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1、1 材料的塑性变形 Plastic Deformation of Materials 2 3 弹性变形塑性变形断裂 4 第一节 单晶体的塑性变形 常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。 一、滑移 1. 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 排列规律性的塑性变形方式。 5 位错移动引起永久变形的示意图 6 光镜下：滑移带。 电镜下：滑移线。 2. 滑移的观察 7 3. 滑移的晶体学 （1）几何要素：滑移面 （密排面）、滑移方 向（密排方向） 原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力 最小，因而容易沿着这
2、些面发生滑移。 最密排方向上的原子间距最短，即位错b最小。 8 （2）滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的 组合。 滑移系的个数：（滑移面个数）（每个面上所 具有的滑移方向的个数） 9 10 11 12 13 14 （1）一般滑移系越多，塑性越好； （2）与滑移面密排程度和滑移方向个数有关； （3）与同时开动滑移系数目有关（c）。 滑移系数目与材料塑性的关系： 15 （3）滑移的临界分切应力（c） c：在滑移面上沿滑移方面开 始滑移的最小分切应力。（外 力在滑移方向上的分解） （施密特定律） 16 c取决于金属的本性，不受，的影响； s的取值： 或90时，s ；，45时，s最小，晶
3、 体易滑移； coscos（取向因子）： 软取向，值大；硬取向，值小。 cscoscos 17 4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。 18 拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向 。 19 压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。 20 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。 21
4、5.多滑移 多滑移：在多个（2）滑移系 上同时或交替进行的滑移。 等效滑移系：各滑移系的滑移 面和滑移方向与力轴夹角分别 相等的一组滑移系。 22 6. 交滑移 （1）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。 （2）机制 交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的 另一滑移面的过程； 双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面 的过程。 23 24 只有纯螺位错才可交滑移，分解成扩展位 错后部分位错离开层错所在的面会引起严重错 排。 所以扩展位错交滑移前一定要以一定方式 变回全位错才能交滑移。 25 层错能越低，位错宽度就越大，交滑移束集是 做功也越大。 对低层错能材料
5、，位错很难交滑移，位错运动 是平面型的，称平面滑动。 对高层错能材料，位错容易交滑移，滑移线呈 波纹状，称波纹滑动。 26 交滑移容易与否，对材料的应变硬化有很 大的影响。 层错能越低，位错不易通过交滑移越过遇 到的障碍，从而加大了应变硬化。 27 7.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。 28 二、孪晶变形 孪晶变形是在切应力作用下，晶体的一部 分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）和 晶向（孪晶方向）发生均匀切变，并形成晶体 取向的镜面对称关系。 不同的层原子移动的距离不同。 29 变形与未变形的两部分晶合称为孪晶， 均匀切
6、变区与未切变区的分界面成为孪晶界 。 30 孪晶面： A1111，A2112，A31012 孪晶方向：A1，A2，A3 31 孪生的特点: （1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通 常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪 生所需的临界切应力要比滑移时大得多。 （2）孪生是一种均匀切变，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，且每一层原子相对于孪生面 的切变量跟它与孪生面的距离成正比。 （3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系 。 32 孪生往往在滑移困难时出现，六方晶系的 滑移系很少，所以容易出现孪晶。 33 孪晶变形和滑移的相同点
7、1. 切变； 2. 沿一定的晶面、晶向进行； 3. 不改变结构。 34 孪晶变形和滑移的不同点 滑移 孪晶变形 晶体位向 不改变（对抛光面观察无 重现性）。 改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性） 位移量 滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。 小于孪生方向上的原子间距， 较小。 对塑变的贡献 很大，总变形量大。有限，总变形量小。 变形应力 有一定的临界分切压力 所需临界分切应力远高于滑移 变形条件一般先发生滑移 滑移困难时发生 变形机制 全位错运动的结果 分位错运动的结果 35 36 第二节 多晶体的塑性变形 室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间
8、取向“软”和“硬”不同 ，形变先后以及形变量也不同，以及晶界的存 在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的阻碍 ，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。 37 多晶体中晶粒取向 38 晶界的特点：晶界上原子排列不规则，点阵畸变 严重，另外晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向 和滑移面彼此不一致。 晶界对变形的影响：滑移要从一个晶粒直接延续 到下一个晶粒是极其困难的，在室温下晶界对滑 移具有阻碍效应，滑移、孪生多终止于晶界，极 少穿过。 一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响 39 晶界对晶粒变形 具有阻碍作用。拉伸 试样变形后在晶界处 呈竹节状，每个晶粒 中的滑移带均终止于 晶界附近，晶界附近 位错塞积。
9、40 障碍物 源 O 晶界位错塞积模型 假如，某晶粒中心有一位错源，在外加切应力作 用下，位错沿着某一个滑移面运动。如果遇到障 碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）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。形成位错的平面塞积群，称为位错塞积。 41 位错塞积使头部产生应力集中，当应力集中 能使相邻晶粒的位错源启动时，原来取向不利的 晶粒也能开始变形，相邻晶粒变形也使位错塞积 产生的应力集中得以松弛。 42 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 塑性变形 晶粒之间变形的传播： 由于各晶粒之间变形具有非同时性，所以 要求各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导
10、致晶体分裂） 43 任何变形都可用xx，yy，zz，xy，yz，xz 这6个应变分量来表示，在塑性变形体积不变的 情况下，有： 所以有5个独立的应变分量，每个应变分量 由一个独立的滑移系来产生的，所以多晶体塑 性变形时要求每个晶体至少能在5个独立的滑移 系上进行滑移。 44 二、晶粒大小与力学性能的关系 双晶试验表明，试样的屈服强度随2个晶粒取 向差加大而加大； 把取向差与强度的关系曲线外推到取向差为 零时，屈服强度大体和单晶的各种取向的屈服强 度的平均值接近。 说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，而 对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。 45 因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变连 续，各晶
11、粒形变要协调，在晶界附近会进行多系 滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。 46 1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度s与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔配奇公式） 0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。 47 因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错 障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多 ，使金属塑性变形的抗力越高。 原因： 48 2. 晶粒越细，塑韧性提高 位错塞积群也会对晶内的位错源产生一反作用力或 称背应力。此反作用力随位错塞积的数目n而增大 ，当n增大
12、到某一数值时，可使位错源停止开动。 式中，0为作用于滑移面上外加分切应力；L为位 错源至晶界之距离；k为系数，螺位错k=1，刃位错 k=1-v。 位错塞积数为： 49 粗晶粒的n较大，产生的应力集中大，如相邻 晶粒取向不利，或位错源不易开动，则应力集中 不能松弛，在邻近晶粒某一特定方向产生很大的 拉应力，形成裂纹。 因而晶粒越粗，塑性也越低，反之，晶粒越细 ，塑性越高。 50 同理，细晶粒材料中，应力集中小，裂纹 不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过 程中可吸收较多能量，表现高韧性。 51 第三节 金属的强化理论 一、变形强化（加工硬化） 变形强化（加工硬化）：随变形量的增加，材料 的强度
13、、硬度升高而塑韧性下降的现象。 多种机制： 位错滑动和位错交割，增加阻力。（位错的交割 ） 形成的L-C不动位错增大了形变的抗力。（位错 的反应） F-R源不断产生位错。（位错的增殖） 52 1. 位错的交割 发生多系滑移之后，两个相交滑移面上 运动的位错必然会互相交截，原来一直线位 错经交截后就会按照对方位错柏氏矢量（变 化方向和大小）出现弯折部分。 如此弯折部分仍在滑移面上，这叫扭折 。 如弯折不在滑移面上，这一线段叫割阶 。 影响：增加位错长度，产生固定割阶。 53 柏氏矢量平行的两个刃型位错的交割 AB位错与XY位错的柏氏矢量分别与对方（ 新产生的小段）位错线平行，交割后在对方都留 下
14、一段扭折。 54 柏氏矢量垂直的两个刃型位错的交割 AB位错被交割后留下割阶；因XY位错与 AB位错的柏氏矢量平行，交割后在XY上不产生 任何割阶或扭折。 55 刃型位错与螺型位错的交割 AB位错与XY位错交割后，在AB位错留下一 段割阶，因XY是螺位错，如果交割留下的小段位 错不在原滑移面，则是割阶。 56 两个螺型位错的交割 AB位错与XY位错均为右螺位错，交割 后在对方都留下一段割阶。 57 两位错交割的定性结论 a. 任意两种类型位错相互交割时，只要是形 成割阶，必为刃形割阶，割阶的大小与方向 取决于穿过位错的柏氏矢量； b. 螺位错上的割阶比量位错上的割阶运动 阻力大。 58 2.
15、位错的反应 两滑移面上的位错相遇，在一定条件下可发生反 应，形成一个不可动的位错，如在面心立方金属 ： 59 当它们的领头位错相遇后发生如下位错反应： 011/6位错在(111)和 (111)面的交线上。这是一种 不可动的结构，称洛麦尔-柯 垂尔位错（简称L-C位错） 。它成为滑移面上其它位错 运动的障碍，所以它又称L- C阻塞。 60 3. 位错的增殖 金属变变形后产产生大量位错错，是引起强化的一个 原因。 理论论和实验证实验证 明：流变应变应 力和位错错密度之间间 关系： 61 位错两端被钉扎，在切 应力作用下发生弯曲； 位错运动时发生卷曲； 异号位错相遇一位错 环+一位错线； 上述过程重复进行。 （1）F-R源 62 63 （2
