標籤:結構力學材料科學

固體受外力作用而使各點間相對位置的改變,當外力撤消后,固體不能恢復原狀謂之「範性形變」,又稱為「索性形變」、"塑性形變"。 與之對應的還有彈性形變。

1作用

利用範性形變不僅可以把材料加工成所需要的形狀,還能使金屬材料的性能得到改善。金屬材料與范性
範性形變

  範性形變

形變相關的宏觀力學性質,常常用拉伸實驗的應力應變曲線來表徵。金屬範性形變的方式可有以下幾種:
滑移
單晶體的滑移:研究金屬材料範性形變的微觀過程,常藉助於單晶體拉伸實驗。金屬晶體範性形變最主要的方式是滑移,也就是晶體的相鄰部分在切應力作用下沿著一定的晶面和一定的晶體方向相對移動(圖1a),這些晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。滑移時在晶體表面出現一些線狀痕迹,稱為滑移線。實際上它們是滑移面兩側晶體相對移動在晶體表面上造成的台階(圖1b)。滑移面經常是原子的最密排面,滑移方向總是原子的最密排方向。一個滑移面和該面上的一個滑移方向合起來稱為一個滑移系統。面心立方金屬有四種等價的滑移面{111},每種滑移面包含三個不同的滑移方向<110>,共組成12個滑移系統(見晶體結構)。
範性形變範性形變
單晶體拉伸實驗還表明,只有當某個滑移系統上的分切應力達到一定臨界值時,該系統才開始動作。這個最低的應力稱為臨界分切應力。根據拉伸屈服應力和滑移系統相對於單晶體拉伸軸的方位,可以測出臨界分切應力值,對於一般常見的純金屬,它們大約為10~10μ(μ是材料的切變模量)。晶體成分、溫度和形變速度對臨界分切應力都有顯著影響。單晶被拉伸時,分切應力最先達到臨界值的滑移系統首先開始滑移。但是隨著滑移的進行,晶體受到附加力矩的作用發生已滑移系向施力軸方向靠近的轉動,使其他各個滑移系統上的分切應力相應變化,以致更多的滑移系統參加滑移。
與彈性形變不同,範性形變在晶體中的分佈是不均勻的。滑移線現象清楚地說明,晶體的範性形變實際上僅由部分晶面上的滑移承擔。不僅如此,即使在一個晶面上,滑移也是先從局部開始,然後再由小到大地逐步擴展滑移面積。從原子角度來看,滑移過程的機制最終歸結為位錯沿滑移面的運動(見晶體缺陷)。在此基礎上可以想象,範性形變所需的力應該是用於克服位錯產生、增殖和運動時所遇到的障礙,而形變速度則決定於單位體積中位錯數量的多少,以及位錯本身的運動速度。
由於位錯附近的原子已經從點陣的平衡位置移動出來,使位錯前進一個原子間距,所要求原子的移動距離是很小的,而且隨著位錯的運動,在一些原子勢能升高的同時另一些原子勢能降低,總能量變化很小,所以晶體以位錯運動的機制逐步滑移,比無位錯完整晶體作剛性相對滑移所需的力要小得多;在後一種情況下,要經歷滑移面上的全部原子同時向高能位置移動的過程。然而,位錯畢竟要克服勢壘才能前進,這種來源於晶體周期性結構的阻力稱為點陣阻力。點陣阻力與原子間結合鍵的性質密切相關。金屬晶體在范性性質上與共價晶體和多數離子晶體具有顯著差異的根本原因,在於點陣阻力較小。晶體中的各種缺陷如點缺陷、其他位錯、晶粒間界、第二相質點等,對位錯的運動也產生阻力。提高金屬抵抗範性形變的能力(宏觀表現為提高流變強度),便是以合理地利用這些因素給位錯的運動設置障礙作為主要手段。
如果晶體中原來位錯很少,或者原有位錯因本身結構特殊或受到雜質原子的牢固釘扎而不容易運動,滑移的啟動將比較困難,這是共價晶體和體心立方金屬有上下屈服點現象(見金屬力學性能的表徵)的根源所在。與此相反,面心立方金屬的屈服就比較順利。宏觀範性形變的開始,標誌著晶體中已經出現了很多可移動的位錯;然後隨著變形的進一步發展,位錯會大量的增殖。例如,強烈的範性形變可以使金屬中的位錯密度從10cm10cm的數量級。範性形變時,伴隨著位錯的運動、增殖,在它們之間發生複雜的相互作用,這些過程在單晶體應力-應變曲線上不同程度地反映出來。
圖2是面心立方金屬單晶體典型的拉伸曲線,圖中縱坐標為分切應力τ,橫坐標為切應變γ。根據應變硬化係數的變化,可以把曲線分為三個階段,依次稱為易滑移區(Ⅰ)、線性硬化區(Ⅱ)和拋物線硬化區或動態回復區(Ⅲ)。
以透射電子顯微鏡觀察變形晶體為主要實驗依據的理論認為,在階段Ⅰ,晶體中位錯密度低,分佈均勻,它們
範性形變

  範性形變

可以沿自己的滑移面長距離運動而與其他位錯干涉很少,所以應變硬化速率小。當變形進入第Ⅱ階段的時候,位錯密度增大到中等程度,並且逐步形成一種准均勻分佈狀態,即比較密集的大量位錯相互纏結構成胞壁,把晶體分割成為內部位錯密度相對稀疏的胞狀組織(圖3a)。在整個第Ⅱ階段,隨應變數的增大,位錯繼續增殖和運動,胞內不斷形成新的胞壁,胞的尺寸跟著減小,但位錯分佈特徵保持不變,從而使得應力與應變呈線性關係。最後胞的尺寸減小到胞內不再形成新胞壁,胞的尺寸基本穩定不變,於是便開始了第Ⅲ階段。至於三個階段的相對長短,則通過對位錯的增殖、運動和相互作用的影響, (圖3b) 與晶體成分、位向、初始位錯密度和溫度等因素有關。其他晶體的範性形變也表現出類似的過程。
多晶體的滑移:在絕大多數情況下,金屬以多晶體形式使用。多晶體是由大量稱為晶粒的小晶體組成,每個晶粒的取向與其相鄰晶粒不同,從而使金屬在外力作用下在宏觀上表現為各向同性體。多晶體範性形變時,一個晶粒的變形必須與相鄰各個晶粒的變形相協調,否則材料的連續性將不能保持。理論分析指出,為了使多晶體通過滑移產生連續性不受破壞的變形,每個晶粒中至少要有五個獨立的滑移系統動作。實驗證明,即使在應變很小的情況下,各個晶粒也明顯地在幾個滑移系統上滑移,特別是在靠近晶界的區域。由於晶粒間界對滑移的阻礙作用,以及多個滑移系統的位錯相互干擾,多晶材料的應變硬化速率比單晶體大許多倍,而且其應力-應變曲線不像單晶體那樣表現出明顯的階段性。
多晶體範性形變過程中,各個晶粒在形狀改變的同時也發生轉動。經過較大的形變之後,各個晶粒的某一晶體方向逐漸集中到施力軸方向上來,這種狀態稱為擇優取向,得到的組織稱為織構。金屬的形變織構依照加工方式的差異具有不同的類型。多晶體中有了織構之後,其性能在一定程度上表現出各向異性。隨材料使用場合的不同,這種各向異性可能有害,也可能有益。
分子晶體
分子間以范德華力相互結合形成的晶體。大多數非金屬單質及其形成的化合物如乾冰(CO2)、I2、大多數有機物,其固態均為分子晶體。分子晶體是由分子組成,可以是極性分子,也可以是非極性分子。分子間的作用力很弱,分子晶體具有較低的熔、沸點,硬度小、易揮發,許多物質在常溫下呈氣態或液態,例如O2、CO2是氣體,乙醇、冰醋酸是液體。同類型分子的晶體,其熔、沸點隨分子量的增加而升高,例如鹵素單質的熔、沸點按F2、Cl2、Br2、I2順序遞增;非金屬元素的氫化物,按周期系同主族由上而下熔沸點升高;有機物的同系物隨碳原子數的增加,熔沸點升高。但HF、H2O、NH3、CH3CH2OH等分子間,除存在范德華力外,還有氫鍵的作用力,它們的熔沸點較高。
分子組成的物質,其溶解性遵守「相似相溶[1]」原理,極性分子易溶於極性溶劑,非極性分子易溶於非極性的有機溶劑,例如NH3、HCl極易溶於水,難溶於CCl4和苯;而Br2、I2難溶於水,易溶於CCl4、苯等有機溶劑。根據此性質,可用CCl4、苯等溶劑將Br2和I2從它們的水溶液中萃取、分離出來。

原子晶體

相鄰原子間以共價鍵結合而形成的空間網狀結構的晶體。例如金剛石晶體,是以一個碳原子為中心,通過共價鍵連接4個碳原子,形成正四面體的空間結構,每個碳環有6個碳原子組成,所有的C-C鍵鍵長為1.55×10-10米,鍵角為109°28′,鍵能也都相等,金剛石是典型的原子晶體,熔點高達3550℃,是硬度最大的單質。原子晶體中,組成晶體的微粒是原子,原子間的相互作用是共價鍵,共價鍵結合牢固,原子晶體的熔、沸點高,硬度大,不溶於一般的溶劑,多數原子晶體為絕緣體,有些如硅、鍺等是優良的半導體材料。原子晶體中不存在分子,用化學式表示物質的組成,單質的化學式直接用元素符號表示,兩種以上元素組成的原子晶體,按各原子數目的最簡比寫化學式。常見的原子晶體是周期系第ⅣA族元素的一些單質和某些化合物,例如金剛石、硅晶體、SiO2、SiC等。對不同的原子晶體,組成晶體的原子半徑越小,共價鍵的鍵長越短,即共價鍵越牢固,晶體的熔,沸點越高,例如金剛石、碳化硅、硅晶體的熔沸點依次降低。
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