5.2 晶体的塑性变形

铜多晶试样拉伸后形成的滑移带, 173×
5.2.3 合金的塑性变形
• 合金分类：单相固溶体合金 多相合金 • 合金的塑性变形：单相固溶体合金塑性变形 多相合金塑性变形
一. 单相固溶体合金塑性变形
溶质原子的作用主要表现在固溶强化 (Solid—solution Strenthening)作用，提高塑性变形抗力。 1. 固溶强化 • 固溶强化：固溶体合金的σ－ε曲线：由于溶质原子加 入使σs 和整个σ－ε曲线的水平提高，同时提高了加工 硬化率n。 • 影响固溶强化的因素： ① 溶质原子类型及浓度。 ② 溶质原子与基体金属的原子尺寸差。相差大时强化 作用大。 ③ 间隙型溶质原子比置换型溶原子固溶强化效果好。 ④ 溶质原子与基体金属价电子数差。价电子数差越大， 强化作用大。 固溶强化的实质是溶质原子与位错的弹性交互作用、 化学交互作用和静电交互作用。
FCC晶体孪生变形
• FCC晶体的孪生面是（111），孪生方向是[11-2 ]。 图2是FCC晶体孪生示意图。fcc中孪生时每层晶面 的位移是借助于一个不全位错（b=a/6[11-2]）的 移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的 距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜 状。每层（111）面的原子都相对于邻层（111） 晶面在[11-2 ]方向移动了此晶向原子间距的一个 分数值。 • 下图2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪 晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面 为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上 的[11-2 ]为轴旋转180度，孪晶将与基体重合。 其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面 和孪晶方向。
(4) 孪晶的位错机制
• 孪生变形（ deformation twinning ）是 整个孪晶区发生均匀切变，其各层面的 相对位移是借助于一个 Shockley 不完全 位错移动而造成的。 • 形变孪晶是通过位错增值的极轴机制形 成的。(如：L型扫动位错)
3. 扭 折
• 扭折（link）： • 扭折与孪生不同的是它使扭折区晶体的 取向发生了不对称性的变化。扭折区上 下界面是由符号相反的两列刃型位错所 构成，而每一弯曲区是由同号位错堆积 而成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还 伴随形变孪晶。
刃位错的滑移示意图
刃位错的滑移模型
螺位错的滑移模型
2. 孪 生
(1) 孪生变形过程 • 孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分 沿一定晶面 (孪晶面)和一定方向 (孪生方向 ) 相对于另一部分作均匀的切变（ 协同位移 ） 所产生的变形。但是不同的层原子移动的
距离也不同。
• 变形与未变形的两部分晶构成镜面对称 , 合 称为孪晶（twin）。 • 均匀切变区与未切变区的分界面成为孪晶界。 • 孪晶面（twining plane）： • 孪晶方向（twining direction）：
1.滑 移
(1) 滑移线和滑移带 • 滑移线（slip line）： • 滑移线实际上是在晶体表面产生的小 台阶。 • 滑移带（slip band）是由一系列相互平 行的更细的线组成的。
铜中的滑移带
500×
滑移线和滑移带示意图
（2）滑移系
• 滑移是沿着特定的晶面 ( 称为滑移面 slip plane) 和晶向 (称为滑移方向 slip direction)上运动。一个滑移面和其 上的一个滑移方向组成一个滑移系（slip system）。滑移 系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。 • 滑移系主要与晶体结构有关。晶体结构不同，滑移系不同； 晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。 • 结论 :① 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的 最密排面和最密排晶向。 如fcc： ｛111｝ <110> bcc： ｛110｝、｛112｝和｛123｝ <111> hcp： ｛0001｝ <11-20> ② 每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑 移系数量不同。如： fcc 中有 12 个 , bcc 中有 48 个， hcp 中 有3个。
(3) 孪晶的类型及形成
按 孪 晶 （ twin ） 形 成 原 因 可 将 孪 晶 分 为 ： 变 形 孪 晶 （deformation twinning）、生长孪晶、退火孪晶 ① 变形孪晶(机械孪晶)：机械变形产生的孪晶。 特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段 生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶； 生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。 孪生变形在σ—ε曲线上表现为锯齿状变化。孪生变形 与晶体结构类型有关。hcp中易发生，fcc一般不易发生， 但在极低温度下才会产生。 ② 生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形 成的孪晶。 ③ 退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。
三种常见金属晶体结构的滑移系
（3）滑移的临界分切应力（τk）
• 滑移的临界分切应力（ critical resolved shear stress）: • 计算方法: τk =σscosφcosλ 式 中 cosφcosλ 为 取 向 因 子 （ orientation factor ），该值越大，τk越大，越有利于滑移。 当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一 个平面，则φ=45º 时，cosφcosλ=1/2 ，此取向最 有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需 的分切应力，称此取向为软取向。当外力与滑移面 平行或垂直时（φ=90º 或φ=0º ），则σs→∞，晶 体无法滑移，称此取向为硬取向。 • 取向因子cosφcosλ对σs的影响在只有一组滑移 面的密排六方结构中尤为明显。
fcc晶体孪生变形示意图1
fcc晶体孪生变形示意图2
变形孪晶 100×
(2) 孪生的特点
① 孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑 移受阻的应力集中区。因此孪生的τk比滑移大得多。 hcp 中常以孪生方式变形，bcc中在冲击或低温也可能借助于孪 生变形，fcc中一般不发生孪生变形。 ② 孪生是一种均匀切变。而滑移是不均匀的。 ③ 孪生的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。而滑 移后晶体各部分的位向并未改变。 ④孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变 晶体取向，使滑移转到有利位置。 ⑤ 由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在 变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面 浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同， 所以在偏光下或侵蚀后仍能看到孪晶。而滑移变形后的试 样经抛光后滑移带消失。
（5）多系滑移
• 多系滑移（multislip/polyslip）— 例如fcc中滑移系：{111}<110，4个{111}面构 成一个八面体，当拉力轴为 [001] 时，由图中可以 看出：① 对所有的 {111} 面，角都是相同的，为 54.7º 。② λ角对 [T01]、 [101]、 [011]、 [0T1]也 是相同的，为 45º 。③ 锥体底面上的两个 <110> 方 向与 [001] 垂直 , 则 8 面体上有 4×2=8 个取向因子相 同的滑移系，当τ=τk时可同时开动。但这些滑移 系由不同的滑移面和滑移方向构成，lip）： 交滑移的实质： bcc结构中最易发生交滑移。
计算分切应力的分析图
一些金属的滑移系和临界分切应力
（4）滑移时晶体的转动
随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象 称为晶体的转动。对于密排六方结构结构，这种 现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐 趋于平行于拉伸轴线方向。压缩时，滑移面逐渐 趋于与压力轴线方向垂直。 滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐 渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。φ=45º 时分切应力最大。经滑移转动后，若φ角趋近于 45º ，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称 为几何软化（ geometrical softening ）；若φ角 远 离 45º ，则滑移越来越困难，称为几何硬化 （geometrical hardening）。
多晶体中晶粒取向
2. 晶界的影响
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，塞积数目n为： n = kлτ0l / Gb 位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒 越细，晶界越多，材料强度越高（称为细晶强化， grain size strenthing），其σs与d关系如下： σs = σ0＋kd-1/2 Hall－Petch equation 上式具有广泛的适用性（σs－亚晶d、σs－So （片）· · · · · ）。细小而均匀的晶粒使材料具有较高的 强度和硬度，同时具有良好的塑性和韧性，即具有良 好的综合力学性能。
4.位错塞积
• 在切应力的作用下，F－R位错源所产生的大量 位错沿滑移面的运动过程中，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。 • 位错塞积群的位错数 n 与障碍物至位错源的距 离 L 呈正比。塞积群在障碍处产生高度应力集 中，其值τ为：τ= nτ0 • 式中τ0为滑移方向的分切应力值。L越大，n 越多，τ越大。
5.2 晶体的塑性变形
5.2 晶体的塑性变形
• • • • 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对材料组织和性能的影响
5.2.1 单晶体的塑性变形
常温或低温下，单晶体塑性变形 （plastic deformation）方式： 1. 滑移（slip） 2. 孪生（twining） 3. 扭折（link）
5.2.2 多晶体的塑性变形
1. 晶粒取向的影响 表现在各晶粒变形过程中具有相互制约和 协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位 向的晶粒首先滑动 → 位错开动，增殖 → 晶 界上位错塞积 → 应力集中（τ>τk），其它 滑动，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。 理论分析指出，多晶体塑性变形 （pclycrystalline crystal）时要求每个晶 粒至少能在5个独立的滑移系进行滑移。能否 满足该要求与晶体的结构类型有关。