了有機玻璃在室溫附近的一組應力—

44、應變曲線?？梢?，隨溫度的上升，有機玻璃的模量、屈服強度和斷裂強度下降，延性增加。在4℃，有機玻璃是典型的剛而脆的材料，66℃時，已變成典型的剛而韌的材料。應變速率對應力—應變行為的影響是增加應變速率相當于降低溫度。,溫度對有機玻璃拉伸應力—應變的影響,2.8.2 熱固性聚合物的變形,熱固性聚合物所用的原料都是分子量較低的粘稠液體，開始混合時，還是先產(chǎn)生線性鏈，以后逐漸交聯(lián)，最后形成剛硬的三維網(wǎng)格結構。熱固性聚合物中分子不易運動，在拉伸

45、時表現(xiàn)出脆性金屬或陶瓷一樣的變形特性，但是，在壓應力下仍能發(fā)生大量的塑性變形。,環(huán)氧樹脂在室溫下拉伸和壓縮時的應力—應變曲線,熱固性：熱固性聚合物，初受熱時變軟，這時可塑制成一定形狀，但加熱到一定時間或固化劑后，就硬化定型，再重復加熱也不會軟化了。,參考文獻：Elastic and Inelastic Stress Analysis (Appendix Ⅶ) Irving H. Shames材料科學基礎 石德珂，沈蓮編 西安