1、第二节单晶体的塑性变形,一、滑移现象表面抛光的单晶体，变形后在光学显微镜下观察：抛光表面有许多平行线条滑移带；在电子显微镜下观察：每条滑移带由更细的滑移线群组成。,滑移带和滑移线,滑移带和滑移线的结构示意图,滑移线的实质：,晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生平移滑动后，在晶体表面留下的台阶。证据：X射线衍射分析表明，变形后晶体结构类型并未改变，滑移线两侧的晶体取向也未改变。而且，晶体滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而相邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。,二、滑移系,滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成 一个滑移系。滑移面：通常是原子排列最密集的晶面。(相邻晶面的面间距最大，结合
2、力弱）滑移方向：也是原子排列最密集的晶向。(原子间距最小，滑移距离最短，阻力最小)。在其他条件相同时，滑移系越多，滑移过程可能采取的空间取向越多，塑性越好。,典型金属的滑移系,F.C.C：111晶面，晶向，共43=12个；B.C.C：110晶面，晶向，共62=12个；H.C.P：0001晶面，晶向，共13=3个；,金属三种常见晶格的滑移系,滑移系与金属塑性的关系：滑移系数目越多，金属塑性越好。滑移方向的作用要比滑移面的作用大。体心立方虽有48个滑移系，但滑移方向数少，且滑移面的密排程度也较低。面心立方金属的塑性最好，密排六方金属的塑性最差。,例题,011方向上原子间距较（112）方向小。,三、
3、滑移在切应力作用下发生,正应力：晶格先产生弹性变形，随后被拉断；切应力：晶格先产生剪切弹性变形，当切应力超过剪切强度时，晶面两侧的晶体发生相对滑移，在新位置上重新处于稳定状态。,在正应力作用下的变形,在切应力作用下的变形,四、滑移的临界分切应力,临界分切应力：滑移开始时，在滑移面上沿滑移方向的分切应力。滑移面上的分切应力：滑移开始时，宏观上金属开始屈服，则：k=s coscosm=coscos取向因子 (施密特因子),临界分切应力的大小，主要取决于金属的本性，与外力无关。 条件一定，晶体的临界分切应力有确定值。但它是一个组织敏感参数，金属的纯度、变形速度和温度、金属的加工和热处理状态都对它有很
4、大影响。,取向因子,对任何角，若滑移方向位于外力P与滑移面法向所组成的平面上，即+ =90，则沿此方向的值较其它时大，此时：coscos= cos(90-)cos=1/2 sin2，故：软取向：当=45时，m=1/2，为最大值，则s 最小，最有利于滑移；硬取向：=90或 =0时，s，即外力与滑移面平行或垂直，晶体无法滑移。,镁晶体拉伸的屈服应力与晶体取向的关系,例题6.2.2,（2）滑移方向110和001方向点积为零，两晶向垂直，cos=0， s，即作用力方向为001时，在110方向不会产生滑移。,五、滑移时晶面的转动,晶体在滑移时，除了在滑移面上进行相对位移外，晶体还将发生转动。滑移前：外力
5、作用在oo轴线上，滑移后：外力分别作用在o、o上，构成一对力偶，使晶体发生转动。,晶体转动示意图,结果：拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴；压缩时，使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。,晶体在压缩时的晶面转动,单晶体拉伸时的晶面转动,几何硬化与几何软化,几何硬化：原来处于软取向的滑移系，在拉伸时随着晶面的转动，越来越远离45，使滑移变得越来越困难的现象；几何软化：原来处于硬取向的滑移系，经滑移和转动后，越来越接近45，使滑移越来越容易进行的现象。,六、多滑移与交滑移,单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向时，进行的滑移.多滑移：滑移在两组或多组滑移系上同时或交替进行的滑移.,若有几组滑
6、移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值同时滑移；或由于滑移时晶体的转动，使另一组滑移系的分切应力也达到临界值，交替滑移。发生多滑移时，会出现几组交叉的滑移带。,铝中的滑移带,面心立方晶体中的多滑移,滑移系111，4个111面构成一个八面体，当拉力轴为001时，八面体上有八个滑移系具有相同的取向因子，当=c时可以同时开动。对所有111平面，角都为54.7；角对101 、-101 、011 、0-11 均为45；角对110 、-110均为90。,110：左面心前面心(原点过底心)-110：前面心右面心（底面与110垂直）101：右面心上面心-101：前面心上面心011：左面心上面心0-
7、11：后面心上面心,多滑移时，会产生位错的交割与反应，使滑移变得困难，即产生较强的加工硬化。,交滑移,交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移的现象。发生交滑移时，会出现曲折或波纹状的滑移带。,波纹状滑移带 250,多滑移与交滑移的区别：,多滑移可以在多个滑移面和多个滑移 方向上同时进行或交替进行；而交滑移则只能在多个滑移面上沿一个滑移方向交替进行。,层错能与交滑移的关系,只有螺位错才能发生交滑移，而且交滑移必须是纯螺位错。但当螺位错分解为扩展位错时，分解成的两个不全位错都不是纯螺位错，扩展位错只能沿其层错面移动，难产生交滑移。增大外力可使扩展位错束集为一个全螺位错，此位错
8、可交滑移至另一滑移面，然后在该滑移面上扩展开来。层错能高的材料，扩展位错宽度小，易束集，交滑移易于进行。,扩展位错的交滑移过程,例6.2.3,110晶面上的晶向：则可能的交滑移系为：,七、滑移的位错机制,实测临界分切应力：Al 111:0.79MPa,Cu111:0.89MPaFe 110 :27.44MPa, Nb 110 :33.8MPa按刚性滑动的理论计算值： Al ：3830 MPa ，Fe ：10960 Mpa。,在切应力作用下原子层刚性滑移示意图,原因：,滑移是位错在滑移面上运动的结果。一个位错移出晶体，产生一个柏氏矢量的台阶，大量位错滑过晶体，在表面形成滑移线。,通过位错运动造成
9、滑移的示意图,八、位错运动所受的力,晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发生，表明位错的运动受到阻力。对纯金属，阻力主要有：点阵阻力，位错与位错交互作用产生的阻力，位错与其他晶体缺陷交互作用产生的阻力等。这些阻力决定金属滑移的临界分切应力,即决定了晶体的屈服强度。凡是增大位错运动阻力的因素，都提高金属滑移的临界分切应力，即提高金属的屈服强度。,位错运动的点阵阻力,由于点阵结构的周期性，当位错沿滑移面运动时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。位错在平衡位置时，能量较低。在平衡位置之间，能量较高，造成位错运动的阻力点阵阻力。因此位错运动需要一个力来克服此点阵阻力、越过势垒。派尔斯(R.Peier
10、ls)、纳巴罗(F.R.N.Nabarro)估算了这一阻力派-纳（P-N）力。派-纳力与晶体结构和原子间作用力有关。,W=a/1-，位错宽度；a-滑移面的晶面间距；b-滑移方向上的原子间距；W越大，p 越小，屈服应力低。a值大， p 小，故滑移面应是晶面间距最大，即原子最密集的晶面；b越小， p 越小，故滑移方向应是原子最密集的晶向。,fcc，W大，屈服应力低；bcc，W小，屈服应力较高；共价晶体和离子晶体，W极窄，硬而脆。,例6.2.5,九、孪生,孪生是金属塑性变形另一种常见的方式。 在孪生过程中形成变形孪晶(形变孪晶，机械孪晶，在光镜下呈带状或透镜状) 。,锌中的变形孪晶,1、孪生变形现象
11、,孪生变形：在切应力作用下，晶体内部发生的均匀切变的变形过程.切变结果：使均匀切变区的取向发生改变，与未切变区构成镜面对称，形成孪晶。孪晶界：均匀切变区与未切变区的分解面(即二者的镜面对称面).孪生面：发生均匀切变的晶面。孪生方向：孪生面切动的方向。面心立方：孪生面111，孪生方向晶向。体心立方：孪生面112，孪生方向晶向。,2、孪生时原子的移动,AB、GH孪晶面。 A与C位移后的点对称； E位移后与A下方一点对称。,每层(111)面相对位移了1/3d112的距离。孪生时每层晶面的位移是由一个不全位错的移动造成。,3、孪生变形的特点,孪生使一部分晶体发生了均匀的切变。孪生变形后，晶体变形部分与
12、未变形部分构成镜面对称的位向关系。,孪生与滑移时晶体取向示意图(a)未变形；(b)滑移；(c)孪生,3、孪生变形的特点(续1),应力-应变曲线上有突然下降, 出现锯齿形。孪晶形核所需应力远高于扩展所需的应力。孪生对塑性变形的贡献比滑移小的多。但它形成的孪晶改变了晶体的位向，使滑移系处于更有利于滑移的位置，使晶体能进一步借滑移继续变形。,3、孪生变形的特点(续2),孪生变形形核虽难，但长大速度极快。孪生变形局部切变可达较大数量，变形试样的抛光表面可看到明显的浮凸，重新抛光，在偏光或浸蚀后仍能看到孪晶。孪生变形比滑移临界分切应力高得多，因此孪生常萌发于滑移受阻引起的局部应力集中区。如：H.C.P的Mg、Zn常以孪生方式变形；B.C.C的-Fe在冲击载荷或低温下也借助孪生变形；F.C.C金属一般不发生孪生，但在极低温度或受高速冲击时，也以孪生方式变形。,
