第18讲 金属及合金的塑性变形与断裂Ⅱ

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弗兰克-瑞德位错源
晶体中的位错呈空间网络状分布，各个位错线段不会位 于同一个晶面上。这样，相交于一个结点的几个位错线 段在滑移时不能一致行动，只有位于滑移面上的位错线 才能运动。因此，位错网络上的结点即可能成为固定的 结点（图6-11）。
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b
m、n为异号螺位错
产生一个柏氏 矢量位移区域
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晶体在滑移时并不是滑移面上的全部原子一齐移动， 而是位错中心的原子由一个平衡位置转移到另一个平 衡位置，如图6-10所示，图中的实线表示位错（半原子 面PQ）原来的位置，虚线表示位错移动了一个原子间 距（P′Q′）后的位置。
正刃型位错
负刃型位错
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图6-10 刃型位错的滑移
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§6-2 单晶体的塑性变形
一、 微观现象 二、塑性变形方式
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二、塑性变形方式
在室温或温度不高时单晶体变形基本方式有两种：
1. 滑移 2. 孪生 3. 两种变形方式的异同点
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1. 滑移
⑴ 滑移的概念 ⑵ 滑移面和滑移方向 ⑶ 滑移时临界分切应力 ⑷ 滑移时晶体的转动 ⑸ 多滑移 ⑹ 滑移与位错
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① 位错的运动与晶体的滑移
理想晶体在切应力的作用下，晶体的上下两部分 沿滑移面作整体刚性的滑移，此时所需的临界切 应力τK与实际强度相差十分悬殊。例如铜，理论 计算的τK≈1500MN／㎡，而实际测出的 τK≈0.98MN／㎡，两者相差竟达1500倍！对这一 矛盾现象的研究，导致了位错学说的诞生。
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实际晶体的滑移是通过位错在切应力的作用下沿着滑 移面逐步移动的结果，如图6-9所示。
滑移线的实质：当一条位错线移到晶体表面时，便会 在晶体表面上留下一个原子间距、大小为柏氏矢量模 的滑移台阶，大量位错移到晶体表面时，就会在晶体 表面形成滑移线。
图6-9 晶体通过刃型位错移动造成滑移的示意图
孪生是晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定 的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变。 每层原子的切变量不同，远离孪晶面切变量大，层间 切变量一般小于1个原子间距。这种切变虽不改变晶体 类型，但孪晶面两侧位向发生变化，形成镜面对称。
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图6-13 面心立方 晶体的孪生变 形过程示意图
a）孪晶面与孪生方向 b）孪生变形时的晶面
移动情况
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在孪晶面之间切变部分为孪晶带或孪晶，抛光浸蚀后 可看到痕迹。密排六方金属及低温下的体心立方金属 常以孪晶变形。
孪生的变形速度极大，常引起冲击波，发出响声。
孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多，例如钢单纯依 靠孪生变形只能获得7.4%的延伸率。但是，由于孪生 后变形部分的晶体位向发生改变，可使原来处于不利 取向的滑移系转变为新的有利取向，这样就可以激发 起晶体的进一步滑移。
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位错的交割（刃型与刃型、刃型与螺型、螺型与螺 型）都会形成割阶，一方面增加了位错线的长度， 一方面还可能形成一种位错难以运动的固定割阶， 成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结。这就是 多滑移加工硬化效果较大的主要原因。
在切应力的作用下，大量位错沿滑移面的运动过程 中，如果遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界 等）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，结果形成位借的平面塞积群，并 在障碍物的前端形成高度应力集中。
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图6-10 刃型 位错的滑移
正刃型位错
负刃型位错
可见，位错虽然移动了一个原子间距，但位错中心附 近的少数原子只作远小于一个原子间距的弹性偏移， 而晶体其它区域的原子仍处于正常位置。显然，这样 的位错运动只需要一个很小的切应力就可实现，这就 是实际滑移的τK比理论计算的τK低得多的原因。
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图6-11 弗兰克－瑞德位错源
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③ 位错的交割与塞积
在多滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移 面上运动着的位错也就必然相遇，发生相互交割。 在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不 同角度穿过滑移面的位错相交割。
mn-割阶
交割前
交割后
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图6-12 两个相互垂直的刃型位错的交割
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② 位错的增殖
问题1：晶体在塑性变形时产生大量的滑移带就需 要为数极多的位错。晶体中有如此大量的位错吗？ 问题2：滑移是位错扫过沿移面并移出晶体表面造 成的，随着塑性变形过程的进行，晶体中的位错数 目应越来越少，最终会形成无位错的理想晶体？ 问题3：退火金属中的位错密度为1010m-2，经剧烈 塑性变形后，位错密度增至1015～1016m-2。这些增 加的位错是怎样来的？
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⑹ 滑移与位错
滑移的机制 滑移是通过位错的运动来实现的：晶体中原子排 列不是完全规则的，存在着一个正刃型位错，在 切应力作用下，通过这个多余半原子面从一侧到 另一侧的运动，每移出晶体一次即造成一个原子 间距的变形量。 ① 位错的运动与晶体的滑移 ② 位错的增殖 ③ 位错的交割与塞积
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位错塞积群的位错数，与障碍物至位错源的距离 L成正比。L越大，则塞积的位错数目越多，造成 的应力集中便越大。 经计算，塞积群在障碍处产生的应力集中。为：
τ= nτ0 τ0：滑移方向的分切应力值，此式说明，在塞积 群前端产生的应力集中τ是τ0的n倍。
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2. 孪生
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滑移和孪生两者交替进行，即可获得较大的变形 量。正是由于这一原因，当金属中存在大量孪晶 时，可以较顺利地进行形变。可见，对于滑移系 少的密排六方金属来说，孪生对于塑性变形的贡 献，还是不能忽略的。
第十七讲 金属及合金的塑性变形与断裂Ⅱ
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上讲内容回顾
三元相图总结 三元系的两相平衡 三元系的三相平衡 三元系的四相平衡 相区接触法则
金属的应力-应变曲线 单晶体的塑性变形
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第六章 金属及合金的塑性变形与断裂
内容提要 §6-1 金属的应力-应变曲线 §6-2 单晶体的塑性变形 §6-3 多晶体的塑性变形 §6-4 合金的塑性变形 §6-5 塑性变形对金属组织和性能的影响 §6-6 金属的断裂（自学内容） 作业