塑性变形与回复再结晶
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内部位错的运动、而不是晶体的整体刚 性滑动（Rigid Slip of Crystals）！
塑性变形：晶体内部位错 不断运动、晶体内部位错 不断增殖、位错不断逸出 晶体表面并在晶体表面产 生永久变形台阶的过程！
滑移与滑移系
Slip and Slip Systems
滑移: 在切应力作用下晶体只会沿特定晶面 特定晶向产生相对平移滑动变形！
Work Hardening and Its Unique Significance to Metals
陶瓷及金属的典型拉伸（应力－应变）曲线
Typical Tensile Curves of Ceramic and Metallic Materials
Stress, MPa
s s s
Ceramic
FCC单晶塑性变形 三阶段的位错机制
Stage I: Single-Slip Stage： 只有一个滑移系开动，滑移 容易，加工硬化指数很低，晶体表面出现细长均匀的滑移线；
Stage II: Multi-Slip Stage：由于晶体转动，两个以上滑移 系同系开动，多个滑移系之间发生位错交割（形成割阶、网络、 缠结）、位错反应（形成L-C位错锁等）：加工硬化强烈、加 工硬化指数高，由于层错能低，难交滑移，线性硬化阶段很长
Systems in FCC Crystals
Slip Systems in BCC Crystals BCC晶体中的滑移系
滑移面 ｛110｝：6个独立的滑移面 滑移方向<111>：2个独立滑移方向/面 滑移系数目：6×2＝12个（滑移方向少）
<111>晶带还有 ｛112｝及｛123｝ 两个晶面族！
滑移Slip
在切应力作用 下，晶体沿特 定晶面上特定 晶向产生相对 平移滑动的塑 性变形现象
滑移的结果：在晶体表面留下 永久变形（塑性变形）台阶 （滑移线或滑移带）
表面滑移台阶 Slip Steps on Surface
Slip Steps on an Aluminum Single-Crystal Surface
滑移面滑移方向上的分切应力
Resolved Shear Stress on Slip Direction
= s cosl cosf = m.s
Schmidt 因子
Resolved Shear Stress on Slip Direction
t = s cosl cosf = m.s
当外应力的分切应力t大于或等 于晶体该滑移系的临界分切应 力tc时，即tt时，晶体开始 滑移、即开始塑性变形,此时 的外加应力s即为晶体之屈服 强度ss
滑移的特点
滑移只在晶体表面留下滑移变形痕迹
（滑移台阶：滑移线、滑移带），不改 变晶体位向，在晶体内部没有变形之痕 迹（但位错、空位等晶体缺陷密度增加） 变形极不均匀（变形局部化）：滑移集 中于滑移带中，滑移带之间晶体不发生 任何变形 变形量几乎不受限制，可以很大（无穷 大、超塑性）。
滑移的机理（本质）：晶体
材料的冷加工与零件的冷成型： – 冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、 冷挤压…… – 冷加工过程中同时实现材料及 零件的强化 材料的热加工及零件的热成型： – 锻造、热轧、热挤压……
加工硬化与金属独特的塑性加工成
型能力、抗过载能力及使用安全性 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。 零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全； 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用
单晶体屈服应 力与取向因子 （Schmidt因 子）的关系
l=f=45o时， ss最低，软取向
l=90o时， ss＝无穷大，正断，不能滑移，硬取向
孪晶或孪生
Twining
在切应力作用下，晶体一部分相对另 一部分以特定晶面为基面（孪晶面） 沿特定晶向（孪晶方向）发生均匀切 变变形，晶体变形部分与未变形部分 呈镜面对称关系！
Before Twining
After Twining
Twin Plane
Twining Direction
孪晶变形的条件
在滑移系很少的晶体中 低温滑移系难开动时 高速冲击载荷下 传播速度快，发出声音 应力应变曲线呈锯齿状
孪晶变形的特点
晶体整体的均匀切变，相邻晶面间位移小于 一个原子间距，原子间位邻关系不变
b
Metallic
s
e
d
Strain, %
金属的典型拉伸（应力－应变）曲线
Typical Tensile Curves of Metallic Materials
Stress, MPa
s s s
b
s
e
dห้องสมุดไป่ตู้
Strain, %
弹性变形
Elastic Deformation:
塑性变形
Plastic Deformation:
独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的 冷加工成型能力：
– –
冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压….. 冷加工过程中同时实现零件及材料的强化） 锻造、热轧、热挤压、
优异的热加工成型能力：
–
抗过载能力及使用安全 性(加工硬化)
零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全； 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
Stage III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 在外力作用下，扩展位错束集，位错发生交滑移，异号位错低 消，加工硬化指数随应变增加而降低
FCC晶体
屈服应力低，但难 交滑移，加工硬 化指数高，线性 硬化阶段很长
BCC晶体
屈服应力高，极易 交滑移，加工硬 化指数低，第二 阶段很短
The Role of GBs in Plastic Deformation at RT and High Temperatures The Important Role of GBs to Strength (Hall-Petch Equation) and Plasticity of Metals Hall-Petch Equation and the Effect of Crystal Structure
｛112｝ 12个 ｛123｝24个 但每个滑移面上 只有一个滑移方 向<111>！
Systems in BCC Crystals
<111>晶带中的｛110｝、｛112｝及｛123｝晶面族！
｛110｝每个 面上有两个滑 移方向
｛112｝ 12个 ｛123｝24个 每个滑移面上只 有一个滑移方 向<111>！
FCC单晶的典型应力应变曲线及其位错机制
Typical Strain Hardening Curve of FCC Single-Crystal and the Underlying Dislocation Mechanisms
I: Single-Slip Stage
加工硬化指数很低 II: Multi-Slip Stage 加工硬化指数很高 III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 加工硬化指数随变形增 加而降低
Properties:
- Mechanical - Functional
- etc
金属的塑性变形
Plastic Deformation of Metals
Introduction
Strength and Strengthening Methods Ductility, Toughness and Toughening Methods
塑性：延伸率、断面收缩率
Plasticity
韧性：冲击韧性、断裂韧性
Toughness
强度：屈服强度、抗拉强度
Strength
金属塑性变形的意义
Significance of Plastic Deformation of Metals
加工硬化:
成形加工性能 Processing ability
滑移面及其上的一个滑移方向 组成一个滑移系Slip System； 晶体中滑移系的多寡（尤其是 滑移方向）代表着晶体的塑性 变形能力的高低。
Slip Systems in FCC Crystals FCC晶体中的滑移系
滑移面 ｛111｝：4个独立的滑移面 滑移方向<110>：3个独立滑移方向/面 滑移系数目：4×3＝12个（单滑移方向多）
本身变形量很小，对变形的贡献在于改
变晶体之取向，使原来处于硬取向方向 的晶体转向可滑移的软取向方向 变形后在晶体表面形成表面浮凸 （Surface Relief）或表面倾侧 （Surface Tilting） 变形后在晶体内部晶体取向改变，在晶 体内部留下变形痕迹
Deformation Twins
金属单晶塑性变形的基本方式
Basic Modes of Plastic Deformation
for Metallic Single-Crystals
滑移 Slip 孪晶 Twining
滑移 Slip
在切应力作用下晶体沿特定晶面上特 定晶向产生相对平移滑动的现象
滑移现象 滑移的本质及滑移系 滑移变形的特点
铜单晶表面滑移线（滑移带） Slip Lines （Slip Bands）on Cu Single Crystal Surface
铁单晶表面滑移线
Slip Lines on Fe Single-Cryastal Surface
滑移带的结构 Slip Bands on Crystal Surface
HCP晶体
屈服应力低，滑移系很 少，第一阶段很长
多晶体的塑性变形Plastic
Deformation of Polycrystalline Metals
必须有至少五个以上的滑移系同时开动，才 能保证变形过程中晶界处的连续性及相邻晶 粒变形的协调性（Deformation Accommodation and Continuum at Grain Boundaries ）多晶材料 已开始变形就处于多滑移阶段，加工硬化指 数高！ 位错受晶界的强烈阻碍，屈服应力高！ 不同晶粒位向不同，变形不同时性与不均匀 性
Twining孪晶（孪生）
Characteristics of Twining When Twining? Contributions of Twining to Deformation The Dislocation Mechanism of Twining
固态相变动力学
Kinetics of Solid-State Phase Transformation
《物理冶金学原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)
tc ：CRSS (critical resolved
shear stress)临界分切应力： 晶体的本性，晶体滑移方向上 位错开动所需的最小切应力
影响临界分切应力的主要因素
1 晶体结构：BCC较FCC高得多 2 杂质含量：溶质原子偏聚与位错线形 成气团，位错被溶质原子钉扎而而难 以开动，tc很高！ 3 温度：温度越低，溶质钉扎越强、扩 展位错越难束集，位错越难运动， tc 越高！ 4 晶体取向：
塑性变形：晶体内部位错 不断运动、晶体内部位错 不断增殖、位错不断逸出 晶体表面并在晶体表面产 生永久变形台阶的过程！
滑移与滑移系
Slip and Slip Systems
滑移: 在切应力作用下晶体只会沿特定晶面 特定晶向产生相对平移滑动变形！
Work Hardening and Its Unique Significance to Metals
陶瓷及金属的典型拉伸（应力－应变）曲线
Typical Tensile Curves of Ceramic and Metallic Materials
Stress, MPa
s s s
Ceramic
FCC单晶塑性变形 三阶段的位错机制
Stage I: Single-Slip Stage： 只有一个滑移系开动，滑移 容易，加工硬化指数很低，晶体表面出现细长均匀的滑移线；
Stage II: Multi-Slip Stage：由于晶体转动，两个以上滑移 系同系开动，多个滑移系之间发生位错交割（形成割阶、网络、 缠结）、位错反应（形成L-C位错锁等）：加工硬化强烈、加 工硬化指数高，由于层错能低，难交滑移，线性硬化阶段很长
Systems in FCC Crystals
Slip Systems in BCC Crystals BCC晶体中的滑移系
滑移面 ｛110｝：6个独立的滑移面 滑移方向<111>：2个独立滑移方向/面 滑移系数目：6×2＝12个（滑移方向少）
<111>晶带还有 ｛112｝及｛123｝ 两个晶面族！
滑移Slip
在切应力作用 下，晶体沿特 定晶面上特定 晶向产生相对 平移滑动的塑 性变形现象
滑移的结果：在晶体表面留下 永久变形（塑性变形）台阶 （滑移线或滑移带）
表面滑移台阶 Slip Steps on Surface
Slip Steps on an Aluminum Single-Crystal Surface
滑移面滑移方向上的分切应力
Resolved Shear Stress on Slip Direction
= s cosl cosf = m.s
Schmidt 因子
Resolved Shear Stress on Slip Direction
t = s cosl cosf = m.s
当外应力的分切应力t大于或等 于晶体该滑移系的临界分切应 力tc时，即tt时，晶体开始 滑移、即开始塑性变形,此时 的外加应力s即为晶体之屈服 强度ss
滑移的特点
滑移只在晶体表面留下滑移变形痕迹
（滑移台阶：滑移线、滑移带），不改 变晶体位向，在晶体内部没有变形之痕 迹（但位错、空位等晶体缺陷密度增加） 变形极不均匀（变形局部化）：滑移集 中于滑移带中，滑移带之间晶体不发生 任何变形 变形量几乎不受限制，可以很大（无穷 大、超塑性）。
滑移的机理（本质）：晶体
材料的冷加工与零件的冷成型： – 冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、 冷挤压…… – 冷加工过程中同时实现材料及 零件的强化 材料的热加工及零件的热成型： – 锻造、热轧、热挤压……
加工硬化与金属独特的塑性加工成
型能力、抗过载能力及使用安全性 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。 零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全； 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用
单晶体屈服应 力与取向因子 （Schmidt因 子）的关系
l=f=45o时， ss最低，软取向
l=90o时， ss＝无穷大，正断，不能滑移，硬取向
孪晶或孪生
Twining
在切应力作用下，晶体一部分相对另 一部分以特定晶面为基面（孪晶面） 沿特定晶向（孪晶方向）发生均匀切 变变形，晶体变形部分与未变形部分 呈镜面对称关系！
Before Twining
After Twining
Twin Plane
Twining Direction
孪晶变形的条件
在滑移系很少的晶体中 低温滑移系难开动时 高速冲击载荷下 传播速度快，发出声音 应力应变曲线呈锯齿状
孪晶变形的特点
晶体整体的均匀切变，相邻晶面间位移小于 一个原子间距，原子间位邻关系不变
b
Metallic
s
e
d
Strain, %
金属的典型拉伸（应力－应变）曲线
Typical Tensile Curves of Metallic Materials
Stress, MPa
s s s
b
s
e
dห้องสมุดไป่ตู้
Strain, %
弹性变形
Elastic Deformation:
塑性变形
Plastic Deformation:
独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的 冷加工成型能力：
– –
冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压….. 冷加工过程中同时实现零件及材料的强化） 锻造、热轧、热挤压、
优异的热加工成型能力：
–
抗过载能力及使用安全 性(加工硬化)
零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全； 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。
Processing Innovations
New Materials
Atomic Arrangements: - Crystal Structure and Defects
of Metals and Alloy Phases - Phase Constitutions of Alloys -Microstructure of Metals and Alloys
Stage III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 在外力作用下，扩展位错束集，位错发生交滑移，异号位错低 消，加工硬化指数随应变增加而降低
FCC晶体
屈服应力低，但难 交滑移，加工硬 化指数高，线性 硬化阶段很长
BCC晶体
屈服应力高，极易 交滑移，加工硬 化指数低，第二 阶段很短
The Role of GBs in Plastic Deformation at RT and High Temperatures The Important Role of GBs to Strength (Hall-Petch Equation) and Plasticity of Metals Hall-Petch Equation and the Effect of Crystal Structure
｛112｝ 12个 ｛123｝24个 但每个滑移面上 只有一个滑移方 向<111>！
Systems in BCC Crystals
<111>晶带中的｛110｝、｛112｝及｛123｝晶面族！
｛110｝每个 面上有两个滑 移方向
｛112｝ 12个 ｛123｝24个 每个滑移面上只 有一个滑移方 向<111>！
FCC单晶的典型应力应变曲线及其位错机制
Typical Strain Hardening Curve of FCC Single-Crystal and the Underlying Dislocation Mechanisms
I: Single-Slip Stage
加工硬化指数很低 II: Multi-Slip Stage 加工硬化指数很高 III: Cross-Slip Stage (Dynamic Recovery Stage) 加工硬化指数随变形增 加而降低
Properties:
- Mechanical - Functional
- etc
金属的塑性变形
Plastic Deformation of Metals
Introduction
Strength and Strengthening Methods Ductility, Toughness and Toughening Methods
塑性：延伸率、断面收缩率
Plasticity
韧性：冲击韧性、断裂韧性
Toughness
强度：屈服强度、抗拉强度
Strength
金属塑性变形的意义
Significance of Plastic Deformation of Metals
加工硬化:
成形加工性能 Processing ability
滑移面及其上的一个滑移方向 组成一个滑移系Slip System； 晶体中滑移系的多寡（尤其是 滑移方向）代表着晶体的塑性 变形能力的高低。
Slip Systems in FCC Crystals FCC晶体中的滑移系
滑移面 ｛111｝：4个独立的滑移面 滑移方向<110>：3个独立滑移方向/面 滑移系数目：4×3＝12个（单滑移方向多）
本身变形量很小，对变形的贡献在于改
变晶体之取向，使原来处于硬取向方向 的晶体转向可滑移的软取向方向 变形后在晶体表面形成表面浮凸 （Surface Relief）或表面倾侧 （Surface Tilting） 变形后在晶体内部晶体取向改变，在晶 体内部留下变形痕迹
Deformation Twins
金属单晶塑性变形的基本方式
Basic Modes of Plastic Deformation
for Metallic Single-Crystals
滑移 Slip 孪晶 Twining
滑移 Slip
在切应力作用下晶体沿特定晶面上特 定晶向产生相对平移滑动的现象
滑移现象 滑移的本质及滑移系 滑移变形的特点
铜单晶表面滑移线（滑移带） Slip Lines （Slip Bands）on Cu Single Crystal Surface
铁单晶表面滑移线
Slip Lines on Fe Single-Cryastal Surface
滑移带的结构 Slip Bands on Crystal Surface
HCP晶体
屈服应力低，滑移系很 少，第一阶段很长
多晶体的塑性变形Plastic
Deformation of Polycrystalline Metals
必须有至少五个以上的滑移系同时开动，才 能保证变形过程中晶界处的连续性及相邻晶 粒变形的协调性（Deformation Accommodation and Continuum at Grain Boundaries ）多晶材料 已开始变形就处于多滑移阶段，加工硬化指 数高！ 位错受晶界的强烈阻碍，屈服应力高！ 不同晶粒位向不同，变形不同时性与不均匀 性
Twining孪晶（孪生）
Characteristics of Twining When Twining? Contributions of Twining to Deformation The Dislocation Mechanism of Twining
固态相变动力学
Kinetics of Solid-State Phase Transformation
《物理冶金学原理》研究对象:
Fundamentals of Metals Processing:
- Solidification (Casting, Welding, etc) - Solid-State Phase Transformation - Plastic Deformation (hot and cold working, forging, rolling, Mechanical Behaviors，etc)
tc ：CRSS (critical resolved
shear stress)临界分切应力： 晶体的本性，晶体滑移方向上 位错开动所需的最小切应力
影响临界分切应力的主要因素
1 晶体结构：BCC较FCC高得多 2 杂质含量：溶质原子偏聚与位错线形 成气团，位错被溶质原子钉扎而而难 以开动，tc很高！ 3 温度：温度越低，溶质钉扎越强、扩 展位错越难束集，位错越难运动， tc 越高！ 4 晶体取向：