式中，昌=为恒定应变下应力弛豫时间，士色X,=为恒定 应力下应变蠕变时间。它们都表示材料在外力作用下从不平衡状 态通过内部结构重新组合而达到平衡状态所希的时间。用图1.8 (α)的力学模型所表示的物体称为标准线性固体。如果材料的？ 大，E小，则x,和都大，说明滞弹性也大。如果=0，则2=0， 下。=0，弹性模量为常数，不随时间变化，表现出真正的弹性。当我 们测定滞弹性材料的形变时，如果测量的时间小于，和下。，则由 于随时间的形变还没有机会发生，测得的是应力和初始应变的关 系，这时的弹性模量叫未弛豫模量；如果测量的时间大于，和， 测得的是弛豫模量。弛豫模量总小于未弛豫模量。 时间 (a) 6) 图1.8表示弛像性状的标准线性固体 (a)棋型，()力学性膨。 由于材料内部重新组合的复杂性，仅用标准线性固体还不能 很好地描述材料的滞弹性.因为可能有很多种组合过程，要用无数 个蠕变或弛豫模型来表示。这样就具有蠕变时间或弛豫时间的分 布。这种分布可以是0一∞的连续的时间谱。 在结晶的陶瓷中，滞弹性弛豫最主要的根源是残余的玻璃相。 这种我余的玻璃相常处在晶粒间界上，当温度达到玻璃转变温度 时，晶界上的滞弹性驰豫就变得重要起来。 ·16
§1.2无机材料中晶相的塑性形变 塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。无机材料 的塑性形变，远不如金属塑性变形容易。材料经受此种形变而不破 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 种重要的力学性能。无机材料的致命弱点就是在常温时大都缺乏 这种性能，使得材料的应用大大受到限制。50年代发现AgC离子 晶体可以冷轧变薄。MgO,KCl,KBr单晶也可以弯曲而不断裂，LiF 单晶的应力-应变曲线和金属类似，也有上、下屈服，点。图】，9示出 KBr和MgO晶体受力时的应力应变曲线。 30 MRO m3.0 断裂 25 屈服应力 201 68.2/ 5 .5 0 1.0 KBr 000 断裂 0.5 屈服应力 00.0050.0100.0150.0208.02 绕度/25.4mm 图1.9KBr和MgO晶体弯曲试验的应力-应变曲线 能否将陶瓷做成延性材料？对此，多年来进行了大量的研究， 但至今在常温下，除少数例外，大多数无机材料都不具延性，也就 是说，没有或只有很小的塑性形变.最近发现，含C02的四方ZO: ·17
多晶瓷在应力超过一定值后，表现出很大的塑性变形，因为这种变 形是由四方ZO,相变为单斜ZrO2引起的，所以称为相变塑性。 为什么常温下，大：数无机材料不能产生塑性形变？要回答这 个问题，首先要研究塑性形变的机理，我们先从比较简单的单晶入 手，这样可以不考虑晶界的影响。 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。由于滑移 现象在晶体中最为常见，所以我们主要讨论晶体的滑移。 晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做 滑移。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，如图1.10(a)所示。图1.10(b)为滑移现象 的微观示意图。 晶体中滑移总是发生在主要晶面和主要晶向上。这些晶面和 图1.10品体的滑移示意图 ·18
晶向指数较小，原子峦度大，也就是柏氏矢量6较小，只要滑动较 小的距离就能使晶体结构复原，所以比较容易滑动。潜动面和滑动 方向组成晶体的滑移系统。例如NaC1型结构的离子晶体，其滑移 系统通常是{110)面族和〈1I0)晶向。 图1.11为Mg0晶体滑移显微示意图 (a} ib) 图1.11岩盐型结构晶体沿110)方向的平移滑动 ()在{110}面族上，(b)在100)面族主. 由图可见：(1)从几何因素考虑，在(110)面，沿(110》方向滑 移，同号离子间柏氏矢量较小，即<；(2)从静电作用因素考虑， 在滑移过程中不会遇到同号离子的巨大斥力，因此，在(110)面上， 沿110》方向滑移比较容易进行。 滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的 拉伸或压缩都会在滑动面上产生剪应力。由于滑移面的取向 不同，其上的剪应力也不同。现以单晶受拉为例，看看滑移面上的 剪应力要多大才能引起滑移。图1.12表示截面为A的圆柱单晶， 受拉力F,在滑移面上沿滑移方向发生的滑移。 由图可知：滑移面上F方向的应力为 o-a6p-g学2 A 19
此应力在滑移方向上的分剪应力为 年=Fcasp cs2 (1.27) A (1.27)式表明，不同滑移面及滑移方向的 剪应力都不一样；同一滑移面上不同滑移 方向，剪应力也不一样。当≥（临界剪应 力)时发生滑移。由于滑移面的法线N总 是和滑移方向垂直。当伞角与1角处于同 移方 一平面时，角最小，即元十g=90°，所以 滑移面 cos入·cosp的最大值为0.5。可见，在外力 F作用下，在与NF处于同一平面内的滑 移方向上，剪应力达最大值，其他方向剪应 力均较小。 如果晶体只有一个滑移系统，则产生 图1.12 滑移的机会就很小。滑移系统多的活，对其 临界剪应力的确定 中一个滑移系统来说，可能cos1·cosp较 小，但对另一个系统来说，cos入·os伞可能就较大，达到临界剪应 力的机会就较多。金属易于滑移面产生塑性形变，就是因为金属滑 移系统很多，如体心立方金属（铁、铜等）滑移系统有48种之多，而 无机材料的滑移系统却非常少。原因是金属键没有方向性，而无机 材料的离子键或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。因此，只有为数不多的无机材 料晶体在室温下具有延性，这些晶体都属于一种称为NaC1型结构 的最简单的离子晶体结构，如AgCl,KC1,MgO,KBr,LiF等。A12O 属刚玉型晶体结构，比较复杂，因而室温下不能产生滑移。 至于多晶陶瓷，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。即使个别晶粒已达临界剪应力而发 ·20·