材料的变形
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易进行的时候才发生，如低温快速变形，多 晶hcp晶体变形等。 • 晶界滑动、扩散性蠕变是多晶体在高温变形 时的主要机制(室温下不发生)。
4.2.1 滑移
• 滑移现象 • 滑移系-滑移几何学 • 临界分切应力 • 滑移时晶体的转动 • 多滑移和交滑移
（1）滑移现象 滑移带
• 抛光金属单晶 样品在拉伸变 形后，表面发 现平行线条， 称为滑移带
• 许多零件（结构）在制造或使用过程当中都 要承受外力或负载的作用，如铝制飞机的机 翼，陶瓷制成的飞机发动机热端部件，聚合 物基复合材料制成的飞机蒙皮。
• 材料在受力后，发生弹性变形、塑性变形甚 至断裂，因而要求一定的力学性能
• 本章在介绍变形规律的基础上，探讨影响材 料力学性能的微观机制。
4.1 弹性变形和塑性变形
– Bcc结构金属的塑性不如fcc
• 金属的强度、塑性与温度有关。
(3)临界分切应力
• 切应力较小时,只发生弹性变形 • 由于存在晶格阻力，只有当作用于滑移面上沿着
滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体才 开始滑动-塑性变形。 • 这一应力对应于外界应力－屈服极限。 • 临界分切应力是材料特性参数，与金属种类、晶 体结构、纯度、温度等有关。
孪生变形的物理现象
• 抛光面出现浮凸,如图； • 腐蚀、x射线衍射或偏
振光照明也可观察到； • 说明孪生时晶体的方向
发生了变化
孪晶
孪生变形
• 孪生是塑性变形的一种方式。变形后原来的单晶体 形成镜像对称关系的一对晶粒－孪晶。
(1)孪生变形的特点
• 与滑移相似,孪生沿着特定的晶面、晶向变形 • 孪生部分晶体的取向改变，滑移时晶体取向不变 • 孪生是部分晶体的均匀切变，滑移是不均匀切变 • 孪生部分原子位移正比于该层原子距离孪生面的距离，相邻
屈服应力与滑移系方向有关； 软取向：有些滑移系与外力 的取向接近45º角，处于易滑 移 的 位 向 ， σs 较 小 ， 称 为
“软取向”。
硬取向：有些滑移系与外力 取向偏离45º很远，σs较大， 称为硬取向。
(4)滑移时晶面的转动
• 拉伸时，滑移方向及滑移面逐渐趋向于与外 力方向平行；
• 压缩时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋 于与压力轴线垂直。
• 发生交滑移时， 表现为波纹状滑 移带。
4.2.2 孪生
• 滑移是金属变形的主要方式 • 如果滑移不能（易）进行时，例如
– 低温变形：如-Fe,Cu在4.2K变形； – 快速成型：如爆炸变形； – 滑移系少的多晶体变形：如Mg,Zn,Cd等六方结
构金属的变形 – 滑移系上的分切应力很小等
• 可能发生挛生等变形方式
• 滑移系取决于晶体结构。
• 由于晶体中滑移阻力(Peierls-Nabarro力）是各向 异性的，晶体容易滑移的晶面（简称滑移面）和 易滑移方向（简称滑移方向）是相对固定的。
常见的滑移系
• 滑移方向总是晶体的密排方向，滑移面一般 是晶体的密排面-滑移阻力小；
• 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系：
一些金属的临界分切应力
临界分切应力的计算
若横截面积A上受到法向载荷P的作用 滑移面面积 A / cos 切向力=P cos 切应力分量 P cos P cos cos cos cos
A / cos A 当开始滑移时 c scos cos
Ｍｇ晶体的屈服应力与取向
临界分切应力是材料常数， 与滑移系位向无关；
（5）多滑移与交滑移
• 若有几组滑移系相对于外力轴的 取向相同，分切应力同时达到临 界值，则滑移就在两组或多组滑 移系上同时或交替进行，称为多 滑移、复滑移或双滑移。
• 如果滑移受到阻力，可以改变滑 移系，如果滑移方向不变称为交 滑移。-螺型位错交滑移
• 发生多滑移时会 出现几组交叉的 滑移带，
• 滑移是金属塑性变形的 基本形式
• 滑移后不改变晶体内部 原子排列规律性（结构p
2 a (1 )b
• 实验观察结果发现滑移线不是任意排列的，而是 相互平行（或互成一定角度），说明滑移是沿着 特定的晶面和晶向进行的
• 滑移面和面上的一个滑移方向构成一个滑移系 (slip system)。
应力与变形
• 正应力分量只能 引起弹性变形和 断裂
• 切应力分量才是 引起塑性变形的 动力。
• 材料通常是多晶体。
• 多晶体的变形与其中各个晶粒的变形行为密 切相关。
• 研究单晶体的塑性变形，能使我们掌握晶体 变形的基本过程及实质，有助于进一步理解 多晶体的变形
4.2 单晶体的塑性变形
• 塑性变形的微观机制主要有滑移、孪生等。 • 滑移是最普遍的变形机制，孪生只在滑移不
滑移带与滑移线
• 在电子显微镜下，每个 滑移带实际是由许多聚 集在一起的相互平行的 滑移线组成，这些滑移 线实际上是晶体表面产 生的小台阶；
• 滑移线之间的距离为几 十nm，而沿每一滑移 线的滑移量(即台阶高 度)可达几百nm。
滑移模型
• 滑移是以一定晶面为界 晶体的一部分相对于另 一部分沿着（界面）晶 面上的一定方向发生平 移滑动
• 在外力作用下， 材料会发生变形
• 变形包括弹性变 形和塑性变形
• 当外力达到一定 程度，超过原子 间的作用力，发 生断裂
（1）弹性变形
• 外力卸除后，能够完全恢 复的变形，普弹性相当于 原子间键长或键角的变化
• 弹性模量反映弹性变形的 难易，取决于原子间的作 用力。各向异性
• 可由正应力、切应力引起
弹性变形的特点
• 可逆性，去除外力变形恢复（立即或逐渐） • 变形量小，<1%(普弹性） • 应力-应变大致服从虎克定律
E ; G
• 弹性模量对组织不敏感，各向异性
（2）塑性变形
• 塑性变形是外力去除后不能恢复的永久变形。 • 永久变形源于原子发生了有秩序的永久位移，
原子已经到达新的平衡位置，因而在外力去 除后不能恢复。 • 塑性变形量可以很大，如塑性加工
– Fcc，{111}<110>，12个； – Hcp, (0001)<1120>，3个；
– Bcc, {110}<111>,{112}<111>,{123}<111>,48
• 金属（尤其是多晶体）的塑性与滑移系数量有关
– Hcp的塑性不如bcc和fcc;
• 金属的塑性还与滑移面原子密排程度及滑移方向数 目等因素有关，
4.2.1 滑移
• 滑移现象 • 滑移系-滑移几何学 • 临界分切应力 • 滑移时晶体的转动 • 多滑移和交滑移
（1）滑移现象 滑移带
• 抛光金属单晶 样品在拉伸变 形后，表面发 现平行线条， 称为滑移带
• 许多零件（结构）在制造或使用过程当中都 要承受外力或负载的作用，如铝制飞机的机 翼，陶瓷制成的飞机发动机热端部件，聚合 物基复合材料制成的飞机蒙皮。
• 材料在受力后，发生弹性变形、塑性变形甚 至断裂，因而要求一定的力学性能
• 本章在介绍变形规律的基础上，探讨影响材 料力学性能的微观机制。
4.1 弹性变形和塑性变形
– Bcc结构金属的塑性不如fcc
• 金属的强度、塑性与温度有关。
(3)临界分切应力
• 切应力较小时,只发生弹性变形 • 由于存在晶格阻力，只有当作用于滑移面上沿着
滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体才 开始滑动-塑性变形。 • 这一应力对应于外界应力－屈服极限。 • 临界分切应力是材料特性参数，与金属种类、晶 体结构、纯度、温度等有关。
孪生变形的物理现象
• 抛光面出现浮凸,如图； • 腐蚀、x射线衍射或偏
振光照明也可观察到； • 说明孪生时晶体的方向
发生了变化
孪晶
孪生变形
• 孪生是塑性变形的一种方式。变形后原来的单晶体 形成镜像对称关系的一对晶粒－孪晶。
(1)孪生变形的特点
• 与滑移相似,孪生沿着特定的晶面、晶向变形 • 孪生部分晶体的取向改变，滑移时晶体取向不变 • 孪生是部分晶体的均匀切变，滑移是不均匀切变 • 孪生部分原子位移正比于该层原子距离孪生面的距离，相邻
屈服应力与滑移系方向有关； 软取向：有些滑移系与外力 的取向接近45º角，处于易滑 移 的 位 向 ， σs 较 小 ， 称 为
“软取向”。
硬取向：有些滑移系与外力 取向偏离45º很远，σs较大， 称为硬取向。
(4)滑移时晶面的转动
• 拉伸时，滑移方向及滑移面逐渐趋向于与外 力方向平行；
• 压缩时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋 于与压力轴线垂直。
• 发生交滑移时， 表现为波纹状滑 移带。
4.2.2 孪生
• 滑移是金属变形的主要方式 • 如果滑移不能（易）进行时，例如
– 低温变形：如-Fe,Cu在4.2K变形； – 快速成型：如爆炸变形； – 滑移系少的多晶体变形：如Mg,Zn,Cd等六方结
构金属的变形 – 滑移系上的分切应力很小等
• 可能发生挛生等变形方式
• 滑移系取决于晶体结构。
• 由于晶体中滑移阻力(Peierls-Nabarro力）是各向 异性的，晶体容易滑移的晶面（简称滑移面）和 易滑移方向（简称滑移方向）是相对固定的。
常见的滑移系
• 滑移方向总是晶体的密排方向，滑移面一般 是晶体的密排面-滑移阻力小；
• 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系：
一些金属的临界分切应力
临界分切应力的计算
若横截面积A上受到法向载荷P的作用 滑移面面积 A / cos 切向力=P cos 切应力分量 P cos P cos cos cos cos
A / cos A 当开始滑移时 c scos cos
Ｍｇ晶体的屈服应力与取向
临界分切应力是材料常数， 与滑移系位向无关；
（5）多滑移与交滑移
• 若有几组滑移系相对于外力轴的 取向相同，分切应力同时达到临 界值，则滑移就在两组或多组滑 移系上同时或交替进行，称为多 滑移、复滑移或双滑移。
• 如果滑移受到阻力，可以改变滑 移系，如果滑移方向不变称为交 滑移。-螺型位错交滑移
• 发生多滑移时会 出现几组交叉的 滑移带，
• 滑移是金属塑性变形的 基本形式
• 滑移后不改变晶体内部 原子排列规律性（结构p
2 a (1 )b
• 实验观察结果发现滑移线不是任意排列的，而是 相互平行（或互成一定角度），说明滑移是沿着 特定的晶面和晶向进行的
• 滑移面和面上的一个滑移方向构成一个滑移系 (slip system)。
应力与变形
• 正应力分量只能 引起弹性变形和 断裂
• 切应力分量才是 引起塑性变形的 动力。
• 材料通常是多晶体。
• 多晶体的变形与其中各个晶粒的变形行为密 切相关。
• 研究单晶体的塑性变形，能使我们掌握晶体 变形的基本过程及实质，有助于进一步理解 多晶体的变形
4.2 单晶体的塑性变形
• 塑性变形的微观机制主要有滑移、孪生等。 • 滑移是最普遍的变形机制，孪生只在滑移不
滑移带与滑移线
• 在电子显微镜下，每个 滑移带实际是由许多聚 集在一起的相互平行的 滑移线组成，这些滑移 线实际上是晶体表面产 生的小台阶；
• 滑移线之间的距离为几 十nm，而沿每一滑移 线的滑移量(即台阶高 度)可达几百nm。
滑移模型
• 滑移是以一定晶面为界 晶体的一部分相对于另 一部分沿着（界面）晶 面上的一定方向发生平 移滑动
• 在外力作用下， 材料会发生变形
• 变形包括弹性变 形和塑性变形
• 当外力达到一定 程度，超过原子 间的作用力，发 生断裂
（1）弹性变形
• 外力卸除后，能够完全恢 复的变形，普弹性相当于 原子间键长或键角的变化
• 弹性模量反映弹性变形的 难易，取决于原子间的作 用力。各向异性
• 可由正应力、切应力引起
弹性变形的特点
• 可逆性，去除外力变形恢复（立即或逐渐） • 变形量小，<1%(普弹性） • 应力-应变大致服从虎克定律
E ; G
• 弹性模量对组织不敏感，各向异性
（2）塑性变形
• 塑性变形是外力去除后不能恢复的永久变形。 • 永久变形源于原子发生了有秩序的永久位移，
原子已经到达新的平衡位置，因而在外力去 除后不能恢复。 • 塑性变形量可以很大，如塑性加工
– Fcc，{111}<110>，12个； – Hcp, (0001)<1120>，3个；
– Bcc, {110}<111>,{112}<111>,{123}<111>,48
• 金属（尤其是多晶体）的塑性与滑移系数量有关
– Hcp的塑性不如bcc和fcc;
• 金属的塑性还与滑移面原子密排程度及滑移方向数 目等因素有关，