金属材料中的位错与塑性
金属塑性变形物理基础位错理论
E螺=
Gb2
4
ln
R r0
E刃=
Gb2 ln R
4 (1 ) r0
则 E刃=
1
1
E螺，一般取0.3，
2
所以 E 螺= 3 混合位错
E混=
Gb 2
4 (1 )
E刃 （1-cos2)ln
R r0
• 汇集一点的位错线，它们的柏氏矢量和 为零；
• 一根位错线不能终止在晶体内部，只能 终止在晶体表面。
位错环 b
1.2.3 位错密度——描述位错多少的参数 (1) 定义：单位体积中位错的总长度。
V = L cm/cm3
(2) 位错的形成——液态结晶时形成。晶体 经过塑性变形回复和再结晶及其它热处 理，位错的密度变化。
体的一边贯通到另一边，而是有时终止 在晶体的中部。
1934年，提出了位错的概念，
1947年低碳钢的屈服效应，位错理论得到 了很大发展，
1950年以后，用电镜直接观察到位错。至 此，位错的存在才最终得到间接证明。 从此以后，位错理论得以迅速发展。它 是一门很重要的基本理论。
1.2 位错模型和柏氏矢量 1.2.1 位错的分类：
如1-2图所示,若位错线上的原子沿切 应力方向移动不到一个原子间距,周围其 它原子稍作调整,多余半原子面和位错线 就可以向前移动一个原子间距。可见位 错移动具有易动性。
• 图1-2示出了位错由晶体的一端扫到另一端
（2）螺位错的滑移运动 如图所示位错线上的原子只需在切应
力作用下向前移动一个原子间距的分数倍 的距离，位错线可以向左移动一个原子间 距。
设m= b
化简得
去应力退火过程中位错运动
去应力退火过程中位错运动去应力退火是一种常用的金属材料处理方法，它通过加热和冷却过程中的位错运动来改善材料的力学性能和内部结构。
位错是金属材料中存在的一种晶体缺陷，它是由于晶体中原子排列不完美造成的。
位错的运动对材料的机械性能有着重要影响，而应力退火可以通过控制位错运动来改善材料的性能。
位错运动是指位错在晶格中的移动和变形过程。
在晶体中，位错可以沿着晶体的滑移面移动，从而改变晶体的形状和结构。
在去应力退火过程中，位错运动起到了重要的作用。
首先，位错运动可以消除材料中的残余应力。
当材料受到外力作用时，会产生应力，这些应力会导致位错的运动。
在应力退火过程中，通过加热和冷却的循环，位错会发生滑移和重组，从而消除材料中的应力。
其次，位错运动还可以改善材料的塑性变形能力。
位错的运动可以使晶体中的原子重新排列，从而改变晶体的结构和形状，使材料具有更好的塑性变形能力。
在去应力退火过程中，位错运动的速度和路径是受到多种因素的影响的。
首先，温度是影响位错运动的重要因素。
在高温下，位错运动速度加快，位错易于滑移和重组，从而加快应力的释放和材料的恢复。
其次，应力的大小和方向也会影响位错运动。
当应力方向与位错的滑移方向垂直时，位错的运动速度较慢，容易产生较大的滞后效应。
而当应力方向与位错的滑移方向平行时，位错的运动速度较快，容易产生位错重组和材料的恢复。
此外，材料的晶体结构和成分也会影响位错运动。
不同的晶体结构和成分会导致位错的运动路径和速度的差异，从而影响材料的力学性能和应力退火的效果。
在实际应用中，去应力退火是一种常用的金属材料处理方法。
通过去应力退火，可以改善材料的力学性能，提高材料的塑性变形能力和抗拉强度。
去应力退火还可以改善材料的内部结构，减少晶体缺陷和杂质的影响，提高材料的耐腐蚀性和疲劳性能。
因此，去应力退火在金属加工和制造领域具有广泛的应用前景。
位错运动是去应力退火过程中的重要现象，它通过滑移和重组来改善材料的力学性能和内部结构。
金属材料的变形机制与塑性行为
金属材料的变形机制与塑性行为金属材料在工程领域中起着重要的作用，而金属的塑性行为和变形机制则是决定其力学性能的重要因素之一。
本文将探讨金属材料的变形机制与塑性行为。
1. 弹性与塑性首先，我们需要了解金属材料的弹性与塑性。
弹性是指金属在受力后能够恢复原状的性质，即应力与应变呈线性关系。
而塑性则是指金属在受力后会发生永久性形变的性质，即应力与应变不再呈线性关系，金属会发生塑性变形。
2. 变形机制金属材料发生塑性变形时，涉及到多种变形机制，其中最重要的包括滑移、扩散和晶体重新排列。
滑移是一种比较常见的金属变形机制。
金属内部的晶体通过滑动来实现变形。
在外力作用下，应变施加到晶体中的部分原子上，这些原子会沿着滑移面滑动，使晶体发生塑性变形。
扩散是指原子在晶体中的扩散过程。
扩散可以使原子重新排列，从而为滑移提供必要的能量。
正是因为扩散的存在，滑移机制才能够进行。
晶体重新排列是指晶体中原子重新排列的过程。
当外力作用于金属时，晶体内的原子会发生重新排列，以使晶体更好地适应外力。
在这个过程中，晶体内的原子会发生位错的形成和移动。
3. 晶体结构与塑性行为晶体结构是决定金属塑性行为的重要因素之一。
晶体的晶格结构有不同的排列方式，其中最常见的有面心立方和体心立方结构。
不同的晶体结构具有不同的变形机制。
体心立方结构的金属通常具有较高的强度和较低的塑性。
这是因为体心立方结构的金属在变形时，需要克服与晶格点的最近邻原子有较大的距离。
相比之下，面心立方结构的金属相对塑性较好，因为该结构中原子之间的间距较小，变形更容易发生。
此外，晶体晶格中的缺陷也会影响金属的塑性行为。
例如，在晶体中存在的位错是金属变形的主要缺陷之一。
位错会使金属的应力集中，进而导致金属发生塑性变形。
4. 温度对塑性的影响温度是另一个影响金属塑性的重要因素。
晶体在不同温度下具有不同的塑性行为。
一般来说，高温下金属的塑性较好，而低温下金属的塑性较差。
高温下，金属的活动性增强，位错的移动更容易发生。
金属材料的强化方法和位错的关系
金属材料的强化方法和位错的关系陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。
金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。
而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。
另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。
首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。
此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。
其次，滑移赋予了金属材料的延性。
如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。
第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。
把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。
如板条状马氏体钢( F12钢)等。
第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。
第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。
金属的强化strengthening of metals通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。
所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。
随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。
每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。
一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标未必有效。
塑性变形产生的影响因素
式中Y为金属的静载变形抗力,它与化学成分、温度、变形过程等有关。低碳钢的变形抗力低，高合金钢的变形抗力高；低温时变形抗力高，高温时变形抗力低； 塑性变形
再结晶和回复
经过冷变形的金属，如加热到一定温度并保持一定的时间，原子的激活能增加到足够的活动力时，便会出现新的晶核，并成长为新的晶粒，这种现象称为再结晶。经过再结晶处理后，冷变形引起的晶粒畸变以及由此引起的加工硬化、残余应力等都会完全消除。 再结晶温度 通常以经一小时保温完成再结晶的温度为金属的再结晶温度。各种金属的再结晶温度，按绝对温度(K)计大约相当于该金属熔点的40～50％。 低碳钢的再结晶温度约460℃。当变形程度较小时,在再结晶过程中，尤其是当温度偏高时，再结晶的晶粒特别粗大。因此如要晶粒细小，金属材料在再结晶处理前会有较大的变形量。 再结晶温度对金属材料的塑性加工非常重要。在再结晶温度以上进行的塑性加工和变形称为热加工和热变形；在再结晶温度以下进行的塑性加工和变形称为冷加工和冷变形。热变形时，金属材料在变形过程中不断地发生再结晶，不引起加工硬化，假如缓慢地冷却，也不出现内应力。 回复 冷变形后的金属，当加热到稍低于再结晶温度时，通过原子的扩散会减少晶体的缺陷，降低晶体的畸变能，从而减小内应力；但是不出现新的晶粒，金属仍保留加工硬化和各向异性，这就是金属的回复。这样的热处理称为去应力退火。
内应力
塑性变形在金属体内的分布是不均匀的，所以外力去除后，各部分的弹性恢复也不会完全一样，这就使金属体内各部分之间产生相互平衡的内应力，即残余应力。残余应力降低零件的尺寸稳定性，增大应力腐蚀的倾向。
福州大学材料科学基础课件-第三章 位错金属的塑性变形
•
实际只有5个变量是独立的。至少应有5个独立 的滑移系才能协调多晶体的塑性变形。
3. 晶粒大小的影响 多晶体的强度随其晶粒细化而提高。满足 霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。
是与材料有关的两个常数。 d：多晶体中各晶粒的平均直径。
0, k
§4 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、显微组织的变化
· 单相固溶体合金塑性
变形的特点
2．应变时效
将低碳钢试样拉伸到 产生少量预塑性变形 后卸载，然后重新加 载，试样不发生屈服 现象，但若产生一定 量的塑性变形后卸载， 在室温停留几天或在 低温（如150℃）时 效几小时后再进行拉 伸，此时屈服点现象 重新出现，并且上屈 服点升高，这种现象 即应变时效
§2
单晶体的塑性变形
金属变形的主要方式：滑移、孪生、扭折 一、滑移 （一）滑移线与滑移带
（二）滑称系 晶体的滑移是沿着一定的晶面发生的，此组晶 面称为滑移面，滑移还沿着滑移面上一定的晶向 进行，称为滑移方向。 每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来 叫做一个滑移系。 FCC： 滑移面｛111｝，滑移方向<110> BCC： 低温｛112｝ 室温｛110｝，高温｛123｝， 而滑移方向都是<111> 滑移面为(0001)，滑移方向为<11 2 0>
· 1．聚合型两相合金的塑性变形 （1）如果两个相都具有塑性，则合金的变形决定于两 相的体积分数。 等应变理论：假定塑性变形过程中两相应变相等。 合金产生一定应变的平均流变应力 σ a = f 1 σ 1 + f2 σ 2 ： 其中：f1、f2为两个相的体积分数 f1+f2=1 σ1、σ2为两个相在此应变时的流变应力 等应力理论：假定塑性变形过程中两相应力相同。 对合金施加一定应力时，平均应变εa= f 1ε1+f 2ε2 其中：f1、f2为两个相的体积分数 ε 1,ε2为此应力下两相的应变
热处理方法对金属材料的晶界位错的影响
热处理方法对金属材料的晶界位错的影响热处理是金属材料加工和改善性能的重要工艺之一。
通过控制材料的加热和冷却过程，能够调整晶界的位错密度和分布，从而影响材料的性能。
本文将介绍常见的热处理方法对金属材料的晶界位错的影响，包括退火、淬火和时效等。
一、退火对晶界位错的影响退火是一种常用的热处理方法，通过加热材料至高温后慢慢冷却，在一定时间内使晶粒再结晶和晶内位错恢复，从而影响晶界的位错密度和分布。
首先，退火能够减少晶界的位错密度。
在退火过程中，高温条件下位错迁移速率加快，晶界附近的位错有更多的机会迁移到晶内，从而减少或消除晶界的位错。
这使得晶界处的位错密度降低，从而提高材料的强度和塑性。
其次，退火还能改变晶界的分布。
在材料加热至高温后，晶界处位错迁移速率增加，晶粒内的位错重新排列，融合或消失，从而使晶界的分布重新调整。
这种重新调整使得晶界处的位错变得更加均匀，提高了材料的晶界稳定性和抗应变能力。
二、淬火对晶界位错的影响淬火是一种通过急速冷却的热处理方法，可以使金属材料产生高硬度和强度。
淬火过程中，金属材料的晶界位错也会发生相应的改变。
首先，淬火能够增加晶界的位错密度。
急速冷却使得位错无法完全迁移，导致位错在晶界附近堆积。
这种位错堆积会增加晶界的位错密度，从而提高材料的硬度和强度。
其次，淬火还能导致晶界的位错分布不均匀。
由于冷却速度过快，位错迁移速率减慢，使得位错在晶界附近聚集并形成蠕变晶界。
这种蠕变晶界的存在会导致晶界失稳，降低材料的韧性和延展性。
三、时效对晶界位错的影响时效是将淬火后的材料加热至相对较低的温度，并在一定时间内保持稳定的热处理方法。
时效可以使材料发生时效硬化，同时对晶界的位错也有影响。
时效能够减少晶界的位错密度。
在时效过程中，晶界附近的位错可以迁移，通过位错滑移和重新排列的方式减少或消除晶界的位错。
这使得晶界处的位错密度降低，提高了材料的塑性和韧性。
此外，时效对晶界的位错分布也有影响。
适当的时效过程能够使晶界处的位错重新排列，使晶界的位错分布更加均匀。
金属材料的四种强化方式 -回复
金属材料的四种强化方式-回复金属材料的四种强化方式是：固溶强化、细晶强化、位错强化和相变强化。
这些强化方式可以通过改变金属晶体结构、控制晶粒大小、引入位错和控制相变来提高金属材料的强度和硬度。
固溶强化是指通过固溶体中添加溶质元素来改善金属材料的性能。
溶质元素可以在金属基体中占据空位或替代原子的位置，通过与基体原子发生相互作用来影响金属的晶体结构和力学性能。
溶质元素的添加可以形成固溶体溶解度限度以及形成沉淀相，从而有效地改善金属材料的强度和塑性。
细晶强化是指通过控制金属材料的晶粒尺寸来提高材料的强度和硬度。
晶粒边界是材料中晶粒之间的界面，晶粒越细小，晶界面越多，阻碍位错移动的机会就越多，从而提高材料的强度。
细晶强化可以通过控制冷变形过程中的变形温度、变形速率和变形温度等参数来实现。
位错强化是指通过加入位错（晶体结构缺陷）来提高金属材料的强度。
位错是晶体中的一种阻碍原子位置正常排列的缺陷，位错强化的基本原理是位错产生了一系列应变场，阻碍了位错周围的其他位错的运动，从而提高了材料的强度。
位错强化可以通过冷变形和热处理等工艺实现。
相变强化是指通过金属材料的相变来提高材料的强度和硬度。
相变是指材料从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。
相变强化的基本原理是相变过程中晶粒的生长和变化，使得晶体结构得以改善，从而提高材料的性能。
相变强化通常通过热处理来实现，如淬火、时效等。
金属材料的四种强化方式相互作用，可以通过不同的方式和工艺进行组合来实现对材料性能的综合强化。
例如，可以通过固溶强化控制溶质元素的含量和溶解度来改善材料的强度和塑性；通过细晶强化来控制材料的晶粒尺寸，提高材料的强度和硬度；通过位错强化控制位错密度和位错类型来改善材料的强度和耐腐蚀性能；通过相变强化来控制材料的相变过程，调节材料的晶体结构和硬度等。
综合应用这些强化方式，可以实现对金属材料性能的全面改善，满足不同工程应用的要求。
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金属材料中的位错与塑性
金属作为一种重要的结构材料，在人类历史上一直扮演着至关重要的角色。
无论是建筑工程、交通运输、电子设备还是航空航天等领域，金属材料都无处不在。
然而，即使已经经过千锤百炼的金属材料也有各种各样的缺陷，其中最基本的就是位错。
位错是指晶格中出现的原子排列偏差，是导致金属材料塑性变形的重要因素之一。
本文将首先介绍位错的概念和形成机制，然后阐述位错对金属材料的影响，最后探讨位错与塑性之间的关系。
一、位错的概念和形成机制
位错是指晶格中出现的原子排列偏差，又叫错位。
在一个完美的晶体中，原子应该排列得十分整齐，且紧密地接触着周围的原子。
但在生产过程中，晶体中常常会出现原子排列偏差。
这种偏差是由于某个原子因为某种原因不能成功转移到它应该位置的一个空位上而形成的。
这个空位就叫做间隙。
假设在一个晶体中有一个间隙，它就会产生一个插入位错，也就是原子从原本应该占据的位置插入到另一处，正是在这里难以容纳该原子从而生成了间隙。
另一种常见的位错是滑移位错，它是由于晶体中某个晶面上的原子出现晶面上的原子应该移动的方向与晶面的平面不一致导致的。
二、位错对金属材料的影响
位错是金属材料内部的缺陷，在原子尺度上影响着金属整体的性质和行为。
最常见的位错类型是线位错，它会导致晶体中某个晶面上的原子整体向另一个方向移动一定的距离，由于原子之间的相互作用力，线位错处会形成应力场，形成某个区域所受到的应力明显大于另一些区域。
这种不均匀性是位错对材料影响的主要体现。
同时，由于位错的存在，晶体中局部就有更多的间隙，增加了材料的形变难度。
如果一根线位错遇到另一根线位错，则它们就会互相阻挡并产生绕过的效果，这种效果被称为康普顿效应。
另外，位错还容易在行进过程中被附着的杂质粒子卡住，从而对整个材料产生不良影响。
因此，位错对材料的强度、韧性、延展性以及其它机械性能影响很大。
三、位错与塑性之间的关系
在处理金属拥有自己的机械特性时，重要的一条涉及塑性。
塑性是指材料发生非反复变形的能力。
当金属材料受到某些力的作用时，它可以并不受到破裂而发生塑性变形，这种变形就是由于位错在受到外力作用下发生移动所导致的。
外力使线位错顺着晶
体滑移，暂停时将弯曲。
这样位错单元开始输运，晶体的原子重
新排列，最终导致晶体整体变形。
实际上，位错的移动就是常温
下金属发生塑性变形的机制之一。
在塑性变形的过程中，位错起着重要的作用。
塑性变形就是一
个位错运动的过程。
即使受到很小的外力作用，位错也可以运动，从而导致材料发生变形。
而当外力很小时，位错最低运动的应力
就是屈服应力。
在这种情况下，当外力达到屈服应力时，位错开
始运动，材料开始发生塑性变形。
因此，可以说位错是金属材料
的塑性变形的主要机制之一。
位错的存在导致了晶体中的原子排
列偏差，增加了金属材料的形变难度，但却为金属材料的塑性变
形提供了基础。
结论
总之，位错在金属材料中扮演着至关重要的角色，它的存在影
响着金属的塑性、强度和韧性等各个性能。
位错的存在导致了晶
体中的原子排列偏差，使材料对形变的难度增加，但同时也提供
了金属材料的塑性变形基础。
通过对位错的深入研究，我们能够
更加深入地理解金属材料的塑性变形机制，为材料的研究、生产
和应用提供更好的基础。