材料科学基础第8章 材料的变形与断裂

第四节 单晶体塑性变形
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
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1、金属塑性变形的方式
滑移：主导作用，占90%。 孪生：辅助作用，最多占10%。
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2、滑移的方向
滑移面：晶体的滑移通常是沿着一
定的晶面发生的，此组晶面称为滑 移面；
1、实质：与单晶体基本相同。
2、特殊性：晶界阻滞效应和取向差
效应。
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1）晶界阻滞效应：
90%以上晶界是大角度晶界； 其结构复杂，由约几个纳米厚的
原子排列紊乱的区域；
使滑移受阻而不易直接传到相邻
晶粒。
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2）取向差效应：
多晶体中，不同位向晶粒的滑移系
取向不相同；
滑移不能从一个晶粒直接延续到另
孪生
1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进 行；不改变结构。 不改变 改变，形成镜面对 称关系 滑移方向上原子间 小于孪生方向上的 距的整数倍，较大 原子间距，较小 很大，总变形量大 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 有限，总变形量小 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 36
质、加工硬化等有关。
bcc的滑移方向少，48个滑移系不能同
时运动，且滑移面密排程度低，因此 fcc塑性更好。
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HCP：
滑移面与轴比c/a有关。 当 c/a 大于或近似等于 1.633 时，滑移面为
(0001)晶面，滑移系为3个。
当 c/a 小于 1.633 时，滑移面变为柱面（ 1-
固体材料的万分之一左右，而延伸率 高达500～1000%。
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图8-1
退火纯铜的拉伸曲线
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第二节
金属的弹性变形
弹性变形时，应变落后于应力，加载 曲线与卸载曲线不重合，存在滞弹性和 包申格效应等，这些现象称为弹性的不 完整性。
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(一)滞弹性
在弹性范围内，快速 加载或卸载后，随时间 的延长产生附加的弹性 应变的现象被称为滞弹 性，也称为弹性后效。、 金属材料拉伸时产生 的滞弹性。 图2-2
滞弹性示意图
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突然施加 一低于弹 性极限的 应力0， 立即产生 瞬时应变 Oa， Oa 为完全弹 性变形
若应力保持0， 随时间延长，还 会逐渐产生应变 aH，应变aH显 然与时间有关， 被称为滞弹性变 形。
应变Oe=aH随 时间延长，逐渐 消逝，所以Oe也 是滞弹性变形。
同样道理，去除应 力，立即回复的应 变eH=Oa为完全 弹性变形。
的位错源。
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 形塑变。
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4）晶界对变形的阻碍作用

多晶体的变形抗力比单晶体大， 变形更不均匀。
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晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
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4、晶界对机械性能的影响
1）晶粒越细，其强度和硬度越高。
原因：晶界总
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二、滑移线和滑移带
滑移变形是不均匀的，常集 中在一部分晶面上，而处于 各滑移带之间的晶体没有产 生滑移。 滑移带的发展过程，首先是 出现细滑移线，后来才发展 成带，而且，滑移线的数目 随应变程度的增大而增多， 它们之间的距离则在缩短。
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三、滑移系：

晶体的滑移发生在一定的晶面和晶向，发生滑移 的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。 一个确定的滑移面与位于该滑移面上的一个滑移 方向构成一个滑移系。
滑移面向外力轴方向转动;
滑移方向向最大切应力方向转动。
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切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
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拉伸时晶体转动机制示意图
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5、滑移的机理 滑移是借助位错运动实现的。
多 脚 虫 的 爬行

因此，金属塑性变形的实质是位错运动。
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晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少 数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子 间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错
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。
度晶 关粒 系大 小 与 金 属 强
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室温机械性能：晶粒越细，室温强度，包 括σs，σb，σ-1较大，塑性较好，称为细晶 强化。 Hall-Petch公式： s i Kd
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密排六方晶体金属很容易产生孪生
变形；
体心立方晶体金属在低温下发生；
面心立方晶体金属中很难发生孪生。
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bcc {112}< 1，1，-1 > fcc {111}<1，1，-2 > hcp {1，0，-1，2}< -1，0，1，1>
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1、孪生：均匀切变；
滑移：塑性变形是不均匀的。
减少，熵值下降，自由焓增高，有 自发回复到自由焓低的原始卷曲状 的趋势，这是弹性回复力产生的主 要原因。
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能弹性也称普弹性，能弹性材料弹性
模量大，弹性变形量小，其应力-应变 关系符合虎克定律。
与能弹性材料不同，具有熵弹性的材
料的弹性模量小，弹性变形量大。
例如天然橡胶，其弹性模量仅为一般
滑移方向：滑移是沿着滑移面上一
定的晶向进行的，此晶向称为滑移 方向。
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滑移面与滑移方向大致是最密排 面和最密排方向。 因为此时派纳力最小：

P
2G 2a exp 1 (1 )b
式中，b：柏氏矢量；G：切变模量 γ：泊松比；a：滑移面的面间距。
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的易动性。
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刃位错的运动
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6、滑移利
的位置而优先开动时，形成单滑移。
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2）多系滑移：
由于变形时晶体转动的结果，有两
组或几组滑移面同时转到有利位向， 使滑移可能在两组或更多的滑移面 上同时或交替地进行，形成“双滑 移”或“多滑移”。
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100 ）或棱锥面（ 1-101 ），滑移系分别为 3 个和6个。但滑移方向都是<11-20>。
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因而金属的塑性，面心立方晶格
> 体心立方晶格 > 密排六方晶格。
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四、孪生
是以晶体中一定的晶面（孪晶面）沿 着一定的晶向（孪生方向）移动而发生 的，已滑移部分和未滑移部分镜面对称。 在切变区域内，与孪晶面平行的各层 晶面的相对位移是一定的。 实质就是一个肖克莱不全位错的移动。
一晶粒中。
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3、多晶体塑性变形的特点
1）各晶粒变形的不同时性，塑性变形由 不均匀性到均匀；
C
A B
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2）各晶粒变形的相互协调性，需要 五个以上的独立滑移系同时动作。
fcc 和 bcc 金属能满足五个以上独
立滑移系的条件，塑性通常较好；
hcp 金属独立滑移系少，塑性通常
不好。
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3）滑移的传递，必须激发相邻晶粒
滑移面示意图
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3、滑移的条件
① 必要条件：
晶体的滑移是在切
应力作用下进行。
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②充分条件：
τ大于临界分切应力τc。
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cos
F cos cos A
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应力σ与外力F方向相同，可分
解为两个分应力，一个为垂直 于滑移面的分正应力，另一个
为分切应力τ 。

分切应力τ作用在滑移方向使 晶体产生滑移。
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包申格效应对于在交变载荷作用下的 机件寿命有重要影响。 经轻微冷变形的工件在服役时，当其 承受与原加工过程加载方向相反载荷时， 应考虑其屈服强度的降低。 消除包申格效应的方法：是预先进行 较大的塑性变形，或在使用前进行回复 或再结晶退火。
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第三节 滑移与孪晶变形 一、滑移
大量位错移动而导致晶体的一 部分相对于另一部分，沿着一定 晶面和晶向作相对的移动，即晶 体塑性变形的滑移机制。 滑移过程，晶体位向不发生变 化，滑移晶面上下两部分的原子 相对平移一个原子间距或若干个 原子间距。


滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排 方向。
一个晶体的滑移系数目是晶体有效密排面数与每 个面上的密排方向数目的乘积。 晶体的滑移系愈多，滑移过程可能选择的空间取 向就愈多，晶体的塑性就愈好。
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FCC：
滑移面：{111}，共有四个有效滑移面。 滑移方向：110，每个滑移面上有三个
第八章 材料变形与回复再结晶
8.1 8.2 8.3 金属变形与断裂概述 滑移与孪晶 单晶体塑性变形
8.4
8.5
多晶体塑性变形
纯金属变形强化 8.7 8.8 8.9 8.10 冷变形金属组织 回复和再结晶 金属热变形 陶瓷和高分子材料变形
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8.6
合金变形强化
第七章
材料的变形与断裂
第一节 金属变形概述 第二节 金属的弹性变形 第三节 滑移与孪晶变形 第四节 单晶体的塑性变形 第五节 多晶体的塑性变形 第六节 纯金属的变形强化 第七节 合金的变形与强化 第八节 冷变形金属的组织与性能 第九节 金属的断裂 第十节 冷变形金属的回复阶段 第十一节 冷变形金属的再结晶 第十二节 金属的热变形、蠕变与超塑性 第十三节 高分子材料(聚合物)的变形
滑移系少的密排六方金属常以孪生方式变形。
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孪生变形产生的塑性变形量一般不超过
10％，但是孪生使晶体位向变化，从而 引起滑移系取向变化，能促进滑移的发 生。
往往孪生与滑移交替发生，即可获得较
大的塑性变形量。