2011塑性变形机制(1)
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塑性力学(一)
（四）学习塑性力学的基本方法 塑性力学是连续介质力学的一个分支，故研 究时仍采用连续介质力学中的假设和基本方法。 (1) 受力分析及静力平衡条件(力的分析) 对一点单元体的受力进行分析。若物体受力作用 ，处于平衡状态，则应当满足的条件是什么？（静力 平衡条件）
(2) 变形分析及几何相容条件(几何分析) 材料是连续的，物体在受力变形后仍应是连续 的。固体内既不产生“裂隙”，也不产生“重叠”。则 材料变形时，对一点单元体的变形进行分析，应满 足的条件是什么？（几何相容条件） (3)力与变形间的本构关系 (物理分析) 固体材料受力作用必然产生相应的变形。不同的 材料，不同的变形，就有相应不同的物理关系。则对 一点单元体的受力与变形间的关系进行分析，应满足 的条件是什么？（物理条件，也即本构方程。）
（一）σ-ε曲线的简化 （二）σ-ε的关系式（分为三个不同的状态）
鉴于学习塑性力学问题的复杂性，通常在塑性理 论中要采用简化措施。为此得到基本上能反映材料的 力学性质，又便于数学计算的简化模型。 （一）σ-ε曲线的简化 理想弹塑性模型（软钢） 分段模型 大致分为两类： 连续模型 线性强化弹塑性模型 幂次强化模型 R-O模型
（6）包氏效应
卸载后，如果进行反向加载 （拉伸改为压缩）首先出现压缩 的弹性变形，后产生塑性变形， 但这时新的屈服极限将有所降 低，即压缩应力应变曲线比通常 的压缩试验曲线屈服得更早了。 这种由于拉伸时的强化影响到压 缩时的弱化现象称为包辛格 (Bauschinger)效应 (一般塑性理 论中都忽略它的影响) 。
小结： 由两个实验我们得到了四个结论： 1）应力－应变关系不再一一对应，且一般是非线性 的。 2）应力－应变的多值性。（出现卸载时） 3）在静水压力作用下，体积的改变都是弹性变形， 没有塑性变形。 4）在静水压力作用下，材料的塑性行为不受影响。
[工学]金属塑性变形与轧制原理ppt20113
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0.2 金属塑性成形方法的分类 0.2.1按温度特征分类 1.热加工： 在充分再结晶温度以上的温度范围内所完成的加工过 程，T=0.75∽0.95T熔 。 2.冷加工： 在不产生回复和再结晶温度以下进行的加工T=0.25T熔 以下。 3.温加工 ：介于冷热加工之间的温度进行的加工. 0.2.2按受力和变形方式分类 由压力的作用使金属产生变形的方式有锻造、轧制和挤压 1.锻造：用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使金属进行塑性变 形的过程。 分类： 自由锻造：即无模锻造，指金属在锻造过程的流动不受工具限制 （摩擦力除外）的一种加工方法。 模锻：锻造过程中的金属流动受模具内腔轮廓或模具内壁的严格 控制的一种工艺方法。
m 1 2 3
3
B
1.7变形速度 变形速度：变形程度对时间的变化率，或者说是应变对时间的变化率。
d dt
s
1
一般用最大主变形方向的变形速度来表示各种变形过程的变形速度。 如轧制和锻压时用高向变形速度表示 v y hx
锻压
2vy H h H v y ln h H h
4．拉拔 金属通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，从而使金属断面缩小 长度增加的一种加工方法。 拉拔法具有以下特点: ①拉拔方法可以生产长度较大、直径极小的产品,并且可以保证沿整个长 度上横断面完全一致； ②拉拔制品形状和尺寸精确,表面质量好； ③拉拔制品的机械强度高； ④拉拔方法的缺点是每道加工率较小,拉拔道次较多，能量消耗较大。 5．冲压 （拉延） 压力机的冲头把板料顶入凹模中进行拉延，加工方法如图，用来生产薄 壁空心制品，如子弹壳，各种仪表器件、器皿及锅碗盆勺等。
轧制
2v
H h R H h
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程
在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，
其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力
作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的
分切应力便不同。施密特因子较大(接近1/2)，分切
应力较大的必将首先发生滑移变形，通常称这种位向
第6章 金属材料的塑性变形
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
一、滑移变形的概念 二、滑移与切应力 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τc是一常数，但 材料的屈服强度σs则随拉力轴相对 于晶体的取向不同而不同，即晶体
材料存在各向异性。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方向处于
或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小
(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它们所受的分切
应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体
金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将
会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过
程。
第六章金属材料塑性变形(1)
方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑
动。
第六章金属材料塑性变形(1)
第2节 多晶体金属的塑性变形
一、多晶体的塑性变形特点
1.不均匀的塑性变形过程
在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，
其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力
作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的
分切应力便不同。施密特因子较大(接近1/2)，分切
应力较大的必将首先发生滑移变形，通常称这种位向
第6章 金属材料的塑性变形
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形
一、滑移变形的概念 二、滑移与切应力 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 一、滑，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定
滑移方向上的分切应力为：
称为施密特定律，τc是一常数，但 材料的屈服强度σs则随拉力轴相对 于晶体的取向不同而不同，即晶体
材料存在各向异性。
第六章金属材料塑性变形(1)
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
第六章金属材料塑性变形(1)
第1节 单晶体金属的塑性变形 三、滑移与位错的运动
的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方向处于
或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小
(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它们所受的分切
应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体
金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将
会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过
程。
第六章金属材料塑性变形(1)
方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑
动。
第六章金属材料塑性变形(1)
2011塑性变形机制(1)解析
在300℃ 拉伸的锌单晶体
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。
塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此，
沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力.
A0
滑移方向
SS
A
外力在滑移方向的分切应力
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
横截面A0上的正应力: P
A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
11
滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
密排六方晶格
滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受的 一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好 于密排六方晶格。
工业纯铁压缩变形——滑移线（电镜下）
滑移线（Slip Line）：滑移带中的细线．滑移线是滑移面两侧 晶体相对滑动所造成的。滑移带和滑移线间的晶体片层并未 发生塑性变形，仅仅发生了相对滑动。 滑移层(Slip Lamina)：相邻滑移线间的晶体片层． 滑移量( Slippage)：每条滑移线所产生的台阶高度．
全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。
塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此，
沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力.
A0
滑移方向
SS
A
外力在滑移方向的分切应力
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
横截面A0上的正应力: P
A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos
A A0
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
11
滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。 具体晶体中滑移系是有限 的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格
体心立方晶格
面心立方晶格
滑移面 {110}
滑移 方向
{111} {110}
{111}
密排六方晶格
滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受的 一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更 大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好 于密排六方晶格。
材料力学性能-第一章-塑性变形(1)
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
滑移面－原子最密排的晶面 滑 移
滑移方向－原子最密排方向 系
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 <110>
(111)
体心立方
面心立方
密排六方
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
例如，温度升高时，bcc金属可能沿{112}及 {123}滑移，这是由于高指数晶面上的位错源容 易被激活。轴比为1.587的钛(hcp)中含有氧和氮 等杂质时，若氧含量为0.1％，滑移面为(1010)， 当氧含量为0.01％时，滑移面变为(0001)。由于 hcp金属只有三个滑移系，所以其塑性较差，并 且这类金属塑性变形程度与外加应力方向有很大 关系。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 τ
图1-15 晶体中通 过位错运动造成 滑移的示意图
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
位错运动过程中滑移面上原子位移情况如
图1-16所示。当晶体通过位错运动产生滑移时，
只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四 滑移变形的特点： 滑移只能在切应力作用下发生，产生 滑移的最小切应力称为临界切应力；
滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面 和晶向发生，这是因为原子密度最大的 晶面和晶向之间的间距最大，原子结合 力最弱，产生滑移所需切应力最小。
2021年10月28日 第一章 单向静载下材料的力学性能 星期四
为了降低两个不全位错间
2011《模具寿命与材料》知识总汇
一、模具特点：1生产效率高2有利于自动化生产3产品互换性好4少、无切削加工、省材料5质量、精度高二、模具成型工艺：1 锻模：（1）镦锻—冷镦、温镦、热镦，热锻—模锻、胎模锻2挤压3拉拔：拉丝、拔管4冲压：分离、成形5压铸6塑料成形：模压成型、挤压成型、塑料成型三、模具的分类：1按再结晶温度分：冷变形模具、温变形、温变形模具2按模具加工的坯的工作温度分：热作模具、冷作模具、温作模具3按成形的材料分：1金属成形用模具2非金属成形用模具五、模具的设计时间T1：从模具设计到模具所有工艺文件、图样完成所用的时间，称模具设计时间T1。
六、模具的制造时间T2：模具从制造开始到初次使用时所用的时间，称为T2。
七模具的安装、调试时间T3：模具制造出来后，装在相应生产设备上，调试生产第一件合格产品所用的时间，称为模具的安装、调试时间T3。
八模具的修复及维护时间T4：模后，暂时性地失去功能或为了维护所用的时间，称为模具的修复及维护时间T4。
T4包含拆卸、重新装在设备上所用的时间。
九、模具的工作时间T5:模具在设备上生产出合格产品所模具的工作时间T5。
十、模具寿命与生产关率：减少模具的装配和修模次数与时间，提高模具的首次寿命与修复寿命，都能起到提高生产率的作用；设备工作节奏越快，模具寿命对生产率的影响就越大。
大批量生产时，缩短制模时间，采用快换模装置，缩短装模时间，减少修复次数，将增加工作时间整个时间的相对比例，会有效地提高生产率。
模具寿命的影响因素“1.凹圆角半径要小，几何形状：凹模角度一定时，挤压力越小，模具寿命越高。
模具结构形式：采用组合式模具。
导向装置的模具十一、1模具服役：模具安装调试后，正常生产合格产品的过程叫模具服役。
模具损伤：模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态叫模具损伤。
模具失效：模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时叫模具失效。
广义的来讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作件不能再用。
材料的塑性变形1
滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向 （滑移方向）相对于另一部分发生滑动的现象。
8
2、滑移系 金属材料在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变
过程。 滑移面：面间距最大原子最密排晶面。 滑移方向：原子最密排的方向。 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但并不是唯一因素。 金属的塑性还受温度、成分和预先变形程度等的影响。
24
滑移：是靠位错沿滑移面的运动而实现的。 当位错移动到晶体表面时，便产生大小为 b 的滑移台阶，若
有大量位错沿滑移面上运动到表面，宏观上，晶体的一部分 相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移。 滑移矢量与柏氏矢量 b 平行。
刃位错的滑移过程 a）原始态晶体，b，c）位错滑移中间阶段；d）位错移出晶体表面，形成一个台阶
上有2个滑移方向，共有6×2=12 滑移系。
11
bcc金属的滑移系：除｛110｝晶面族外，也可为｛112｝和 ｛123｝晶面族，此三种滑移面及其共同的滑移方向<111> 的组合，总共有48个可能的滑移系。
bcc金属滑移系虽较多（为fcc 4 倍多），但其滑移面原子密 排程度不如 fcc ，滑移方向数目也较少，故其塑性不如fcc金 属好。
即为滑移的临界分切应力定律。
c－临界切应力，为材料常数，
与晶体取向无关。
22
转动原因：晶体滑移后使正应力和切应力分量组成了力偶。 转动结果：使滑移面法线与外力轴夹角φ增大，使外力与滑
移方向夹角λ变小。
23
6、滑移机理: 若将滑移设想为刚性整体滑动，所
需理论临界切应力值比实测临界切 应力值大3～4个数量级。 实际上，滑移是通过滑移面上位错 的运动来实现的。
8
2、滑移系 金属材料在切应力作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变
过程。 滑移面：面间距最大原子最密排晶面。 滑移方向：原子最密排的方向。 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。
滑移系越多，金属的塑性越好，但并不是唯一因素。 金属的塑性还受温度、成分和预先变形程度等的影响。
24
滑移：是靠位错沿滑移面的运动而实现的。 当位错移动到晶体表面时，便产生大小为 b 的滑移台阶，若
有大量位错沿滑移面上运动到表面，宏观上，晶体的一部分 相对另一部份沿滑移面发生了相对位移，这便是滑移。 滑移矢量与柏氏矢量 b 平行。
刃位错的滑移过程 a）原始态晶体，b，c）位错滑移中间阶段；d）位错移出晶体表面，形成一个台阶
上有2个滑移方向，共有6×2=12 滑移系。
11
bcc金属的滑移系：除｛110｝晶面族外，也可为｛112｝和 ｛123｝晶面族，此三种滑移面及其共同的滑移方向<111> 的组合，总共有48个可能的滑移系。
bcc金属滑移系虽较多（为fcc 4 倍多），但其滑移面原子密 排程度不如 fcc ，滑移方向数目也较少，故其塑性不如fcc金 属好。
即为滑移的临界分切应力定律。
c－临界切应力，为材料常数，
与晶体取向无关。
22
转动原因：晶体滑移后使正应力和切应力分量组成了力偶。 转动结果：使滑移面法线与外力轴夹角φ增大，使外力与滑
移方向夹角λ变小。
23
6、滑移机理: 若将滑移设想为刚性整体滑动，所
需理论临界切应力值比实测临界切 应力值大3～4个数量级。 实际上，滑移是通过滑移面上位错 的运动来实现的。
材料的塑性变形1
29
如：沿 fcc 晶体[001]方向施加外力，力轴与四个{111}面的 夹角均为54.7°，力轴和四个<110>方向的夹角均为45°。此 时就会有几个滑移系同时产生滑移（多滑移）。
30
若发生双滑移或多系滑移，在表面上所见到的滑移线就不再 是一组平行线，会出现二组或多组的交叉形的滑移带。
铝在双滑移时产生的交叉形滑移带
35
二、孪生变形
孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向 相对于另一部分所发生的均匀切变。此切变并未使晶体点 阵发生变化，但却使切变区晶体取向与未切变区晶体呈镜 面对称。
孪生是冷塑性变形的 另一种重要形式。
常作为滑移不易进行 时的补充。
36
孪生变形： 发生切变的部分称孪生带或孪晶， 均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。 发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面； 孪生面的移动方向称为孪生方向。
不锈钢中的交叉滑移带
31
2）交滑移： 交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。 交滑移实质：是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个
滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。 交滑移：表面滑移线是弯曲的折线，而不再是平直的。
螺位错XY的交滑移 a）滑移面为A面，b）交滑移到B面，c）再次滑移到A面
25
螺位错的滑移： 位错线向左移动一个原子间距，则晶体因滑移而产生的台阶
亦扩大了一个原子间距。
螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程 （a）原始状态的晶体；（b）（c）位错滑移中间阶段；（d）位错移出晶体表面，形成一个台阶。
26
晶体通过位错运动产生滑移时，只是位错中心的少数原子发 生移动，其移动距离远小于一个原子间距，因而所需临界切 应力小，这种现象称作位错的易动性。
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拉伸: σ=Eε， 剪切: τ=Gγ， 拉伸: σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切: τ=Gγ，G-切变模量 。 弹性模量是重要的物理和力学参量， 弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位置的难易程 只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 是一种组织不敏感的性质。 是一种组织不敏感的性质。
滑移面(Slip Plane)和滑移方向 和滑移方向(Slip 滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开， 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 滑移面” 滑移方向” “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大， 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 密排面 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 ），滑移方向方向是原子的最 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
A A0
滑移方向
S S
A
滑移面上沿滑移方向的分切应力: 滑移面上沿滑移方向的分切应力:
τ = S cos λ = σ cos ϕ cos λ
滑移面上的正应力: 滑移面上的正应力:
(2(2-2)
σ n = S cos ϕ = σ cos 2 ϕ
由（2-2），σ↑，则 τ↑ ），σ↑， σ↑
外力在滑移方向的分切应力
2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
塑性变形的过程
----晶格在外力作用前的状态 晶格在外力作用前的状态； 1 ----晶格在外力作用前的状态； ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变 晶格在外力作用下发生了弹性畸变； 2 ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变； ---当外力增加至临界值 晶格开始发生塑性变形； 当外力增加至临界值， 3 ---当外力增加至临界值，晶格开始发生塑性变形； ---外力卸去后 晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。 外力卸去后， 4 ---外力卸去后，晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； ---滑移面法线与横截面法线间夹角； 滑移面法线与横截面法线间夹角 轴向拉力与滑移方向间夹角. λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角 A0 横截面A 上的正应力: 横截面A0上的正应力: σ = P A0 滑移面A上的全应力: 滑移面A上的全应力: S = P = P cos ϕ = σ cos ϕ
图中圆圈表示实验结果， 图中圆圈表示实验结果，曲线为按式 σ
s
=
τc 的理论计算结果。 的理论计算结果。 cos ϕ cos λ
一定金属在一定变形温度和变形速度条件下， 一定金属在一定变形温度和变形速度条件下，开始发生滑 常数， 移变形所需的临界切应力值为常数 与取向因子无关， 移变形所需的临界切应力值为常数，与取向因子无关，也与滑 移面上的正应力无关。 移面上的正应力无关。
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 20MPa
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸 b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
τ = σ cos ϕ cos λ
滑移 方向 滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 滑移方向 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。 晶格好于密排六方晶格。 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。 Al室 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。如Al室 {111}，高温时增加{100} 因此塑性增加。 {100}， 温{111}，高温时增加{100}，因此塑性增加。
外 的 分 解 力 在 晶 面 上 的 变 形
切 应 力 作 用 下 照 片
锌 单 晶 的 拉 伸
晶体在正应力作用下的变形
位错运动造成的滑移示意图
临界切应力：
晶体滑移是在切应力作用下进行的， 晶体滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并 非同时参与滑移， 非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移， 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该 分切应力称为滑移的临界分切应力； 分切应力称为滑移的临界分切应力； 临界分切应力 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力. 能够引起滑移系开动的分切应力.
全程性：持续至断裂前。 全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 可逆位移 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 本质
Deformation） 塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序 先发生弹性变形，后发生塑性变形。 先后顺序： 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 偏离虎克定律 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 原子的定向位移实现的 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒， 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置， 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置，由此产 生宏观的塑性变形。 生宏观的塑性变形。 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 本质 及转动）； 及转动）；
τ →τc
σ →σs
τ c = σ s cosϕ cosλ
σs =
τc cos ϕ cos λ
cosψcosλ称取向因子（ Schmid因子） cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子） 因子
一定时 只有 c一定时 σ 与 s
τ
cos ϕ cos λ
才构成如图函数关系
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 Mg
Deformation） 塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation） （根据原子群移动所发生的条件和方式划分） 根据原子群移动所发生的条件和方式划分）
滑移(Slip) 滑移(Slip)：最主要的变形方式 (Slip) 孪生(Twinning) (Twinning)： 孪生(Twinning)：
弹性变形（ 弹性变形（Elastic Deformation）
过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→ 过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→返回趋
势→外力消失→变形消失→弹性变形 外力消失→变形消失→
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律
单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。 单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。
2.1 滑移 滑移（Slip） 2.1.1滑移现象 2.1.1滑移现象
室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移 滑移是通过位错的运动实现的 滑移是通过位错的运动实现的 位错的运动 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 滑移面滑移 于柏氏矢量的滑移台阶 的滑移台阶， 于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上， 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这就是滑移 滑移。 生了相对位移，这就是滑移。
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸， 单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现 一系列平行的变形痕迹。光镜观察， 一系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮 滑移带（ 由一系列滑移迹线组成，称为滑移带 凸，由一系列滑移迹线组成，称为滑移带（滑移面与试样 磨光平面交线的组合，无重现性） 磨光平面交线的组合，无重现性） 。
滑移时的临界切应力（ 2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移系只提供了金属滑移的 可能性， 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后， 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 切应力。 性变形及解理断裂。 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。 能产生塑性变形。
滑移带示意图
滑移
定义：在切应力作用下， 定义：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） 着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 位错在滑移面内的运动 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 平行 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 整数倍 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化 未发生变化。 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。 滑移分别集中在某些晶面上，Slip System):
滑移面(Slip Plane)和滑移方向 和滑移方向(Slip 滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开， 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 滑移面” 滑移方向” “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大， 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 密排面 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 ），滑移方向方向是原子的最 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
A A0
滑移方向
S S
A
滑移面上沿滑移方向的分切应力: 滑移面上沿滑移方向的分切应力:
τ = S cos λ = σ cos ϕ cos λ
滑移面上的正应力: 滑移面上的正应力:
(2(2-2)
σ n = S cos ϕ = σ cos 2 ϕ
由（2-2），σ↑，则 τ↑ ），σ↑， σ↑
外力在滑移方向的分切应力
2. 塑性变形机制
Plastic Deformation Mechanism
塑性变形的过程
----晶格在外力作用前的状态 晶格在外力作用前的状态； 1 ----晶格在外力作用前的状态； ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变 晶格在外力作用下发生了弹性畸变； 2 ----晶格在外力作用下发生了弹性畸变； ---当外力增加至临界值 晶格开始发生塑性变形； 当外力增加至临界值， 3 ---当外力增加至临界值，晶格开始发生塑性变形； ---外力卸去后 晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。 外力卸去后， 4 ---外力卸去后，晶格发生了永久变形，原子间距仍恢复原状。
φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； ---滑移面法线与横截面法线间夹角； 滑移面法线与横截面法线间夹角 轴向拉力与滑移方向间夹角. λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角 A0 横截面A 上的正应力: 横截面A0上的正应力: σ = P A0 滑移面A上的全应力: 滑移面A上的全应力: S = P = P cos ϕ = σ cos ϕ
图中圆圈表示实验结果， 图中圆圈表示实验结果，曲线为按式 σ
s
=
τc 的理论计算结果。 的理论计算结果。 cos ϕ cos λ
一定金属在一定变形温度和变形速度条件下， 一定金属在一定变形温度和变形速度条件下，开始发生滑 常数， 移变形所需的临界切应力值为常数 与取向因子无关， 移变形所需的临界切应力值为常数，与取向因子无关，也与滑 移面上的正应力无关。 移面上的正应力无关。
室温下铁单晶体切应力切应变曲线
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。 20MPa
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸 b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
τ = σ cos ϕ cos λ
滑移 方向 滑移系
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 滑移方向 的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方 晶格好于密排六方晶格。 晶格好于密排六方晶格。 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。 Al室 对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。如Al室 {111}，高温时增加{100} 因此塑性增加。 {100}， 温{111}，高温时增加{100}，因此塑性增加。
外 的 分 解 力 在 晶 面 上 的 变 形
切 应 力 作 用 下 照 片
锌 单 晶 的 拉 伸
晶体在正应力作用下的变形
位错运动造成的滑移示意图
临界切应力：
晶体滑移是在切应力作用下进行的， 晶体滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并 非同时参与滑移， 非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移， 力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该 分切应力称为滑移的临界分切应力； 分切应力称为滑移的临界分切应力； 临界分切应力 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 沿滑移面滑移方向上的分切应力； 能够引起滑移系开动的分切应力. 能够引起滑移系开动的分切应力.
全程性：持续至断裂前。 全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 可逆位移 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 本质
Deformation） 塑性变形（Plastic Deformation）
不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 不可逆性：应力超过弹性极限，材料发生的不可逆的永久变形。 变形先后顺序 先发生弹性变形，后发生塑性变形。 先后顺序： 变形先后顺序：先发生弹性变形，后发生塑性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 偏离虎克定律 应力与应变的关系偏离虎克定律。 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 形状和尺寸的不可逆变化是通过原子的定向位移实现的。因此， 原子的定向位移实现的 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒， 塑性变形时所施加的力或能应足以克服位垒，使大量的原子群 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置， 能多次地定向地从一个平衡位置移到另一个平衡位置，由此产 生宏观的塑性变形。 生宏观的塑性变形。 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或 塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 本质 及转动）； 及转动）；
τ →τc
σ →σs
τ c = σ s cosϕ cosλ
σs =
τc cos ϕ cos λ
cosψcosλ称取向因子（ Schmid因子） cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子） 因子
一定时 只有 c一定时 σ 与 s
τ
cos ϕ cos λ
才构成如图函数关系
拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 拉伸时Mg单晶体的取向因子与屈服应力的关系 Mg
Deformation） 塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation） （根据原子群移动所发生的条件和方式划分） 根据原子群移动所发生的条件和方式划分）
滑移(Slip) 滑移(Slip)：最主要的变形方式 (Slip) 孪生(Twinning) (Twinning)： 孪生(Twinning)：
弹性变形（ 弹性变形（Elastic Deformation）
过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→ 过程：外力→应力→原子离开平衡位置→变形→原子位能增加→返回趋
势→外力消失→变形消失→弹性变形 外力消失→变形消失→
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律
单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。 单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。
2.1 滑移 滑移（Slip） 2.1.1滑移现象 2.1.1滑移现象
室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移 滑移是通过位错的运动实现的 滑移是通过位错的运动实现的 位错的运动 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 位错沿滑移面滑移．当移动到晶体表面时，便产生了大小等 滑移面滑移 于柏氏矢量的滑移台阶 的滑移台阶， 于柏氏矢量的滑移台阶，如果该滑移面上有大量位错运动到 晶体表面，宏观上， 晶体表面，宏观上，晶体的一部分相对另一部份沿滑移面发 生了相对位移，这就是滑移 滑移。 生了相对位移，这就是滑移。
单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸， 单晶体的圆柱试样表面抛光后拉伸，试样表面就会出现 一系列平行的变形痕迹。光镜观察， 一系列平行的变形痕迹。光镜观察，晶体表面上形成的浮 滑移带（ 由一系列滑移迹线组成，称为滑移带 凸，由一系列滑移迹线组成，称为滑移带（滑移面与试样 磨光平面交线的组合，无重现性） 磨光平面交线的组合，无重现性） 。
滑移时的临界切应力（ 2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移系只提供了金属滑移的 可能性， 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后， 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 切应力。 性变形及解理断裂。 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。 能产生塑性变形。
滑移带示意图
滑移
定义：在切应力作用下， 定义：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） 着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位 且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 位错在滑移面内的运动 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 平行 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 整数倍 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化 未发生变化。 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。 滑移分别集中在某些晶面上，Slip System):