5.2-晶體的塑性變形

1、5.2 晶體的塑性變形,,5.2 晶體的塑性變形,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,5.2.1 單晶體的塑性變形,常溫或低溫下，單晶體塑性變形（plastic deformation）方式： 1. 滑移（slip） 2. 孿生（twining） 3. 扭折（link）,1.滑 移,(1) 滑移線和滑移帶 滑移線（slip line）： 滑移線實際上

2、是在晶體表面產(chǎn)生的小臺階。 滑移帶（slip band）是由一系列相互平行的更細的線組成的。,銅中的滑移帶 500×,滑移線和滑移帶示意圖,（2）滑移系,滑移是沿著特定的晶面(稱為滑移面 slip plane)和晶向(稱為滑移方向 slip direction)上運動。一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系（slip system）?；葡当硎揪w在進行滑移時可能采取的空間取向。 滑移系主要與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)

3、不同，滑移系不同；晶體中滑移系越多，滑移越容易進行，塑性越好。 結(jié)論:① 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｝ bcc： ｛110｝、｛112｝和｛123｝ hcp： ｛0001｝ ② 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。如：fcc中有12個, bcc中有48個，

4、 hcp中有3個。,三種常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的滑移系,（3）滑移的臨界分切應(yīng)力（τk）,滑移的臨界分切應(yīng)力（critical resolved shear stress）: 計算方法: τk =σscosφcosλ 式中cosφcosλ為取向因子（orientation factor），該值越大，τk越大，越有利于滑移。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

5、取向最有利于滑移，即以最小的拉應(yīng)力就能達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。,計算分切應(yīng)力的分析圖,一些金屬的滑移系和臨界分切應(yīng)力,（4）滑移時晶體的轉(zhuǎn)動,隨著滑移的進行，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

6、現(xiàn)象尤為明顯。拉伸時，滑移面和滑移方向逐漸趨于平行于拉伸軸線方向。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。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（geometrical softening）；若φ角遠離45º，則滑移越來越困難，稱為幾何硬化（ge

7、ometrical hardening）。,（5）多系滑移,多系滑移（multislip/polyslip）— 例如fcc中滑移系：{111}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)生交割和反應(yīng)。 交滑移（cross-slip）： 交滑移的實質(zhì)： bcc結(jié)構(gòu)中最易發(fā)生交滑移。,

8、（6）滑移中的位錯機制,滑移是借助于位錯在滑移面上運動來逐步進行的；晶體的滑移必在一定外力作用下才能發(fā)生，說明位錯運動要克服阻力，該阻力來自點陣阻力，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, 滑移容易進行。,刃位錯的滑移示意圖,刃位錯的滑移模型,螺位錯的滑移模型,2. 孿 生,(1)

9、 孿生變形過程 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)和一定方向(孿生方向)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)的分界面成為孿晶界。 孿晶面（twining plane）： 孿晶方向（twining direction）：,FCC晶體孿生變形,FCC晶體的孿生面是（111），

10、孿生方向是[11-2 ]。圖2是FCC晶體孿生示意圖。fcc中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[11-2 ]方向移動了此晶向原子間距的一個分數(shù)值。 下圖2中帶淺咖啡色的部分為原子移動后形成的孿晶。可以看出，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。如把孿

11、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。,fcc晶體孿生變形示意圖1,fcc晶體孿生變形示意圖2,變形孿晶 100×,(2) 孿生的特點,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

12、生是一種均勻切變。而滑移是不均勻的。 ③ 孿生的兩部分晶體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。 ④孿生對塑性變形的貢獻比滑移小得多。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仍能看到孿晶。而滑移變形后的試樣經(jīng)拋

13、光后滑移帶消失。,(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（deformation twinning）、生長孿晶、退火孿晶 ① 變形孿晶(機械孿晶)：機械變形產(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)。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。孿生變形與晶體結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。h

14、cp中易發(fā)生，fcc一般不易發(fā)生，但在極低溫度下才會產(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。,(4) 孿晶的位錯機制,孿生變形（deformation twinning）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制形成的。(如：L型掃動位錯),3. 扭

15、折,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。,4.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。 位錯塞積

16、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= nτ0 式中τ0為滑移方向的分切應(yīng)力值。L越大，n越多，τ越大。,5.2.2 多晶體的塑性變形,1. 晶粒取向的影響 表現(xiàn)在各晶粒變形過程中具有相互制約和協(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），其它滑動，各晶粒間變形而得到相互協(xié)調(diào)與配合。理論

17、分析指出，多晶體塑性變形（pclycrystalline crystal）時要求每個晶粒至少能在5個獨立的滑移系進行滑移。能否滿足該要求與晶體的結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。,多晶體中晶粒取向,2. 晶界的影響,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 / Gb 位錯塞積，密度增高，材料強度提高。因此

18、，晶粒越細，晶界越多，材料強度越高（稱為細晶強化，grain size strenthing），其σs與d關(guān)系如下： σs = σ0＋kd-1/2 Hall－Petch equation 上式具有廣泛的適用性（σs－亞晶d、σs－So（片）·····）。細小而均勻的晶粒使材料具有較高的強度和硬度，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。,經(jīng)拉伸后

19、晶界處呈竹節(jié)狀,晶界對硬度的影響,低碳鋼的σs與晶粒直徑的關(guān)系,14,晶粒細化的應(yīng)用,Hall-Petch公式 σs=σ0+KD-1/2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D1 > D2 > D3 σ1 > σ2 > σ3 這個簡單原理指導(dǎo)材料的發(fā)展,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,銅多晶試

20、樣拉伸后形成的滑移帶, 173×,5.2.3 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,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)在固溶強化(Solid—solution Strenthening)作用，提高塑性變形抗力。 1.  固溶強化 固溶強化：固

21、溶體合金的σ－ε曲線：由于溶質(zhì)原子加入使σs 和整個σ－ε曲線的水平提高，同時提高了加工硬化率n。 影響固溶強化的因素： ① 溶質(zhì)原子類型及濃度。 ② 溶質(zhì)原子與基體金屬的原子尺寸差。相差大時強化作用大。 ③ 間隙型溶質(zhì)原子比置換型溶原子固溶強化效果好。 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，強化作用大。 固溶強化的實質(zhì)是溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用、化

22、學(xué)交互作用和靜電交互作用。,Cu-Ni固溶體的力學(xué)性能與成分的關(guān)系,2.屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時效,圖5.31工程σ－ε曲線 上屈服點： 下屈服點： 呂德斯帶： 屈服過程： （1）柯氏（Cottrell）氣團及柯氏氣團理論：柯氏氣團釘扎位錯。材料塑性變形時應(yīng)變速度與晶體中可動位錯的密度、位錯運動的平均速度及位錯的柏氏矢量成正比。關(guān)系式為5.31、5.32式（P171） （2）位錯增殖理

23、論: 應(yīng)變時效: 屈服現(xiàn)象給工程生產(chǎn)帶來的問題，深沖低碳鋼板使工件表面粗糙不平，要消除此現(xiàn)象：(1) 應(yīng)用應(yīng)變時效原理將薄板在沖壓前進行一道微量冷軋工序。(2) 鋼中加入碳化物形成元素以消除，隨后冷壓成型。,二. 多相合金的塑性變形,多相合金的基本相為固溶體。第二相是用來強化的一種重要方式，它可以通相變熱處理[沉淀強化（precipitation strengthening）、時效強化（age hardening）]或粉末冶

24、金法[彌散強化]來獲得。 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) (2)彌散分布型兩相合金(兩相尺寸、性能相差很大),2004-5-26,15,例 二,,沉淀順序 Al-Mg, Al-Mg-Si Mg加速時效效果,第二相取出 晶粒大小相同 Precipitation hardening,2004-5-26,19,彌散強化： 1.Al合金 2.

25、Al2O3第二相 3.燒結(jié)Al 4.機械合金化MA（Mechanical Alloying) 5.Ni合金＋Y2O3 耐高溫達110 0C,1.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數(shù)?？砂凑盏葢?yīng)力(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：P172式。而實際上這類合金滑移首先發(fā)生在較軟的相中。 如果聚合型合金兩相中一個為塑性相，一個為硬

26、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有關(guān)，還與第二相的形狀、大小、分布有關(guān)。,討論： (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。 (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