多晶体的塑性变形机制
多晶体塑性变形
一般在室温使用的结构材料都希望获得细小而均
匀的晶粒。 因为细晶粒不仅使材料具有较高的强度、硬度， 而且也使它具有良好的塑性和韧性，即具有良好的 综合力学性能。
细晶强化是唯一的一种在增加材料强度的同时
也增加材料塑性的强化方式。 但是由于细晶强化所依赖的前提条件是晶界阻 碍位错滑移，这在温度较低的情况下是存在的。
扩散性蠕变和晶界滑动是多晶体高温时的主要变形方式。
问题：说明多晶体金属变形过程的特点？
• （1）多晶体可以通过多种方式发生塑性变形，除了滑移和 孪生外，在高温下，还有晶界滑动和迁移、点缺陷的扩散性 蠕变。 • （2）多晶体变形需要至少开动5个滑移系，变形过程中出现
交滑移。
• （3）与单晶体相比，多晶体的塑性变形更加不均匀，由于 晶界的约束作用，晶粒中心区域的滑移量大于晶界附近区域 的滑移量。 • （4）晶界对塑性变形有一定的影响。
同的各个晶体所受应力并不一致。
处于有利位向的晶粒首先发生滑移，处于不利方位的晶
粒却还未开始滑移。
但多晶体中每个晶粒都处于其他晶粒包围之中，它的变 形必然与其邻近晶粒相互协调配合，不然就难以进行变形， 甚至不能保持晶粒之间的连续性，会造成空隙而导致材料的 破裂 。
为了使多晶体中各晶粒之间的变形得到相互协调与配合，
由于晶界可以阻碍位错运动，因此晶界的存在可以使多晶体抵
抗塑性变形的外力也增加，即增加材料的强度。 晶界数量直接决定于晶粒的大小，晶粒越小，晶界越多。
实践证明，多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体的屈
服强与晶粒平均直径d的关系可用著名的霍尔—佩奇（Hall-Petch） 公式表示：
式中 0 反映晶内对变形的阻力，相当于单晶的屈服强度； K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。
多晶体的塑性变形机制
多晶体的塑性变形机制
多晶体是由大量晶体颗粒组成的晶粒体，其内部包含了许多晶界。
而塑性变形机制是多晶体在外力作用下发生形变的过程。
在多晶体的
塑性变形中，晶界扮演着关键的角色，影响着材料的塑性行为。
本文
将探讨多晶体的塑性变形机制及其影响因素。
多晶体的塑性变形机制主要有晶体滑移、孪晶形变和再结晶等方式。
晶体滑移是晶格内平面沿晶胞平面方向发生相对滑动，使晶体产生形变。
孪晶形变是晶体中出现特殊结构的孪晶，通过孪晶界的移动来实
现形变。
再结晶是材料在高温下形成新的晶粒结构以释放应力。
在多晶体的塑性变形中，晶界的性质对材料的塑性行为有重要影响。
晶界的迁移与扩散是晶粒体在形变过程中的重要机制，影响了晶粒的
重新排列以适应外力。
此外，晶界强化机制也影响了材料的变形性能，不同形态和性质的晶界对材料的硬度、韧性等性能具有不同影响。
除了晶界的影响，晶体取向和织构对多晶体的塑性变形也具有重要
作用。
晶体取向决定了材料在外力作用下的各向异性表现，不同取向
的晶粒在形变中的行为也有所不同。
织构是晶粒在材料中的排布规律，直接影响了材料的力学性能和变形行为。
总的来说，多晶体的塑性变形机制是一个复杂的过程，受到多种因
素的影响。
晶界、晶体取向和织构等因素共同作用，决定了材料的塑
性行为和性能。
通过深入研究多晶体的塑性变形机制，可以为材料设
计与加工提供科学依据，实现材料性能的优化与提升。
材料成形技术基础第4章
§4-3 塑性成形的力学基础
一、点的应力状态分析
1. 基本概念—外力、内力和应力 1）外力 • 体积力：作用于变形体内部的力，如重力、磁力 和惯性力等 • 表面力：作用于变形体表面上的力，包括工模具 对变形体的作用力和约束反力等。分析塑性成形 过程时，体积力一般可以不考虑，若不加特殊说 明，外力即指表面力 2）内力 在外力作用下，为保持变形体的连续性，其内部 各质点之间必然会产生相互作用的力，叫做内力。
§4-2 金属热态下的塑性变形
二、热塑性变形机理 1）晶内滑移 高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位 错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑 移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加 协调；晶界对位错运动阻碍作用减弱，因此，其主 要机理仍然是晶内滑移。 2）晶界滑移 热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动 易于进行；温度越高，原子动能和扩散能力就越大， 扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移 其调节作用。
§4-2 金属热态下的塑性变形
3）扩散蠕变 应力作用下，空位发生定向移动，引起蠕变
图4-11 扩散蠕变示意 a）空位和原子的移动方向 b）晶内扩散 c）晶界扩散
§4-2 金属热态下的塑性变形
三、热塑性变形对金属组织和性能的影响
1）对组织的影响 改善晶粒组织，细化晶粒 对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再 结晶而变成等轴（细）晶粒组织；对于经轧制、 锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通 过塑性变形与再结晶，其晶粒组织一般也可得到 改善。
§4-1 金属冷态下的塑性变形
图4-4 面心立方晶体孪生变形示意
§4-1 金属冷态下的塑性变形
二、冷塑性变形特点 冷塑性变形时，多晶体主要是晶内滑移变形;实 质上是位错的移动和增殖的过程;由于位错的交互作 用,塑性变形时 产生了加工硬化。存在三个特点： （1）各晶粒变形的不同时性 塑性变形首先在位向有利的晶粒内发生,位错源 开动,但其中的位错却无法移出此晶粒,而是在晶界处 塞积。位错塞积产生的应力场越过晶界作用到相邻 晶粒上,使其得到附加应力。随外加应力的增大,最终 使相邻位向不利的晶粒中滑移系的剪应力分量达到 临界值而开动起来,同时也使原来的位错塞积得到释 放,位错运动移出晶粒。如此持续运作,使更多晶粒参 与变形。
多晶体的塑性变形
两个晶粒的试样拉伸时的变形
• 除晶界对滑移变形有 影响，由于多晶体晶 粒位向不同，任意晶 粒滑移时，受到不同 位向的晶粒阻碍，变 形抗力增大。 • 因此，多晶体的变形 抗力高于单晶体。
因此，金属材料的晶粒大小对力学性能有很大 的影响，晶粒俞细的金属强度俞高。
金属材料的晶粒愈细，不仅强度 高，塑形和任性也愈好。 因为晶粒愈细，单位体积晶粒数愈 多，金属的总变形量可分散到更多晶 粒中，使变形俞均匀
多晶体的塑性变形
由于晶界的存在和各个晶粒的位向不同， 所以多晶体的塑性变形过程比单晶体复杂得多
多晶体变形由晶内变形和晶间变形共同形成
（一）晶界和晶粒位向的影响
（二）多晶体的塑性变形过程
两个晶粒的试样拉伸时的变形
两个晶粒的试样拉伸时的变形
• 试样经拉伸变形后， 出现明显的“竹节” 现象 • 试样在远离夹头和晶 界的晶粒中间部分出 现明显地缩颈，而晶 界附近的截面几乎不 变 • 金属的晶界比晶粒自 身具有更高的变形能 力
THE阻碍裂纹扩展。所以洗细晶粒的金属 材料具有良好的韧性和塑性
（二）多晶体的塑性变形过程
多晶体中由于晶界的存在及各晶 粒位向不同，则各晶粒都处于不同 的应力状态。 多晶体的塑性变形就极不均匀地， 有先有后的进行着。
（二）多晶体的塑性变形过程
最先产生滑移的将是那些滑移面 和滑移方向与外力成软未向的晶粒。 同时，激发临近出于次软位的晶粒 中的滑移系移动，产生塑性变形， 是变形过程不断继续下去。此外， 晶粒滑移时发生位向转动，使已变 形晶粒中原来的软位向逐渐转到硬 位向，所以，多警惕的变形实质上 是晶粒一批批地进行塑形变形，直 至所有晶粒都发生变形为止。晶粒 俞细， 变形的不均匀性就愈小。
多晶体的塑性变形
要为弹性相互作用和化学相互作用。
弹性相互作用是溶质原子在刃型位错周围聚集分布，形成 柯氏气团。 化学相互作用是溶质原子在层错中的偏聚形成铃木气团。 柯氏气团和铃木气团都对位错的运动起到钉扎作用，阻碍 了位错运动，因此起到了强化合金作用。
（2）屈服现象与应变时效
图为低碳钢拉伸应力应变曲线，在这根曲线上出现了明显
的上下屈服点和屈服伸长。
产生吕德斯带后，应力应变曲线正常规律变化。
屈服现象及原因
屈服现象是指某些金属尤其是体心立方金属在拉伸时，存 在明显的、确定的上、下屈服极限。 在拉伸应力小于上屈服极限时完全是弹性变形，应力应变
曲线成直线。
而在拉伸应力达到上屈服极限时发生明显的塑性变形，且
多晶体试样经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都终止
在晶界附近。
因此对多晶体而言，要使第二晶粒滑移，外加应力
必须大至足以激发大量晶粒中的位错源动作，产生
滑移，才能觉察到宏观的塑性变形。
由于晶界可以阻碍位错运动，因此晶界的存在可以使多 晶体抵抗塑性变形的外力也增加，即增加材料的强度。 晶界数量直接决定于晶粒的大小，晶粒越小，晶界越多。 实践证明，多晶体的强度随其晶粒细化而提高。多晶体
此外在高温时，多晶体还可能出现另一种称为扩散性蠕
变的变形机制，这个过程与空位的扩散有关。多晶体的晶粒 越细，扩散蠕变速度就越大。 扩散性蠕变和晶界滑动是多晶体高温时的主要变形方式。
问题：说明多晶体金属变形过程的特点？
（1）多晶体可以通过多种方式发生塑ห้องสมุดไป่ตู้变形，除了滑移和 孪生外，在高温下，还有晶界滑动和迁移、点缺陷的扩散性 蠕变。
吕德斯带与滑移带不
多晶体的塑性变形
滑移
孪生
相同点 晶体位向
1 切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；3 不改变结 构。
不改变
改变，形成镜面对称关系
位移量
滑移方向上原子间距的 小于孪生方向上的原子间
整数倍，较大。
距，较小。
不
同 对塑变的贡献 很大，总变形量大。 点
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
多晶体的塑性变形
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晶界对塑性变形的影响
Cu-4.5Al合金晶 界的位错塞积
多晶体的塑性变形
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晶粒大小对塑性变形的影响
实验表明，多晶体的 强度随其晶粒的细化 而增加。
Hall-Patch关系：
1
s 0 kd 2
屈服强度与晶粒尺寸的关系图
多晶体的塑性变形
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（2）多晶体金属的塑性变形过程
多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近 于45°的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻 晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错 开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶 粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。
因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变
形的晶粒数目也越
多，变形越均匀，
脆性 材料
使在断裂前发生较
塑性材料
大的塑性变形。强
度和塑性同时增加,
金属在断裂前消耗
的功也大，因而其
韧性也比较好。
应变
多晶体的塑性变形
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通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化。
多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形
金属单晶体与多晶体的塑性变形
1. 弹性变形与塑性变形弹性变形金属如果受应力较低，金属内原子间的方位与距离只产生微小的变化，当外力去除后原子会自行返回原位，变形随即消失。
塑性变形：当金属所受应力达到和超过某临界值（屈服强度），除了产生弹性变形外，还会产生卸载后不可恢复的永久变形。
滑移在外力作用下，晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体沿着一定晶面产生相对滑动。
金属最重要的塑性变形机制。
滑移孪生孪生在外力作用下，晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体沿着一定晶面产生相对转动。
1）滑移在超过某临界值的切应力下发生。
2）滑移常常沿晶体中最密排面及最密排方向发生。
此时原子间距最大，结合力最弱。
晶面间距示意图有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）滑移系: 滑移面（密排晶面）+滑移方向（密排晶向）较多的滑移系意味着有较好的塑性实际晶体的滑移机制: 依靠位错滑移。
如果晶体中存在位错，那么塑性变形 依靠位错的滑移进行，比依靠滑移面两侧晶体的整体滑动，阻力小得多。
塑性变形的位错滑移机制示意图3）滑移在晶体表面形成滑移线和滑移带滑移线和滑移带示意图滑移带金相照片有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）2. 单晶体塑性变形：孪生机制孪生孪生面孪晶密排立方和体心立方的金属容易发生孪生变形；一般金属在低温和冲击载荷下容易发生孪生变形。
3. 多晶体的塑性变形•各晶粒在变形过程中相互约束；•大量晶界的存在对位错运动形成障碍。
3. 多晶体的塑性变形：晶粒取向对塑性变形的影响•软取向晶粒在一定的外加应力下能够滑移变形的晶粒；•硬取向晶粒在一定的外加应力下不能滑移变形的晶粒多晶体的塑性变形存在很大的微观不均匀性，并且变形抗力明显高于单晶体。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）3. 多晶体的塑性变形：晶界对塑性变形的影响细晶强化（晶界强化）晶界阻碍位错的通过，产生强化效果。
晶界越多，即晶粒越细小，不仅材料强度越高，而且由于增加晶粒数量，使得软取向晶粒更多，分布更均匀，改善微观变形的不均匀性，从而改善材料的塑性。
第六章 多晶体的塑性变形
强化手段，可提高材料抗突然超载的能力。
意义：
1）是一种材料强化手段—形变强化；
2）有利于塑性变形均匀进行； 3）有利于金属构件的工作安全性。
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3.加工硬化的不利
1）影响材料力学性能
不利：使得再变形困难；
使得金属的切削加工，冲压加工带来困难。 解决办法： 在冷加工之间进行中间热处理——再结晶退火。 2）影响材料物理性能和化学性能 不利：电阻增加，导电、导磁性下降； 化学活性增大；耐腐蚀性下降。
b
式中：
Fb S0
MP a
Fb— 指试样被拉断前所承受的最大外力， 即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）。 S0 — 试样原始横截面面积（mm2）
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二、塑性指标（ δ%；Ψ %）
定义： 塑性—材料受力后在断裂之前产生塑性变形的能力。 (1)断后伸长率
公式： δ% = （Lu- L0）/L0 ×100%
自由锻
模锻
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5）冷冲压
（低碳钢、合金钢板材）
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一、塑性变形的基本概念
1.载荷
（1）定义
金属材料在加工及使用过程中所受的外力。
（2）类型
根据载荷作用性质不同：
a）静载荷 b）动载荷 —没有变化； —瞬间变化；
c）交变载荷—不断变化。
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根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力
b）压缩载荷 —压力
塑性变形前 塑性变形后
3、形变织构产生
金属塑性变形到很大程度(70%以上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶粒的位向 趋近于一致, 形成特殊的择优取向, 这种有序化的结构叫做形变织构。
6.4.2. 塑性变形对金属性能的影响
• （1）形变强化 金属发生塑性变形, 随变形度的增大, 金属 的强度和硬度显著提高, 塑性和韧性明显下降。 • （2）产生各向异性 由于纤维组织和形变织构的形成, 使 金属的性能产生各向异性。
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多晶体的塑性变形机制
在固体力学中，塑性变形指的是材料在受力作用下发生永久形变的过程。
对于多晶体材料，其晶粒的排列会对塑性变形机制产生较大影响。
本文将介绍多晶体塑性变形机制的基本原理，并探讨晶界、位错和滑移等因素在多晶体塑性变形中的作用。
1. 多晶体的结构特点
多晶体是由许多晶粒组成的材料，每个晶粒是由同一个晶体结构的晶体单元组成。
晶粒之间的结合称为晶界，晶界的存在对塑性变形机制具有重要的影响。
2. 晶界的作用
晶界是晶粒之间的界面，其结构与晶体内部的结构存在差异。
晶界可以阻碍晶体的滑移，限制晶体的塑性变形。
晶界的特殊结构使得晶粒在受力作用下不易发生滑移，从而增加了材料的强度。
此外，晶界还会影响晶体的晶粒生长和晶界迁移，在材料加工和成形过程中起到重要的作用。
3. 位错的作用
位错是晶体中的一种缺陷，是晶体结构中的原子偏差或错配。
位错的运动可以引起晶格的畸变和滑移，进而导致材料的塑性变形。
在多晶体材料中，位错在晶粒之间传播并产生滑移，从而实现材料的塑性变形。
位错对材料的强度和韧性有重要影响，是塑性变形机制中不可忽略的因素。
4. 滑移的机制
滑移是在晶粒内的位错运动引起的晶体形变。
晶体中存在多个滑面和滑矢量，滑面是晶格面，滑矢量是晶体内位错移动的方向。
当外力作用于晶体时，位错从一个滑面滑移到另一个滑面，这样就实现了晶体的塑性变形。
滑移是晶格错配的唯一处理方式，也是多晶体材料的主要塑性变形机制之一。
5. 多晶体塑性变形的机制综合
在多晶体材料中，晶界、位错和滑移是相互关联的，共同作用于塑性变形过程中。
晶界的存在会阻碍滑移，从而提高材料的强度。
位错则通过滑移在晶粒内传播，使得晶体发生塑性变形。
滑移的方向和滑面的选择对材料的塑性变形具有重要影响。
通过合理控制晶粒结构、晶界性质和位错密度等因素，可以调控多晶体材料的塑性变形机制，从而提高材料的塑性和韧性。
总结：
多晶体材料的塑性变形机制是一个复杂的过程，涉及晶界、位错和滑移等因素。
晶界的特殊结构影响着晶体的塑性变形能力，位错的运动引起晶格的滑移，滑移的方向和滑面的选择影响着材料的塑性变形行为。
通过研究多晶体塑性变形机制，可以为材料的优化设计和性能提升提供指导，推动多晶体材料在工程领域的应用发展。