單晶體金屬的塑性變形

1、單晶體金屬的塑性變形引言 研究金屬變形的意義； 材料的硬度和強(qiáng)度是重要的力學(xué)性能，它決定了零構(gòu)件的加工形成的工藝性能，同時(shí)又是零構(gòu)件的重要使用性能。 材料的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)敏感的，他和材料的組織和結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，如晶體缺陷密度。 塑性變形的主要機(jī)制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可以作為起始塑性變形的切應(yīng)力估計(jì)。起始的塑性變形的切應(yīng)力越高則晶體材料的屈服強(qiáng)度越高。 本章涉及內(nèi)容順序如下：一、滑移 1滑移的顯微觀察由大量位錯(cuò)移動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對(duì)于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對(duì)的移動(dòng)，即晶體塑性變形的滑移機(jī)制。單晶體金屬的塑性變形-滑移滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之

2、間的晶體沒有產(chǎn)生滑移，滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。 觀察發(fā)現(xiàn)，在晶體塑性變形中出現(xiàn)的滑移線并不是任意的，它們彼此之間或者相互平行，或者成一定角度，說明晶體中的滑移只能沿一定的晶面和該面上一定的晶體學(xué)方向進(jìn)行，我們將其稱為滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是晶體中原子最密排的晶面和晶向，這是由于最密排面的面間距最大，因而點(diǎn)陣阻力最小，容易發(fā)生滑移，而沿最密排方向上的點(diǎn)陣間距最小，從而使導(dǎo)致滑移的位錯(cuò)的柏氏矢量也最小。 每個(gè)滑移面以及此面上的一個(gè)滑移方向稱為一個(gè)滑移系?；葡当砻髁司w滑移時(shí)的可能空間

3、取向，一般來說，在其它條件相同時(shí)，滑移系數(shù)量越多，滑移過程就越容易進(jìn)行，從而金屬的塑性就越好。2滑移的晶體學(xué)特征總結(jié) 滑移面 晶體的滑移通常是沿著一定的晶面發(fā)生的，此組晶面稱為滑移面； 滑移方向 滑移是沿著滑移面上一定的晶向進(jìn)行的，此晶向稱為滑移方向； 滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因?yàn)榇藭r(shí)派納力最小。 其中，b：柏氏矢量 G：切變模量 ：泊松比 a：滑移面的面間距 一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。晶體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，其滑移系也不同，我們下面來了解金屬晶體中幾種常見結(jié)構(gòu)（面心立方、體心立方、密排六方）的滑移面及滑移方向的情況。滑移系數(shù)目的計(jì)算(1) 面心立方晶體中的滑

4、移系面心立方晶體的滑移面為111，滑移方向?yàn)?由于（111）和 的方向平行，可以認(rèn)為是同種（111）型滑移面，因此在面心立方晶體中有4種不同的（111）滑移面；方向相反的兩個(gè)滑移方向可以看作一個(gè)滑移方向。因此其滑移系共有4312個(gè)。 (2) 體心立方晶體中的滑移系由于體心立方結(jié)構(gòu)是一種非密排結(jié)構(gòu)，因此其滑移面并不穩(wěn)定，一般在低溫時(shí)多為112，中溫時(shí)多為110，而高溫時(shí)多為123，不過其滑移方向很穩(wěn)定，總為，因此其滑移系可能有12-48個(gè)。(3) 密排六方晶體中的滑移系密排六方晶體中，滑移方向一般都是，但滑移面與軸比有關(guān)，當(dāng)c/a接近或大于1.633時(shí)，0001為最密排面，滑移系即為0001，共

5、有三個(gè)；當(dāng)c/a小于1.633時(shí)，0001不再是密排面，滑移面將變?yōu)橹?010或斜面1011，滑移系分別為三個(gè)和六個(gè)。由于滑移系數(shù)量較少，因此密排六方結(jié)構(gòu)晶體的塑性通常都不太好。滑移的臨界分切應(yīng)力 我們知道，外力作用下，晶體中滑移是在一定滑移面上沿一定滑移方向進(jìn)行的。因此，對(duì)滑移真正有貢獻(xiàn)的是在滑移面上沿滑移方向上的分切應(yīng)力，也只有當(dāng)這個(gè)分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值后，滑移過程才能開始進(jìn)行，這時(shí)的分切應(yīng)力就稱為臨界分切應(yīng)力。切應(yīng)力的計(jì)算 如圖上所示的圓柱形單晶體在軸向拉伸載荷F作用下的情況，假設(shè)其橫截面積為A，j為滑移面法線與中心軸線夾角，l為滑移方向與外力F夾角，則外力F在滑移方向上的分力為Fc

6、osl，而滑移面的面積則為A/cosj，此時(shí)在滑移方向上的分切應(yīng)力t為： 式中的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，晶面間的滑移開始，這也與宏觀上的屈服相對(duì)應(yīng)，因此這時(shí)F/A應(yīng)當(dāng)?shù)扔趕s，即：coscoscoscoscoscosAFAFcoscosss ts稱為臨界分切應(yīng)力，是一個(gè)與材料本性以及試驗(yàn)溫度、加載速度等相關(guān)的量，與加載方向等無關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，表9.1中列舉了一些常見金屬晶體的臨界分切應(yīng)力值。coslcosj稱為取向因子或schmid因子，因?yàn)槿∠蛞蜃觕oslcosj大則材料在較小ss作用下即可達(dá)到臨界分切應(yīng)力ts，從而發(fā)生滑移，因此被稱為軟取向，反之則稱為硬取向。 表9.1 一些金屬晶體的臨

7、界分切應(yīng)力值 不難看出，單晶體試樣在拉伸試驗(yàn)時(shí)，屈服強(qiáng)度ss將隨外力取向而變化，當(dāng)l或f為90時(shí)，無論ts多大，ss都為無窮大，說明在外力作用下不會(huì)發(fā)生滑移變形；而當(dāng)l = j = 45時(shí)，ss最低，這是因?yàn)楫?dāng)對(duì)任何j來說，當(dāng)滑移方向位于外力F和滑移面法線所組成的面上時(shí)，沿此方向上的t較大，這時(shí)取向因子 因此當(dāng)l = j = 45時(shí)，取向因子達(dá)到最大，分切應(yīng)力最大。2sin21cos)90cos(coscos實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證 如圖下是密排六方結(jié)構(gòu)的鎂單晶拉伸的取向因子屈服強(qiáng)度關(guān)系圖，圖中曲線為按式 的計(jì)算值，而圓圈則為實(shí)驗(yàn)值，從圖中可以看出前述規(guī)律，而且計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。由于鎂晶體在室溫變形時(shí)只有一組滑移面(0001)，