1、材料物理性能,第一节 材料的应力、应变及弹性形变第二节 材料中晶相的塑性形变第三节材料的高温蠕变第四节 高温下玻璃相的粘性流动,第一章 材料的受力形变,各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化，称为形变。,第一节 材料的应力、应变及弹性形变,1.脆性材料：如上图曲线（a），即在弹性变形后没有塑性变形（或塑性变形很小）接着就是断裂，总弹性应变能非常小。,不同材料的变形行为不同。,2.延性材料：如上图曲线（b） 开始为弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然 后才断裂，总变形能很大。,3.弹性材料：如上图曲线（c），没有残余形变。,无机材料的形变是重要的力学性能，与材料的制造、加工和使用都有着密切的关
2、系。因此，研究无机材料在受力情况下产生形变的规律是有重要意义的。,材料在外力作用下都要产生内力，同时发生形变。通常内力用应力描述，形变则用应变表示。定义：应 力: 单位面积上所受的内力。,一、应 力,外力，单位 ；应力，单位 ； 面积，单位 .,定义：名义应力：,材料受力前的初始面积,下面围绕材料内部一点P取一体积单元，体积元的六个面均垂直于坐标轴X，Y，Z。分析 点P应力状态。,C） 剪应力：如果体积元任一面上的法向应力与 坐标轴的正方向相同，则该面上的剪应力指向坐标 轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力指向坐 标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为 正，根据上述规定，图上所表示的所
3、有应力分量是 正的。,每个面都有一个法向应力 和两个剪应力。 A） 应力分量 ， 的下标第一个字母表示应力作 用面的法线方向。第二个字母表示应力作用方向。 B） 法向应力：若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负。,根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力是大小相等，正负号一样。任一平面的两个剪应力相垂直。故一点的应力状态由六个应力分量决定， 即 、 、 、 、 、 。 法向应力导致材料伸长或缩短，剪应力引起材料的剪切畸变。,二、应变应变是用来描述物体内部各质点之间的相对位移。1. 名义应变和真实应变 一根长度为 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到 ，则应变的定义为： 称为名义应
4、变。如果上式中分母不是 ，而是随拉伸而变化的真实长度 ，则真实应变为,通常为了方便起见都用名义应变。,如上图：研究物体中一点的应变状态，在物体内围绕该点取出一体积元 点处沿 方向的位移分量为 点处沿 方向的正应变是：,同理：,下面考察 之间夹角变化。 之间的畸变夹角为：,同理， 之间的畸变夹角为,由此可见，线段 之间原来的直角 减少,一点的应变状态由与应力分量对应的六个应变分量决定，即三个剪应变分量 及三个伸长应变分量,因此，平面 之间的剪应变为：,1、 广义虎克定律 一长方体，各棱边平行于坐标轴，在垂直于 轴的两个面上受有均匀分布的正应力,三. 材料的弹性变形行为,对于各向同性体，这些正应力
5、不会引起长方体的 角度改变。长方体在x轴的相对伸长可表示为： 式中 为弹性模量，对各向同性体为一常数。表示材料抵抗变形的能力。当长方体伸长时，侧向要发生横向收缩,横向变形系数 ，叫做泊松比。 若长方体各面分别受有均匀分布的正应力 ,则在各方面的总应变可以将三个应力分量中的第一个应力分量引起的应变分量叠加而求得。此时，虎克定律为：,对于剪应变，则有：,式中 为剪切模量或刚性模量。 之间有下列关系：,各向同等的压力 除以体积变化为材料的体积模量。,大多数多晶材料虽然微观上各晶粒具有方向性，但因晶粒数量很大，且随机排列，故宏观上可以当作各向同性体处理。 对于弹性形变，金属材料的泊松比为0.290.3
6、3，无机材料为0.20.25。无机材料的弹性模量E随材料不同变化范围大，约为109 1011Pa。单晶及具有织构的材料或复合材料（用纤维增强）具有明显的方向性，在此情况下，各种弹性常数随方向不同，则虎克定律描述了更一般的s-e关系。,在单向受应力 时， 方向上的应变为：,式中： 称之为弹性柔顺系数,柔顺系数 中，下标十位数为应变方向；个位数为所受应力的方向。,同理：,2、弹性模量 弹性模量E是一个重要的材料常数，它是原子间结合强度的一个标志。,1）在不受外力的情况下， 就反映了弹性模量 的大小， 较小， 较小， 也就小 ，原子间结合力弱。对应于分子键 较大， 较大， 也就大 ，原子间结合力强。
7、对应于共价键、离子键,从图1.5中原子间的结合力曲线可以看出，弹性模量E实际上和原子间结合力曲线上任一受力点的曲线斜率有关。,a. 共价键、离子键结合的晶体，结合力强，E都较大； b . 分子键结合力弱，这样键合的物体E较低。2）改变原子间距离将影响弹性模量. 压应力使原子间距离变小，曲线上该点的斜率增 大，因而E将增大。 张应力使原子间距离增加，因而E下降。 下面看一下影响弹性模量的因素,原子结构的影晌 弹性模量是材料的一个相当稳定的力学性能，既然弹性模量表示了原子结合力的大小，那么它和原子结构的紧密联系也就不难理解。由于在元素周期表中，原子结构呈周期变化（如图1-9），我们可以看到在常温下
8、弹性模量随着原子序数的增加也呈周期性变化，,在第三周期中(如Na，Mg，A1，Si等)弹性模量随原子序数一起增大，这与价电子数目的增加及原子半径的减小有关。周期表中同一族的元素(如Be，Mg，Ca，Sr，Ba等)，随原子序数的增加和原子半径的增大弹性模量减小。可以认为，弹性模量E随原子间距a的减小,过渡族金属表现出特殊的规律性，它们的弹性模量都比较大(如Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni等)，这可以认为是由于d-层电子引起较大原子结合力的缘故。它们与普通金属的不同处在于随着原子序数的增加出现一个最大值，且在同组过渡族金属中弹性模量与原子半径一起增大，这在理论上还没有解释。,温度的影响
9、 不难理解，随着温度的升高材料发生热膨胀现象。原子间结合力减弱，因此金属与合金的弹性模量将要降低。如图1-10所示。,相变的影响 材料内部的相变(如多晶型转变、有序化转变、铁磁性转变以及超导态转变等)都会对弹性模量产生比较明显的影响，其中有些转变的影响在比较宽的温度范围里发生，而另一些转变则在比较窄的温度范围里引起模量的突变，这是由于原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的。,图1-11表示了Fe、Co、Ni的多晶型转变与铁磁转变对模量的影响。例如，当铁加热到910时发生-转变，点阵密度增大造成模量的突然增大，冷却时在900发生-的逆转变使模量降低。钴也有类似的情况，当温度升高到480时从六方晶
10、系的-Co转变为立方晶系-Co，弹性模且增大。温度降低时同样在400左右观察到模量的跳跃。这种逆转变的温差显然是由于过冷所致。,Fe、Co、Ni的多晶型转变与铁磁转变对模量的影响。例如，当铁加热到910时发生-转变，点阵密度增大造成模量的突然增大，冷却时在900发生-的逆转变使模量降低。,钴也有类似的情况，当温度升高到480时从六方晶系的-Co转变为立方晶系-Co，弹性模且增大。温度降低时同样在400左右观察到模量的跳跃。这种逆转变的温差显然是由于过冷所致。,无机材料的弹性模量 通过前面的分析讨论可以看到，不同材料的弹性模量差别很大，主要是由于材料具有不同的结合键和键能。由表1-1可以比较不同
11、材料的弹性模量值。表1-2为几种典型陶瓷材料的弹性模量,复相的弹性模量 因为材料中各个晶粒杂乱取向，单成分多晶体是各向同性的，其弹性常数如同各向同性体。如果考虑较复杂的多相材料，难度很大。一种分析问题的出发点是材料由弹性模量分别为EA和EB的各向同性A、B两相材料组成。为了简单起见，两相系统中，通过假定材料有许多层组成，这些层平行或垂直与作用单轴应力，且两相的泊松比相同，并且受同样的应变或应力，形成串联或并联模型，见图1-12，从而找出最宽的可能界限。,并联的模型 如图1-12（a）所示，材料总体积为V，两相的长度都为复相材料的长度L，两相的横面积分别为Sa、Sb。两相在外力F作用下伸长两L相
12、等，则每相中的应变相同，即 ，且有 ，由于 得： 上式两边分别乘以L/V，得 化简得,其中 分别表示两相的体积分数，且 ，,复合材料弹性模量的上限值。,含有纤维的复合材料，在平行于纤维的方向上受到张力的作用，引起纤维和基质同样的伸长，如果基质和纤维的泊松比相同，则复 合材料的弹性模量可由上式给出。因为应变相同，所以主要的应力由弹性模量大的纤维来承担。同时，估算金属陶瓷、玻璃纤维、增强塑料以及在玻璃基体中含有晶体的半透明材料的弹性模量是比较满意的。,串联模型设各相的横面积相等，有F=FA=FB和L=LA+LB，由上式两边分别乘以S/V，得 复合材料弹性模量的下限值,材料中最常见的第二相是气孔，由
13、上式计算值太大。因为气孔的弹性模量近似为零，由于密闭气孔的存在，会在其周围引起应力集中，因此气孔周围的实际应力较外部施加负荷大，所引起的应变比内部应力和施加负荷相等时所计算的数值大。对连续基体内部的密闭气孔，可用下面公式式中，E0为材料无气孔是的弹性模量 ；P为气孔率，此式适用于P50。如果气孔是连续相，则影响更大。,弹性形变的机理,虎克定律表明，对于足够小的形变，应力于应变呈线性关系，系数为弹性模量E；作用力和位移呈线性关系，系数为弹性系数ks。下面从微观上研究原子间相互作用力、弹性系数及弹性模量间的关系。,为了方便起见，仅讨论双原子间的相互作用力和相互作用势能。如图，在r=r0时，其合力F
14、=0。当原子受到拉伸时，原子2向右位移，达到r时，合力最大，此后最小。合力的最大值相当于材料断裂时的作用力，即材料的理论断裂强度。因断裂是的相对位移为 。当合力与相对位移呈线性变化时，弹性系数可用下式近似表示。,ks是在作用力曲线r=r0是的斜率，因此ks的大小反映了原子间的作用力曲线在r=r0处的斜率大小。,从双原子间的势能曲线上可知势能大小是原子间距离r的函数u（r）。,与虎克定律比较,因此弹性系数Ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。对于一定的材料它是个常数它代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合力。,从原子间振动模型来研究弹性常数,外力使它们相互产生振动时，服从牛
15、顿定律和虎克定律,通过共振频率,此处c是光速，是吸收波长。根据这一原理，可以利用晶体的红外吸收波长测出弹性常数。,3. 粘弹性与滞弹性,自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体与理想粘性液体之间，既具有固体的弹性又具有液体的粘性称粘弹性(viscoelasticty)。最典型的是高分子材料。粘弹性材料的力学性质与时间有关，具有力学松弛的特征，常见的力学松弛现象有蠕变、应力松弛、滞后和力损耗等。,3. 粘弹性与滞弹性 一些非晶体和多晶体在比较小的应力时，可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性。 对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之立即消除。但对于实际固
16、体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。高温下许多含有玻璃相材料， 与时间有关，随时间的增加而降低。这是因为在高温下，应力的作用使一些原子从一个位置移到另一个位置，在此情况下，形变是滞弹性或粘弹性。应力除去后，可以渐渐恢复。,应变松弛和应力松弛,应变松弛(Strain Relaxation)是固体材料在恒定荷栽下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡的过程，也叫蠕变或徐变。当外力出去后，徐变变形不能立即消失。例如：沥青，水泥混凝土，玻璃和各种金属等在持续外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度的随时间延续而发展的缓慢变形。对大
17、多数无机材料，只有在较高温度下持续受力，徐变才能显著测得。发生徐变的原因有多种，如声波速度的限制，即弹性后效，粘性流动等。,蠕变,应力松弛(Stress Relaxation)或驰豫是在持续外力的作用下，发生变形着的物体，在总的变形值保持不变的情况下，由于徐变变形渐增，弹性变形相应减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。现从热力学观点分析应力弛豫，物体受外力作用而产生一定的变形，如果变形保持不变，则储存在物体中的弹性势能将逐渐转变为热能。这种从势能转变为热能的过程，即能量消耗的过程，这一过程就为应力松弛现象。所以也可以这样解释应力松弛：一个体系因外界原因引起的不平衡状态逐渐转变到
18、平衡状态的过程。,驰豫,应力松弛与应变松弛都是材料的应力与应变关系随时间而变化的现象，都是指在外界条件影响下，材料内部的原子从不平衡状态通过内部结构重新组合而达到平衡状态的过程。因此两者在意义上有密切的关系。松弛过程的机理有原子的振动、弹性变形波、热消散、间隙原子的扩散、晶界的移动等。例如杂质原子可以使晶体内固有原子漂移引起的应变难于实现，只有杂质原子再扩散才能使应变成为可能。,可以用力学模型来表示物体在外力作用下的形变行为。,理想粘弹性来自理想粘性液体，其粘性服从牛顿定律，即应力正比于应变速率，即,式中，比例系数为粘度,实验研究证明，高分子材料的力学行为表现为应力同时依赖于应变和应变速率，故
19、这种特性属于粘弹性。现在认为聚合物的粘弹性仅仅是严重发展的滞弹性。,用这两种元件进行各种组合，可得到各种模型，来表示不同的力学性能。,松弛时间,为了说明松弛时间(Relaxation Time)的概念，让我们考虑一种材料在t=0时，被突然加上负荷，材料立即产生应变，而应变0可能较小，0称为无弛豫应变。如果材料继续在同样不变的压力下外力0的作用下，那么应变逐渐随时间而增加到总，即到达相应于充分弛豫状态的数值。在t=t1时，突然卸荷后，立即收缩，随时间的推移，材料恢复到原有的尺寸，如图,标准线性固体是曾纳提出的一种模型，由弹簧及粘性系统组成的力学模型见图。根据此模型有以下关系:,定义z 为恒定应变
20、下的应力驰豫时间；为恒定应力下的应变蠕变时间。可以推导：,在恒应力的作用下，有：,设 为总应变量的滞后应变部分， 。当材料的应变速率趋近于0时， 达到最终值 因此上式可用微分方可表示如下,时间与应变分量的关系可由下式积分方程而求得,解方程并加上瞬时弹性应变，得到材料总应变与时间的函数关系,式中说明 越大，应变滞后越大，因此 可以反映不同材料应变滞后的程度。即 越大，滞弹性也越大。,滞弹性应变为,同样可以分析应力弛豫时间。在恒定的应变条件下，有：,由于模型弹簧1的应力可以表示为,弹簧2的应力不随时间变化，因此总应力的变化速率与弹簧1的相同，随时间的延长，其应力趋进于零。对于弹簧1有微分方程,解微
21、分方程得,该式说明在恒定应变条件下，弹簧1的应力得到松弛，该应力随时间按指数关系逐渐消失。,弛豫时间是应力从原始值松弛到0/e所需的时间,1= 0/e,应力松弛时间表达了一种在恒定变形下，势能消失时间的长短，是材料内部结构性质的重要指标之一，对于材料变形性质有决定性的影响。从其定义上说明松弛时间对材料弹性的影响，如果材料的越大，E越小，则z 和都大，说明滞弹性也大。如果=0，则z=0 和=0，弹性模量为常数，不随时间变化，表现出真正的弹性。两种弛豫时间都表示材料在外力作用下，从不平衡状态达到平衡状态所所需要的时间。,在结晶的陶瓷中，滞弹性驰豫最主要的根源是残余的玻璃相,塑性形变是指一种在外力移
22、去后不能恢复的形变。材料经受塑性形变而不破坏的能力叫延展性，此种性能在材料加工和使用中都很有用，是一种重要的力学性能。 无机材料在常温时大都缺乏这种性能，使得材料的应用受到限制。究其原因，必须研究塑性形变的机理，首先从单晶入手，这样可以不考虑晶界的影响。,第二节 材料中晶相的塑性形变,图为KBr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线。,屈服点屈服应力,本节主要分析单晶塑性形变发生的条件、机理及影响因素,一、晶格滑移 晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。受到均匀剪切产生移动叫做孪晶。,由于滑移现象在晶体中最常见，滑移机理比较简单且
23、具有很广泛的重要性，因此我们主要讨论晶体的滑移。,一、晶格滑移(1)晶体滑移的条件,在晶体中有许多族平行晶面，每一族平行晶面都有一定的面间距。由于晶面指数小的面，原子的面密度大，因此面间距越大，原子间的作用力越小，易产生相对滑动。滑过滑动平面使结构复原所需的位移量最小，即柏氏矢量小，也易于产生相对滑动。从静电作用因素考虑，同号离子存在巨大的斥力，如果在滑动过程中相遇，滑动将无法实现。,滑移的条件,滑移的条件,因此晶体的滑动总是发生在主要晶面和主要晶向上。滑移面和滑移方向为晶体的滑移系统。滑移方向与原子密堆积的方向一致，滑移面是原子密堆积面。NaCl型结构的离子晶体，其滑移系统通常是110面和1
24、10方向。图晶体滑移示意图。,(2)临界分解剪切应力,对晶体施加一拉伸力或压缩力，都会在滑移面上产生剪应力。由于滑移面的取向不同，其上的剪应力也不同，以单晶受拉为例，分析滑移面上的剪应力要多大才能引起滑移，即临界分解剪切应力。,由左图可知，滑移面上F方向的应力为：此应力在滑移方向上的分剪应力为：,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 （临界剪应力），发生滑移d）当 角和 角处于同一平面时， 角最小，即 。 所以， 的最大值为0.5。,可见，在外力 的作用下，在 处于同一平面内滑移方向上，剪应力达最大值。其他方向剪应力均较小。,e）产生滑移机
25、会多少取决于晶体中的滑移系统数量。如果晶体只有一个滑移系统，产生滑移的机会就很少。如果有多个滑移系统，对某一个系统来说，可能 较 小，但对其他系统则可能较大，达到临界剪应力的机会就多。 对于金属来说，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（铁、铜）滑移系统有48种之多对无机材料，离子键和共价键具有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大。只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构愈复杂，满足这种条件就愈困难。所以不易产生滑移。多晶材料晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒其移面上的剪应力差别大，晶粒相互制约，所以，不易产生滑移。,实际晶体中存在位错缺陷。
26、当受剪应力作用时，并不是晶体内部整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动。使位错运动所需要的力比使晶体两部分整体滑移所需的力小得多。所以实际晶体的滑移是位错运动得结果。如果不存在位错，就必须产生一些位错；如果存在的位错被杂质钉住，就必须释放一些出来。一旦这些起始位错运动起来，它们就会加速并引起增殖和宏观屈服现象。,二、 塑性形变的位错运动理论,塑性形变的特征不仅与形成位错所需的能量或使位错开始运动所需的能量有关，还和任一特定速度保持位错运动所需的力有关。两者中的任一个都能成为塑性变形的约束，已发现对纤维状无位错的晶须需要很大的应力来产生塑性形变；但是一旦起始滑移，就可在较低的应力水平下继
27、续下去。,(1)位错运动的激活能。理想晶体内部的原子处于周期性势场中，在原子排列有缺陷的地方一般势能较高，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，如图，在位错处出现了空位势能,（a）有位错时原子列中出现势能空位；（b）未受力时的势能曲线（c）加剪应力t后的势能曲线。,1）在位错处出现势能空位。邻近原子 迁移空位 上需要克服的势垒 比 小。,2）在外力作用下，滑移面 就有分剪应力 。 此时，势能曲线变得不对称， 迁移到空,位要克服得势垒为 ，且 小 于 ， 的作用使 降低。 原子迁移变得容易。,3） 叫做位错运动激活能。与 有关 , 大, 小； 小， 大； 故 为 的函数。,下
28、图中:（a）有位错时原子列中出现势能空位； （b）未受力时的势能曲线； （c）加剪应力t后的势能曲线。,一个原子能摆脱平衡位置的几率是由波尔兹曼因子 决定的。 为激活能，位错速度为：,式中： 与原子热振动固有频率有关得常数， 波尔兹曼常数为1.3810-23J/K, 绝对温度.,1） 当无外力时， ，比 大得多. 如，室温 =300K， 则 =4.1410-21J =0.26ev,(2)位错运动的速度,2）如果有外应力的作用，因为 ，所以 位错只能在滑移面上运动，只有滑移面上的分 剪应力才能使 降低,金属材料 约为0.10.2ev，无机材料约为1ev。所以，室温下无机材料中位错运动十分困难。,
29、无机材料中的滑移系统只有有限的几个，达到临界剪应力的机会就少，位错运动也难于实现。对于多晶体，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。如果温度升高，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，在高温下具有一定塑性。,氧化铝的塑性能变特征特别有意义，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形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。,例如Al2O3在高温下具有一定的塑性形变见图,单晶在900以上由于在(0001）系统上的基面滑移下，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，在很高的应
30、力下发生。但即使在1700，产生非基面滑移的应力也是产生基面滑移的10倍。氧化铝在900以上的形变特征可概括为（a）强烈的温度依赖关系；(b)大的应变速率依赖关系,设在时间 内，长度为 的试件变形量为 ，应变为 ， 应变率 设 平面上有 个位错，则参与形变的滑移面上的位错密度为：,位错运动的平均速度为,即在时间 内不但此 个位错通过试样边界，而且还会引起位错增殖。使通过边界的位错数增加到 个， 称为位错增殖系数。,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：,则宏观应变率,因此，要造成宏观塑性变形，必须满足下列条件：（）有足够多的位错（）
31、位错有一定的运动速度（ 3 ）柏氏矢量 大的材料 大,）位错的形成需要能量，由弹性理论的计算，位错形成能为 a.为几何因子，约. b.相当于晶格的点阵常数。 越小，容易形成位错。金属为单元结构 约埃，容易形成位错。材料结构复杂。点阵结构中原子数较多。 所以，形成位错的能量较大，不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变。,三、 塑性形变速率对屈服强度的影响,式中， 为位错运动速率的应力敏感性指数。,在一定的剪应力 作用下，将使位错运动激活能 减小。 越大， 越小，因而，位错运动速 率 越大。所以塑性形变速率 与所受剪应力 的大 小呈正比。,形变速率大，相应的剪应力最大值也大。表现在宏
32、观上屈服强度点也越高。因而塑性变形速率 与屈服强度有一定关系：,无机材料是很有前途的高温材料。因此在高温下使用的无机材料。就必须考虑其高温蠕变。典型的蠕变曲线如图所示。,第三节 材料的高温蠕变,） 在外力作用下发生瞬时弹性形变） 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,为常数.低温时，,高温时，,该曲线分四个阶段:,4） 加速蠕变阶段。 特点是应变率随时间增加 而增加，最后到 点断裂。 当外力和温度不同时，蠕变各阶段时及曲线倾斜程度将有所变化。,） 稳定蠕变阶段。特点是蠕变速率几乎保持 不变。 ，所以，,（） 或较低时，稳定蠕变阶段延长。（）外力对应变速率的影响很大， 为220
33、。,1）在高温下原子热运动加剧。可以使位错从障碍 中解放出来，并使位错运动加速。2）位错运动除产生滑移外，位错攀移也能产生宏 观上的形变。由于晶体中存在过饱和的空位, 多余的半片原子可以向空位扩散，通过吸收空 位，位错可攀移到滑移面以外，绕过障碍物， 使滑移面移位。,一、高温蠕变的位错理论,认为高温下的蠕变现象类似于晶体中的扩散现象。并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。1）当试件受拉时，受拉晶界的空位浓度 增加，,二、扩散蠕变理论,空位体积 平衡空位浓度,在受压晶面上，空位浓度 减少。,2）受拉晶界与受压晶界产生空位浓度差，受拉晶界 的空位向受压晶界迁移。同时，原子朝相
34、反方向 扩散。导致沿受拉方向伸长，发生形变。3）这种扩散可以是体扩散，沿晶粒内部进行；也可 以是晶界扩散。,1.温度 温度升高，蠕变大。因为 升高，位错运动和晶界错动加快。,三、晶界蠕变理论,多晶陶瓷中存在着大量晶界。当晶界位相差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降。外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。,四、影响蠕变的因素,2.应力 蠕变随应力增加而增大. 若对材料施加压应力，则增加了蠕变的阻力。.显微结构的影响 多孔率增加，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于玻璃相对晶相的湿 润程度，不湿润完全湿润。,玻璃相对晶相
35、的湿润情况图,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。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。,式中，比例常数 为粘性系数或粘度，是材料的性能参数。单位：,玻璃相或陶瓷材料中的玻璃相在高温下，粘度降低，同时又有剪应力的作用就会发生粘性流动。在粘性流动中，剪应力与速度梯度成正比。即：,第四节 高温下玻璃相的粘性流动,这一定律称为牛顿定律。符合这一定律的流体叫牛顿液体。其特点是应力与应变率之间呈直线关系。,一、流动模型,出发点： 认为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
36、过渡到另一平衡状态。其间液体分子必须越过势垒 。如图1.18所示。,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 ，根据绝对反应速率 理论，流动速率:,1）在没有剪切力 作用时，势能曲线是对 称的。,根据牛顿定律 : , 得:,可认为 , 则：,一般地， 很小， 也很小。 而 远远小于 ，即， ,则 :,即,当剪应力小时，与应力无关。 当剪应力大时，随着温度升高，下降。,二、影响粘度的因素 1温度 温度升高，粘度下降。 2时间 高温低温 ， 液体体积减少，自由体 积也减少。 增大，而预先加热一定时间，则使 热膨胀加大，下降。,3组成 硅酸盐材料的粘度随着不同阳离子的 加入而变化。 在氧化物玻璃中，改性阳离子的加入 在任何给定温度下总会使粘度降低。,
