CH5.2 材料的塑性變形(12級)

2023/2/45.2材料的塑性變形

單晶體的塑性變形

多晶體的塑性變形合金的塑性變形塑性變形對材料組織和性能的影響2023/2/45.2.1單晶體的塑性變形塑性變形是永久性變形。常溫或低溫下，單晶體的塑性變形主要有滑移、孿生，還有扭折。單晶受力后，在它晶面上可以分解出平行于晶面和垂直于晶面的兩個分量，前者稱為切應(yīng)力，后者稱為正應(yīng)力。切應(yīng)力產(chǎn)生塑性形變，而正應(yīng)力不產(chǎn)生塑性形變。31.滑移

(1)滑移的顯微觀察由大量位錯移動而導(dǎo)致晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對的移動，即晶體塑性變形的滑移機(jī)制。右下圖銅中的滑移帶(500×)2023/2/4銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶，173×經(jīng)拋光的退火態(tài)多晶純銅拉伸后，各個晶粒滑移帶的金相顯微鏡照片(采自C.Brady，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局)，可以發(fā)現(xiàn)原拋光面呈現(xiàn)出很多相互平行的細(xì)線。銅是fcc晶體，滑移系是{111}<110>，有12種組合。由圖看出，每個晶粒有兩個以上的滑移面產(chǎn)生了滑移。由于晶粒取向不同，滑移帶的方向不同。工業(yè)純銅中的滑移線2023/2/4(2)滑移線和滑移帶滑移帶(slipband)是由一系列相互平行更細(xì)的線組成的。這些線為滑移線(slipline)?；凭€實(shí)際上是在晶體表面產(chǎn)生的小臺階?；茙纬墒疽鈭D2023/2/4(3)滑移系晶體中的滑移是只能沿著特定的晶面(稱為滑移面

slipplane)和該面上一定的晶向(稱為滑移方向

slipdirection)上運(yùn)動，

將其分別稱為滑移面和滑移方向。一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系(slipsystem)?；葡当硎揪w在進(jìn)行滑移時可能采取的空間取向?；葡档膫€數(shù)=(滑移面?zhèn)€數(shù))×(每個面上所具有的滑移方向的個數(shù))2023/2/4體心立方和面心立方晶體的滑移系2023/2/4結(jié)論:①滑移與滑移面密排程度和滑移方向個數(shù)有關(guān)；滑移面和滑移方向往往是金屬晶體中原子排列的最密排面和最密排晶向。如fcc:｛111｝<110>；bcc:｛110｝、｛112｝和｛123｝<111>；hcp:｛0001｝原因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)致滑移的位錯的柏氏矢量也最小。

2023/2/49②滑移系主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。每一種晶格類型的金屬都有特定的滑移系，且滑移系數(shù)量不同。晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移系不同；一般晶體中滑移系越多，滑移越容易進(jìn)行，塑性越好。如：fcc中有（4×3=12）個，bcc中有12（6×2+12×1+24×1=）48個，hcp中有（3×1=）3個。與同時開動滑移系數(shù)目有關(guān)(k)2023/2/4由于體心立方結(jié)構(gòu)是一種非密排結(jié)構(gòu)，其滑移面并不穩(wěn)定，一般在低溫時多為{112}，中溫時多為{110}，而高溫時多為{123}，不過其滑移方向很穩(wěn)定，總為<111>，因此其滑移系可能有12～48個。bcc晶體{112}和{123}面的滑移系2023/2/4常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系2023/2/4(4)滑移的臨界分切應(yīng)力(τk)能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。通常把給定滑移系上開始產(chǎn)生滑移所需分切應(yīng)力稱為滑移的臨界分切應(yīng)力(criticalresolvedshearstress)。臨界分切應(yīng)力是在滑移系上第一個位錯開動所需要的切應(yīng)力。實(shí)際測出的臨界分切應(yīng)力(塑性形變的起始應(yīng)力)已不是單一的一個位錯運(yùn)動需要克服的阻力，而還應(yīng)包含一些運(yùn)動位錯間交互作用引起的阻力。

流變應(yīng)力：屈服以后的任一應(yīng)力。臨界分析應(yīng)力分析圖2023/2/4計算方法(計算分切應(yīng)力的分析圖):對一個單晶圓柱體(截面積為A)試樣作拉伸試驗，滑移面的面積A/cosφ，作用在此滑移面上的力Fcosλ，作用在滑移面上的分切應(yīng)力τ=Fcosφcosλ/A.分切應(yīng)力τ作用在滑移方向使晶體產(chǎn)生滑移，F(xiàn)/A為σs，則：

cosφcosλ為取向因子(orientationfactor)，該值越大，τ越大，越有利于滑移。2023/2/42023/2/4在拉伸時，可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用下，滑移系一開動就相當(dāng)于晶體開始屈服，此時，對應(yīng)于臨界分切應(yīng)力的外加應(yīng)力就相當(dāng)于屈服強(qiáng)度σSτc為臨界分切應(yīng)力，是一個與材料本性以及試驗溫度、加載速度等相關(guān)的量，與加載方向等無關(guān)。

鎂單晶屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系2023/2/4

當(dāng)滑移面法線方向、滑移方向與外力軸三者共處一個平面，則φ=45o時，cosφcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉應(yīng)力就能達(dá)到滑移所需的分切應(yīng)力，稱此取向為軟取向。當(dāng)外力與滑移面平行或垂直時(φ=90o或φ=0o)，則σs→∞，晶體無法滑移，稱此取向為硬取向。取向因子cosφcosλ對σs的影響在只有一組滑移面的密排六方結(jié)構(gòu)中尤為明顯。鎂單晶屈服應(yīng)力與晶體取向的關(guān)系2023/2/4(5)滑移時晶體的轉(zhuǎn)動若晶體在拉伸時不受約束，滑移時各滑移層會象推開撲克牌那樣一層層滑開，每一層和力軸的夾角保持不變。但在實(shí)際拉伸中，夾頭不能移動，這迫使晶體轉(zhuǎn)動，在靠近夾頭處由于夾頭的約束晶體不能自由滑動而產(chǎn)生彎曲，在遠(yuǎn)離夾頭的地方，晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動，滑移面和滑移方向逐漸趨于平行于拉伸軸線方向。

隨著滑移的進(jìn)行，晶體的取向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為晶體的轉(zhuǎn)動。對于密排六方結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象尤為明顯。2023/2/4壓縮時，滑移面逐漸趨于與壓力軸線方向垂直。滑移時不僅滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動，而滑移方向也逐漸改變，滑移面上的分切應(yīng)力也隨之改變。φ=45o時分切應(yīng)力最大?；茣r晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動，使晶體各部分相對外力的取向不斷改變，各滑移系的取向因子也發(fā)生變化。經(jīng)滑移轉(zhuǎn)動后，若φ角趨近于45o，則分切應(yīng)力逐漸增大，滑移越來越容易，稱為幾何軟化(geometricalsoftening)；若φ角遠(yuǎn)離45o，則滑移越來越困難，稱為幾何硬化(geometricalhardening)。2023/2/4拉伸時晶體轉(zhuǎn)動機(jī)制示意圖2023/2/4(6)多系滑移和交滑移只有一個特定的滑移系處于最有利的位置而優(yōu)先開動時，形成單滑移。當(dāng)外力的取向使2個或多個滑移系上的分切應(yīng)力均達(dá)到臨界分切應(yīng)力值時，這些滑移系可以同時開動而發(fā)生多系滑移，稱為多滑移(multislip/polyslip)。

多滑移的原因：由于很多晶系具有多組滑移系，決定滑移系能否開動的前提條件是其分切應(yīng)力能否達(dá)到其臨界值，當(dāng)某組滑移系開動后，由于不斷發(fā)生晶體的轉(zhuǎn)動，結(jié)果可能有兩組或幾組滑移面同時轉(zhuǎn)到有利位向。使得另一組或多組滑移系的分切應(yīng)力逐漸增加，并最終達(dá)到其臨界值，進(jìn)而使得滑移過程能夠沿兩個或兩個以上滑移系同時或交替進(jìn)行。2023/2/4如fcc中滑移系：{111}<110>，4個{111}面構(gòu)成一個八面體，當(dāng)拉力軸為[001]時，由圖中可以得出：①對所有的{111}面，角都是相同的，為54.7o。②λ角對[T01]、[101]、[011]、[0T1]也是相同的，為45o。③錐體底面上的兩個<110>方向與[001]垂直，則8面體上有4×2=8個取向因子相同的滑移系，當(dāng)τ=τk時可同時開動。但這些滑移系由不同的滑移面和滑移方向構(gòu)成，滑移時發(fā)生交互作用，產(chǎn)生割和反應(yīng)。2023/2/4

等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向與力軸夾角分別相等的一組滑移系。發(fā)生多系滑移時，在拋光表面看到不止一組的滑移線，而是兩組或多組交叉的滑移線。由于多個滑移系開動，位錯交截產(chǎn)生割階及位錯帶著割階運(yùn)動等原因使位錯運(yùn)動阻力增加，因而強(qiáng)度也增加。2023/2/4

交滑移(cross-slip)：指兩個或多個滑移面共同沿著一個滑移方向的交替滑移的現(xiàn)象。

交滑移的實(shí)質(zhì)是螺位錯在不改變滑移方向的情況下，從一個滑移面滑到交線處，轉(zhuǎn)到另一個滑移面的過程。交滑移形成的滑移線(帶)是折線形狀。交滑移不是幾個面“同時”滑動，而是“順序”滑動。晶體中多滑移

2023/2/4對低層錯能材料，位錯很難交滑移，位錯運(yùn)動是平面型的，稱平面滑動。對高層錯能材料，位錯容易交滑移，滑移線呈波紋狀，稱波紋滑動。交滑移容易與否，對材料的應(yīng)變硬化有很大的影響。層錯能越低，位錯不易通過交滑移越過遇到的障礙，從而加大了應(yīng)變硬化。bcc結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生交滑移。注意單滑移、多系滑移和交滑移的區(qū)別？

2023/2/4

單滑移為單一方向的滑移帶；多滑移為相互交叉的滑移帶；交滑移為波紋狀的滑移帶。滑移的表面痕跡:2023/2/4(7)滑移中的位錯機(jī)制

滑移是借助于位錯在滑移面上運(yùn)動來逐步進(jìn)行的；晶體的滑移必在一定外力作用下才能發(fā)生，說明位錯運(yùn)動要克服阻力，該阻力來自點(diǎn)陣阻力，稱為P—N力，其大小為：

τP－N=2Gexp(－2пW/b)/(1－ν)τP－N與W呈指數(shù)關(guān)系，d增大，w[=d/(1－ν)]增大，b減小，則τP－N下降，滑移阻力小，滑移容易進(jìn)行。

位錯的阻力：點(diǎn)陣阻力、位錯間的交互作用力產(chǎn)生的阻力、位錯交割后的釘扎作用(割階和扭折)、位錯與其他點(diǎn)缺陷的作用產(chǎn)生的阻力。這些均導(dǎo)致位錯的強(qiáng)化。2023/2/4刃位錯的滑移示意圖刃位錯和螺位錯的滑移模型2023/2/42.孿生

(1)孿生變形：是在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面(孿晶面：twiningplane)和一定方向(孿生方向；twiningdirection)相對于另一部分作均勻的切變(協(xié)同位移)所產(chǎn)生的變形。但是不同的層原子移動的距離也不同。變形與未變形的兩部分晶構(gòu)成鏡面對稱，合稱為孿晶(twin)。均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面稱為孿晶界。在金相顯微鏡下一般呈帶狀，稱為孿晶帶。2023/2/42023/2/4FCC晶體孿生變形孿生面是(111)，孿生方向是[11-2]。圖2是FCC晶體孿生示意圖。孿生時每層晶面的位移是借助于一個不全位錯(b=a/6[11-2])的移動造成的，各層晶面的位移量與其距孿晶面的距離成正比。孿晶與未變形的基體間以孿晶面為對稱面成鏡面對稱關(guān)系。孿晶在顯微鏡下觀察呈帶狀或透鏡狀。每層(111)面的原子都相對于鄰層(111)晶面在方向移動了此晶向原子間距的一個分?jǐn)?shù)值。2023/2/4(a)孿晶面與孿生方向(b)孿生變形時晶面移動情況面心立方晶體孿生變形示意圖

2023/2/431把孿晶以孿晶面上的[11-2]為軸旋轉(zhuǎn)180度，孿晶將與基體重合。其他晶體結(jié)構(gòu)也存在孿生關(guān)系，但各有其孿晶面和孿晶方向。

（1012）[1011]Zn,Cd,Be,Mg,Zn-Snhcp(112)[111]Cu-Zn(β)bcc(112)[111]Wbcc(112)[111]α-Febcc(111)[112]Al,Cu-Al,Au-Agfcc孿生要素合金系晶體結(jié)構(gòu)一些晶體中的常見孿生要素

2023/2/4(2)孿生的特點(diǎn)①孿生變形是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，并通常出現(xiàn)于滑移受阻的應(yīng)力集中區(qū)。因此孿生的τk比滑移大得多。hcp中常以孿生方式變形，bcc中在沖擊或低溫也可能借助于孿生變形，fcc中一般不發(fā)生孿生變形。②孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作均勻切變。而滑移是不均勻的。③孿生的兩部分晶體的位向不同，形成鏡面對稱的位向關(guān)系。而滑移后晶體各部分的位向并未改變。

2023/2/42023/2/4④孿生對塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移小得多。但孿生能改變晶體取向，使滑移轉(zhuǎn)到有利位置。⑤由于孿生變形后，局部切變可達(dá)較大數(shù)量，所以在變形試樣的拋光面上可以看到浮凸，經(jīng)重新拋光后，表面浮凸可以去掉，但因已變形區(qū)和未變形區(qū)的晶體位向不同，所以在偏光下或侵蝕后有明顯的襯度，仍能看到孿晶。而滑移變形后的試樣經(jīng)拋光后滑移帶消失。

形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體(密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形)，面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。

鎂鋅2023/2/436(3)孿晶的類型及形成按孿晶(twin)形成原因可將孿晶分為：變形孿晶(deformationtwinning)、生長孿晶、退火孿晶

①變形孿晶(機(jī)械孿晶)：機(jī)械變形過程中產(chǎn)生的孿晶。

特征：透鏡狀或片狀。其形成通過形核和長大兩個階段生產(chǎn),多數(shù)發(fā)源于晶界，終止于晶內(nèi)。形核是在晶體變形時以極快速度爆發(fā)出薄片孿晶；生長是通過孿晶界的擴(kuò)展使孿晶增寬。孿生變形在σ-ε曲線上表現(xiàn)為鋸齒狀變化。銅中的變形孿晶鋅中的變形孿晶銅單晶在4.2K的拉伸曲線2023/2/4孿生變形與晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。hcp中易發(fā)生，因?qū)\生往往在滑移困難時出現(xiàn)，而六方晶系的滑移系很少。層錯能低的fcc一般不易出現(xiàn)孿晶，其原因是滑移系多，而孿晶應(yīng)變大，但在極低溫度下會產(chǎn)生。

②生長孿晶：晶體自氣態(tài)、液態(tài)，或固體中長大時形成的孿晶。

③退火孿晶：形變金屬在其再結(jié)晶過程中形成的孿晶。一般退火孿晶界面平直，且孿晶片較厚。銅晶體中的退火孿晶組織2023/2/4(4)孿晶的位錯機(jī)制

孿生變形(deformationtwinning)是整個孿晶區(qū)發(fā)生均勻切變，其各層面的相對位移是借助于一個Shockley不完全位錯移動而造成的。形變孿晶是通過位錯增值的極軸機(jī)制形成的。(如：L型掃動位錯)2023/2/42023/2/4宏觀上，都是切應(yīng)力作用下發(fā)生的剪切變形；微觀上，都是晶體塑性變形的基本形式，是晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對另一部分的移動過程；都不會改變晶體結(jié)構(gòu)；從機(jī)制上看，都是位錯運(yùn)動結(jié)果。孿生和滑移的區(qū)別（一）孿生和滑移的相同點(diǎn)：2023/2/4(1)變形機(jī)制：滑移是全位錯的運(yùn)動，而孿生是不全位錯的運(yùn)動。滑移使滑移面兩側(cè)相對滑動一個完整的平移矢量(柏氏矢量)，一般為滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，滑移距離較大；而孿生則在孿晶內(nèi)所有的面都滑動，滑動的距離并非是完整的平移矢量，每個面的滑動量和距孿生面的距離成正比，一般小于孿生方向上的原子間距，較小。(2)滑移后沒有改變整個晶體的位向，而孿生則改變了晶體位向，使孿晶部分的位向與基體成對稱。(3)滑移產(chǎn)生總切變形量大（取決于晶體的塑性），對塑變的貢獻(xiàn)大；而孿生總切變形量?。ㄈQ于晶體結(jié)構(gòu)），對塑變的貢獻(xiàn)小。孿生和滑移的區(qū)別（二）不同點(diǎn)：2023/2/4(4)滑移使表面出現(xiàn)臺階(滑移線)，表面重新拋光后滑移線消失；孿生則使表面出現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能看到。(5)兩者發(fā)生的條件不同，滑移的切應(yīng)力大于臨界分切應(yīng)力，而孿生的臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移；一般先滑移，滑移困難時才能發(fā)生孿生方式變形。(6)滑移是不均勻切變過程，而孿生是均勻切變過程；(7)滑移比較平緩，應(yīng)力應(yīng)變曲線較光滑、連續(xù)，孿生則呈鋸齒狀。孿生和滑移的區(qū)別（二）不同點(diǎn)：2023/2/43.扭折(link)扭折與孿生不同的是它使扭折區(qū)晶體的取向發(fā)生了不對稱性的變化。扭折是塑性形變的一種形式，其出現(xiàn)條件:滑移和孿生困難時發(fā)生。扭折區(qū)上下界面是由符號相反的兩列刃型位錯所構(gòu)成，而每一彎曲區(qū)是由同號位錯堆積而成，取向是逐漸彎曲過渡的。扭折還伴隨形變孿晶。鎘單晶壓縮時出現(xiàn)的扭折帶2023/2/4扭折是不均勻塑性變形的一種形式，它是在滑移和孿生難以實(shí)現(xiàn)，或者在變形受到某種約束時才出現(xiàn)的。在扭折帶中，晶體位向有突變，有可能使該區(qū)域內(nèi)的滑移系處于有利的位置，從而產(chǎn)生滑移。鎘單晶壓縮時出現(xiàn)的扭折帶2023/2/44.位錯塞積在切應(yīng)力的作用下，F(xiàn)－R位錯源所產(chǎn)生的大量位錯沿滑移面的運(yùn)動過程中，如果遇到障礙物(固定位錯、雜質(zhì)粒子、晶界)的阻礙，領(lǐng)先的位錯在障礙前被阻止，后續(xù)的位錯被堵塞起來。形成位錯的平面塞積群，稱為位錯塞積。2023/2/4位錯塞積群的位錯數(shù)n與障礙物至位錯源的距離L呈正比。塞積群在障礙處產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，其值τ為：τ=nτ0τ0為滑移方向的分切應(yīng)力值。L越大，n越多，τ越大。

2023/2/45.2.2多晶體的塑性變形

1.晶粒取向的影響

晶界具有阻滯效應(yīng)：90%以上的晶界是大角度晶界，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成，這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒，晶界附近變形較晶粒內(nèi)部小。

原因：(1)晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則，分布有大量缺陷。(2)晶界對變形的影響：滑移、孿生多終止于晶界，極少穿過。

晶界具有取向差效應(yīng)：多晶體中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能從一個晶粒直接延續(xù)到另一晶粒中。2023/2/4

在變形過程中各晶粒具有相互制約和協(xié)調(diào)性。在多晶體中，外力作用下處于有利位向的晶粒首先滑動→位錯開動，增殖→晶界上位錯塞積→應(yīng)力集中(τ>τk)→相鄰晶粒位錯源開動→相鄰晶粒變形→塑變。2.晶粒之間變形的傳播2023/2/4

各晶粒間變形時相互協(xié)調(diào)與配合。原因：(1)各晶粒之間變形具有非同時性。(2)要求各晶粒之間變形相互協(xié)調(diào)否則獨(dú)立變形會導(dǎo)致晶體分裂。(3)理論分析指出，多晶體塑性變形時要求每個晶粒至少能在5個獨(dú)立的滑移系進(jìn)行滑移，保證晶粒形狀的自由變化。能否滿足該要求與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。3.晶粒之間變形的協(xié)調(diào)性2023/2/44.晶界對性能的影響

晶界對晶粒變形具有阻礙作用。拉伸試樣變形后在晶界處呈竹節(jié)狀，每個晶粒中的滑移帶均終止于晶界附近，晶界附近位錯塞積，塞積數(shù)目n為：n=kлτ0l/Gb2023/2/42023/2/4位錯塞積，密度增高，材料強(qiáng)度提高。因此，晶粒越細(xì)，晶界越多，材料強(qiáng)度(包括σs，σb，σ-1)越高，塑韌性較好，稱為細(xì)晶強(qiáng)化(grainsizestrenthing)，其σs與d關(guān)系如下：σs=σ0＋kd-1/2

Hall-Petch公式晶粒直徑(μm)400501052下屈服點(diǎn)(KN/m2)

8612118024234510鋼σs與晶粒大小的關(guān)系屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系圖

2023/2/4晶界對硬度的影響低碳鋼的σb與晶粒直徑的關(guān)系2023/2/4

σs=σ0＋kd-1/2具有廣泛的適用性)σs－亞晶d、σs－So·····)。不僅適用于屈服強(qiáng)度，同時也適用于整個流變范圍以至斷裂強(qiáng)度。細(xì)小而均勻的晶粒使材料具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時具有良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。Cu和Al的σs與亞晶尺寸的關(guān)系鋅的單晶和多晶的拉伸曲線比較由鋅的拉伸曲線圖可以看出：比較：同一材料多晶體的強(qiáng)度高，但塑性較低。單晶塑性高。結(jié)果：只有加大外力，才能使那些滑移面位向不利的晶粒逐漸加入滑移，結(jié)果多晶試樣強(qiáng)度上升，塑性下降。鋅的單晶體與多晶體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線2023/2/4鋅的單晶和多晶的拉伸曲線比較原因：多晶中各個晶粒的取向不同。在外力作用下，某些晶粒的滑移面處于有利的位向，受到大于σk的切應(yīng)力，位錯開始滑移。當(dāng)相鄰晶粒處于不利位向，不能開動滑移系時，則變形晶粒中的位錯不能越過晶粒晶界，而是塞積在晶界附，這個晶粒的變形便受到約束，整個多晶的變形困難得多。鋅的單晶體與多晶體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線2023/2/4晶粒越細(xì)，強(qiáng)度和塑韌性越高的原因：(1)

晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高的原因

(細(xì)晶強(qiáng)化：霍爾－配奇公式s=0+kd-1/2

)。晶粒越細(xì)，晶界越多，位錯運(yùn)動的阻力越大。形變時宏觀協(xié)調(diào)的難易與晶粒尺寸相關(guān)，晶粒小時各晶粒間形變比較均勻。晶粒越大，形變越不均勻，晶粒“碎化”的現(xiàn)象越強(qiáng)烈。大晶粒形變要求局部開動比較少的滑移系(少于5個)，結(jié)果流變應(yīng)力會降低。2023/2/4(2)

晶粒越細(xì)，塑韌性提高的原因原因：晶粒越多，變形均勻性提高由應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂機(jī)會減少，可承受更大的變形量，表現(xiàn)出高塑性。細(xì)晶粒材料中，應(yīng)力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，在斷裂過程中可吸收較多能量，表現(xiàn)高韌性。2023/2/4等溫強(qiáng)度TE示意圖

低于TE時晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度2023/2/4

1．各晶粒變形的不同時性和不均勻性。晶體中各晶粒的空間取向不同，多相材料在較軟相的晶粒中首先發(fā)生塑性變形。為多滑移。2．各晶粒變形的相互制約性與相互協(xié)調(diào)性，通過各晶粒的多系滑移來保證相互協(xié)調(diào)性。變形需要五個以上的獨(dú)立滑移系同時動作。fcc和bcc金屬能滿足五個以上獨(dú)立滑移系的條件，塑性通常較好；而hcp金屬獨(dú)立滑移系少，塑性通常不好。3．滑移的傳遞，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯源。

多晶體的塑性變形的特點(diǎn)（總結(jié)）2023/2/44．產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、出現(xiàn)加工硬化和纖維組織。多晶體的變形抗力比單晶體大，變形更不均勻。由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，使多晶體的變形抗力比單晶體大，其中，取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因，一般說來，晶界阻滯效應(yīng)只在變形早期較重要。hcp系的多晶體金屬與單晶體比較，前者具有明顯的晶界阻滯效應(yīng)和極高的加工硬化率，而在立方晶系金屬中，多晶和單晶試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線就沒有那么大的差別。5．除滑移和孿生外，還有晶界的滑動和遷移，點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散等。6.塑性變形時，導(dǎo)致一些物理、化學(xué)性能的變化。

2023/2/45.2.3合金的塑性變形

合金分類：單相固溶體合金多相合金合金的塑性變形：單相固溶體合金塑性變形多相合金塑性變形2023/2/4一.單相固溶體合金塑性變形

溶質(zhì)原子的作用主要表現(xiàn)在固溶強(qiáng)化(Solid-solutionStrenthening)作用，提高塑性變形抗力。1.

固溶強(qiáng)化

固溶體合金的σ-ε曲線：由于溶質(zhì)原子溶入基體金屬使σs

和整個σ-ε曲線的水平提高，變形能力下降，加工硬化率n提高。右上圖為Cu-Ni固溶體的力學(xué)性能與成分的關(guān)系，右下圖為Al溶有Mg后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。2023/2/42023/2/4影響固溶強(qiáng)化的因素：①溶質(zhì)原子類型及濃度。對于同一溶質(zhì)，固溶體的屈服強(qiáng)度一般與其含量成曲線關(guān)系。②溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸差。相差大時強(qiáng)化作用大。③間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶原子固溶強(qiáng)化效果好。④溶質(zhì)原子與基體金屬價電子數(shù)差。價電子數(shù)差越大，強(qiáng)化作用大。

固溶強(qiáng)化實(shí)質(zhì)：溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、化學(xué)交互作用和靜電交互作用。

強(qiáng)化效果公式：5.13式固溶強(qiáng)化機(jī)制：晶格畸變，阻礙位錯運(yùn)動；柯氏氣團(tuán)強(qiáng)化。2023/2/4固溶強(qiáng)化的實(shí)質(zhì)：溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用。溶質(zhì)原子形成柯氏氣團(tuán)，對位錯運(yùn)動起著釘扎作用，從而阻礙位錯運(yùn)動。靜電交互作用。位錯周圍畸變區(qū)的存在將對固溶體的電子云分布產(chǎn)生影響。由于該畸變區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不同，溶質(zhì)原子的額外自由電子從點(diǎn)陣壓縮區(qū)移向拉伸區(qū)，并使壓縮區(qū)呈正電，而拉伸區(qū)呈負(fù)電，即形成局部靜電偶極。其結(jié)果導(dǎo)致電離程度不同的溶質(zhì)原子與位錯區(qū)發(fā)生短程的靜電交互作用，溶質(zhì)原子或富集于拉伸區(qū)或富集于壓縮區(qū)均會產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。約占1/3-1/6。化學(xué)交互作用。這與晶體中的擴(kuò)展位錯有關(guān)，由于層錯能與化學(xué)成分有關(guān)，因此晶體中的層錯區(qū)的成分與其他地方存在一定的差別，這種成分的偏聚也會阻礙為錯的運(yùn)動，且層錯能下降會導(dǎo)致層錯區(qū)變寬，產(chǎn)生強(qiáng)化作用。比彈性作用小一個數(shù)量級。2.屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時效上屈服點(diǎn)：試樣開始屈服時對應(yīng)的應(yīng)力。下屈服點(diǎn)：載荷首次降低的最低載荷或不變載荷。產(chǎn)生原因：溶質(zhì)氣團(tuán)(即金屬含有微量的如碳、氮等間隙原子)。屈服過程：試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微小的波動，在拉伸曲線上出現(xiàn)一個應(yīng)力平臺區(qū)，試樣在此恒定應(yīng)力下的伸長。

2023/2/4

呂德斯帶：在發(fā)生屈服延伸階段，試樣的應(yīng)變是不均勻的，在試樣表面可觀察到與縱軸約呈45o交角的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯(Lüders)帶。

呂德斯帶會造成拉伸和深沖過程中工件表面不平整。2023/2/4屈服現(xiàn)象的理論解釋之一

(1)與金屬中微量的溶質(zhì)原子有關(guān)，即柯氏氣團(tuán)理論溶質(zhì)原子與位錯的應(yīng)力場發(fā)生彈性交互作用，形成柯氏氣團(tuán)(Cottrell),釘扎位錯運(yùn)動，必須在更大的應(yīng)力作用下才能產(chǎn)生新的位錯或使位錯掙脫柯氏氣團(tuán)的釘扎而移動，表現(xiàn)為上屈服點(diǎn)；一旦脫釘，使位錯繼續(xù)運(yùn)動的應(yīng)力就不需開始時那么大，故應(yīng)力值下降到下屈服點(diǎn)和水平臺，試樣繼續(xù)伸長，應(yīng)力保持為定值或有微少的波動。這就是屈服現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

材料塑性變形時應(yīng)變速度與晶體中可動位錯的密度、位錯運(yùn)動的平均速度及位錯的柏氏矢量成正比。2023/2/4屈服現(xiàn)象的理論解釋之二(2)位錯運(yùn)動與增殖理論:

應(yīng)變速率：ε’∝ρmbv位錯運(yùn)動速度：v=(τ/τ0)m’

開始變形時，ρm低，欲使應(yīng)變速率固定，需要較大的v值，故需要較高的應(yīng)力τ，表現(xiàn)為上屈服點(diǎn)；一旦塑性變形開始后，位錯迅速增殖，ρm增加，必然導(dǎo)致v的突然下降(為保持應(yīng)變速率固定)，所以所需的應(yīng)力τ突然下降，產(chǎn)生了屈服現(xiàn)象。是否產(chǎn)生屈服點(diǎn)現(xiàn)象還與材料的m’值有關(guān)，m’小的材料，如Ge，Si，LiF，F(xiàn)e等出現(xiàn)顯著的上下屈服點(diǎn)。2023/2/4開始變形前晶體中有可動位錯密度ρm較低；隨著塑性變形的發(fā)生，位錯能迅速增殖，ρm迅速增加；應(yīng)力敏感因子較低。材料具有明顯屈服現(xiàn)象的條件2023/2/4應(yīng)變時效：將低碳鋼試樣拉伸到產(chǎn)生少量預(yù)塑性變形后卸載，然后重新加載，試樣不發(fā)生屈服現(xiàn)象，但若產(chǎn)生一定量的塑性變形后卸載，在室溫停留幾天或在低溫(如150℃)時效幾小時后再進(jìn)行拉伸，此時屈服點(diǎn)現(xiàn)象重新出現(xiàn)，并且上屈服點(diǎn)升高，這種現(xiàn)象。

應(yīng)變時效原因：室溫長期停留或低溫時效期間，溶質(zhì)原子C、N又聚集到位錯線周圍重新形成氣團(tuán)所致。

應(yīng)變時效2023/2/4解決由于呂德斯帶造成的工件表面不平整的措施:A.加入少量能奪取固溶體合金中的溶質(zhì)原子，使之形成穩(wěn)定化合物的元素。B.板材在深沖之前進(jìn)行比屈服伸長范圍稍大的預(yù)變形(約0.5%～2%變形度)，使位錯掙脫氣團(tuán)的釘扎，然后盡快進(jìn)行深沖。2023/2/4二.多相合金的塑性變形

多相合金的基本相為固溶體。第二相是用來強(qiáng)化的一種重要方式，它可以通相變熱處理[沉淀強(qiáng)化(precipitationstrengthening)、時效強(qiáng)化(agehardening)]或粉末冶金法[彌散強(qiáng)化]來獲得。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，將阻礙位錯運(yùn)動，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。如果第二相微粒是通過過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出并產(chǎn)生強(qiáng)化，則稱為沉淀強(qiáng)化或時效強(qiáng)化；如果第二相微粒是通過粉末冶金方法加入并起強(qiáng)化作用，則稱為彌散強(qiáng)化。2023/2/4根據(jù)第二相粒子的尺寸大小可將合金分為：

(1)聚合型兩相合金(兩相尺寸、性能相近)：第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸屬同一數(shù)量級。

(2)彌散分布型兩相合金(兩相尺寸、性能相差很大)：如果第二相粒子十分細(xì)小，并且彌散地分布在基體晶粒內(nèi)。多相合金的主要變形方式仍然是滑移與孿生。2023/2/41.聚合型合金的塑性變形

該類合金具有較好的塑性，合金的變形能力取決與兩相的體積分?jǐn)?shù)?？砂凑盏葢?yīng)力理論和等應(yīng)變理論來計算合金在一定應(yīng)變條件下的平均流度應(yīng)力和在一定條件下的平均應(yīng)變，則由混合律計算得到。

等應(yīng)變理論：假定塑性變形過程中兩相應(yīng)變相等，合金產(chǎn)生一定應(yīng)變的平均流變應(yīng)力

σ=φ1σ1+φ2σ2

其中：φ1、φ2為兩個相的體積分?jǐn)?shù)φ1＋φ2=1；σ1、σ2為兩個相在此應(yīng)變時的流變應(yīng)力。

等應(yīng)力理論：假定塑性變形過程中兩相應(yīng)力相同。對合金施加一定應(yīng)力時，平均應(yīng)變ε=ε1φ1+ε2φ2其中：ε1，ε2為一定應(yīng)力下兩相的應(yīng)變。

2023/2/4如果聚合型合金兩相中一個為塑性相，一個為硬脆相，則合金在塑性變形過程所表現(xiàn)的性能與第二相的相對含量、形狀、大小、分布有關(guān)。

(1)若硬脆相呈連續(xù)分布在塑性相(基體)晶界上，則經(jīng)少量變形后會發(fā)生沿晶脆斷。脆性相越多，網(wǎng)狀越連續(xù)，塑性越差。如過共析鋼中二次Fe3C呈網(wǎng)狀分布于鐵素體晶界上。2023/2/4

(2)若硬脆相呈層片狀分布在基體相中，由于變形主要集中在基體相中，且位錯移動被限制在很短距離內(nèi)，增加了繼續(xù)變形的阻力，使其強(qiáng)度提高。如鋼中的片狀P由片狀α和片狀Fe3C相間組成。

2023/2/4

(3)若硬脆相呈粒狀分布于基體中，因基體相連續(xù)，第二相對基體變形的阻礙作用大大減弱，具有強(qiáng)度和塑性的配合。如：粒狀P中Fe3C呈顆粒分布，鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。2023/2/42.彌散分布型合金的塑性變形

該合金中第二相粒子是通過對位錯運(yùn)動的阻礙作用而表現(xiàn)出來的。第二相粒子通常分為兩類：

(1)不可變形粒子

(2)可變形粒子

2023/2/4(1)不可變形粒子的強(qiáng)化作用含有不可變形粒子的合金中位錯運(yùn)動與粒子相遇時采用(E.Orowan機(jī)制)繞過機(jī)制，結(jié)果在粒子周圍留下位錯環(huán)，而其余部分則越過粒子繼續(xù)運(yùn)動。該機(jī)制適用于第二相粒子較硬并與基體界面為非共格的情形。位錯繞過第二相粒子的示意圖第二相顆粒周圍的位錯環(huán)2023/2/4位錯線彎曲繞過第二相粒子所需要的切應(yīng)力為：λ—第二相粒子間距λ=2R這是一臨界值，只有外加切應(yīng)力大于上述臨界值Gb/λ時，位錯線才能繞過去。因此，τ∝1/λ，粒子越多，λ越小，τ大.強(qiáng)化效果愈明顯。減小粒子尺寸或提高粒子的體積分?jǐn)?shù)都可以合金強(qiáng)度提高。理論計算λ小到20—50個原子間距時，強(qiáng)化效果最佳。位錯繞過第二相粒子的示意圖第二相顆粒周圍的位錯環(huán)2023/2/4利用粉末冶金方法再加上冷擠壓加工得到在Al基體上分布著Al2O3粒子的合金。具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性。

應(yīng)用舉例：2023/2/4(2)可變形微粒的強(qiáng)化作用

可變形粒子的合金中位錯運(yùn)動與粒子相遇時切過機(jī)制，即第二相粒子在位錯切過粒子時隨同基體一起變形。其強(qiáng)化作用取決于粒子本身的性質(zhì)及粒子與基體的聯(lián)系。適用于第二相粒子較軟并與基體共格的情形2023/2/4

可變形粒子的強(qiáng)化作用主要決定于粒子本身的性質(zhì)以及其與基體的聯(lián)系，其主要作用如下：1、位錯切過粒子時，粒子產(chǎn)生寬度為b的臺階，出現(xiàn)了新的表面積，界面能升高。2、當(dāng)共格的粒子為有序結(jié)構(gòu)時，位錯切過粒子會沿滑移面產(chǎn)生反相疇界，位錯切過粒子時需要附加應(yīng)力，使能量升高。3、位錯切過粒子時，引起滑移面上原子錯排，需要做功，給位錯運(yùn)動帶來困難。2023/2/44、由于粒子的點(diǎn)陣常數(shù)與基體不一樣，粒子周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場與位錯發(fā)生交互作用，阻礙位錯運(yùn)動。5、由于基體和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位錯線切過粒子時必然產(chǎn)生一割階，而割階會妨礙整個位錯線的移動。6、由于粒子的層錯能與基體的不同，若擴(kuò)展位錯切過粒子時，其寬度發(fā)生變化，引起能量升高，從而強(qiáng)化。

在實(shí)際合金中，起主要作用的往往是1－2種。增大粒子尺寸或增加體積分?jǐn)?shù)有利于提高強(qiáng)度。2023/2/4位錯行為繞過和切過2023/2/45.2.4塑性變形對材料組織和性能的影響

塑性變形對材料組織和性能的影響主要表現(xiàn)在以下方面：顯微組織變化：晶粒形狀的變化、亞結(jié)構(gòu)的變化、形變織構(gòu)性能的變化：加工硬化、力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能冷軋對銅及鋼性能的影響2023/2/4(一)顯微組織變化

經(jīng)塑性變形后材料的顯微組織(microstructure)變化是：

1.晶粒形狀的變化

(1)出現(xiàn)大量的滑移帶和孿晶帶。

(2)晶粒形狀發(fā)生了變化。隨變形度增大，等軸狀晶?！馄骄Я！w維組織。纖維組織(fibermicrostructure)分布方向是材料流變伸展方向。2023/2/4低碳鋼塑性變形后纖維組織

a)30%壓縮b)50%壓縮

2023/2/4

(3)當(dāng)金屬中組織不均勻，如有枝晶偏析或夾雜物時，塑性變形使這些區(qū)域伸長，這在后序的熱加工或熱處理過程中會出現(xiàn)帶狀組織(bandmicrostructure)。2023/2/4

2.亞結(jié)構(gòu)(sub—grain)的變化

(1)隨變形度增大，位錯密度迅速增大。

(2)位錯組態(tài)和分布等亞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：變形度增大，位錯密度增大→位錯呈紛亂不均勻分布→位錯纏結(jié)→位錯胞(稱為胞狀亞結(jié)構(gòu)，是大量位錯纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯密度低)→細(xì)長狀變行胞。低碳鋼形變(胞狀)亞結(jié)構(gòu)2023/2/4胞狀亞結(jié)構(gòu)的形成不僅與變形度有關(guān)，而且還取決于材料類型。層錯能高易出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)；層錯能低，易形成較為均勻而復(fù)雜的位錯網(wǎng)。低碳鋼形變(胞狀)亞結(jié)構(gòu)2023/2/43.形變織構(gòu)

織構(gòu)(擇尤取向)：多晶體晶粒取向集中分布在某一個或某些取向附近的現(xiàn)象。

出現(xiàn)織構(gòu)的原因：形變總是在取向有利的滑移系和孿生系上發(fā)生，結(jié)果使得形變后晶體的取向并非是任意的。隨著形變進(jìn)行，各晶粒的取向會逐漸轉(zhuǎn)向某一個或多個穩(wěn)定的取向，這些穩(wěn)定的取向取決于金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)及形變方式。2023/2/4織構(gòu)的類型織構(gòu)的類型取決于形變金屬的本質(zhì)及加工方式。(1)形變織構(gòu)(deformationtexture)：是晶粒在空間上的擇優(yōu)取向(preferredorientation)。(2)類型及特征①絲織構(gòu)(fiber/wiretexture)及特征:某一晶向趨于與拔絲方向平行。拉拔時形成，用<uvw>表示②板織構(gòu)(rollingtexture)及特征:某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。軋制時形成，用｛hkl｝<uvw>表示2023/2/4形變織構(gòu)對性能的影響形變織構(gòu)的出現(xiàn)會使得材料呈現(xiàn)一定程度的各向異性，這對材料的加工性能和使用性能都會帶來一定的影響。例如：加工過程中織構(gòu)有利于深沖板材變形控制；而出現(xiàn)“制耳”現(xiàn)象就是我們所不希望出現(xiàn)的。變壓器用硅鋼片的(100)[001]織構(gòu)由于其處于最易磁化方向，可減少鐵損，是我們所希望的。2023/2/4(二)性能的變化加工硬化(形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化)：金屬材料在塑性變形過程中，隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑韌性下降的現(xiàn)象。加工硬化有利：強(qiáng)化金屬的重要途徑；提高材料使用安全性；材料加工成型的保證。加工硬化的弊：變形阻力提高，動力消耗增大；脆性斷裂的危險性提高。1.加工硬化2023/2/4加工硬化的原因是位錯密度增加，其機(jī)制：位錯滑動和林位錯交割，增加阻力。林位錯使F-R源產(chǎn)生割階，帶割階的位錯運(yùn)動阻力加大形成的不動位錯增大了形變的抗力。由局部應(yīng)力場(短程交互作用)引起硬化。2023/2/4加工硬化過程的位錯解釋

上述三個階段加工硬化與其塑性變形不同過程中位錯的運(yùn)動及交互作用有