2010塑性变形机制

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(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
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。

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。
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;
(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.
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 强度随间隙原子含量 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。

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
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
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。
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。


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。
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。


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
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;
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。

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。

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);
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塑性变形机制(Mechanism of Plastic Deformation)

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.

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
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

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。

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.
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。
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
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