多晶体的塑性变形

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本章知识结构,金属的变形特性,晶体的塑性变形,组织与性能的变化,多晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形,合金的塑性变形,弹性变形,材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为,弹性变形,。,弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反映为晶格发生了伸长,(,缩短,),或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。,定义：不能恢复的永久性变形叫,塑性变形,。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。,塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率,(%),或断面减缩率,(%),表示。,实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。,塑性变形,6.2,单晶体的塑性变形,常温下塑性变形的主要方式：,滑移,、,孪生,。,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变方式。,（,1,）滑移,滑移系,晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，将其称为,滑移面,和,滑移方向,。,滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向。,每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个,滑移系,。,滑移系的个数：,(,滑移面个数）,（每个面上所具有的滑移方向的个数）,。,面心立方晶体中的滑移系,滑移面为,111,滑移方向为,滑移系共有,43,12,个,bcc,晶体,112,和,123,面的滑移系,体心立方晶体中的滑移系,低温时滑移面为,112,，中温时多为,110,，而高温时多为,123,滑移方向为,滑移系为,110,6,2,+112,12,1,+123,24,1,，其滑移系可能有,12-48,个。,密排六方晶体中的滑移系,密排六方晶体中，滑移方向一般都是,当,c/a,接近或大于,1.633,时，,0001,为最密排面，滑移系即为,0001,，共有三个,当,c/a,小于,1.633,时，,0001,不再是密排面，滑移面将变为柱面,1010,或斜面,1011,，滑移系分别为三个和六个。,滑移的临界分切应力,滑移过程开始时的分切应力就称为,临界分切应力,。,假设其横截面积为,A,，,为滑移面法线与中心轴线夹角，,为滑移方向与外力,F,夹角。,s,s,cos,cos,s,称为,临界分切应力,。,cos,cos,称为,取向因子,或,schmid,因子。,软取向,硬取向,滑移时晶面的转动,位向和晶面的变化,拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向；,压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。,取向因子的变化,几何硬化：,，,远离,45,，滑移变得困难；,几何软化：,，,接近,45,，滑移变得容易。,多滑移,滑移过程沿两个以上滑移系同时或交替进行，这种滑移过程就称为称,多滑移,。,交滑移,：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。,双交滑移,：交滑移后的螺位错再转回到与原滑移面平行的平面滑移。,交滑移,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,。,滑移的表面痕迹,位错的易动性,原子的微小移动导致晶体产生一个原子间距的位移。,多个位错的运动导致晶体的宏观变形。,（,6,）滑移的位错机制,弗兰克,-,瑞德源,（,2,）孪生,孪生是晶体塑性变形的另一种常见方式，是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分发生均匀切变的过程。,a.,变形前,b.,滑移,c.,孪生,晶体滑移和孪生变形后的结构与外形变化示意图,(a),孪晶面与孪生方向,(b),孪生变形时晶面移动情况,面心立方晶体孪生变形示意图,发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。,孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。,滑移,孪生,相同点,1,切变；,2,沿一定的晶面、晶向进行；,3,不改变结构。,不,同,点,晶体位向,不改变,改变，形成镜面对称关系,位移量,滑移方向上原子间距的整数倍，较大。,小于孪生方向上的原子间距，较小。,对塑变的贡献,很大，总变形量大。,有限，总变形量小。,变形应力,有一定的临界分切压力,所需临界分切应力远高于,滑移,变形条件,一般先发生滑移,滑移困难时发生,变形机制,全位错运动的结果,分位错运动的结果,孪生的与滑移的比较,知识结构,形变的基本概念,晶体的塑性变形,组织与性能的变化,回复与再结晶,多晶体的塑性变形,单晶体的塑性变形,合金的塑性变形,动态回复与动态再结晶,多晶体与单晶体的区别,晶粒间存在晶界,晶粒的位向不同,6.3,多晶体的塑性变形,单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。,锌的的应力应变曲线,（,1,）多晶体变形的特点,每一晶粒的取向“软”和“硬”不同，形变先后及形变量也不同。,为保持整体的连续性，每个晶粒的形变必受相邻晶粒所制约。,相邻晶粒的协调性,由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形,便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。,基本规律：,(1),跨过晶界的延伸率变化是连续的；,(2),靠近晶界处的延伸率较小；,(3),细晶粒形变较均匀且强度高；,相反，大晶粒形变不均匀，强度低。,晶界的影响,对只有两个晶粒的双晶试样拉伸结果表明，室温下拉伸变形后，呈现竹节状。,说明室温变形时晶界具有明显强化作用。,双晶拉伸实验,当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。,晶界对塑性变形的影响,Cu-4.5Al,合金晶界的位错塞积,晶粒大小对塑性变形的影响,实验表明，多晶体的强度随其晶粒的细化而增加。,Hall-Patch,关系：,屈服强度与晶粒尺寸的关系图,多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于,45,的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由,一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。,铜多晶试样拉伸后形成的滑移带,（,2,）多晶体金属的塑性变形过程,晶粒之间变形的传播,位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变,晶粒之间变形的协调性,（,a,）原因：各晶粒之间变形具有非同时性。,（,b,）要求：各晶粒之间变形相互协调。（独立变形会导致晶体分裂）,（,c,）条件：独立滑移系,5,个。（保证晶粒形状的自由变化）,晶界对变形的阻碍作用,（,a,）晶界的特点：原子排列不规则；分布有大量缺陷。,（,b,）晶界对变形的影响,:,滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。,晶粒大小与金属强度关系,（,c,）,晶粒大小与性能的关系,a,晶粒越细，强度越高,(,细晶强化,：霍尔佩奇公式,),s,=,0,+kd,-1/2,原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力,(,位错塞积与交割,),越大。（有尺寸限制）,晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中,导致的开裂机会减少，可承受更大的变,形量，表现出高塑性。,b,晶粒越细，塑韧性提高,细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易,萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂,过程中可吸收较多能量,表现,高韧性,。,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。,因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变,形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,应变,应力,塑性材料,脆性,材料,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称,细晶强化,。,等强温度示意图,当温度升高时，随着原子活动性的加强，晶界也变得逐渐不稳定，这将导致其强化效果逐渐减弱，甚至出现晶界弱化的现象。当温度低于等强温度时，晶界强度高于晶内强度，反之则晶界强度小于晶内强度。,等强温度,本节要点,概念：多滑移、交滑移、孪生、孪晶、细晶强化、等强温度,多晶体变形的特点,细晶强化的机制（强度、塑性、韧性）,Hall-Petch,公式,下节内容,：合金的塑性变形,例,1,：若单晶铜的表面恰好为,100,晶面，假设晶体可以在各个滑移系上滑移，试讨论表面上可能看到的滑移线的形貌（滑移线的方位和他们之间的夹角）。若单晶体表面为,111,面呢？,解：铜晶体为面心立方点阵，其滑移系为,111,。若铜单晶体的表面为,100,晶面，当塑性变形时，晶体表面出现的滑移线应是,111,与,100,的交线,，即在晶体表面上见到的滑移线是相互平行的，或者互相成,90,夹角。,当铜单晶的外表面为,111,晶面时，表面出现的滑移线为,，它们要么相互平行，要么相互交角为,60,。,讨论：在讨论晶体表面滑移线形貌时，只要考虑晶体的滑移面与表面的交线形貌就可以。,例,2,：铝单晶体在室温时的临界分切应力为,7.910,5,Pa,，若室温下对铝单晶试样作拉伸实验时，拉力轴为,123,方向，可能开动的滑移系为,(111)101,，求引起试样屈服所需要加的力。,解：铝晶体为面心立方点阵，其滑移系为,111,，,单晶体拉伸时：,s,s,cos,cos,已知：,s,7.910,5,Pa,，拉力轴为,123,方向，开动的滑移系为,(111)101,，则,为,拉力轴,123,与,(111),晶面的法线,(111),之间的夹角，,为,123,与,101,之间的夹角，故,讨论：由,schmid,定律可知，外力在滑移方向上的分切应力为,cos,cos,，当,达到临界值时，宏观上金属开始屈服。此时，,=,s,。,例,3,：沿密排六方单晶体的,0001,方向分别加拉伸力和压缩力。说明在这两种情况下，形变的可能性及形变所采取的主要形式。,解：排六方金属的滑移面为（,0001,），而,0001,方向的力在滑移面上的分切应力为零，故单晶体不能滑移。拉伸时，单晶体可能产生的形变是弹性形变或随后的脆断；压缩时，在弹性形变后可能有孪生。,讨论：晶体受到外力作用时，不论外力方向、大小和作用方式如何，均可将其分解成垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。只有外力引起的作用于滑移面上、沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，才会产生滑移；而正应力只能引起弹性变形，甚至断裂。,例,4,：某面心立方晶体的可动滑移系为（,111,）,110,。,（,1,）指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；,（,2,）如果滑移是由纯刃型位错引起的，指出位错线的方向；,（,3,）如果滑移是由纯螺型位错引起的，指出位错线的方向；,（,4,）指出在,(2)(3),两种情况下滑移时位错线的移动方向；,（,5,）假定在该滑移系上作用一大小为,0.7MPa,的切应力，试计算单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。（点阵常数,a=0.2nm,）,解,（,1,）引起滑移的单位位错的柏氏矢量,b,=a110/2,，即沿滑移方向上相邻两个原子间的连线所表示的矢量。,（,2,）位错线位于滑移面上，设位错线的方向为,uvw,，则有,u+v-w=0,；位错线与,b,垂直，则有,-u+v=0,。由上两式得：,u:v:w=1:1:2,，所以位错线方向为,112,。,（,3,）位错线位于滑移面上，且平行于,b,，所以位错线的方向为,110,。,（,4,）在（,2,）时，位错线运动方向平行于,b,；在（,3,）时，位错线运动方向垂直于,b,。,（,5,）在外加切应力作用下，位错线单位长度上所受的力的大小,F=,b,，,方向与位错线垂直。,变