第二章 材料的變形——塑性變形1

1、第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形材料在外力作用下會產(chǎn)生變形，首先產(chǎn)生材料在外力作用下會產(chǎn)生變形，首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過材料的彈性極限時，金屬將產(chǎn)生超過材料的彈性極限時，金屬將產(chǎn)生塑性變形。塑 性 變 形v當(dāng)外載荷在材料內(nèi)部所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了當(dāng)外載荷在材料內(nèi)部所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的屈服強度以后，即使去掉外載荷，變材料的屈服強度以后，即使去掉外載荷，變形也不能完全消失的變形稱為形也不能完全消失的變形稱為塑性變形塑性變形。v它不僅改金屬的外形，而且使內(nèi)部組織和結(jié)它不僅改金屬的外形，而且使內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過塑性變形后的金屬，在隨構(gòu)發(fā)生變化。經(jīng)過塑性變形后的金屬，在隨后的加熱

2、過程中，內(nèi)部組織也發(fā)生一系列變后的加熱過程中，內(nèi)部組織也發(fā)生一系列變化，這些都對性能有明顯的影響?；?，這些都對性能有明顯的影響。1、塑性變形特點v塑性變形過程中仍然保持著彈性變形，又稱塑性變形過程中仍然保持著彈性變形，又稱彈塑性變形階段。彈塑性變形階段。v變形量較大變形量較大v應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變不呈線性關(guān)系應(yīng)變不呈線性關(guān)系v與溫度和時間有關(guān)系與溫度和時間有關(guān)系v結(jié)構(gòu)敏感性能結(jié)構(gòu)敏感性能2、塑性變形的機理材料在外力作用下發(fā)生塑性變形，依材料的性質(zhì)、外界環(huán)境和受力方式不同，進行塑性變形的方式也不相同。通常發(fā)生塑性變形的方式有： 滑移、孿生、蠕變、晶界滑動?；?、孿生、蠕變、晶界滑動。2.1 滑移v單晶

3、體的塑性變形的主要方式是單晶體的塑性變形的主要方式是滑移滑移和和孿生孿生。其中滑移是最基本、最普遍的塑。其中滑移是最基本、最普遍的塑性變形方式，孿生只是在滑移難以進行性變形方式，孿生只是在滑移難以進行的情況下出現(xiàn)。的情況下出現(xiàn)。v單晶體的圓柱試樣表面拋光后拉伸，試樣表單晶體的圓柱試樣表面拋光后拉伸，試樣表面就會出現(xiàn)一系列平行的變形痕跡。面就會出現(xiàn)一系列平行的變形痕跡。v光鏡觀察，試樣表面形成的浮凸，由一系列光鏡觀察，試樣表面形成的浮凸，由一系列滑移跡線組成，稱為滑移跡線組成，稱為滑移帶滑移帶。v滑移線（滑移線（Slip Line）：）：滑移帶中的細線。滑移線是滑移面兩滑移帶中的細線?；凭€是滑

4、移面兩側(cè)晶體相對滑動所造成的?；茙Ш突凭€間的晶體片層并側(cè)晶體相對滑動所造成的?；茙Ш突凭€間的晶體片層并未發(fā)生塑性變形，僅僅發(fā)生了相對滑動。未發(fā)生塑性變形，僅僅發(fā)生了相對滑動。v滑移層滑移層：相鄰滑移線間的晶體片層。：相鄰滑移線間的晶體片層。v滑移量滑移量：每條滑移線所產(chǎn)生的臺階高度。：每條滑移線所產(chǎn)生的臺階高度。光學(xué)顯微鏡：滑移帶電子顯微鏡：每條個滑移帶由許多平行滑移線組成對于Al單晶：每根滑移線的滑移量為100200nm；兩滑移線間距20nm；滑移帶之間2000nm一、滑移變形的概念一、滑移變形的概念v是晶體在切應(yīng)力作用下，一部分晶體相對是晶體在切應(yīng)力作用下，一部分晶體相對于另一部分

5、沿一定晶面（于另一部分沿一定晶面（滑移面滑移面）和晶向）和晶向(滑移方向滑移方向）產(chǎn)生的相對位移，且不破壞晶）產(chǎn)生的相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式叫體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式叫滑移滑移。二、滑移的晶體學(xué)特征 滑移通常沿原子密度最大的晶面滑移通常沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。和晶向發(fā)生。 這一晶面和晶向分別稱為這一晶面和晶向分別稱為滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。 一個滑移面和其面上任一滑移方一個滑移面和其面上任一滑移方向組成向組成一個滑移系一個滑移系。v滑移系的特點：滑移系的特點：滑移面總是晶體的滑移面總是晶體的密排面密排面，滑移方向也總，滑移方向也總是是密排方向密

6、排方向每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移每一種晶格類型的金屬都具有特定的滑移系。滑移系的多少一定程度上決定了金屬的系?；葡档亩嗌僖欢ǔ潭壬蠜Q定了金屬的塑性好壞。塑性好壞。v滑移系的數(shù)目滑移系的數(shù)目=（滑移面的個數(shù)）（滑移面的個數(shù)）（每（每個面上所具有的滑移方向的個數(shù)）個面上所具有的滑移方向的個數(shù)）v具體晶體內(nèi)滑移系的數(shù)目是確定的具體晶體內(nèi)滑移系的數(shù)目是確定的 晶格類型晶格類型? 密排面？密排面？回顧晶體學(xué)基礎(chǔ)v晶體與非晶體的區(qū)別？晶體與非晶體的區(qū)別？晶體中的原子（或分子、離子）在三維空間中呈晶體中的原子（或分子、離子）在三維空間中呈周期性的重復(fù)排列周期性的重復(fù)排列長程有序長程有序有固定熔點

7、有固定熔點各向異性各向異性v非晶體非晶體沒有固定的外形沒有固定的外形無固定熔點無固定熔點各項同性各項同性v陣點陣點（原子、分子、離子或（原子、分子、離子或者原子團）在三維空間中呈者原子團）在三維空間中呈周期性規(guī)則排列形成的陣列周期性規(guī)則排列形成的陣列稱為稱為空間點陣空間點陣，簡稱，簡稱點陣點陣。v在點陣中取出具有代表性的在點陣中取出具有代表性的基本單元（最小平行六面體）基本單元（最小平行六面體）作為點陣的組成單位，稱為作為點陣的組成單位，稱為晶胞晶胞。v晶胞選取原則：晶胞選取原則：反映出點陣的對稱性反映出點陣的對稱性棱和角相等的數(shù)目最多棱和角相等的數(shù)目最多直角數(shù)目最多直角數(shù)目最多有最小的體積有

8、最小的體積v邊長邊長a、b、c和鏡面夾角和鏡面夾角、作為點陣常數(shù)表作為點陣常數(shù)表示晶胞。示晶胞。v一共一共7種類型種類型7個晶系個晶系三斜單斜底心單斜正交底心正交體心正交面心正交六方四方體心四方立方體心立方面心立方菱方布拉菲點陣布拉菲點陣 Cu NaCl CaF2 金屬中三種典型的晶體結(jié)構(gòu)金屬中三種典型的晶體結(jié)構(gòu)體心立方：體心立方：鉬、鎢、鉬、鎢、-Fe面心立方：面心立方：鋁、銅、鋁、銅、-Fe密排六方：密排六方：鎂、鋅、鈹、鎘鎂、鋅、鈹、鎘 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)v為更好表明晶體生長、變形、相變及性能等問題中為更好表明晶體生長、變形、相變及性能等問題中的原子位置、原子列的方向和原子構(gòu)成的平面，采

9、的原子位置、原子列的方向和原子構(gòu)成的平面，采用用密勒（密勒（Miller）指數(shù)）指數(shù)來統(tǒng)一標定來統(tǒng)一標定晶面指數(shù)晶面指數(shù)和和晶向晶向指數(shù)指數(shù)。v晶向：任意兩個原子連線所指的方向晶向：任意兩個原子連線所指的方向v晶面：原子構(gòu)成的平面晶面：原子構(gòu)成的平面晶向指數(shù)確定步驟v選擇一個陣點作為原點，選擇一個陣點作為原點，過原點作所求晶向的平過原點作所求晶向的平行線。行線。v求該平行線上任一點的求該平行線上任一點的坐標值并化為最小整數(shù)。坐標值并化為最小整數(shù)。加方括號即為所求晶向。加方括號即為所求晶向。晶向指數(shù)代表著所有互相平行、方向一致的晶向。晶向指數(shù)代表著所有互相平行、方向一致的晶向。若所指方向相反，則

10、晶向指數(shù)數(shù)字相同，但符號相反。若所指方向相反，則晶向指數(shù)數(shù)字相同，但符號相反。晶面指數(shù)確定步驟v設(shè)定坐標系，但不能將設(shè)定坐標系，但不能將坐標原點選在待定的晶坐標原點選在待定的晶面上。面上。v求得待定晶面在三個坐求得待定晶面在三個坐標軸上的截距，如與某標軸上的截距，如與某坐標軸平行，則截距為坐標軸平行，則截距為。v取各截距的倒數(shù)，化為取各截距的倒數(shù)，化為最小整數(shù)。加上圓括號，最小整數(shù)。加上圓括號，即晶面指數(shù)。即晶面指數(shù)。晶面指數(shù)代表著一組平行的晶面。晶面指數(shù)代表著一組平行的晶面。FCC62433滑移系對性能的影響 晶體中滑移系愈多，晶體發(fā)生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好。 滑移面密排程度高，

11、滑移面上滑移方向個數(shù)越多，材料塑性越好。 bcc的-Fe與fcc的Al及Cu，雖然都有12個滑移系，但體心立方滑移面密排程度較面心立方晶格低，且滑移面上滑移方向少，所以塑性不如銅及鋁；具有hcp晶格的Mg、Zn等，滑移系僅有3個，因此塑性較立方晶系金屬差。 三、滑移的臨界分切應(yīng)力v滑移系只提供了金屬滑移的可滑移系只提供了金屬滑移的可能性，而金屬在外力的作用下能性，而金屬在外力的作用下滑移的驅(qū)動力是滑移的驅(qū)動力是沿滑移面滑移沿滑移面滑移方向上的分切應(yīng)力方向上的分切應(yīng)力。v單晶體受力后，外力在任何晶單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解成正應(yīng)力和切應(yīng)面上都可分解成正應(yīng)力和切應(yīng)力。力。正應(yīng)力只能引起

12、彈性變形正應(yīng)力只能引起彈性變形及斷裂。只有在切應(yīng)力的作用及斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力v晶體滑移是在切應(yīng)力作用下進行的，但其中晶體滑移是在切應(yīng)力作用下進行的，但其中許多滑移系并非同時參與滑移。只有當(dāng)外力許多滑移系并非同時參與滑移。只有當(dāng)外力在某一滑移系中的分切應(yīng)力達到一定臨界值在某一滑移系中的分切應(yīng)力達到一定臨界值時，該滑移系方可首先發(fā)生滑移，該分切應(yīng)時，該滑移系方可首先發(fā)生滑移，該分切應(yīng)力稱為滑移的力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力臨界分切應(yīng)力。v沿滑移面滑移方向的分切應(yīng)力；沿滑移面滑移方向的分切應(yīng)力；v能夠引起滑移系開動的分

13、切應(yīng)力。能夠引起滑移系開動的分切應(yīng)力。切應(yīng)力的作用下，晶格發(fā)生彈性外扭，進一步將使晶格發(fā)生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶體不能恢復(fù)到原來的形狀，而保留永久的變形。大量晶面的滑移將得到宏觀變形效果，在晶體的表面將出現(xiàn)滑移產(chǎn)生的臺階。 施密特定律 推動滑移的是在滑移方向上的分切應(yīng)力。同一外加應(yīng)力作用下，不同滑移系因取向不同，對應(yīng)的分切應(yīng)力也不相同。左圖中單晶體受拉應(yīng)力F作用，滑移面法線方向N與F夾角為f，滑移方向和F夾角為；注意：滑移方向S、拉力軸F和滑移面的法線N三者不必在同一平面，即 f+900 ?；品较蛏系姆智袘?yīng)力為： 其中：稱為取向因子或施密特因子。當(dāng) f+ = 900

14、，取向因子有最大值0.5。 施密特定律當(dāng)當(dāng)t t達到某一臨界值t tc時，晶體產(chǎn)生滑移變形，這時對應(yīng)的正應(yīng)力s s為單晶體的屈服應(yīng)力s sy y，稱為施密特定律。s sy = t tc c/cos/cosf f cos cosl ltc c是一常數(shù)，稱為臨界分切應(yīng)力。1 1、取決于金屬本性，與外力無關(guān)，、取決于金屬本性，與外力無關(guān)，取向無關(guān)取向無關(guān)2 2、組織敏感參數(shù)：金屬不純、變、組織敏感參數(shù)：金屬不純、變形速度越大、變形溫度越低，形速度越大、變形溫度越低， tc c越大。越大。 t tc取決于金屬的本性，不受f f、l l的影響；屈服強度s sy y則隨拉力軸相對于晶體的取向不同而不同，即

15、晶體材料存在各向異性。s sy = t= tc/ /cosf fcosl lf f或l l9090 時，取向因子M最小，s sy ；這時的取向稱為硬取向，滑移變得困難。f f，l l45 時，取向因子M最大，s sy y最小，晶體最易滑移；這時的取向稱為軟取向，滑移變得容易。v將首先達到臨界分切應(yīng)力發(fā)生滑移，所以把將首先達到臨界分切應(yīng)力發(fā)生滑移，所以把取向因子最大的滑移系稱為這個外力下的取向因子最大的滑移系稱為這個外力下的首首開滑移系。開滑移系。v在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系分切應(yīng)力相同。外力加大時它們將同時達到分切應(yīng)力相同。外力加大時它們將同時

16、達到臨界分切應(yīng)力，開始發(fā)生滑移，所以把取向臨界分切應(yīng)力，開始發(fā)生滑移，所以把取向因子相同的滑移系稱為這個外力下的因子相同的滑移系稱為這個外力下的等效滑等效滑移系。移系。 四、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動 四、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動 當(dāng)外力作用于單晶體試樣上時，它在某些相鄰層晶面上所分解的切應(yīng)力使晶體發(fā)生滑移，而正應(yīng)力和垂直滑移方向的另一正應(yīng)力因滑移錯開組成一力偶，使晶體在滑移的同時向外力方向發(fā)生轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動的趨勢為滑移面趨于平行拉力方向，滑移方向也趨于平行拉力方向?；谱冃蔚闹饕攸cv滑移只能在滑移只能在切應(yīng)力切應(yīng)力的作用下發(fā)生。的作用下發(fā)生。v滑移常沿晶體中滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向原子密度最大的

17、晶面和晶向發(fā)生。發(fā)生。因為在最密晶面之間的面間距最大，原子面之間的因為在最密晶面之間的面間距最大，原子面之間的結(jié)合力最弱，沿最密晶向滑移步長最小，滑移所需結(jié)合力最弱，沿最密晶向滑移步長最小，滑移所需外加切應(yīng)力最小。外加切應(yīng)力最小。 v滑移時晶體的一部分相對另一部分的滑移距離為原滑移時晶體的一部分相對另一部分的滑移距離為原子間距的子間距的整數(shù)倍整數(shù)倍，在晶體表面形成，在晶體表面形成臺階臺階。 v滑移的同時必然伴隨有晶體的滑移的同時必然伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動。五、滑移的基本類型v單滑移單滑移 外加切應(yīng)力外加切應(yīng)力tc開始一組滑移系；發(fā)生在滑移系缺少或塑開始一組滑移系；發(fā)生在滑移系缺少或塑性變形開始階

18、段。性變形開始階段。 特征：表面平行的滑移線所形成的滑移帶。特征：表面平行的滑移線所形成的滑移帶。v多滑移多滑移 外力軸與幾個滑移系取向相同，多個滑移系同時開動。外力軸與幾個滑移系取向相同，多個滑移系同時開動。 特征：兩組或多組交叉的滑移線。特征：兩組或多組交叉的滑移線。v交滑移交滑移 位錯滑移受阻時，離開原滑移面沿另一晶面繼續(xù)滑移，所位錯滑移受阻時，離開原滑移面沿另一晶面繼續(xù)滑移，所以滑移方向和大小不變。變形溫度越高，變形量越大，交滑以滑移方向和大小不變。變形溫度越高，變形量越大，交滑移越顯著。移越顯著。 特征：折線或波紋狀滑移線。特征：折線或波紋狀滑移線。多系滑移v對于具有多組滑移系的晶體

19、，滑移首先在取對于具有多組滑移系的晶體，滑移首先在取向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進向最有利的滑移系（其分切應(yīng)力最大）中進行，但由于變形時晶面轉(zhuǎn)動的結(jié)果，另一組行，但由于變形時晶面轉(zhuǎn)動的結(jié)果，另一組滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以滑移面上的分切應(yīng)力也可能逐漸增加到足以發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就發(fā)生滑移的臨界值以上，于是晶體的滑移就可能在兩組或更多的滑移面上同時進行或交可能在兩組或更多的滑移面上同時進行或交替的進行，從而產(chǎn)生替的進行，從而產(chǎn)生多系滑移。多系滑移。六、滑移的位錯機制v實際測得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力較理論計算值低實際測得晶體滑移的臨界分切應(yīng)力較理論計算值低34

20、個數(shù)個數(shù)量級，表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分沿量級，表明晶體滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分沿著滑移面作剛性整體位移，而是借助位錯在滑移面上運動來著滑移面作剛性整體位移，而是借助位錯在滑移面上運動來逐步進行的。逐步進行的。位錯學(xué)說位錯學(xué)說v晶體內(nèi)部存在某種缺陷晶體內(nèi)部存在某種缺陷位錯位錯v塑性變形依靠位錯的逐步運動。非單個位錯原子列塑性變形依靠位錯的逐步運動。非單個位錯原子列作原子間距的完整跳躍，而是位錯中心附近少數(shù)原作原子間距的完整跳躍，而是位錯中心附近少數(shù)原子作遠小于原子間距的彈性偏移實現(xiàn)。子作遠小于原子間距的彈性偏移實現(xiàn)。 實實理理的原因的原因滑移過程中存在位錯增殖滑移

21、過程中存在位錯增殖v位錯在運行過程中產(chǎn)生交割與塞積，位錯發(fā)生增殖，位錯在運行過程中產(chǎn)生交割與塞積，位錯發(fā)生增殖，密度越高，交割與塞積越嚴重，阻止位錯運行的阻密度越高，交割與塞積越嚴重，阻止位錯運行的阻力越大。力越大。v雜質(zhì)、晶界、固定位錯阻礙位錯運行，導(dǎo)致位錯塞雜質(zhì)、晶界、固定位錯阻礙位錯運行，導(dǎo)致位錯塞積。積。強化晶體材料方法：強化晶體材料方法：1、減少位錯等晶體缺陷，使之更接近于理想晶體、減少位錯等晶體缺陷，使之更接近于理想晶體2、盡量提高位錯密度，如冷變形金屬等，、盡量提高位錯密度，如冷變形金屬等，位錯位錯強化。強化。加工硬化加工硬化 p 變形過程中，位錯沿滑移面運動，各種位錯會頻繁相遇，發(fā)生一系列復(fù)雜的交割作用，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)等等現(xiàn)象，使位錯的運動受阻；p 位錯源發(fā)出的位錯受阻后產(chǎn)生塞積，造成位錯密度的逐漸增大。變形量越大，位錯密度就越大，變形抗力也越大。p 隨著位錯密度的升高，位錯之間的平均距離減小，它們之間的相互干擾和交互作用進一步增強，因而強度和硬度也就越來越大。p 此外，塑性變形也會導(dǎo)致晶格畸變，使外力和滑移面的相對位向也會發(fā)生變化。使開動位錯所需應(yīng)力增大。v孿晶：兩個晶體或者晶體的兩個部分沿孿晶：兩個晶體或者晶體的兩個部分沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面堆成的位向關(guān)系一個公共晶面構(gòu)成鏡面堆成的位向