材料科学基础-第6章塑性变形
的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。该 分切应力即称为滑移的临界分切应力，以τk表示，它是 使滑移系开动的最小分切应力。 外力F在滑移方向上的分切应力为
F cos F cos cos cos cos A / cos A
k s cos cos
h12 k12 l12 h21 k22 l22
故滑移面
_
(111)
的法线方向与拉力轴[001]的夹角为
cos
1 0 1 0 11
1
12 12 12 02 02 12
3
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
cos 1
2
故
s
c cos cos
图6－10 弗兰克-瑞德位错源
17
17
Figure The Frank-Read source can generate dislocations. (a) A dislocation is pinned at its ends by lattice defects. (b) As the dislocation continues to move, the dislocation bows, eventually bending back on itself. (c) finally the dislocation loop forms, and (d) a new dislocation is created. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., ‘‘Climb Sources in Beta PrimeNiAl,’’ Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)
材料科学基础
李谦– 宁向梅主讲
Chapter 6 –塑性变形与再结晶
1
1
Chapter Outline
6.1晶体的塑性变形 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响 6.3 回复与再结晶 6.4 金属的热加工变形
2
2
Section 6.1 晶体的塑性变形 6.1.1 单晶体的塑性变形
图6－1 金属表面的滑移带 （a）铜中的滑移带 （b）7％冷变形铝的表面图像
3
3
6.1.1 单晶体的塑性变形
常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。 （一） 滑移 1.滑移带与滑移线 塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和 晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移。
晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移 线之间的晶体并未发生变形。
s
τκ
cosλ cos
m cos cos
9
9
图6－3 单晶体滑移时分切应力的分析图
10
10
6.1.1 单晶体的塑性变形
m为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 单晶体的屈服强度σs将随外力与滑移面和滑移方向之间
的位向关系而变，即m发生改变时，σs也要改变。 当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45°时， m具
1
0.24 2 1
0.59MPa 3
13
13
6.1.1 单晶体的塑性变形
4．滑移时晶体的转动 单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴
随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。 位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸
的轴线。
图6－6 拉伸时晶体பைடு நூலகம்生转动的示意图
14
一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间 取向。
晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越 好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。
7
7
6.1.1 单晶体的塑性变形
晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。
实际滑移的临界切应力τk远低于理论计算值的原因。
16
16
6.1.1 单晶体的塑性变形
7．位错的增殖 塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。 变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。 位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克—瑞德
（Frank－Read）位错增殖机制，F-R源。
4
4
图6－2 滑移带形成示意图
5
5
2．滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
表6－1 三种常见金属晶体结构的滑移系
6
6
6.1.1 单晶体的塑性变形
滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方 向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的 距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小， 故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要 移动的间距小，阻力也小。
12
12
Example 6.1 临界分切应力
_
已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 (111) 面上产 生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
Example 6.1 SOLUTION 对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
cos
h1h2 k1k2 l1l2
14
6.1.1 单晶体的塑性变形
5．多系滑移与交滑移 多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，
分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个 或多个滑移系同时进行。
交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面 沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。
图6－7 交滑移的示意图
图6－8 抛光试样的波纹状交滑移带
例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系 同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金 属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大， 必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑 性要比铝、铜等面心立方金属差。
8
8
6.1.1 单晶体的塑性变形
3．滑移的临界分切应力 只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定
15
15
6.1.1 单晶体的塑性变形
6. 滑移的位错机制 实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部
分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力 的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。
当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体表面留下— 个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果 有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面 形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕 迹，即滑移线。
有最大值，为0.5。此时分切应力最大，σs具有最低值， 晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这 种取向称为软位向。
当外力与滑移面平行( ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）时， m为零，则无论τk的数值如何， σs均为无穷大，晶体在 此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。
11
11
图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
F cos F cos cos cos cos A / cos A
k s cos cos
h12 k12 l12 h21 k22 l22
故滑移面
_
(111)
的法线方向与拉力轴[001]的夹角为
cos
1 0 1 0 11
1
12 12 12 02 02 12
3
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
cos 1
2
故
s
c cos cos
图6－10 弗兰克-瑞德位错源
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Figure The Frank-Read source can generate dislocations. (a) A dislocation is pinned at its ends by lattice defects. (b) As the dislocation continues to move, the dislocation bows, eventually bending back on itself. (c) finally the dislocation loop forms, and (d) a new dislocation is created. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., ‘‘Climb Sources in Beta PrimeNiAl,’’ Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)
材料科学基础
李谦– 宁向梅主讲
Chapter 6 –塑性变形与再结晶
1
1
Chapter Outline
6.1晶体的塑性变形 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响 6.3 回复与再结晶 6.4 金属的热加工变形
2
2
Section 6.1 晶体的塑性变形 6.1.1 单晶体的塑性变形
图6－1 金属表面的滑移带 （a）铜中的滑移带 （b）7％冷变形铝的表面图像
3
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6.1.1 单晶体的塑性变形
常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。 （一） 滑移 1.滑移带与滑移线 塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和 晶向发生相对滑动，这种变形方式称为滑移。
晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移 线之间的晶体并未发生变形。
s
τκ
cosλ cos
m cos cos
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图6－3 单晶体滑移时分切应力的分析图
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6.1.1 单晶体的塑性变形
m为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 单晶体的屈服强度σs将随外力与滑移面和滑移方向之间
的位向关系而变，即m发生改变时，σs也要改变。 当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45°时， m具
1
0.24 2 1
0.59MPa 3
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6.1.1 单晶体的塑性变形
4．滑移时晶体的转动 单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴
随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。 位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸
的轴线。
图6－6 拉伸时晶体பைடு நூலகம்生转动的示意图
14
一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间 取向。
晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越 好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。
实际滑移的临界切应力τk远低于理论计算值的原因。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
7．位错的增殖 塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。 变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。 位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克—瑞德
（Frank－Read）位错增殖机制，F-R源。
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图6－2 滑移带形成示意图
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2．滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
表6－1 三种常见金属晶体结构的滑移系
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6.1.1 单晶体的塑性变形
滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方 向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的 距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小， 故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要 移动的间距小，阻力也小。
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Example 6.1 临界分切应力
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已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 (111) 面上产 生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
Example 6.1 SOLUTION 对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
cos
h1h2 k1k2 l1l2
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6.1.1 单晶体的塑性变形
5．多系滑移与交滑移 多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，
分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个 或多个滑移系同时进行。
交滑移：在晶体中，还会发生两个或两个以上滑移面 沿着同一个滑移方向同时或交替进行滑移的现象。
图6－7 交滑移的示意图
图6－8 抛光试样的波纹状交滑移带
例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系 同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金 属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大， 必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑 性要比铝、铜等面心立方金属差。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
3．滑移的临界分切应力 只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定
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6.1.1 单晶体的塑性变形
6. 滑移的位错机制 实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部
分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力 的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。
当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体表面留下— 个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果 有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面 形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕 迹，即滑移线。
有最大值，为0.5。此时分切应力最大，σs具有最低值， 晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这 种取向称为软位向。
当外力与滑移面平行( ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）时， m为零，则无论τk的数值如何， σs均为无穷大，晶体在 此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。
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图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
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材料科学基础习题与参考答案（doc14页）完美版
材料科学基础习题与参考答案（doc14页）完美版第⼀章材料的结构⼀、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离⼦键、⾦属键、组元、合⾦、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第⼆相强化。
⼆、填空题1、材料的键合⽅式有四类，分别是（），（），（），（）。
2、⾦属原⼦的特点是最外层电⼦数（），且与原⼦核引⼒（），因此这些电⼦极容易脱离原⼦核的束缚⽽变成（）。
3、我们把原⼦在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（），（），（）。
4、三种常见的⾦属晶格分别为（），（）和（）。
5、体⼼⽴⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），晶胞中⼋⾯体间隙个数为（），四⾯体间隙个数为（），具有体⼼⽴⽅晶格的常见⾦属有（）。
6、⾯⼼⽴⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），晶胞中⼋⾯体间隙个数为（），四⾯体间隙个数为（），具有⾯⼼⽴⽅晶格的常见⾦属有（）。
7、密排六⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），具有密排六⽅晶格的常见⾦属有（）。
8、合⾦的相结构分为两⼤类，分别是（）和（）。
9、固溶体按照溶质原⼦在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原⼦与溶剂原⼦相对分布分为（）和（）。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
11、⾦属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
12、⾦属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、脆性（），因此在合⾦中不作为（）相，⽽是少量存在起到第⼆相（）作⽤。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电⼦浓度分别为（），（），（）。
《材料科学基础》材料的塑性变形
说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，而 对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
45
1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
34
35
第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
36
多晶体中晶粒取向
37
一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：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）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
45
1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
34
35
第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
36
多晶体中晶粒取向
37
一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：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）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
金属的塑性变形与再结晶-材料科学基础-实验-06
实验六 金属的塑性变形与再结晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals ）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1． 观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征；2． 了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3． 讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1． 显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。
所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
第6章 《材料科学》材料的塑性变形
(a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况 图 面心立方晶体孪生变形示意图
b=a/6[112]
§6.2.2 孪生
孪生面 A1{111},A2{112},A3{1012}
孪生的晶体学
孪生方向
A1<112>,A2<111>,A3<1011>
图
锌晶体中的形变孪晶
18
§6.2.2 孪生
孪生变形的特点
----晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
机制：
螺位错的交滑移：螺位错 从一个滑移面转移到与之 相交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑 移后的螺位错再转回到原 滑移面的过程。
12
§6.2.1 滑移
（6）滑移的表面痕迹
单滑移
----单一方向的滑移带； 多滑移 ----相互交叉的滑移带； 交滑移 ----波纹状的滑移带。
式中：d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的点阵间距，n为泊松比。 采用上式，我们可以简单推算晶体的切变强度，对于简单立方结构，存在d = b，对 金属，取n=0.3，可得τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型理论计算值（约G/30）小得多， 接近临界分切应力实验值。
除了上述点阵阻力外，位错运动还会受到一些阻力： ②与其它位错的交互作用阻力； ③位错交割后形成的割阶与扭折； ④位错与一些缺陷发生交互作用。
13
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
晶体的滑移是借助于位错在滑移面上的运动来逐步进行的。位错就是已滑移
区和未滑移区间的界线。
以刃型位错为例：
螺型位错的运动同样能导致晶体滑移。
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
石德珂《材料科学基础》考点精讲6
八、包申格效应
材料经预先加载产生少量塑性变形（小于 ４％），而后同向加载则 σｅ升高，反向加载则 σｅ下降，此 现象称为包申格效应。
考点二：滑移和孪生（重要等级 ★★★★★）
［复习思路］掌握
金属发生塑性变形的主要方式 滑移和孪生的概念 滑移和孪生的异同点
滑移
{ 金属塑性变形的主要方式 孪生 晶界滑动（高温下） 滑移带—把试样抛光，适量的塑性变形后，在宏观或光学显微镜下看到的试样表面上平行或交叉 的细线。 滑移线—在电子显微镜下，可以看到滑移带是由更多的一组平行线组成，称为滑移线。
各向同性。
对于 α Ｆｅ多晶体其 Ｅ为 ２１１４００ＭＮ／ｍ２
七、弹性模量在工程上的应用
对零（构）件进行刚度设计
σ
＝
Ｆ Ａ
＝Ｅε→
Ｆ ε
＝ＥＡ
ＥＡ（ＧＡ），代表零件的刚度，产生单位弹性应变所需载荷的大小。
在其它条件相同时，金属的弹性模量愈高，制成的零件或构件的刚度便愈高，即在外力作用时，保
持其固有形状、尺寸的能力愈强。
２．位错运动的点阵阻力
（１）位错的宽度
{越窄 界面能越低
位错宽度
→平衡宽度
越窄 单位体积弹性畸变能高
刃型位错的形成 刃型位错原子模型
偏离 ＝ｂ／４（柏氏矢量）时，叫位错宽度 （２）位错运动的点阵阻力 晶体的滑移必须有外力作用→ 位错运动要克服阻力 →位错运动的阻力首先来自的点阵阻力
弹性变形是塑性变形的先行阶段，在塑性变形中还伴生着一定的弹性变形。可以从原子间结合
力的角度了解其物理意义。
发生弹性变形的难易程度取决于作用力 －原子间距曲线的斜率 Ｓ０
— １６７—
Ｓ０ ＝ｄｄＦｒ＝ｄｄ２ｒｕ２ σ ＝Ｓｒ００ε Ｅ ＝Ｓ０
材料科学基础-第6章塑性变形
8．位错的交割与塞积 在多系滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇，发生交割。此外，在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面的位错相交割。 不在原位错线的滑移面上的位错线，故称之为割阶。有的割阶的产生并不影响位错的运动，但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外，还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，交割的结果都要形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方面还可能形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，从而产生较强的加工硬化效果。
图6－11 两个垂直刃型位错交割
图6-12 位错塞积 图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像
孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变。
孪生
孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如α-Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。
图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
Example 6.1 SOLUTION
02
晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。
材料科学基础第六章
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24
• 6.2.1.4 滑移时晶体的转动：晶体被拉伸而 产生滑移时，由于拉力共线的影响，晶面 位向会发生改变, 结果使滑移面和滑移方向 逐渐趋于平行于拉力轴线；而压缩时，晶 面改变的
• 结果使滑
• 移面逐渐
• 趋于与压
• 力轴线垂
• 直。
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• 滑移面和滑移方向的改变必然导致斯密特 因子m的改变。
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• 面心立方金属的滑移系为{111}<110>，4个{111} 面构成一个八面体。当拉力轴为[001]时，
• (1) 对所有{111}面， cosφ=02+02+12/(12+12+12·02+02+12)=1/3 φ=54.7º，
• (2) λ角对[101]，[101] • [011]，[011]也都为45º， • (3) 锥体底面上的两个 • <110>方向与[001]垂 • 直。
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• 因此，八面体上有8个滑移系具有相同的取 向因子，当τ=τk时可以同时开动。但由于这 些滑移系有不同位向的滑移面和滑移方向 构成，滑移时有交互作用，产生交割和反 应，使滑移变得困难，产生较强的加工硬 化。
• 当两个以上的滑移
• 面沿同一方向滑移
• 便形成交滑移。
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• 发生交滑移时， • 晶体表面会出现 • 曲折或波纹状的 • 滑移带。 • 最容易发生交滑 • 移的是体心立方 • 金属，滑移面为 • {110}，{112}和{123}，滑移方向总是<111>。 • 因滑移面不受限制，所以交滑移必是纯螺形位错，
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶PPT课件
屈服现象
当试样拉伸时，出现 了明显的屈服点。当拉伸 试样开始屈服时，应力随 即突然下降，并在应力基 本恒定情况下继续发生屈 服伸长，所以拉伸曲线上 出现水平台。其中，开始 屈服与下降时所对应的应 力分别为上、下屈服点。
屈服伸长
低碳钢的屈服现象
应变时效
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化 溶效质果原，子且与由基于体间金隙属原的子价在电体子心数立相方差晶越体大中，的固点溶阵强畸化变 作属用非越对显称著性，的即，固故溶其体强的化屈作服用强大度于随面合心金立电方子晶浓体度的的； 增但加间而隙提原高子。的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
2)固溶强化的原因
1.孪生的变形过程
A 孪生面
孪生方向 C E
A CE C'
C' E'
分析面
孪生区域
孪生面
2.孪生的特点
①②孪孪生生变是形一也种是均在匀切切应变力，作即用切下变发区内与孪晶 生起的面沿子的的临平孪相，应界行生对并力切的方于通集应每向孪常中力③系一位生出区要孪层移面现，比晶原了的于因滑的子一切滑此移两面定变移，时部均的量受大孪分相距跟阻得生晶对离它而多所体于，与引需。形其且孪成每毗生镜一邻面面层晶的对原面距称的位向关
c 2 e 2 f 2 2efcos
因此， 当α= 0°， φ= 45°时，φ+λ= 90°取向因子最大， 正应力在此滑移系
上的分切应力最大。
sin 2 cos 2 2sin cos cos
a2 c2 b2
cos 2 sin 2 cos 2 2sin cos cos
滑移系开始滑移的最小分 切应力值称为临界分切应力。
F在滑移方向上的分切应 力为Fcosλ，滑移的面积为A/ cosφ,因此，外力在滑移面沿 滑移方向的分切应力为：
《材料的塑性变形》课件
A0 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.
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
《塑性变形》课件
详细描述
当物体受到外力作用时，物体内部会产生应力，使得物体发生塑性变形。在这个过程中，物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形，这是因为阻力最小的方向所需的力最小，因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度，当最大主应力较大时，物体更容易沿着这个方向发生变形。同时，物体的流动也受 到最小阻力定律的影响，使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺，用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中，冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品，如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品，如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟，预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果，对塑性变形过 程进行优化设计，提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数，如温度、压力、变形速度等， 实现更佳的塑性变形效果。
04
CATALOGUE
塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料
当物体受到外力作用时，物体内部会产生应力，使得物体发生塑性变形。在这个过程中，物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形，这是因为阻力最小的方向所需的力最小，因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度，当最大主应力较大时，物体更容易沿着这个方向发生变形。同时，物体的流动也受 到最小阻力定律的影响，使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺，用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中，冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品，如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品，如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟，预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果，对塑性变形过 程进行优化设计，提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数，如温度、压力、变形速度等， 实现更佳的塑性变形效果。
04
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塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料