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 多晶材料更不容易产生滑移。 二、塑性形变的位错运动理论 实际晶体中存在位错缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内 两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动.使位 错运动所需的力比使晶体两部分整体相互滑移所需的力小得多。 所以实际晶体的滑移是位错运动的结果。 位错是一种缺陷，在原子 排列有缺陷的地方一般势能较 高，如图1.13所示。 内力平衡时原子处子势能 势能空位C C D 最低的位置。有了位错情况就 不同了，在位错处出现势能空 位，邻近的原子C:迁移到空位 上蒂要克服的势垒比小。 克服势垒所需的能量可由升 高温度的热能或由外力所做的 功来提供，在外力作用下，滑移 面CD上就有分剪应力T,此时 势能曲线变得不对称，C原子 迁移到空位要克服的势垒为 图1.13 H(),且H(x)<。就是说，T (a)有位错时原子列中出现势能空位： 的作用使降低，C2原子迁移()未受力时的势能曲线： 到空位更加容易，也就是刃形()加尊应力：后的势能曲线。 位错线向右移动更加容易。℉的作用提供了克服势垒所斋的能量。 显然，H()叫做“位错运动激活能”，和x有关。T大，H(x)小；T 小，H(x)大，故H()为r的函数。当没有剪应力作用时，H()最 ·21·
大，此时H(r)=。 一个原子能脱离平衡位置的几率是由波尔兹曼因子~决 定的。E为激活能。位错既是一种缺陷，其运动速度也应由波尔兹 曼因子决定，所以可把位错运动的速度写成： 0=oeH(包） (1.28) T 式中，：与原子热振动固有频率有关的常数： k:波尔兹曼常数，为1.38X10-8J/K: T:绝对温度。 分析(1.28)式可以看出：(1)当无外力时，H()=:,比炉大 得多。例如室温T=300K,则=4.14X10-21J,1J=6.24×1016 eV,故T=0.026eV。金属材料的约为0.1一0.2eV,而具有方向 性的离子键、共价健的无机材料，其比金属大得多，约为1eV数 量级，所以室温下无机材料中位错运动十分困难；〔2)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H()降低。无机 材料中滑移系统只有有限几个。因此滑移面上分剪应力往往很小， 尤其是在多晶陶瓷中更是如此。 不同晶粒的滑移系统的方向不同，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。所以更难产生塑性形变。 (3)温度升高时，位错运动的速度加快，因此脆性材料如A12O3,在 高温下也有一定塑性形变，如图1.14左半所示。 位错运动的理论充分说明无机材料中产生位错运动是困难 的，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而使材料脆断。 由于滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果， 因此宏观上的形变速率和位错运动有关，图1.15的简化棋型表示 了这种关系。设在时间t内，长度为1的试件形变量为，应变为 /l=,应变率为de/=。设1×1平面上有个位错，则参与形变 ·22
断数1260◆(2300°) 斯裂 上屈服应力 0.fin in /min-14 42 16 (a) (b) 10a. 只12 下服应力 -1270°C(2318°F) -0.025 -0.01 -1370·(2498°） -0.0025 w0001 4 1670°3038°) 0.01- 伸长/n 图1.14单晶氧化铝的形变行为 (a)混度影响；(b)应变速率的影响。 的滑移平面上的位错密度为 0=月 (1.29) 如位错运动的平均速度为，则 6= (1.30) 即在时间t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c个， 图1.15塑性形变的简化模型 c称为位错增殖系数。每个位错的 运动造成在运动方向上一个原子间距大小的滑移，即一个柏氏矢 量的滑移，以表示，则单位时间内的滑移量为 些=兴 (1.3) ·23
则宏观应变率为 (1.32) 由(1.32)式可知，塑性形变率取决于位错运动的速度，位错 密度D、柏氏矢量b和位错增殖系数c。因此要造成宏观塑性形变， 必须：(1)有足够多的位错；(2)位错有一定的运动速度，(3)从 (:.32)式分析，柏氏矢量b大的材料：大。但另-一方面，由于位错 的形成需要能量，由弹性理论的计算，位错形成能为 =aGb2 (1.33) 式中，G为剪切模量，a为几何四子，其值为0.5一1.0，b为柏氏矢 量。可见位错能量和成正比。b大，位错能量也大，也就是说，形 成位错的能量大：b小，形成位错的能量小。也就是说，b小才容易 形成位错。相当于晶格的点阵常数。金属为单元结构，点阵常数 较小，一般为3A·左右，因此，形成位错的能量小，容易形成位 错。无机材料都是二元以上的多元化合物，结构比较复杂，点阵结 点中原子数较多，如MgAJ2O,三元化合物，点阵常数较大，约8A, A12O,的点阵常数也在5A以上，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，也就难以产生塑性形 变。 三、塑性形变速率对屈服强度的影响 正如上段所述，在一定的剪应力？作用下，将使位错运动激话 能()减小。T愈大，H()愈小，因而位错运动速率：愈大，所以 塑性形变速率：与所受剪应力的大小呈正比。应用此概念，在 900℃温度下对单晶A1O试样进行不同形变速率（即试验机的动 梁移走速率)下的拉伸试验，如前述图1.14右半所示。 41A=10-m ·24
从图中可见，形变速率大的，相应的剪应力最大值也大，表现 在宏观上屈服强度点也愈高，因而塑性变形速率：与屈服强度有 一定关系： 0r=()m (1.34) 式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。常温下不同材料的m 值见表1.2。 表1.？各种材料在常湿下的应力敏感性指数值 材料 结构 LIF 岩盐型 13.5-21 Nac] 岩盐型 7.8-29.5 Mgo 岩盐型 2.5-6 CaF 萤石型 7 金利石型 1.41.5 §1.3无机材料的高温蠕变 常温下无机材料呈现脆性，因此常温下使用无机材料时，用不 着考虑蠕变，但在高温下无机材料却具有不同程度的蠕变行为，因 而在高温下使用无机材料时，就必须考虑端变。无机材料是很有前 途的高温结构材料，因此对无机材料的高温螭变的研究愈来愈受 重视。 实验发现，典型的蠕变曲线如图1.16所示。 该曲线可分为四段：(1)起始段。在外力作用下发生擗时弹 性形变。若外力超过试验温度下的弹性极限，则a段也包括一部 分塑性形变。oa段形变是瞬时发生的和时间没有关系； (2)第一阶段烯变，也叫蠕变减速阶段。此段的特点是应变 速率随时间递减，即b段的斜率随时间的增加愈来愈小，曲线 25·