多晶体塑性变形

多晶体塑性变形
实际使用的材料通常是由多晶体组成的。室温下，多晶 体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同，但由于相邻 晶粒之间取向不同，以及晶界的存在，因而多晶体的变形 既需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配 合，故多晶体的塑性变形较为复杂。
1．晶粒取向的影响（相邻晶粒的相互协调性）
当外力作用于多晶体时，由于晶体的各向异性，位向不
xx xy yx yy zx zy
xz yz zz
由于物体处于平衡状态时，剪应力互等，故9个分量中只 有6个是独立的，因此只需要6个应力分量就可以决定任一点 的应力状态。
可见，多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证 相互间的协调，即一个多晶体是否能够塑性变形，决定于它
同的各个晶体所受应力并不一致。
处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶
粒却还未开始滑移。
但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变 形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然就难以进行变形， 甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成空隙而导致材料的 破裂 。
为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合，
况晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，
因此，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是极其困难的，
在室温下晶界对滑移具有阻碍效应。
位错
滑移面
晶界
对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸
变形后，呈现竹节状。也就是说在晶界处的晶体部分变形较
小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的变形不均匀。这是
一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均
匀的晶粒。 因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、硬度， 而且也使它具有良好的塑性和韧性，即具有良好的 综合力学性能。
细晶强化是唯一的一种在增加材料强度的同时
也增加材料塑性的强化方式。 但是由于细晶强化所依赖的前提条件是晶界阻 碍位错滑移，这在温度较低的情况下是存在的。
是否具备有5个独立的滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的
要求。
这就与晶体的结构类型有关：滑移系甚多的面心立方和体
心立方晶体能满足这个条件，故它们的多晶体具有很好的塑 性；相反，密排六方晶体由于滑移系少，晶粒之间的应变协 调性很差，所以其多晶体的塑性变形能力可低。
2、ຫໍສະໝຸດ Baidu界的影响
从第3章得知，晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，何
由于晶界可以阻碍位错运动，因此晶界的存在可以使多晶体抵
抗塑性变形的外力也增加，即增加材料的强度。 晶界数量直接决定于晶粒的大小，晶粒越小，晶界越多。
实践证明，多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的屈
服强与晶粒平均直径d的关系可用著名的霍尔—佩奇（Hall-Petch） 公式表示：
式中 0 反映晶内对变形的阻力，相当于单晶的屈服强度； K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。
每个晶粒不只是在取向最有利的单滑移系上进行滑移，而必须 在几个滑移系其中包括取向并非有利的滑移系上进行，其形状 才能相应地作各种改变。 理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在
5个独立的滑移系上进行滑移。
为什么在多晶体中要求每个晶粒至少要有5个独立的 滑移系？
• 这是因为形变过程可用六个应变分量（正应变和切应变各
叙述晶界在多晶体材料塑性变形中的作用。
• （1）协调作用：在晶界处变形时必须连续，否则在晶界处就 会裂开，所以晶界起着协调相邻晶粒的变形的作用。 • （2）阻碍作用：在低温或室温下滑移难以穿过晶界，而主要 是在晶粒内进行，阻碍塑性变形 • （3）起裂作用：由于低温或室温下晶界阻碍滑移，因此在晶 界处往往有应力集中，同时由于杂质和缺陷比较集中，第二相
（指脆性的）往往优先分布于晶界，使晶界变脆。
• （4）促进作用：晶界在高温下会发生变形，因此即使施加很 小的应力，也会发生晶粒沿晶界的相对滑动，促进塑性变形。
说明晶粒大小对金属材料力学性能的影响。
• 答：晶粒大小对金属材料力学性能的影响主要是室温强化， 高温弱化。 • 室温时材料细小，材料的强度、硬度、塑性、韧性同时提高。 • （1）晶粒粗细决定了晶界面积的大小；晶粒愈细，晶界愈多， 位错运动越困难，则金属材料的强度和硬度显著提高。 • （2）多晶体的变形要求邻近晶粒互相配合，当晶粒越细，同 一位向的晶粒数目越多，在相同的外力作用下，处于滑移有 利方向的晶粒数也会越多，参与滑移的晶粒数越多，变形就
由于导致晶体产生变形的位错滑移在晶界处受阻。
• 由于晶界上点阵畸变严重且晶界两侧的晶粒取向不
同，因此在一侧晶粒中滑移的位错不能直接进入第
二晶粒。
• 多晶体试样经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都终止
在晶界附近。
• 因此对多晶体而言，要使第二晶粒滑移，外加应力
必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作，产生
滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。
晶界本质上是一种缺陷，当温度升高时，随着原子活动性
的加强，以及原子沿晶界的扩散速率加快，晶界也变得逐渐
不稳定，这时晶界对变形的阻力也大为减弱。
即使施加很小的应力，只要作用时间足够长，也会发生 晶粒沿晶界的相对滑动，成为多晶体在高温时一种重要的变 形方式。 此外在高温时，多晶体还可能出现另一种称为扩散性蠕 变的变形机制，这个过程与空位的扩散有关。多晶体的晶粒 越细，扩散蠕变速度就越大。
三个）来表示，因为塑性变形体积不变（即三个正应变之
和为零），因此有五个独立的应变分量。
• 而每个独立应变分量需要一个独立的滑移系来产生，这说
明只有相邻晶粒的五个独立滑移系同时启动，才能保证多
晶体的塑性变形，这是多晶相邻晶粒相互协调性的基础。
晶体中一点的应力状态需用九个应力分量来描述， 构成一个应力张量 。 在直角坐标系中：
扩散性蠕变和晶界滑动是多晶体高温时的主要变形方式。
问题：说明多晶体金属变形过程的特点？
• （1）多晶体可以通过多种方式发生塑性变形，除了滑移和 孪生外，在高温下，还有晶界滑动和迁移、点缺陷的扩散性 蠕变。 • （2）多晶体变形需要至少开动5个滑移系，变形过程中出现
交滑移。
• （3）与单晶体相比，多晶体的塑性变形更加不均匀，由于 晶界的约束作用，晶粒中心区域的滑移量大于晶界附近区域 的滑移量。 • （4）晶界对塑性变形有一定的影响。