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第六章材料的塑性变形
重点与难点
内容提要:
材料体系的平衡相图与非平衡状态下的动力学规律是材料学
家分析材料时手中最主要的两个工具。扩散是影响材料非平衡
过程最重要的动力学因一。对固体中扩散的认识主要基于
两方面的知识:
扩散的宏观规律;
扩散的微观机理。
由浓度差引起的扩散可以用菲克定律描述。菲克定律的基础
是扩散速率与浓度梯度成正比且扩散与浓度梯度反向这一基本
规律(菲克第一定律);在引入质量守恒定律后,菲克第一定
律被推广应用于非稳态过程(菲克第二定律)。扩散物质的扩
散系数D是描述其扩散能力的重要参数。在发生互扩散的扩散
偶中,由于道尔效应,菲克定律中应采用互扩散系数。
热力学理论分析证明,扩散的真正驱动力是扩散物质的热力
学梯度,即扩散的真正驱动力是扩散物质热力学势的梯度,即
扩散的方向和速率取决于扩散物系中热力学势梯度而不是
浓度梯度。热力学势梯度可以由浓度、温度化、应力应
变、电位等量在空间上的差异造成。浓度梯度引起的扩散
只是一个最为常见的特例。
扩散是扩散物质质点(原子、离子、分子等)由于热引
起的迁移造成的。扩散物质质点每一次迁移的方向是随机的。
扩散流是无数扩散物质质点迁移的统计结果,因此扩散具有热
激活性质。间隙扩散与空位扩散是晶体中最主要的两种扩散机
制,前者的扩散系数及扩散激活能都要明显低于后者。本章以
晶体中的原子扩散为主线,根据原子热迁移模型,给出了
扩散系数的计算,从而把扩散的宏观变化规律与扩散的微
观机理联系起来。
以上两方面的知识是在后面几节分析复杂扩散问题及各种因
素影响的基础。
基本要求:
(1)正确理解菲克定律及其实质,并能够较好地应用菲克
定律解决一些较简单的扩散问题(2)熟悉掌握扩散的原子模
型,能够根据这一模型分析扩散问题及各种因素对扩散的影
响。
(3)了解并掌握以下概念与术语:
扩散、自扩散、互扩散、间隙扩散、空位扩散、上坡扩
散、反应扩散、稳态扩散、非稳态扩散、扩散系数、互扩散系
数、扩散激活能、扩散通量、原子的热、原子迁移率、本
征扩散、非本征扩散、晶界扩散、表面扩散、效应。
本章主要讨论材料的形变行为和微观机制。
6.1弹性变形
6.1.1普弹性
晶体发生弹性变形时,应力与应变成线性关系,去掉外力
后,应变完全,晶体恢复到末变形状态。弹性变形阶段应
力与应变服从定律。
弹性模量是重要的和力学参量,表示使原子离开平衡位
置的难易程度,只取决:晶体原子结合的本性,不依晶粒大小
以及组织变化而变.是—种组织不敏感的性质。
6.1.2滞弹性
在弹性范围内加载或去载,发现应变不是瞬时达到
其平衡值,而是通过一种驰豫过程来完成的,即随时间的延
长,逐步趋于平衡值的,在应力作用下逐渐产生的弹性应变叫
滞弹性应变。
应力—应变曲线就成—回线,回线所包围的面积是应
力循环一周所消耗的能量,称为内耗。
6.2单晶体的塑性变形
工程上应用的金属材料通常是多晶体。
金属的塑性变形主要通过滑移
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