材料的塑性变形

完整晶体原子排列位置
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2.2 理想晶体的强度
假定在晶体特定的晶面及结晶向上施加切应力τ,引起晶体 上半部分相对于下半部分沿两层原子间MN面上移动,如图所示 ，在切应力作用下，势必引起MN面上原子同时移动，同时切 断MN面上所有的原子键，此过程为晶体的整体滑移，
上、下半晶体相对移动
9
2.2 理想晶体的强度
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2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
（2）柏氏矢量的性质与表示方法
柏氏矢量具有守恒性,具体表现在如下： ➢柏氏矢量与柏氏回路的起点、形状、大小和位置无关, 只要回路不与其他位错线或原位错线相遇，则回路所包 含的晶格畸变总量不会改变； ➢一条位错线具有唯一的柏氏矢量，即位错线各部分的 柏氏矢量均相同； ➢若几条位错线汇交于一点时，则指向节点的各位错的 柏氏矢量之和等于离开结点的各位错柏氏矢量之和，
螺形位错 示意图
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（2）位错的类型
b.螺位错—几何特征
①位错线与原子滑移方向 平行；
②位错线（ZHOU）围原子 的配置是螺旋状的,即形成螺 位错后,原来与位错线垂直的 晶面，变为以位错线为中心 轴的螺旋面，
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
c.混合位错
如果在外力τ作用下,两部分之间发生相对滑移,在晶 体内部已滑移部分和未滑移部分的交线既不垂直也不平 行于滑移方向（伯氏矢量b），这样的位错称为混合位 错，如下图所示，位错线上任一点，经矢量分解后，可 分解为刃位错与螺位错分量。
滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对滑移或畸变， 由伯格斯于1939年首先提出，故称为伯格斯矢量，简称 为伯氏矢量，
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2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
（1）柏氏矢量的确定
刃型位错柏氏矢量的确定 a 实际晶体的柏氏回路； b 完整晶体相应回路
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2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
（1）柏氏矢量的确定
螺型位错柏氏矢量的确定 a 实际晶体的柏氏回路； b 完整晶体相应回路
滑移过程并非是原子面之间整体发生相对位移,而是一部分 先发生位移,然后推动晶体中另一部分滑移，循序渐进，
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2.3 晶格缺陷——位错
2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
基本类型
刃位错（edge dislocation）， l⊥ b 螺位错（screw dislocation）， l∥ b
（2）位错的类型
a.刃位错——几何特征
①位错线与原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直； ②滑移面上部位错线（ZHOU）围原子受压应力作 用,原子间距小于正常晶格间距； ③滑移面下部位错线周围原子受应力作用,原子间距 大于正常晶格间距，
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
压应力——正攀移； 拉应力——负攀移。
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
当位错穿过晶体时,其中间所取的位置
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
完整晶体中原子排列及其势能曲线
根据平衡理论,完整晶 体中的每个原子处于势能最 低位置,原子的热运动使得 原子在它势能最低位置附近 运动，原子能越过势垒落到 临近的位置上去的机会是很 小的。
a.刃位错——表示符号
如果半个原子面在滑移面上方,称为正刃位错,以符号 ⊥表示；反之称为负刃位错，以符号“┬”表示，符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面，
正刃位错
负刃位错
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（2）位错的类型
b.螺位错——螺位错的产生
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
故
得
m≈
Gb 2π a
对 于 晶 体 来 说 ， a≈ b， 故 上 式 可 写 为 ：
m≈
G 2π
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2.2 理想晶体的强度
为什么完整晶体理论屈服强度和实验测定的屈服强度差异 大
原因： ➢近似为弹性变形,利用胡克定律； ➢剪切力与原子间距离并非符合正弦变化； ➢推导过程中针对的是理想晶体,而实际晶体存在缺陷，
P和R位置上的原子处于晶体点阵的平衡位置,势能最低,该位 置上的原子处于平衡位置；而P和R之间中央Q位置，势能最高， Q位置上的原子处于亚稳定状态，势能的变化取决于原子键的性 质，因此，势能随位移变化曲线的真实形状很难确定，
原子位移位置
a.E-x变化曲线；b. τ-x变化曲线
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2.2 理想晶体的强度
理想晶体的化学和物理性质——取决于原子的结构和原 子间的结合性质，
理想晶体的塑性变形——是由晶体沿着晶面的整体滑移 而引起的，塑性变形的出现意味着晶体屈服。
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2.2 理想晶体的强度
两列原子间的力有两种：
（1）每层中原子之间的相互作 用力,该力与两层原子相对位移不相 干；
（2）上、下两层原子之间的相 互作用力,该力与两层原子相对位移 有关，是（ZHOU）期性变化的力，
混合位错
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
a.刃位错——刃位错的产生
半原子面 （EFGH）
位错线 EF
刃位错示意图
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
a.刃位错——刃位错的产生
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
E=-A cos 2π b
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
晶体中存在缺陷的原子排列及其势能变化曲线
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
切应力作用下含缺陷晶体中原子排列及势能变化曲线
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
······ h 完整晶体的势能曲线
滑移面• •
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
金属材料H 为0.1－0.2eV；由离子键、共价键组成 的非金属材料的H 为1eV数量级,故室温下无机非金属材 料的位错难以运动,
因为h h H()，所以位错只能在滑移面上运动， 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。
晶体滑移的三种情况
刃型位错的滑移 螺型位错的滑移
混合位错的滑移
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2.3.3 位错运动理论
（1）位错滑移
位错滑移导致晶体滑移的示意图
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2.3.3 位错运动理论
（1）位错滑移
刃位错只有唯一的一个滑移面；对于螺位错,凡通过 位错线的晶面,都是滑移面，有无数个，
类 型 柏氏向量 刃 ⊥位错线 螺 ∥位错线
b.螺位错——螺位错的产生
位 错 线 E F
螺位错形成示意图
a）与螺位错垂直的晶面的形状 （b）螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
b.螺位错——螺位错的产生
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（2）位错的类型
b.螺位错——螺位错的产生 BC线两侧的上下两层原子都偏离 了平衡位置,围绕着BC连成了一个 螺旋线.
修 正 ： m ’ ≈ G-G或 m ’ ≈ G。
1050
30
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2.3 晶格缺陷——位错
2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（1）定义：线状缺陷,
实际晶体在结晶时,受到杂质、温度变化或振动产生 的应力作用或晶体由于受到打击、切割等机械应力作用, 使晶体内部原子排列变形，原子行列间相互滑移，不再 符合理想晶体的有序排列，形成线状缺陷，即为位错，
3. 影响因素
①温度；（MgO高温下表现一定的塑性）,
②加载方式；（拉应力、压应力）——铸铁施加压力表 现为塑性变形；受拉伸应力表现为脆性变形，
③加载速度。（冲击荷载、准静荷载）——加载速度越 小,塑性变形可以充分表现；加载速度越大，应力来不及均 匀变化，表现为脆性变形。
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2.2 理想晶体的强度
理想晶体——空间点阵每一个格点都被原子占有和原子 平面的规整排列未被破坏而构成的晶体,即完全符合格子构 造规律的晶体,
τm—— 完 整 晶 体 屈 服 强 度 , 晶 体受到的切应力超过τm后产生永久 变形,即为晶体的塑性变形，
a.E-x变化曲线； b. τ-x变化曲线
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2.2 理想晶体的强度
在 原 子 位 移 很 小 的 情 况 下 ， -x曲 线 的 斜 率 为 /x,
故 m 2π = bx
根 据 胡 克 定 律 ： =G ≈ G x a
位错线 运动方向
晶体 切应力 滑移面 滑移方向 方向 个数
⊥位错线本身 与b一致 与b一致 唯一
⊥位错线本身 与b一致 与b一致 多个
混合
与位错线 成一定角度
⊥位错线本身
与b一致 与b一致
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2.3.3 位错运动理论
（2）位错的攀移
位错除滑移外,还可以产生攀移,由于热运动，原子之 间扩散，空位扩散到位错处，使位错上移，杂质离子扩散 到位错处，使位错下移，
•h • •
有位错时,晶体的势能曲线
H()
加剪应力后的势能曲线
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
正常原子滑移需越过势垒 h；
有位错时,越过能量势垒 h’； 位错运动的激活能H ,与剪切应力有关,剪应力大， H 小； 小，H()大，
H τ ＜h’＜ h
当τ＝0, H τ 最大,H τ ＝h’，
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2.3.3 位错运动理论
（3）位错运动理论
当位错线在晶体中运动时,穿过滑移面的原子键的裂开 是逐步发生的,而不像理想晶体那样是一次同时实现的，
半原子面在运动中不断改变位置，运动的最终结果使 得立方体上半部份相对于下半部份发生了平移，其大小等 于平衡原子的间距b，
刃型位错的攀移运动模型 a 未攀移的位错； b 空位运动形成的正攀移；(c) 间隙原子扩散引起的负攀移
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2.3.3 位错运动理论
（2）位错的攀移
刃型位错攀移的实质——多余半原子面通过空位或 原子的扩散而扩大或缩小,
正攀移——当多余原子面缩小,位错线向上攀移， 负攀移——当多余半原子面扩大，位错线向下攀移。 注意——由于攀移需要通过原子扩散才能实现，故 位错的攀移比滑移困难的多，主要发生在高温或应力条 件下。
为了便于分析,假定势 能随原子位移变化为正弦 波曲线,移动原子所需的作 用力F的变化可由势能-位 移 曲 线 （ E-x）的斜率确 定，
a.E-x变化曲线；b. τ-x变化曲线
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2.2 理想晶体的强度
晶 体 滑 移 所 需 的 切 应 力 为 ： =F A
作 用 在 晶 体 上 的 切 应 力 与 原 子 位 移 之 间 的 关 系 ： = m sin2 π x b
屈服应力——当外力超过物体弹性极限，达到某一 点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此 点为屈服点，达到屈服点的应力。
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2.1 概述
2. 度量塑性的指标
延伸率：
LL0 100%
L0
断面收缩率： A A0100%
A0
工程上： 5% （塑性/韧性材料） 5% （脆性材料）
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2.1 概述
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2.3.3 位错运动理论
位错运动的难易将直接影响材料的塑性变形和强度, 位错运动的两种基本形式：滑移和攀移，
（1）位错滑移
位错的滑移面——由位错线与其柏格斯矢量组成的晶面, 滑移运动——位错沿滑移面的移动， 当位错在切应力作用下沿滑移面滑过整个滑移面时,就会使晶 体表面产生一个原子间距的滑移台阶。
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（2）位错的类型
c.混合位错
混合位错的形成
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2.3.2 柏氏矢量与柏氏回路
（1）柏氏矢量的确定
位错线在几何上的两个特征： ①位错线的方向ξ,它表明给定点上位错线的取向,由人
们的观察方位来决定，是人为规定的； ②位错线的伯格斯矢量b，它表明晶体中有位错存在时，
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation）
（1）定义：线状缺陷,
位错的提出——解释晶体的塑性变形,
塑性变形理论 滑移模型，1920 线缺陷（位错）模型,1934
建立位错理论,1956
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2.3.1 位错的基本概念（dislocation） 1934年 Taylor、Polanyi、Orowan三人几乎同 时提出晶体中位错的模型,
材料物理性能
第一部分：材料的力学性能
1
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第二章：材料的塑性变形
Plastic deformation of materials
主要内容：
一.概述； 二.对塑性变形的认识过程； 三.塑性变形的本质； 四.多晶体的塑性变形,
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1. 定义
2.1 概述
塑性变形——在外力除去后不能恢复的变形叫塑性 变形,有一部分残余形变,即使固体产生变形的力，在超 过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变 形后的形状或尺寸，即非可逆性能，