金属塑性变形物理本质

4 固态塑性变形物理本质

材料经过加工成形使其具有需要的形状和性能，才体现出它的价值。材料加工的目的就是两个：一是改变材料的形状，另一个是改善其性能。塑性变形是既改变材料的形状，又改变材料的组织结构及相应性能的有效方法。

通过塑性变形可以有效地改变材料的性能，材料的性能又直接影响到工艺的进行。金属材料的性能（包括使用性能和深加工性能）在使用条件一定时，是决定于成分和组织结构的。在材料的化学成分一定的情况下，其组织结构是由加工工艺决定的，既通过冷、热加工、热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织结构，从而改变材料的性能。我们掌握了形变、相变、形变和相变相结合的过程中金属材料组织结构的变化规律，就可以利用这些规律，设计和优化加工工艺来获得满足性能要求所需要的组织结构。有时为了充分发挥冷、热加工、热处理和形变热处理改变金属材料的组织结构的作用，也经常适当地调整化学成分，从而获得更好的效果。这些知识是制定各种金属材料生产工艺的理论依据，为了达到有效的控制材料性能目的，我们首先要认识塑性加工过程中材料的组织及性能变化。

4.1 固态塑性变形机理

材料塑性变形包括晶内变形和晶间变形。通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动，这就是晶内变形。剪切运动有不同的机理，其中最基本的形式是：滑移、孪生、形变带和扭折带。在r T T 5.0>（r T 熔化温度）时，可能出现晶间变形。当

变形温度比晶体熔点低很多时，起控制作用的变形机理是滑移和孪生。在高温塑性变形时，扩散机理起重要作用。

在金属和合金的塑性变形过程中，常常同时有几种机理起作用。各种机理作用的情况受许多因素影响，例如：晶体结构、化学成分、相状态等材料的内在因素，及变形温度、变形速度、应力状态等外部条件的影响。因此要研究和控制材料的变形过程，掌握基本的塑性变形机理很有必要。

4.1.1 滑移

（1）点阵阻力

晶内变形是晶体的一部分相对于另一部分的剪切变形，都是通过位错运动来实现的，所以研究基本的塑性变形机理就应研究相应的各种位错运动形式。滑移是重要的切变机理之一。虽说位错的滑移运动是很容易的，但是，它也必须至少克服点阵阻力对它的阻碍才能运动。所谓点阵阻力也就是派一纳力。当位错从一个低能的稳定位置过渡到另一个低能的稳定位置，必须越过一个能量最大值的位置，就需要对位错施加足够的力以供克服这一能垒所需要的能量，这个能垒就称为派尔斯垒，克服这个能垒所需要的力就是派一纳力。 派尔斯等作者，在经典的弹性介质假设和滑移面上原子的相互作用为原子相对位移的正弦函数假设的基础上，求出了单位长度位错的激活能△W （即派尔斯垒）和其临界切应力（派一纳力）p τ，按指数规律随面间距 a 和柏氏矢量 b 的比值a ／b 而变化。

)/2e x p (2kb k Gb ππϖ-≈

∆ (4-1) p τ≈)/2exp(2kb k G π- (4-2)

上两式中，螺位错K=1，刃位错K=4-ν。派一纳模型所给出的解仅在定性上是正确的。p τ

比理论切屈服应力m τ=π2G 小许多倍。柏氏矢量b 值愈小，滑够面面间距a 愈大，则临界切应力p τ就愈小。当a ／b 稍有增加就对p τ产生强烈的影响。因此，处于面间距最大的密

排面上的小柏氏矢量的位借，其活动性最大，所以密排面就是易滑移面。但要注意，派一纳力还和原子键类型及位错宽度有关，在此就不详细论述了。

（2） 滑移系统

因为面间距a 越大、柏氏矢量越小时派一纳力越小。因此，单晶体和多晶体中滑移变形都是沿着密排面和密排方向进行的。这些密排面和密排方向就是滑移面和滑移方向。滑移面和位于其上的滑移方向就构成了滑移系统。

面心立方晶体的滑移变形是沿着密排的八面体平面｛111｝上的密排方向<110>进行的。四个取向不同的｛111｝平面中,每个平面上有3个完全位错的柏氏矢量a ﹤l10﹥／2的方向＜110>，所以，可能的滑移系统为12。见图4-1。

体心立方晶体的密排面是｛110｝，滑移总是沿着密排方向<111>。也观察到在｛112｝和｛123｝上发生滑移变形，但是滑移方向是衡定的，还是＜111>方向。这样，体心立方金属共有四十八个滑移系统，如图4-2。

图4-1 面心立方晶体的<110>{111} 图4-2 体心立方晶体中通过[111]

的12个滑移系 方向的12个滑移面 滑移系的多少是影响金属塑性变形好坏的重要因素之一。密排六方金属的滑移系统少，只有3个，因此，一般说来，它们的塑性低。但是不能说具有48个滑移系统的体心立方金属的塑性一定比面心立方金属好，除了滑移系统多少外，还有夹杂对变形的影响、加工硬化的影响、屈服强度和断裂强度的高低等。即使从滑移系统看，即使体心立方金属具有48

个潜在的滑移系统，在实际的变形条件下，并不等于这么多滑移系统都同时动作。

4.1.2 孪晶

孪晶也是一种常见的变形形式。通过变形形成的孪晶称为形变孪晶或机械孪晶。产生孪晶的过程称为孪生。孪生是塑性变形的基本机理之一。

孪生是晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶体学平面和方向产生的切变，那样的晶面就是孪生面，那样的晶向就是孪生方向。但是，它和沿着滑移面上的滑移方向产生的相对切变不同，有它自己的特点。由图4-3可见，孪生要改变晶体的取向。从孪生后孪晶中原子排列情况可以看出，晶体切变后结构没有变化，但是取向发生了变化。同时，由这个孪生过程可以看到孪生这种晶体的相对切变是沿孪生面逐层连续依次进行的，而不像滑移那样集中在一些滑移面上进行，且滑移时晶体取向不变。

图4-3 面心立方晶体的孪生过程

●—切变前原子的位置○—切变后原子的位置

在一般情况下，孪生比滑移困难一些所以变形时，首先发生滑移，当切应力升高到一定数值时，才出现孪生。但像密排六方金属，由于滑够系统少，各滑移系相对于外力的取向都不利时，也可能在形变一开始就形成孪晶。

4.1.3 扩散塑性变形机理

当材料在高温塑性变形时，扩散就起着重要的作用。扩散作用是双重的。一方面，它对剪切塑性变形机理可以有很大影响；另一方面扩散可以独立产生塑性流动。扩散塑性变形机理包括：扩散-位错机理；溶质原子定向溶解机理；定向空位流机理。

扩散-位错机理：当温度较高具有扩散条件时，扩散过程从几个方面影响位错运动。扩散对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响。特别是扩散对刃位错攀移速度的影响，在变形温度超过

T5.0，变形物体承受中等或较高应力水平时，是扩散-位错机理控制着蠕r

变变形过程的机理，也正是扩散-位错机理的速度控制着蠕变的速度。有人也称为位错蠕变机理。蠕变是弹性变形部分地转变为塑性变形的过程，也就是在应力恒定时，随着时间增长总变形量（弹性变形与塑性变形之和）增加的过程。在蠕变过称中，蠕变速率不断增加，很快导致材料的最终断裂。材料蠕变性能的变化反映了应变硬化和软化之间的相互作用的不断变化。