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1、2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章1,第九章 金属的塑性变形,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章2,第一节 单晶体的塑性变形,塑性变形外力去处后永久残留的变形称为塑性变形，室温下金属塑性变形的主要方式是滑移，此处还有孪生和扭折等方式。基本内容 滑移 孪生 扭折 单晶体的应力应变曲线,Guidelines,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章3,一 滑移,授课内容滑移现象 滑移系的概念及性质 滑移的一般规律 滑移的临界分
2、切应力 多滑移（复滑移） 交滑移和多交滑移 滑移时晶体的转动,Guidelines,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章4,滑移现象,Material,滑移线,通常把普通金相观察中看到的线称为滑移带，而把电镜中下看到的细线称为滑移线，一簇相互平行的滑移线组成了滑移带。,在光学显微镜下观察表现为一条线。,电镜下的观察结果,单晶体金属拉伸后的电镜观察,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章5, 滑移系,Material,1 滑移系的概念,滑移是沿着一定的晶面和该面上的一定晶向进行的，此
3、晶面称为滑移面；此晶向则称为滑移方向，一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成了一个滑移系。,滑移面及其法向矢量n,滑移方向矢量b,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章6, 滑移系,Material,2 滑移系的性质,每一个滑移系表示金属进行滑移时，滑移动作可能采取的空间取向。当其它条件相同时，金属中的滑移系越多，则滑移时可供采取的空间取向越多，该金属的塑性越好。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章7, 滑移系, 滑移面和滑移方向通常都是密排面和密排晶向；随着成分、温度等条件的改变
4、，其它晶面也有可能称为滑移面，但滑移方向比较稳定，总是密排景象。 每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系。 同一金属晶体可以有几组晶体学上完全等同的滑移系。但实际滑移时，不是沿着这些滑移系同时滑动，而是沿着最有利的滑移系首先滑移。,Material,3 滑移系的一般规律,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章8, 滑移的临界分切应力,如图所示，圆柱形试样的横截面积为A，轴向拉力为F，F与滑移面法线n及滑移方向b的夹角分别为和。F在滑移面上沿滑移方向的切向分力滑移面面积外力F在滑移方向上的分析应力为：其中， 作用在面积A上的正应力取向因子；
5、,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章9, 滑移的临界分切应力,Material,临界分切应力分析,由推导公式所知，当F一定时，滑移系上的分切应力与该系的空间取向有关；取向因子 m 增大 ，则分切应力 增大；当 900， 最大。此时取向因子 m 为 当450时，m值最大，mmax1/2；当 达到某一临界值时，滑移才能开始。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章10, 滑移的临界分切应力,临界分切应力（ c）：开始滑移时所需的最小分切应力。,Material,临界分切应力的导出,式
6、中， s 屈服强度。当 （或 ）接近45时，m最大， s最低，金属最易发生塑性变形，称之为软取向。 当 （或 ） 接近90时，s ，金属难以发生塑性变形，称之为硬取向。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章11, 滑移的临界分切应力,Material,取向因子与屈服应力关系举例,取向因子与屈服应力关系图,思考一下，能得出说明结论？,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章12, 多滑移（复滑移）,Material,多滑移的定义与特点,多滑移滑移沿两组（或多组）滑移系同时或交替进行的过
7、程称为多滑移。（或复滑移）。多滑移的特点由于各滑移系之间相互穿越和影响，导致继续滑移变形的抗力提高，因此多滑移比单滑移困难。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章13, 交滑移和多交滑移,Material,1. 概念,交滑移 当螺型位错在某一滑移上运动受到阻碍时，有可能离开原滑移面而转向与其相交的另一滑移面上继续滑移，该运动过程称为交滑移。 双交滑移若螺行位错经过交滑移后在转回到与原滑移面相平行的晶面上继续滑移，称为双交滑移。,刃型位错不能进行交滑移和多交滑移吗,？,由于刃型位错的 ,只有一个滑移面，所以不能发生交滑移；而螺行位错的 ，
8、在含有位错线的任何密排面上都可能进行滑移，所以螺型位错可以发生交滑移。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章14, 交滑移和多交滑移,Material,2. 交滑移与多交滑移的特点,交滑移使滑移过程具有很大的灵活性，当滑移在某个晶面上受阻时，通过交滑移可以转移到另一滑移面上继续滑移。层错能高的金属易于进行交滑移。变形温度 越高 、变形应力或变形量越大，交滑移越显著。,注意：交滑移和双滑移中滑移方向不变！,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章15, 滑移时晶体的转动,Materia
9、l,几个概念,转动特点拉伸时的滑移面朝着与拉伸轴平行的方向发生转动。压缩时滑移面朝着与压力垂直的方向发生转动。几何硬化、几何软化晶体发生转动后，各滑移系的取向和分切应力不断变化，可能使一些原处于软取向的滑移系转到硬取向，使继续所需的外力增加（几何硬化）；而另一些原处于较硬取向的滑移系转到软取向，从而继续进行滑移（几何软化）。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章16,二 孪生,Material,1. 孪生与孪晶带的概念,孪生通常是在晶体难以进行滑移时所发生的另一种塑变方式。在孪生过程中形成孪晶（或孪晶带）。,BCC单晶体的孪生示意图,2
10、018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章17,二 孪生,Material,2. 孪生的切变过程,孪生是在切应力作用下晶体内部发生的均匀切变过程。孪生变形时，不同晶体结构的孪生面和孪生方向不同。 bcc：孪生面 112，孪生方向 fcc： 孪生面111，孪生方向 hcp：孪生面1012，孪生方向,BCC单晶体的孪生示意图,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章18,三 扭折,Material,扭折的定义,当受力晶体的取向不利于发生滑移或孪生时，将通过扭折等方式进行不均匀的局部塑性变形。,有
11、动画讲解，请单击图片观察，仔细体会，不妨联系一下！,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章19,四 单晶体的应力 应变曲线,随着切应变 ，所需切应力 逐渐增大，即产生了加工硬化。加工硬化率（加工硬化系数）： ，表示了 随 增大而增大的速率。根据 的变化，塑性变形可分为三个阶段(如下图所示）： 第阶段 易滑移阶段； 第阶段 线性硬化阶段； 第阶段 抛物线形硬化阶段；,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章20,第二节 晶体滑移的位错机制,Guidelines,主要讲授内容 位错运动与晶
12、体滑移； 运动位错的扭折与割阶； 位错运动的点阵阻力； 滑移过程中的位错增殖； 运动位错的塞积；,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章21, 位错运动与晶体滑移,位错运动与晶体滑移的关系滑移是位错切应力作用下逐步移动的结果。一条位错移出晶体后，晶体产生一个b大小的滑移量。一系列滑移面上的位错滑出晶体后产生的滑移量累积起来就造成了晶体宏观上的塑性变形。位错运动与晶体滑移的特点位移移动的方向总是与位错垂直。晶体滑移的方向总是与相应的切应力方向一致。,Material,位错运动与晶体滑移的关系和特点,2018/9/13,Introductio
13、n to Materials Science,第九章22, 运动位错的扭折与割阶,位错线运动受到阻碍时会形成曲折线短，若曲折线段位于位错所在滑移面上时，称为扭折；曲折线段不位于位错所在滑移面上时，称为割阶。,Material,扭折与割阶的概念,刃型位错中的割阶,螺型位错,刃型位错,刃型位错中的扭折,螺型位错中的割阶,螺型位错中的扭折,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章23, 位错运动的点阵阻力,位错运动的点阵阻力称为派一纳力（P-N力）P-N力与晶体结构和原子间作用力等因素有关，其实质相当于在理想的简单立方晶体中移动单个刃型位错所需的
14、临界切应力。其近似表达式为式中，a 滑移面的面间距; b 滑移方向上的原子间距； 泊松比； G 切变模量； 位错宽度，指位错中心严重畸变区的宽度。,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章24, 滑移过程中的位错增殖,经剧烈变形的晶体中，其位错密度大大增加，表明塑性变形过程中位错产生了增殖。目前被广泛接受的位错增殖机制是弗兰克瑞德（FrankRead）位错增殖机制（F-R源）。在 Frank Read位错增殖机制中，开动位错源所需的临界切应力为：, LA ,B间的距离,Material,位错增殖的机理,2018/9/13,Introduct
15、ion to Materials Science,第九章25, 滑移过程中的位错增殖,Material,位错增殖的演示,Frank-Read 位错增殖机制示意图,有动画讲解，请单击图片观察，仔细体会，不妨联系一下！,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章26,五 运动位错的塞积,位错塞积在同一滑移面上运动的位错如果在运动过程中遇到障碍（晶界，第二相粒子等），而外力又不足以克服障碍的阻力时，位错就在障碍物的前沿堆积起来，形成位错塞积。,Material,1. 位错塞积的概念与示意,位错塞积示意图,2018/9/13,Introduction to Materials Science,第九章27,五 运动位错的塞积,形成位错塞积后，塞积群中各位错所受的作用力有： 由外切应力产生的滑移力b，该力使诸位错向障碍物方向推进，并尽量靠紧障碍； 位错间的相互排斥力，使位错群沿滑移面尽量散开； 障碍物的阻力，该力一般仅作用在塞积群的领先位错上。当这三种力达到平衡时，塞积群中的位错便停止运动并按一定规 律分布，即：越靠近障碍位错密集，距离障碍物越远位错越稀疏。领先位错与障碍物之间存在的局部应力为n 式中：n 塞积群中的位错数； 外加切应力,
