(9.2.1)--08单晶体的塑性变形-滑移.pdf

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1、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形第二节第二节 金属的金属的塑性变形塑性变形只有只有在切应力的作用下金在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形属晶体才能产生塑性变形。外外力力在在晶晶面面上上的的分分解解切切应应力力作作用用下下的的变变形形锌锌单单晶晶的的拉拉伸伸照照片片金属在常温和低温下，其塑性变形的主要方式是滑移和孪生。金属在常温和低温下，其塑性变形的主要方式是滑移和孪生。滑移滑移滑移滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。相对于另一部分发生滑动位移的现象。塑性变形的形式：塑性变形的形式：滑移和孪生。滑移和孪生。金属常以滑移方式

2、发生塑性变形。金属常以滑移方式发生塑性变形。1 1、滑移线和滑移带、滑移线和滑移带工业纯铜中的滑移线 滑移带：滑移带：表面抛光的表面抛光的单晶体进行一定的塑单晶体进行一定的塑性变形后性变形后,发现抛光发现抛光表面有许多平行的线表面有许多平行的线条。条。滑移线：滑移线：每每条滑移带条滑移带由许多聚集在一起的由许多聚集在一起的相互平行的滑移线相互平行的滑移线组组成，这些成，这些线实际上是线实际上是晶体表面产生的小晶体表面产生的小台台阶。阶。2 2、滑移变形的特点、滑移变形的特点 滑移只能在切应力的作用下发滑移只能在切应力的作用下发生。生。产生滑移的最小切应力称产生滑移的最小切应力称临临界切应力界切

3、应力.滑移常沿晶体中原子密滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生度最大的晶面和晶向发生。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向。通通常是晶体中的密排面和密排方向。常是晶体中的密排面和密排方向。面心立方面心立方滑移系：滑移系：一一个个滑移面滑移面和其上的一个和其上的一个滑移滑移方向方向。9.2 金属的塑性变形9.2 金属的塑性变形 体心立方体心立方滑移面并不稳定，一般在低温时多为滑移面并不稳定，一般在低温时多为112112，中温时多为，中温时多为110110，而高温时多为，而高温时多为123123，不过其滑移方向很稳定，总为，不过其滑

4、移方向很稳定，总为，因此其滑移系可能有，因此其滑移系可能有1212-4848个。个。9.2 金属的塑性变形 密排六方 密排六方晶体中密排六方晶体中，滑移方向滑移方向一般都是一般都是，但滑移面与但滑移面与轴比有关轴比有关；当当c c/a/a接近或大于接近或大于1.6331.633时，时，00010001为最密排面，为最密排面，滑移系滑移系即为即为00010001 ，共有三个共有三个；当当c c/a/a小于小于1.6331.633时，时，00010001不再是密排面，不再是密排面，滑移面将滑移面将变为柱面变为柱面或斜面或斜面，滑移系分别为三个和六个滑移系分别为三个和六个。1120112010101

5、011典型材料的滑移系统晶体结构材料滑移面滑移方向面心立方Al、Cu、Ni111体心立方-Fe110 112 123Mo、Nb、Ta110密排六方Be、Co、Mg、Zn、Cd0001Ti、Zr1010金刚石型立方结构C、Ge、Si111荧石结构CaF2、UO2、TbO2001金刚石结构TiO2101尖晶石结构MgAl2O411111201120 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间方向。每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间方向。在其它条件相同在其它条件相同时，滑移系时，滑移系越越多，滑移多，滑移过程可能采取的空过程可能采取的空间取向越间取向越多，塑性多，塑性越好，其中滑移方

6、向对塑性的贡献比滑越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大移面更大。金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方体心立方晶格好于密排六方晶格。晶格好于密排六方晶格。说明：说明：滑移面总是晶体的密排面滑移面总是晶体的密排面,而滑移方向也总是密排方向而滑移方向也总是密排方向。每一种晶格类型的金属都具有特定的每一种晶格类型的金属都具有特定的滑移系滑移系。一般来说，滑移系一般来说，滑移系的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。的多少在一定程度上决定了金属塑性的好坏。然然而而,在其它条件相同在其它条件相同时，金属时，金属塑性的好坏不只取决于滑移系的塑性的好

7、坏不只取决于滑移系的多少，多少，还还与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关与滑移面原子密排程度及滑移方向的数目等因素有关。滑移时，晶体两部分的相对位移量滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍是原子间距的整数倍.铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带3、滑移的临界分切应力设有设有一截面积为一截面积为A的圆柱形的圆柱形单晶单晶体，受到体，受到轴向轴向拉力拉力F的作用，的作用，则：则：F在在滑移方向的分力滑移方向的分力为为Fcos，而滑移面的面积为而滑移面的面积为A/cos 外力外力F在在滑移方向的滑移方向的分切应力分切应力为为当当=屈服强度屈服强度 S时，晶体开始滑时，晶体开始

8、滑移，此时滑移方向上的分切应力移，此时滑移方向上的分切应力称为称为临界分切应力：临界分切应力：临界分切应力定律临界分切应力定律令令 m=cos cos，则则 k=Sm或或 S=k/m，m称为取向因子称为取向因子,或或称称施密特因子施密特因子（Schmid）。m越大越大,则分切应力越大则分切应力越大,越有利越有利于滑移于滑移。镁晶体拉伸屈服应力镁晶体拉伸屈服应力与晶体取向的关系与晶体取向的关系92 金属的塑性变形 当当滑移面法线滑移面法线、滑移方向滑移方向与与外力轴外力轴三者共处一个平面三者共处一个平面,且且=45 时时,m=cos cos(90-)=0.5,为最大为最大,此取此取向最有利于滑移

9、向最有利于滑移,称为称为软取向软取向,此时此时 S最小最小;一般情况下一般情况下，滑移面法线滑移面法线、滑移方滑移方向向与与外力轴外力轴三者并不处于一个平面三者并不处于一个平面内内！当外力与滑移面平行当外力与滑移面平行(=90)或垂直或垂直(=0)时时,S,晶体无法滑移晶体无法滑移,这种这种取向称为取向称为硬取向硬取向。临界分切应力临界分切应力 k的大小主要取决于的大小主要取决于金属的本性金属的本性,与外力无关与外力无关。4 4、滑移时晶面的转动、滑移时晶面的转动 位位向改变的结果使向改变的结果使滑移面滑移面和和滑移方向滑移方向逐渐趋于平行逐渐趋于平行于拉伸轴线于拉伸轴线()。9.2 金属的塑

10、性变形压缩时晶面转动的结果是使压缩时晶面转动的结果是使滑移面滑移面逐渐趋于与压力轴线垂逐渐趋于与压力轴线垂直。直。单轴拉伸时晶体转动的力偶9.2 金属的塑性变形转动有两种：转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。最大切应力方向转动。9.2 金属的塑性变形 滑移过程滑移过程中，滑移面中，滑移面和滑移方向的和滑移方向的转动导致转动导致取向取向因子因子改变改变，如果如果某一滑移系原来处于软某一滑移系原来处于软取向，在取向，在拉伸拉伸时，随着时，随着晶体取向的晶体取向的改变，滑移面改变，滑移面的法向与的法向与外力轴的夹角越来越

11、远离外力轴的夹角越来越远离4545，使使滑移变得越来越滑移变得越来越困难，这种困难，这种现象称为“现象称为“几何硬化几何硬化”。”。如果如果经滑移和转动经滑移和转动后，滑移面后，滑移面的法线与外力轴的的法线与外力轴的夹角越来越接近夹角越来越接近4545，使使滑移越来越容易滑移越来越容易进行，这进行，这种种现象称为“现象称为“几何软化几何软化。5、复滑移、复滑移几几组滑移系分切应力同时达到临界值，或者由于晶面改组滑移系分切应力同时达到临界值，或者由于晶面改变使其他滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移将在多组变使其他滑移系的分切应力也达到临界值，则滑移将在多组滑移系上同时或交替进行，称为滑移系上同

12、时或交替进行，称为多滑移或复滑移多滑移或复滑移。面心立方面心立方晶体的晶体的（001001）标准极射投影图标准极射投影图 极点极点100100、110110、111111三点组成一个三三点组成一个三角形角形，把整个极图分成把整个极图分成2424个三角形个三角形区域区域。当外加拉力轴位于三角形中时当外加拉力轴位于三角形中时，发发生单系滑移；生单系滑移；当外加拉力轴位于每个三角形的每当外加拉力轴位于每个三角形的每一边上时一边上时，同时开动两个等效滑移同时开动两个等效滑移系发生双系滑移；系发生双系滑移；当外加拉力轴位于每个当外加拉力轴位于每个110110极点上时极点上时，同时开动四个等效滑移系发生多

13、系同时开动四个等效滑移系发生多系滑移；滑移；当外加拉力轴位于每个当外加拉力轴位于每个111111极点上时，同时开动六个等效滑移系发生极点上时，同时开动六个等效滑移系发生多系滑移；多系滑移；当外加拉力轴位于每个当外加拉力轴位于每个100100极点上时，同时开动八个等效滑移系发生极点上时，同时开动八个等效滑移系发生多系滑移。多系滑移。6 6、交滑移、交滑移9.2 金属的塑性变形两个或多个滑移面沿着某个两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向共同的滑移方向同时或交替滑移。同时或交替滑移。9.2 金属的塑性变形 发生交滑移时会出现曲折或波纹状的发生交滑移时会出现曲折或波纹状的滑移带。滑移带。最容易发生交

14、滑移的是体心立方最容易发生交滑移的是体心立方金属金属。交滑移发生的难易程交滑移发生的难易程度与晶体的层错能有关度与晶体的层错能有关,层错能高的材料易发生交滑移。层错能高的材料易发生交滑移。交滑移必须是纯螺型位错交滑移必须是纯螺型位错,因其滑移面不受限制。交滑移对因其滑移面不受限制。交滑移对晶体的塑性变形有重要影响。晶体的塑性变形有重要影响。双交滑移9.2 金属的塑性变形机制 螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。7 7、滑移的位错机制、滑移的位错机制宏观上标志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克宏观上标

15、志晶体滑移进行的临界分切应力应当与微观上克服位错运动阻力的外力相等：服位错运动阻力的外力相等：位错运动的阻力首先来自于点阵阻力位错运动的阻力首先来自于点阵阻力派尔斯（派尔斯（PeierlsPeierls）和纳巴罗（）和纳巴罗（NabarroNabarro）首先估算了这首先估算了这个力个力，所以又称为派纳力（，所以又称为派纳力（P P-N N力力），），它相当于简单立方晶它相当于简单立方晶体中刃型位错运动所需要的临界分切应力体中刃型位错运动所需要的临界分切应力：对金属对金属，有，有P P-N N3.63.61010-4 4G G，与刚性模型相比，与刚性模型相比，与实际与实际情情况接近。况接近。其

16、它阻力：与其它位错的交互作用阻力；位错交割后形成的割阶与扭折；位错与一些缺陷发生交互作用。9.2 金属的塑性变形8 8、滑移、滑移过程的次生现象过程的次生现象 滑移和转动只发生在一个狭窄的带状区域，这个区滑移和转动只发生在一个狭窄的带状区域，这个区域就叫做域就叫做扭折扭折带。带。转角较小的带状区域称为转角较小的带状区域称为形变带形变带多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行 滑移滑移的机理的机理 滑移滑移是通过滑移面上位错的运动来实现是通过滑移面上位错的运动来实现的。的。晶体通过位错运动产生滑移时，晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作小，这种现象称作位错的易动性位错的易动性。