金属及合金塑性变形
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
第四章金属及合金的塑性变形和再结晶2
（二） 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越 细，晶界总面积 越大， 越大，位错障碍 越多；需要协调 越多； 的具有不同位向 的晶粒越多， 的晶粒越多，使 金属塑性变形的 抗力越高。 抗力越高。
晶 粒 大 小 与 金 属 强 度 关 系
二、多相合金的塑性变形与弥散强化 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变 当合金的组织由多相混合物组成时， 形除与合金基体的性质 有关外， 有关外， 还与第二相的性质、形 还与第二相的性质、 态、大小、数量和分布 大小、 有关。 有关。
固溶体第二相) α+β钛合金 固溶体第二相 β钛合金(固溶体第二相
应变
脆性 材料 塑性材料
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化 细晶强化。 法称细晶强化。
三、合金的塑性变形
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种 单相固溶体 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属， 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 但常发现有孪晶存在， 子重新排列时发生错排而产生的， 退火孪晶。 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似 多晶 单个晶粒变形与单晶体相似,多晶 体变形比单晶体复杂。 体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 、 当位错运动到晶界附近时，受到 当位错运动到晶界附近时， 晶界的阻碍而堆积起来,称位错的 晶界的阻碍而堆积起来 称 塞积。要使变形继续进行 塞积。要使变形继续进行, 则必 须增加外力, 须增加外力 从而使金属的变形 抗力提高。 抗力提高。
金属及合金的塑性变形考试试卷及参考答案
金属及合金的塑性变形考试试卷及参考答案(一)填空题1. 硬位向是指外力与滑移面平行或垂直，取向因子为零，其含义是无论τk如何，σs均为无穷大，晶体无法滑移。
2．从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是位错在切应力作用下沿滑移面逐步移动的结果。
3．由于位错的增殖性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。
4. 加工硬化现象是指随变形度增大，金属的强硬度显著增高而塑韧性明显下降的现象，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力增加，造成加工硬化的根本原因是位错密度大大增加。
5．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶粒位向差。
6．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的强度增加，塑性降低。
7．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材料以粗大晶粒为好。
8．面心立方结构的金属有12 个滑移系，它们是4｛111｝×3＜110＞。
9．体心立方结构的金属有12 个滑移系，它们是6｛110｝×2＜111＞。
10．密排六方结构的金属有 3 个滑移系，它们是1｛0001｝×3＜īī20＞。
11．单晶体金属的塑性变形主要是切应力作用下发生的，常沿着晶体中密排面和密排方向发生。
12 金属经冷塑性变形后，其组织和性能会发生变化，如显微组织拉长变为纤维组织、亚结构的细化变为形变亚结构、形变织构即晶粒沿某一晶向或晶面取向变形、加工硬化等等。
13．拉伸变形时，晶体转动的方向是由滑移面转到与拉伸轴平行的方向。
14 晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的1500倍。
15．内应力是指金属塑性变形后保留在金属内部的残余内应力和点阵畸变，它分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。
(二)判断题1 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。
（×）2．滑移变形不会引起晶体结构的变化。
（×）（位向）3 因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。
金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响
金属的塑性变形、纤维组织及其对金属性能的影响一、金属的塑性变形金属受力时，其原子的相对位置发生改变，宏观上表现为形状、尺寸的变化，此种现象称为变形。
金属变形按其性质分为弹性变形和塑性变形。
当受力不大时，去除外力后原子立即恢复到原来的平衡位置，变形立即消失，这种变形称为弹性变形。
当应力超过一定值时（≥бs），金属在弹性变形的同时还会产生塑性变形。
1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形，主要是以滑移的方式进行的，即晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动，滑动后原子处于新的稳定位置，不再回到原来位置。
研究表明，滑移总是优先沿晶体中一定的晶面和晶向发生，晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。
滑移面和滑移方向越多，金属的塑性越好。
晶体的滑移是借助于位错的移动来实现的。
大量的位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形。
2、多晶体的塑性变形常用金属材料都是多晶体。
每个晶粒内的塑性变形主要仍以滑移方式进行。
但多晶体中各相邻晶粒的位向不同，各晶粒之间有一晶界相连接，因此，具有下列特点：（1）晶粒位向的影响由于多晶体中各个晶粒的位向不同，在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。
产生滑移的晶粒必然会受到周围位向不同晶粒的阻碍，使滑移阻力增加，从而提高了塑性变形的抗力。
所以多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，其结果之一便是产生内应力。
（2）晶界的作用晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。
试样在晶界附近不易发生变形，出现所谓“竹节”现象。
这是因为晶界处原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移的缘故。
很显然，晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。
（3）晶粒大小的影响在一定体积的晶体内晶粒数目越多，晶粒越细，晶界越多，不同位向的晶粒也越多。
因而塑性变形抗力也就越大，表现出较好的塑性和韧性。
故生产中都尽一切努力细化晶粒。
二、金属的冷塑性变形对性能的影响冷塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化，即随着变形度的增加，金属强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象。
金属变形特性
思考：为什么会出现屈服现象？
金属变形特性
16
塑性变形过程－－屈服
屈服强度：表示材料对
开始发生微量塑性变形
的抗力，也称为屈服极
限，用σs表示。对具有 屈服现象的材料用屈服
现象发生时对应的应力
表示；对屈服现象不明
显的材料，则以所产生
的塑性应变变0.2%时的
应力值表示。
金属变形特性
17
塑性变形过程－－均匀变形
21
塑性变形过程－－断裂
脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口 常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断 裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平； 脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿晶断裂”， 断口比较平坦。
金属变形特性
沿晶脆性断口 22
➢ 材料的最大弹性变形量随材料的不同而不同。
金属变形特性
10
弹性模量
在弹性变形范围内，应力与应变服从虎克定律。
式中，σ、τ分别为正应力和 σ
切应力，ε、γ分别为正应变和
切应变；比例系数E称为弹性
模量（杨氏模量），G称为切 σe
变模量，它反映材料对弹性变
形的抗力，代表材料的“刚
度” 。
o
ε
金属变形特性
11
弹性模量代表着使原子离开平衡位置的难易程度，是 表征晶体中原子间结合力强弱的物理量。
弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力 的大小。
在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性 应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。
结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结 合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量 之间有很好的对应关系。
金属变形特性
第六章 金属和合金的塑性变形
第六章 金属和合金的塑性变形和再结晶金属材料（包括纯金属和合金）在外力的作用下引起的形状和尺寸的改变称为变形。
去除外力，能够消失的变形，称弹性变形；永远残留的变形，称塑性变形。
工业生产上正是利用塑性变形对金属材料进行加工成型的，如锻造、轧制、拉拔、挤压、冲压等。
塑性变形不仅能改变工件的形状和尺寸，还会引起材料内部组织和结构的变化，从而使其性能发生变化。
以再结晶温度为界，金属材料的塑性变形大致可分为两类：冷塑性变形和热塑性变形，在生产上，通常称为冷加工和热加工。
经冷塑性变形的金属材料有储存能，自由能高，组织不稳定。
若升高温度，使原子获得足够的扩散能力，则变形组织会恢复到变形前的状态，这个恢复过程包括：回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。
从金属材料的生产流程来看，一般是先进行热加工，然后才进行冷加工和再结晶退火。
但为了学习的方便，本章先讨论冷加工，再讨论再结晶和热加工。
§6.1 金属材料的变形特性一、 应力—应变曲线金属在外力作用下，一般可分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。
图6.1是低碳钢拉伸时的应力—应变曲线，这里的应力和应变可表示为：000,L L L L L A F ∆=-==εσ 公式中F 是拉力，00,L A 分别是试样的原始横截面积和原始长度。
从图中可以得到三个强度指标：弹性极限e σ，屈服强度s σ，抗拉强度b σ。
当拉应力小于弹性极限e σ时，金属只发生弹性变形，当拉应力大于弹性极限e σ，而小于屈服强度s σ时，金属除发生弹性变形外，还发生塑性变形，当拉应力大于抗拉强度b σ时，金属断裂。
理论上，弹性变形的终结就是塑性变形的开始，弹性极限和屈服强度应重合为一点，但由于它们不容易精确测定，所以在工程上规定：将残余应变量为0.005%时的应力值作为弹性极限，记为005.0σ，而将残余应变量为0.2%时的应力值作为条件屈服极限，记为2.0σ。
s σ和2.0σ都表示金属产生明显塑性变形时的应力。
第5章金属
第五章金属及合金的形变金合金变金属及合金的塑性变形¾单晶体的滑移¾单晶体的应力-应变曲线及加工硬化¾孪生及扭折¾多晶体的塑性变形¾塑性变形后金属的结构、组织和性能单晶体的滑移滑移要素——滑移系(slip system)滑移是指在外力作用下晶体沿某些特定晶面和晶向相对滑开的形变方式。
滑移的特定晶面称为滑移面(slip plane)，开的形变方式滑移的特定晶面称为滑移面特定晶向称为滑移方向(slip direction)。
滑移面和滑移方向合称为滑移要素。
合称为滑移要素对于一定的晶体结构，不论载荷大小或方向，滑移要素的类型一般都是确定的。
一般地，滑移面是晶体的密排面和较密排面，滑移方向是晶体的密排方向。
面心立方晶体：滑移面——{111}滑移方向——<110>体心立方晶体：滑移面——{110}、{112}、{123}滑移方向——<111>密排六方晶体：滑移面{}c/a>1.633 ——{0001}滑移方向——<11-20>c/a<1.633——{10-10}c/a<1.633 滑移面{1010}滑移方向——<11-23>一个滑移面和一个滑移方向组成一个滑移系(slip system)。
面心立方结构有12个滑移系；体心立方结构有48个滑移系；密排六方结构有3个滑移系；在外力作用下，并不是所有的滑移系都会开动，只能是其中一个或几个滑移系开动，那些没有开动的滑移系称为潜在滑移系(potential slip system)。
滑移带与滑移线光学显微镜观察7%形变Al表面形貌扫描电镜观察形变Co单晶表面形貌Schmid 定律（临界分切应力定律）F==τm A ⋅⋅⋅σϕλcos cos 0取向因子（Orientation Factor ）临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress ）Slip in a Zinc single crystal From C.F.ElamThe Distortion of Metal Crystals Oxford University Press London,1935London1935滑移系开动时，所需要的临界分切应力是和外力无关的常数，这个规律称为Schmid定律或临界分切应力定律。
《金属材料与热处理》第三章金属的塑性变形对组织性能
重冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的 最低温度来表示。
最低再结晶温度：
T再=0.4T熔点 式中温度单位为绝对温度(K)。
8
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
(3)再结晶温度影响因素：
1）变形程度 ➢2）金金属属再纯结度晶前：塑纯性度变越形高的, 最相低对再变结形晶量温称度为也预就先越变低形 度➢。3）预；加先热变速形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不 稳➢➢杂再定质结, 最和晶低合是再金一结元扩晶素散温（过度高程也熔, 需就点一越元定低素时；）间阻才碍能原完子成扩；散和晶 ➢界➢当提迁预高移先加, 可变热显形速著度度提达会高一使最定再低大结再小晶结后在晶,较最温高低度温再；度结下晶发温生度；趋于某 一➢高原稳纯始定度晶值铝粒。(越99粗.9大9,9再%结)最晶低温再度结越晶高温。度为80 ℃； ➢工业纯铝(99.0%)最低再结晶温度提高到290 ℃。
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、热加工晶粒大小控制措施
（1）.控制较低的加工终了温度 （2）.控制较大的变形程度 （3）.控制较快的冷却速度
0
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3、产生残余内应力 ➢定义：外力去除后，金属内部残留下来的应力。
产生原因：金属发生塑性变形时，内部变形不均匀， 位错、空位等晶体缺陷增多，会产生残余内应力。
➢1）宏观内应力 ➢2）微观残余应力 ➢3）晶格畸变应力
1
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.2
3
学习情境三：金属的塑性变形对组织性能的影响 3.1
第一节 金属的塑性变形
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⑸ 随滑移加剧，存在多滑移和交滑移现象 多滑移： 在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移。
意义：促进加工硬化 滑移的本质是借助
位错线的逐步运动。 多滑移时不同方向的位 错线相交割，互为阻碍 →难滑移
金属及合金塑性变形
交滑移： 多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移。
密排六方晶体沿基面和 柱面交滑移的示意图
Ⅱ Ⅰ
滑移方向为最密排晶向；
⑵ 只在切应力下发生，存在临界分切应力。
σF σ
弹 性σ
断 裂
伸
τ
长
τ
τ
弹性歪扭
金属及合金塑性变形
塑性变形 （滑移）
什么是分切应力：
λ:拉伸轴线与滑移方向夹角
φ:拉伸轴线与滑移面法向夹角
τ＝(Fcosλ)/(A/cosφ)
λ
＝F/A ·（cosλ· cos φ)
＝σcosλ· cos φ
金属及合金塑性变形
§5-1 金属的变形特性
一 金属变形的方式及研究方法
1 方式：弹性变形 塑性变形 断裂
成形 失效
金属及合金塑性变形
2 研究方法 曲线种类：
① 载荷—变形曲线 ② 真应力—真应变曲线 ③ 工程应力—应变曲线
┗主要研究手段
金属及合金塑性变形
σ S—e
S — e：真应力真应变曲线
σ—ε
部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对 的平行滑动
金属及合金塑性变形
高锰钢中的滑移带，500X 滑移带
滑移线
金属及合金塑性变形
滑移带
τ
滑移线
单晶体
(~100个原 子间距)
滑移示意图
~10000个原子间距
② 滑移线与滑移带
均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶，但大小不同
金属及合金塑性变形
2 滑移特点
⑴ 发生在最密排晶面，
金属及合金塑性变形
（3）滑移系数目的实际意义 —判断塑性变形能力
① 滑移系数目愈多，塑性愈好； ② 滑移系数相同时，滑移方向多者塑性较好
滑移面的取向因子大，
则分切应力大： 当滑移面法线、滑移方
λ
向、外力轴三者共面，即 λ ＝90°－φ时，可能获最大 取向因子：
cosλ· cos φ
＝cos(90°－φ)· cos φ
金属及合金塑性变形
cosλ· cos φ＝cos(90°－φ)· cos φ
φ ＝45°时: 取向因子获最大值1/2 取向因子大——软取向
φ 或λ＝90°时: 取向因子为0 ， τ＝0， 取向因子小——硬取向
金属及合金塑性变形
与τK对应的σ即为σs σs的影响因素：
① 与τk有关； ② 与外力取向有关:
σs＝ τቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ/(cosλ· cos φ)
金属及合金塑性变形
⑶ 滑移两部分相对移动的距离是原子间距
的整数倍，滑移后滑移面两边的晶体位向
一个滑移面和该面上的一个滑移 方向 称为 ~ 。
└ 每种晶格滑移系数目的多少 可用来衡量滑移难易
金属及合金塑性变形
（2）各晶体结构的滑移系 体心立方 (b.c.c)
滑移面：｛110｝ (110), (011), (101), (110), (011), (101)
滑移方向：〈111〉 滑移系数：6×2=12
铝单晶体形变出现的 交滑移
金属及合金塑性变形
意义： 当位错沿一个滑
移面的移动受阻时， 可通过攀移，转移到 另一个面继续滑移 →易滑移 →使滑移方向灵活， 可降低脆性
金属及合金塑性变形
移 多移 交
系 单系滑移 滑
滑
不同合金加工硬化效果不同
金属及合金塑性变形
3 滑移系及滑移系数的实际意义 (1) 滑移系
〔111〕 (110)
金属及合金塑性变形
面心立方 (f.c.c) 滑移面：｛111｝
(111), (111), (111), (111); 滑移方向：〈110〉 滑移系数: 4×3=12
(111) 〔110〕
金属及合金塑性变形
密排六方： 滑移面｛0001｝ 滑移方向〈1120〉 滑移系数目：
1×3=3
分切应力
取向因子
分切应力的大小与取向因子 直接相关
金属及合金塑性变形
什么是临界分切应力：
临界分切应力(τK)： 使滑移系开动的最小分切应力
τk 的影响因素： ① 取决于金属本性，与外力无关，取向无关 ② 组织敏感参数：金属不纯，变形速度愈大，
变形温度愈低， τk愈大。
金属及合金塑性变形
当τ> τK时，发生滑移
金属及合金的塑性变形
本章目的： 1 阐明金属塑性变形的主要特点及本质； 2 指出塑性变形对金属组织和性能的影响； 3 揭示加工硬化的本质与意义。
金属及合金塑性变形
本章重点： （1）拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标； （2）塑性变形的宏观变形规律与微观机制； （3）加工硬化的本质及实际意义； （4）塑性变形对金属与合金组织、性能的影响： （5）金属材料的强化机制。
颈
σ—ε：工程应力应变曲线
缩
ε
工程应力—应变曲线中“颈缩”现象 掩盖了 “加工硬化”
金属及合金塑性变形
二 工程应力应变曲线
低碳钢应力应变曲线 --典型性
σb σσse
① 分析变形过程；
ε
② 强度、塑性指标的意义；
σe 、 σs 、 σ-1、 σb； δ、ψ
金属及合金塑性变形
σ—ε形式与材料塑性有关
1：退火低碳钢
1：有机玻璃：硬而脆
2：正火中碳钢
2：纤维增强热固塑料：
3：高碳钢
硬而强
但弹性模量基本相同 3：尼龙：硬而韧
金属及4合：金塑聚性变四形 氟乙烯：软而韧
三 弹性模量与刚度
σ=E·ε；τ=G·γ；----弹性模量 意义： ⑴ 拉伸曲线上，斜率； ⑵ 弹性变形难易； ⑶ 组织不敏感：取决于原子间结合力
仍保持一致；
τ
τ
τ
τ
金属及合金塑性变形
⑷ 伴随晶体的转动和旋转，滑移面转向与外力 平行方向，滑移方向旋向最大切应力方向
P
P
滑移面
力偶
滑移前
产生 转动 滑移后
金属及合金塑性变形
单晶体拉伸变形
金属及合金塑性变形
意义： 实际金属由多晶体构成，通过晶体的转
动和旋转，原来取向有利的晶粒（单晶体） 经过一定量塑性变形后取向不利，停止塑性 变形；原来取向不利的晶粒经过旋转、转动 取向变为有利，开始塑性变形； ——循环往复后可使塑性变形更均匀。
材料种类；晶格常数；原子间距 刚度
构件刚度：A·E ——弹性变形难易 材料刚度：E
金属及合金塑性变形
§5-2 单晶体的塑性变形
F
塑性变形研究思路： ① 基本单元——单晶体变形特性 ② 晶界影响——多晶体变形特性 ③ 相界——合金变形特性
塑性变形方式：滑移；孪生
金属及合金塑性变形
一．滑移现象与滑移特点 1 滑移定义：在外力作用下，晶体相邻二