2010塑性变形机制 第二章

形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群能多次地定向 地从一个平衡位臵移到另一个平衡位臵，由此产生宏观的塑性 变形。
塑性变形的本质:位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 及转动）；

塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation）
（根据原子群移动所发生的条件和方式划分）

滑移(Slip)：最主要的变形方式 孪生(Twinning)：
低温高速，对称性较低的密排六方金属
不对称变形(Asymmetrical Deformation）：
变形协调机制
非晶机制(Amorphous Mechanism)：高温 晶界滑移(Grain Boundary Slip)：高温

固溶体中的晶格畸变示意图 （a)间隙固溶 (b)臵换固溶 a)间隙固溶体 b)置换固溶体
临界切应力，×10MPa
Cu基固溶体加入 不同溶质时强化效 果不相同。

固溶原子(原子)，％
与Cu原子尺寸相近的Ni、 Si等对流变应力的影响 较小； 原子尺寸比Cu大的Sn等 对流变应力的影响非常 显著。
cos cos
取向因子越大，分切应力也越大．
对任意给定的ψ，λ＝90°-ψ时,取向因子最大.滑移面法线、滑移 方向、外力处于同一平面，则：
cos cos( 90 ) cos sin

2
sin 2
c
s
c
s
2
sin 2
纯锌冲击变形——孪晶
纯铜
形变退火
退火孪晶
2.2.1孪生变形的特点
1) 均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面 均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离。
2) 具有晶体学要素：孪生面和孪生方向，统称孪生系; 如教材表2-3. 3) 相邻层间相对切变量相等且小于一个原子间距，每层 总切变量与它和孪生面的距离成正比； 4）不改变晶体的点阵类型，只使变形部分与未变形部 分以孪生面成镜像对称；


滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110} {110} 滑移 方向 滑移系 体心立方晶格 {111} {111} 面心立方晶格 密排六方晶格

对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改
2.1 滑移（Slip）
2.1.1滑移现象

室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移是靠位错的运动实现的

位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这便是滑移。
光镜下：滑移带（无重现性）。电镜下：滑移线。

cos cos
才构成如图函数关系
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系
Schmid定律:
金属在一定变形温度和变形速度条件下,开始发生滑移变形 所需的临界切应力为常数,与取向因子无关.
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。
F
滑移时晶体转动示意图
压缩时晶体的转动: 晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
压缩时晶体转动示意图
（2）取向因子的变化
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 几何软化；，接近45，滑移变得容易。
2.1.5 滑移的基本类型

单滑移(Single Slip)：外加切应力>τc,开动一组滑移系；
特征：表面平行的滑移线; 发生在滑移系较少或塑性变形开始阶段。 多滑移(Multiple Slip)：外力轴与几个滑移系取向相同,多个滑移系同时 开动；由于位错交割、缠结，导致加工硬化。 特征：两组或多组交叉的滑移线； 交滑移(Cross Slip)：螺位错滑移受阻时，离开原滑移面沿另一晶面继 续滑移；b不变，所以滑移方向和大小不变。变形温度越高，变形量 越大，交滑移越显著。 特征：折线或波纹状滑移线。

外 力 在 晶
切 应 力
锌 单 晶
临界切应力：沿滑移面滑移方向上的分切应力；能够引起
滑移系开动的分切应力,决定滑移系能否开动.
滑移面法线与横截面法线间夹角为φ ； 轴向拉力与滑移方向间夹角为λ 横截面A0上的正应力: P A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos A A0
变。

滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其 中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性， 面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六
方晶格。
2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)

滑移系只提供了金属滑移的 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。
A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
S
A
S cos cos cos
滑移面上的正应力:
n S cos cos2 s c
外力在滑移方向的分切应力
c s cos cos c s cos cos
只有 c一定时 与 s

滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):

塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
滑移带示意图
滑移

定义：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。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。

孪晶(Twins):
相对某一特定晶面两边原子排列成镜像对称的一对晶体. 孪生的产物.金相显微镜下一般呈带（片）状或细长透镜状。

孪生的形成方式:
1)晶体生长,如退火孪晶; 2)塑性变形,称变形（或机械）孪晶.
现象:透镜状或带（片）状.
(a)拉伸试验中产生的孪晶
(b)拉伸试验后长大的孪晶
变形Zn中的透镜状孪晶


可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。

全程性：持续至断裂前。

金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位臵产生可逆位移。
塑性变形（Plastic Deformation）


不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。
2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
弹性变形（Elastic Deformation）

弹性变形过程：外力→应力→原子离开平衡位臵→变形→原子位能增加 →返回趋势→外力消失→变形消失→弹性变形 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 拉伸:σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切:τ=Gγ，G-切变模量 。 弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位臵的难易程 度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 是一种组织不敏感的性质。
c
三种常用金属的临界分切应力随温度的变化
化学成分和温度对纯铜 的临界分切应力的影响
镉速率的关系单晶的临 界切应力与温度和应变
(X比+应变速率大100倍)
2.1.4滑移时晶体的转动（Rotation of Crystal)
实际变形中滑移总要受到限制，晶体不会自由无限 制滑移下去，因此滑移的同时往往伴随着晶体的转动。 1. 位向和晶面的变化
Al的多滑移, x145 Cu的单滑移, x500
Al单晶的交滑移, x260

多系滑移
对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有利 的滑移系（其分切应力最大）中进行，但由于变形时晶 面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐渐 增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移就 可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行， 从而产生多系滑移。

滑移的位错机制
实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值低 3～4个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相对 于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错 在滑移面上运动来逐步地进行的。
2.2孪生(Twinning)

孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一部分沿一定的晶 面和一定的晶向相对于另一部分发生的均匀切变. 塑性变形的另一种重要方式,常作为滑移不易进行时的补充.
拉伸时晶体的转动； 压缩时晶体的转动
拉伸时晶体的转动: 1)滑移面上最大分切应力与滑移方向一致 时; 2)滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时 1)滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时:滑移面和滑移 方向趋于 平行于力轴方向
若夹头不受限制，欲使 滑移面的滑移方向保持不变， 拉力轴取向必须不断变化， 如图(a)(b)。实际上夹头固定 不动，即拉力轴方向不变， 此时晶体必须不断发生转动。 如图(c)。转动结果，使滑移 面法线与外力轴夹角增大， 使外力与滑移方向夹角变小。

单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现一 系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮凸， 称为滑移带。
在300℃ 拉伸的锌单晶体
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
45 时,
2 c s sin 2 max 2
max 达到 c时, s
等于与趋近此方位称为有利方位或软取向; 远离此方向称为不利方向或硬取向; 处于软取向的滑移首先发生滑移.
最小,且 s 2 c
2.1.3影响临界切应力的因素
滑移的物理本质:晶体中的位错在切应力作用下逐步移动。 所有造成位错移动阻力的因素均会使临界切应力提高。 影响因素： 1)金属的种类(教材表2-2)： 原子间结合力↑ ，位错移动的点阵阻力↑ ； ↑ c 2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻； 不同溶质原子固溶强化效应不同； （1）溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大； （2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大； （3）间隙型溶质原子比臵换原子有更大的固溶强化作用；
固溶原子对铜单晶临界分切应力的影响
间隙固溶强化
C、N等溶质原子嵌 入α-Fe晶格的八面体 间隙中,使晶格产生不 对称正方性畸变造成 强化效应.铁基体屈服 强度随间隙原子含Βιβλιοθήκη Baidu 增加而变大.
铁的屈服应力和含C量的关系
影响因素
3)变形温度： 温度↑， c↓，因为原子动能增大，原子 间结合力减弱； 但高温时，温度↑， c不变； 4)变形速度： 速度↑， c ↑ ，因为单位时间内必须使更 多位错线移动，加工硬化率较快； 对变形速度的依赖性极弱； 5)变形方式、组织结构（加工和处理状态） 等。
（a)原始(b)自由变形（C）受夹头限制变形
2) 滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时晶体的转动
F A
0
A
1
•转动有两种：滑移面向外力轴方 向转动和滑移面上滑移方向向最 大切应力方向转动。 •切应力作用下的变形和滑移面向 外力方向的转动 •转动的原因：晶体滑移后使正应 力分量和切应力分量组成了力偶.