《材料科学基础》材料的塑性变形

说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，而 对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。
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因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
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1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
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第二节 多晶体的塑性变形
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“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
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多晶体中晶粒取向
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一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
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4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
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第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于 另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑 移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
二次渗碳体
珠光体 67
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒 越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑 性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或 沉淀强化。
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晶界位错塞积模型 假如，某晶粒中心有一位错源，在外加切应力作 用下，位错沿着某一个滑移面运动。如果遇到障 碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍，领 先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起 来。形成位错的平面塞积群，称为位错塞积。 障碍物 源
⊥
⊥ ⊥ ⊥ ⊥⊥⊥ O
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位错塞积使头部产生应力集中，当应力集中 能使相邻晶粒的位错源启动时，原来取向不利的 晶粒也能开始变形，相邻晶粒变形也使位错塞积 产生的应力集中得以松弛。
（2）双交滑移源
螺位错滑移时因局域切应力变化而改变滑移面， 又因局域切应力减弱而回到原滑移面而发生双交滑 移。但这种局域切应力的作用仅使一段位错发生双 交滑移，因而在双交滑移发生由次滑移面至主滑移 面转化时，出现相对固定的两点，它就以F-R源开 始增殖。
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二、固溶强化
1. 固溶体的结构 2. 固溶强化：固溶体材料 随溶质含量提高其强度、 硬度提高而塑性、韧性下 降的现象。 强化机制：晶格畸变，产 生内应力
（1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上 沿同一滑移方向进行的滑移。
（2）机制 交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的 另一滑移面的过程； 双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面 的过程。
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只有纯螺位错才可交滑移，分解成扩展位 错后部分位错离开层错所在的面会引起严重错 排。 所以扩展位错交滑移前一定要以一定方式 变回全位错才能交滑移。
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层错能越低，位错宽度就越大，交滑移束集是 做功也越大。
对低层错能材料，位错很难交滑移，位错运动 是平面型的，称平面滑动。
对高层错能材料，位错容易交滑移，滑移线呈 波纹状，称波纹滑动。
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交滑移容易与否，对材料的应变硬化有很 大的影响。
层错能越低，位错不易通过交滑移越过遇 到的障碍，从而加大了应变硬化。
P cos P cos cos cos cos A / cos A
C S cos cos （施密特定律）
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c＝scoscos c取决于金属的本性，不受，的影响； s的取值：
或＝90时，s →；，＝45时，s最小， 晶体易滑移； coscos（取向因子）：
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3. 固溶强化的影响因素
溶质原子含量越多，强化效果越好；
溶剂与溶质原子半径差越大，强化效果越好；
溶剂与溶质原子价电子数差越大，强化效果越好；
间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。
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三、弥散强化
1. 结构：基体＋第二相。
当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利； 当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降 低塑性和韧性；
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粗晶粒的n较大，产生的应力集中大，如相邻 晶粒取向不利，或位错源不易开动，则应力集中 不能松弛，在邻近晶粒某一特定方向产生很大的 拉应力，形成裂纹。
因而晶粒越粗，塑性也越低，反之，晶粒越 细，塑性越高。
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同理，细晶粒材料中，应力集中小，裂纹 不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过 程中可吸收较多能量，表现高韧性。
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位错移动引起永久变形的示意图
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2. 滑移的观察
光镜下：滑移带。
电镜下：滑移线。
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3. 滑移的晶体学 （1）几何要素：滑移面 （密排面）、滑移方 向（密排方向）
原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力 最小，因而容易沿着这些面发生滑移。
最密排方向上的原子间距最短，即位错b最小。
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（2）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的 组合。 滑移系的个数：（滑移面个数）×（每个面上 所具有的滑移方向的个数）
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7.滑移的表面痕迹
单滑移：单一方向 的滑移带；
多滑移：相互交叉 的滑移带； 交滑移：波纹状的 滑移带。
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二、孪晶变形
孪晶变形是在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）和 晶向（孪晶方向）发生均匀切变，并形成晶体 取向的镜面对称关系。
不同的层原子移动的距离不同。
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3. 位错的增殖 金属变形后产生大量位错，是引起强化的一 个原因。
理论和实验证明：流变应力和位错密度之间 关系：
0 aGb
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（1）F-R源 位错两端被钉扎，在切 应力作用下发生弯曲； 位错运动时发生卷曲；
异号位错相遇—一位错 环+一位错线； 上述过程重复进行。
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2. 位错的反应 两滑移面上的位错相遇，在一定条件下可发生反 应，形成一个不可动的位错，如在面心立方金属：
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当它们的领头位错相遇后发生如下位错反应：
[011]/6位错在(111)和 (111)面的交线上。这是一种 不可动的结构，称洛麦尔-柯 垂尔位错（简称L-C位错）。 它成为滑移面上其它位错运 动的障碍，所以它又称L-C 阻塞。
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滑移系数目与材料塑性的关系： （1）一般滑移系越多，塑性越好； （2）与滑移面密排程度和滑移方向个数有关； （3）与同时开动滑移系数目有关（c）。
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（3）滑移的临界分切应力（c） c：在滑移面上沿滑移方面开 始滑移的最小分切应力。 （外力在滑移方向上的分解）
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第三节 金属的强化理论
一、变形强化（加工硬化）
变形强化（加工硬化）：随变形量的增加，材料 的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。
多种机制：
位错滑动和位错交割，增加阻力。（位错的交割）
形成的L-C不动位错增大了形变的抗力。（位错 的反应） F-R源不断产生位错。（位错的增殖）
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1. 位错的交割 发生多系滑移之后，两个相交滑移面上 运动的位错必然会互相交截，原来一直线位 错经交截后就会按照对方位错柏氏矢量（变 化方向和大小）出现弯折部分。 如此弯折部分仍在滑移面上，这叫扭折。 如弯折不在滑移面上，这一线段叫割阶。 影响：增加位错长度，产生固定割阶。
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晶粒之间变形的传播： 位错在晶界塞积 → 应力集中 → 相邻晶粒位 错源开动 → 相邻晶粒变形 → 塑性变形 由于各晶粒之间变形具有非同时性，所以 要求各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导 致晶体分裂）
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任何变形都可用εxx，εyy，εzz，γxy，γyz，γxz 这6个应变分量来表示，在塑性变形体积不变的 情况下，有：
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柏氏矢量平行的两个刃型位错的交割
AB位错与XY位错的柏氏矢量分别与对方 （新产生的小段）位错线平行，交割后在对方都 留下一段扭折。
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柏氏矢量垂直的两个刃型位错的交割
AB位错被交割后留下割阶；因XY位错与 AB位错的柏氏矢量平行，交割后在XY上不产生 任何割阶或扭折。
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刃型位错与螺型位错的交割
所以有5个独立的应变分量，每个应变分量 由一个独立的滑移系来产生的，所以多晶体塑 性变形时要求每个晶体至少能在5个独立的滑移 系上进行滑移。
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二、晶粒大小与力学性能的关系
双晶试验表明，试样的屈服强度随2个晶粒 取向差加大而加大；
把取向差与强度的关系曲线外推到取向差为 零时，屈服强度大体和单晶的各种取向的屈服强 度的平均值接近。
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拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向。
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压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。
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几何硬化：，远离45，滑移变得困难；
几何软化：，接近45，滑移变得容易。
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5.多滑移 多滑移：在多个（>2）滑移系 上同时或交替进行的滑移。 等效滑移系：各滑移系的滑移 面和滑移方向与力轴夹角分别 相等的一组滑移系。
滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。
改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
小于孪生方向上的原子间距， 较小。 有限，总变形量小。
对塑变的贡献 很大，总变形量大。
变形应力
变形条件 变形机制
有一定的临界分切压力
一般先发生滑移 全位错运动的结果
所需临界分切应力远高于滑移
滑移困难时发生 分位错运动的结果
变形与未变形的两部分晶合称为孪晶， 均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。
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孪晶面： A1{111}，A2{112}，A3{1012} 孪晶方向：A1<112>，A2<111>，A3<1011>
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孪生的特点:
（1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通 常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪 生所需的临界切应力要比滑移时大得多。 （2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面 平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方 向位移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生面 的切变量跟它与孪生面的距离成正比。
（3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。
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孪生往往在滑移困难时出现，六方晶系的 滑移系很少，所以容易出现孪晶。
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孪晶变形和滑移的相同点
1. 切变； 2. 沿一定的晶面、晶向进行； 3. 不改变结构。
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孪晶变形和滑移的不同点
滑移 晶体位向 位移量 孪晶变形
不改变（对抛光面观察无 重现性）。
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原因： 因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错
障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，
使金属塑性变形的抗力越高。
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2. 晶粒越细，塑韧性提高 位错塞积群也会对晶内的位错源产生一反作用力或 称背应力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大， 当n增大到某一数值时，可使位错源停止开动。 位错塞积数为： 式中，τ0为作用于滑移面上外加分切应力；L为位 错源至晶界之距离；k为系数，螺位错k=1，刃位错 k=1-v。
AB位错与XY位错交割后，在AB位错留下一 段割阶，因XY是螺位错，如果交割留下的小段位 错不在原滑移面，则是割阶。
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两个螺型位错的交割
AB位错与XY位错均为右螺位错，交割 后在对方都留下一段割阶。
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两位错交割的定性结论
a. 任意两种类型位错相互交割时，只要是 形成割阶，必为刃形割阶，割阶的大小与 方向取决于穿过位错的柏氏矢量； b. 螺位错上的割阶比量位错上的割阶运动 阻力大。
晶界的特点：晶界上原子排列不规则，点阵畸变 严重，另外晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向 和滑移面彼此不一致。 晶界对变形的影响：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，滑移、孪生多终止于晶界，极 少穿过。
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晶界对晶粒变形 具有阻碍作用。拉伸 试样变形后在晶界处 呈竹节状，每个晶粒 中的滑移带均终止于 晶界附近，晶界附近 位错塞积。