第二章 金属塑性变形的物理基础 PPT

刃型位错
刃型位错会吸引间隙原子 和置换原子向位错区聚集。 小的间隙原子（红色）往 往进入位错管道，置换原 子（棕色）则富集在管道 周围。这样可以降低晶格 的畸变能，同时这些间隙 原子和置换原子对位错起 了钉扎作用，使位错难以 运动，结果可以使晶体的 强度、硬度提高。
M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd ed. (2002)
第二章 金属塑性变形的物理基础
主要内容
金属冷态下的塑性变形 金属热态下的塑性变形 金属的超塑性变形 金属在塑性加工过程中的塑性行为
第一节 金属冷态下的塑性变形
基本概念
单晶体 多晶体 位错
金属的晶体结构
单晶体：各方向上的原子密度不同－各向 异性
多晶体：晶粒方向性互相抵消－各向同性 存在着一系列缺陷：点缺陷、线缺陷、面
缺陷
线缺陷（位错）
线缺陷又称为位错。 位错模型最开始是为了解释材料的强度性质
而提出的。
材料拉伸实验时，当应力超过弹性限度而使 晶体材料发生塑性形变时，可以在表面上观 察到滑移带的条纹。
滑移带与滑移面
如何解释晶体滑移？
如何解释晶体滑移？
按原子面与原子面之间刚性错开的模型进 行定量解释时遇到严重困难。在该模型中 假定滑移面两侧原子间的结合键同时破坏， 又同时键合。由于同时破坏这些原子键所 需的力很大，致使按照该模型计算出来的 理论强度比晶体的实际强度要大100倍到 1000倍。
coscos 取向因子
[uvw] is perpendicular to (uvw)
孪生
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个 公共晶面构成镜面对称的位向关系，此公共晶面就 称为孪晶面。
孪晶
孪晶
滑移与孪晶
孪生的特点
（1）孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体 作切变，切变时原子移动的距离是孪生方向原子间距的 分数倍；孪生是部分位错运动的结果；孪晶面两侧晶体 的位向不同，呈镜面对称；孪生是一种均匀的切变。
（4）孪生本身对金属塑性变形的贡献不大， 但形成的孪晶改变了晶体的位向，使新的滑 移系开动，间接对塑性变形有贡献。
一 塑性变形机理
2 晶间变形 晶间变形的主要方式：晶粒之间相
互滑动和转动。
二 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形的特点
各晶粒变形的不同时性 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
位错密度越高，金属的强度、硬度越高。
S：位错线长度，V：体积，ρ：位错密度
S V
一般退火金属： ρ =106-108/cm2 冷变形、淬火金属： ρ =1011-1012/cm2
刃型位错
晶体中多余的半原子面好象一片刀刃切入晶体中，沿着半 原子面的“刃边”，形成一条间隙较大的“管道”，该 “管道”周围附近的原子偏离平衡位置，造成晶格畸变。 刃型位错包括“管道”及其周围晶格发生畸变的范围，通 常只有3到5个原子间距宽，而位错的长度却有几百至几万 个原子间距。
由于位错附近有严重原子错排，以及弹性畸变引 起的长程应力场，因此在位错附近的原子平均能 量比其理想晶格位置上的要高，比较容易运动。 另一方面又由于运动是逐步进行的，所以，实际 剪切应力比理论值要低得多。
位错
位错有两种基本类型，一种叫做刃型位错，另一种叫 做螺型位错。实际晶体中的位错往往既不是单纯的螺 位错，也不是单纯的刃位错，而是它们的混合形式， 故称之为混合位错。
一 塑性变形机理
1 晶内变形 晶内变形的主要方式：滑移、孪生
滑移
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变方式。
滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
如何解释晶体滑移？
经过大量研究，人们认识到滑移过程并非是 原子面之间整体的发生相对位移，而是一部 分先发生位移，然后推动晶体中另一部分滑 移，循序渐进。
如何解释晶体滑移？
如何解释晶体滑移？
位错就是在滑移面上已经滑移及尚未滑移部分的 分界线。这样，晶体的滑移可以看作是位错运动 的结果。当位错从一端运动到另一端之后，整个 晶体错动了一个原子位置，位错滑出晶体时，晶 体恢复完整，但却留下了永久形变。
各晶粒变形的相互协调性 （1）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。 （2）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变 形会导致晶体分裂） （3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状的 自由变化）
刃型位错
刃型位错
螺型位错
螺型位错
螺型位错
混合型位错（螺型+刃型 ）
位错的运动
单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利 的位置而优先开动时，形成单滑移。
多滑移：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”。
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。
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。
位错源和位错增殖
Frank-Read sources in Si
Dash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).
构成。
滑移带
滑移面、滑移方向、滑移系
滑移时的位错运动
一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距 的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶 体表面时，则形成一条滑移线。
临界剪切应力
晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方 向的剪应力称为临界剪应力
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P A0
s
c
P A0
cos cos
s cos cos
孪生的特点
（2）孪晶的萌生一般需 要较大的应力，但随后长 大所需的应力较小，其拉 伸曲线呈锯齿状。孪晶核 心大多是在晶体局部高应 力区形成。变形孪晶一般 呈片状。变形孪晶经常以 爆发方式形成，生成速率 较快。
孪生的特点
（3）形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶 体（密排六方金属很容易产生孪生变形）， 面心立方晶体中很难发生孪生。