金属的塑性变形与强化.pptx

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1、滑移系滑移系金金属属中中的的滑滑移移是是沿沿着着一一定定的的晶晶面面和和晶晶面面上上一一定定的的晶晶向向进进行行的的，这这些些晶晶面面称称为为滑滑移移面面，晶晶向向称称为为滑滑移移方方向向。一一个个滑滑移移面面和和此此面面上上的的一一个个滑滑移移方方向向结结合起来，组成一个合起来，组成一个滑移系滑移系。滑滑移移系系表表示示金金属属晶晶体体在在发发生生滑滑移移时时滑滑移移动动作作可可能能采采取取的的空空间间位位向向。当当其其它它条条件件相相同同时时，金金属属晶晶体体中中的的滑滑移移系系越越多多，则则滑滑移移时时可可采采取取的的空空间间位位向向越越多多，该金属的塑性越好该金属的塑性越好。金金属属塑

2、塑性性的的好好坏坏，还还与与滑滑移移面面上上原原子子的的密密排排程程度度和和滑滑移移方方向向的的数数目目等等因因素有关。素有关。滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向与与金金属属的的晶晶体体结结构构有有关关，滑滑移移面面通通常常是是金金属属晶晶体体中中原原子子排排列列最最密密的的晶晶面面，而而滑滑移移方方向向则则是是原原子子排排列列最最密密的的晶晶向向。这这是是因因为为在在晶晶体体的的原原子子密密度度最最大大的的晶晶面面上上，原原子子间间的的结结合合力力最最强强，而而面面与与面面之之间间的的距距离离却却最最大大，即即密密排排面面之之间间的的原原子子结结合合力力最最弱弱，滑滑移移的的阻阻力力最最小小，

3、因因而而最最易易于于滑滑移移。沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小。第1页/共54页、面面心心立立方方金金属属的的滑滑移移面面为为111111，共共有有四四个个，滑滑移移方方向向为为110110，每个滑移面上有三个滑移方向，故面心立方金属共具有每个滑移面上有三个滑移方向，故面心立方金属共具有1212个滑移系。个滑移系。、体体心心立立方方金金属属不不是是密密堆堆积积结结构构，没没有有最最密密排排的的晶晶面面，因因此此滑滑移移是是在在几几组组较较密密排排的的面面上上进进行行，但但滑滑移移方方向向总总是是111111。最最基基本本的的滑滑移移面面为为11011

4、0，共共有有六六个个，滑滑移移方方向向为为111111，每每个个滑滑移移面面上上有有两两个个滑滑移移方方向向，因因此此体体心心立立方方金金属属共共具具有有1212个个滑滑移移系系。体体心心立立方方结结构构也也可可以以在在其其它它包包含含111111方向的方向的121121和和123123两组滑移面上进行，滑移系共两组滑移面上进行，滑移系共4848个。个。、c/ac/a接接近近或或大大于于1.6331.633时时，密密排排六六方方金金属属的的滑滑移移面面在在室室温温时时只只有有00010001一一个个，滑滑移移方方向向为为，滑滑移移面面上上有有三三个个滑滑移移方方向向，因因此此它它的的滑滑移移系

5、系只只有有三三个个。若若c/ac/a小小于于1.6331.633时时，则则00010001的的面面间间距距缩缩小小，棱棱柱面比底面更密排，此时的滑移面可能是柱面或锥面。柱面比底面更密排，此时的滑移面可能是柱面或锥面。第2页/共54页临界分切应力临界分切应力晶体的滑移是在切应力的作用下进行的。晶体的滑移是在切应力的作用下进行的。当当晶晶体体受受力力时时并并非非所所有有的的滑滑移移系系都都同同时时参参与与滑滑移移。而而是是只只有有当当外外力力在在某某一一滑滑移移系系中中的的分分切切应应力力首首先先达达到到一一定定的的临临界界值值时时，这这一一滑滑移系开动，晶体才开始滑移。移系开动，晶体才开始滑移。

6、使使滑滑移移系系开开动动的的最最小小分分切切应应力力称称为为滑滑移移的的临临界界分分切切应应力力，以以 K K表示。表示。临临界界分分切切应应力力 K K的的数数值值大大小小取取决决于于金金属属的的本本性性、金金属属的的纯纯度度、实验温度与加载速度实验温度与加载速度，而与外力的大小、方向及作用方式无关。，而与外力的大小、方向及作用方式无关。第3页/共54页临界分切应力的计算方法：设设圆圆柱柱形形金金属属单单晶晶体体试试样样的的横横截截面面积积为为A A，受受到到轴轴向向拉拉力力F F的的作作用用。F F与与滑滑移移方方向向的的夹夹角角为为，则则F F在在滑滑移移方方向向上上的的分分力力为为Fc

7、osFcos；F F与与滑滑移移面面法法线线的的夹夹角角为为，则则滑滑移移面面的的面面积积为为A/cosA/cos。所所以以，外外力力F F在在滑滑移方向上的分切应力为移方向上的分切应力为式式中中，F/AF/A为为试试样样拉拉伸伸时时横横截截面面上上的的正正应应力力，当当滑滑移移系系中中的的分分切切应应力力达达到到其其临临界界值值时时，晶晶体体开开始始滑滑移移，这这时时在在宏宏观观上上晶晶体体开开始始出出现屈服现象，即现屈服现象，即F/A=F/A=S S，可得，可得 k k=S Scoscoscoscos 或或 S S=K K/coscos/coscos晶体受单向拉伸时，在滑移晶体受单向拉伸时

8、，在滑移面和滑移方向上力的分解面和滑移方向上力的分解第4页/共54页晶体的取向：因为因为 S S=K K/coscos/coscos coscoscoscos称称为为取取向向因因子子，单单晶晶体体的的屈屈服服强强度度 S S将将随随外外力力与与滑滑移移面面和和滑滑移方向之间而改变，即取向因子发生变化时，移方向之间而改变，即取向因子发生变化时，S S也要改变。也要改变。当当外外力力与与滑滑移移面面、滑滑移移方方向向的的夹夹角角都都是是4545时时，取取向向因因子子具具有有最最大大值值，为为0.50.5，此此时时分分切切应应力力也也最最大大，S S具具有有最最低低值值，金金属属最最容容易易进进行行

9、滑滑移移，并并表表现现出出最最大的塑性，这种取向称为大的塑性，这种取向称为软取向软取向；当当外外力力与与滑滑移移面面平平行行（=90=90）或或垂垂直直（=90=90）时时，取取向向因因子子为为零零，则则无无论论KK的的数数值值如如何何，S S均均为为无无穷穷大大，晶晶体体在在此此情情况况下下不不产产生生滑滑移移，直直至至断断裂裂，这种取向称为这种取向称为硬取向硬取向。第5页/共54页滑移时晶体的转动滑移时晶体的转动 当晶体在当晶体在 F F力的作用下力的作用下发生滑移时，假如滑移面和发生滑移时，假如滑移面和滑移方向保持不变，拉伸轴滑移方向保持不变，拉伸轴的取向必然不断发生变化。的取向必然不断

10、发生变化。实际上由于夹头固定不实际上由于夹头固定不动，为了保持拉伸轴的方向动，为了保持拉伸轴的方向固定不动，因此单晶体的取固定不动，因此单晶体的取向必须相应地转动。向必须相应地转动。拉伸前自由滑移变形受夹头限制时的变形拉伸前自由滑移变形受夹头限制时的变形第6页/共54页 B B层层上上的的作作用用点点OO1 1和和OO2 2同同轴轴，滑滑移移后后A A、B B、CC层层沿沿滑滑移移面面和和滑滑移移方方向向相相对对移移动动，使使 OO1 1 OO1 1，OO2 2 O O2 2。将将 1 1分解为分解为 n1n1、1 1，2 2分解为分解为 n2n2、2 2。滑滑移移面面法法线线方方向向的的正正

11、应应力力 n1n1-n2n2组组成成力力偶，使偶，使滑移面转向与外力方向平行滑移面转向与外力方向平行。如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以分解为沿滑移方向的分切应力分切应力和垂直于滑移面的和垂直于滑移面的分正应力分正应力。第7页/共54页 将将最最大大切切应应力力方方向向的的力力 1 1分分解解为为平平行行滑滑移移方方向向的的 1 1和和垂垂直直滑滑移移方方向向的的 b b、2 2分解为分解为 2 2b b。垂垂直直于

12、于滑滑移移方方向向的的分分切切应应力力 b b和和 b b组组成成力力偶偶，使使B B层层以以滑滑移移面面法法线线方方向向为为轴轴，其其滑滑移移方方向向转转向向最最大大切切应力方向应力方向。通通过过这这两两种种转转动动可可使使金金属属晶晶体体轴轴线线与与外外力力轴轴线线在在整整个个滑滑移移过过程程中中始始终重合，但晶体的空间位向却发生了改变。终重合，但晶体的空间位向却发生了改变。由由于于滑滑移移时时晶晶体体要要发发生生转转动动，所所以以各各滑滑移移系系的的取取向向和和分分切切应应力力不不断断变变化化。原原来来取取向向有有利利的的滑滑移移系系可可能能转转到到不不利利的的取取向向，从从而而使使继继

13、续续滑滑移移所所需需的的外外力力增增加加，而而原原来来取取向向不不利利的的滑滑移移系系则则可可能能转转到到有有利利的的取取向向，并并且且继继续续开开始始滑滑移移。通通常常把把这这种种由由于于晶晶体体转转动动所所引引起起的的硬硬化化或或软软化化现现象象，称称为为几何硬化几何硬化或或几何软化几何软化。第8页/共54页 对对具具有有多多个个滑滑移移系系的的晶晶体体，起起始始滑滑移移首首先先在在取取向向最最有有利利的的滑滑移移系系中中进进行行，但但由由于于晶晶体体转转动动的的结结果果，其其它它滑滑移移系系中中的的分分切切应应力力也也可可能能达达到到临临界界分分切切应应力力值值。滑滑移移过过程程将将在在

14、两两个个或或多多个个滑滑移移系系中中同同时时或或交交替替进进行行；如如果果晶晶体体的的取取向向合合适适，滑滑移移一一开开始始就就可能在一个以上的滑移系上同时进行。可能在一个以上的滑移系上同时进行。奥氏体钢中的交叉滑移带奥氏体钢中的交叉滑移带多系滑移多系滑移在在两两个个或或更更多多的的滑滑移移系系上上进进行行的滑移的滑移称为称为多系滑移多系滑移，简称，简称多滑移多滑移。多系滑移时，形成多系滑移时，形成两组或多组交叉的滑移线两组或多组交叉的滑移线。由于各组滑移系之间互。由于各组滑移系之间互相穿插和影响，所以多滑移比单滑移困难。通常把单滑移时的力轴取向称相穿插和影响，所以多滑移比单滑移困难。通常把单

15、滑移时的力轴取向称为软取向，而多滑移时的力轴取向称为硬取向。晶体变形时，若从单滑移为软取向，而多滑移时的力轴取向称为硬取向。晶体变形时，若从单滑移发展为多滑移，称为几何硬化；反之，称为几何软化。发展为多滑移，称为几何硬化；反之，称为几何软化。第9页/共54页交滑移交滑移两个或多个滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移，称两个或多个滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移，称为为交滑移交滑移。交滑移以后，晶体表面将出现。交滑移以后，晶体表面将出现曲折的滑移线曲折的滑移线，当参，当参加交滑移的面很多时，滑移线甚至成为波纹状。加交滑移的面很多时，滑移线甚至成为波纹状。变形温度越高、变形量或变形应力越大

16、，交滑移越显著。交变形温度越高、变形量或变形应力越大，交滑移越显著。交滑移使滑移过程具有很大的灵活性，因为当滑移在某个晶面上受滑移使滑移过程具有很大的灵活性，因为当滑移在某个晶面上受阻时，通过交滑移可以更换滑移面。阻时，通过交滑移可以更换滑移面。第10页/共54页孪生孪生是是在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪生面）与晶向（孪生方向）产生的一定角度的均匀切变过程晶面（孪生面）与晶向（孪生方向）产生的一定角度的均匀切变过程。这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位

17、向发生变位向发生变化化，并与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成，并与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成镜面对称镜面对称的位向关系。的位向关系。孪生孪生孪生面孪生面 孪生方向孪生方向bccbcchcp hcp fccfcc第11页/共54页孪生的主要特点：孪生的主要特点：（1 1）孪生也是在）孪生也是在切应力切应力的作用下发生的，但孪生所需的的作用下发生的，但孪生所需的临界切应力临界切应力远远远远高高于滑移时的临界切应力，因此只有在滑移很难进行的情况下，晶体于滑移时的临界切应力，因此只有在滑移很难进行的情况下，晶体才发生孪生变形。才发生孪生变形。密排六方金属滑移系少，在密排六方金属滑移系少，

18、在晶体取向不利于滑移晶体取向不利于滑移时常以孪生方式时常以孪生方式进行塑性变形；进行塑性变形；体心立方金属只有在体心立方金属只有在室温以下室温以下和受到和受到冲击冲击时才发生孪生；时才发生孪生；面心立方的金属面心立方的金属很少发生很少发生孪生变形。孪生变形。（2 2）孪生）孪生变形速度极快变形速度极快，常产生冲击波，并伴随声响。，常产生冲击波，并伴随声响。（3 3）孪生本身）孪生本身对晶体塑性变形的直接贡献不大对晶体塑性变形的直接贡献不大。（4 4）可激发进一步的滑移变形，提高金属的变形能力。由于孪晶的形成）可激发进一步的滑移变形，提高金属的变形能力。由于孪晶的形成改变了晶体的位向改变了晶体的

19、位向，从而使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有，从而使某些原来处于不利取向的滑移系转变到有利于发生滑移的位置，产生滑移。利于发生滑移的位置，产生滑移。第12页/共54页扭折扭折当当晶晶体体因因取取向向不不利利而而不不能能滑滑移移或或孪孪生生时时，它它就就可可能能通通过过不不均均匀匀的的塑塑性性变变形形，来适应外力的作用。来适应外力的作用。例例如如对对密密排排六六方方金金属属进进行行压压缩缩时时，若若外外力力轴轴与与00010001面面平平行行，则则滑滑移移面面上上的的切切应应力力为为零零，不不能能产产生生滑滑移移。因因此此，当当外外力力达达到到一一定定数数值值时时，晶晶体体就就发发生生局局部

20、部弯弯曲曲，即即发发生生扭扭折折，形形成成扭扭折折带带，从从而使晶体的长度缩短。而使晶体的长度缩短。扭折带的形成扭折带的形成第13页/共54页单晶体的应力单晶体的应力应变曲线应变曲线 一般而言，金属单晶体的应变硬化曲线分三个阶段。一般而言，金属单晶体的应变硬化曲线分三个阶段。第一阶段为具有很第一阶段为具有很低应变硬化率的线性区域低应变硬化率的线性区域，此时晶体只进行，此时晶体只进行单滑移单滑移，所以在较小的应力下产生较大的变形，称为所以在较小的应力下产生较大的变形，称为易滑移阶段易滑移阶段；在第二阶段中，应力与应变也呈线性关系，但也有很在第二阶段中，应力与应变也呈线性关系，但也有很高的应变硬化

21、率高的应变硬化率，称为称为线性硬化阶段线性硬化阶段，此时晶体因滑移系转动而开始进行，此时晶体因滑移系转动而开始进行多系滑移多系滑移；第三阶段称为第三阶段称为抛物线硬化阶段抛物线硬化阶段，其特点是应力随应变的增加按抛物线关，其特点是应力随应变的增加按抛物线关系变化，系变化，相应使应变硬化率逐渐减小相应使应变硬化率逐渐减小，此时位错通过，此时位错通过交滑移交滑移克服了上一阶段克服了上一阶段形成的滑移障碍，使变形易于进行。形成的滑移障碍，使变形易于进行。通通常常以以FCCFCC金金属属单单晶晶体体比比较较容容易易得得到到完完整整的的应应变变硬硬化化曲曲线线。易易滑滑移移区区可可以以在在单单系系滑滑移

22、移、高高纯纯度度、低低温温以以及及有有利利于于单滑移的取向等条件下得到充分的发展。单滑移的取向等条件下得到充分的发展。第14页/共54页实际金属的应力实际金属的应力应变曲线应变曲线实实际际金金属属的的应应力力应应变变曲曲线线与与金金属属成成分分、晶晶体体结结构构、晶晶体体取取向向、变变形温度、应变速度等多种因素有关。形温度、应变速度等多种因素有关。当当外外力力轴轴处处于于软软取取向向时时，只只使使一一个个滑滑移移系系经经受受切切应应力力的的作作用用，表表现现出出相相当当发发达达的的易易滑滑移移区区；当当外外力力轴轴处处于于硬硬取取向向时时，变变形形开开始始就就是是多多系系滑滑移移，因因此此曲曲

23、线线上上没没有有第第一一阶阶段段，并并且且整整个个变变形形过过程程中中的的总总变变形形量量也也比比较较小。小。层层错错能能较较低低的的FCCFCC金金属属（金金、银银、镍镍和和铜铜），易易于于出出现现易易滑滑移移区区。随随变变形形温温度度的的降降低低，第第一一阶阶段段升升高高，硬硬化化率率有有所所降降低低，第第二二阶阶段段变变长长而而硬硬化化率率不不变变；随随变变形形温温度度的的升升高高，曲曲线线大大体体呈呈抛抛物物线线状状。层层错错能能较较高高的的金金属属（铝铝），只只有有在在低低温温变变形形，才才能能得到三阶段的加工硬化曲线。得到三阶段的加工硬化曲线。BCCBCC金金属属单单晶晶体体（铁铁

24、和和铌铌）在在一一定定的的条条件件下下也也可可以以得得到到三三阶阶段段的的应应力力应应变变曲曲线线。低低于于室室温温变变形形时时，第第一一阶阶段段开开始始所所需需的的应应力力随随温温度度的的降降低低而而急急剧剧提提高高；在在室室温温以以上上变变形形时时，随随温温度度的的升升高高，第第二二阶阶段段应应变变范范围围减减小小，第第三三阶阶段段应应变变范范围增大。围增大。HCPHCP金金属属（锌锌、镁镁和和镉镉）其其主主要要滑滑移移系系均均为为基基面面滑滑移移，在在合合适适的的取取向向下下有有利利于于发发展展易易滑滑移移变变形形，曲曲线线的的第第一一阶阶段段很很长长，第第二二阶阶段段尚尚未未充充分分发

25、发展展就就已已经经断断裂裂。而而当当取取向向不不利利时时，易易滑滑移移区区显显著著缩缩短短，而而使使相相应应的的硬硬化化率率逐逐渐提高。渐提高。第15页/共54页金属单晶体的加工硬化机制第第一一阶阶段段：滑滑移移系系呈呈分分布布均均匀匀的的细细长长线线，随随着着变变形形量量的的增增加加，滑滑移移线线数数量量增增加加，而而不不是是由由原原来来的的滑滑移移线线上上增增加加滑滑移移量量来来实实现现。主主滑滑移移面面上上的的位位错错密密度度增增加较快，第二滑移系统的位错密度明显较低，此阶段只有一套滑移系统开动。加较快，第二滑移系统的位错密度明显较低，此阶段只有一套滑移系统开动。第第二二阶阶段段：滑滑移

26、移线线不不均均匀匀，其其平平均均长长度度随随着着应应变变的的增增加加而而减减短短，滑滑移移线线变变粗粗。位位错错以以缠缠结结的的形形式式出出现现，主主次次滑滑移移系系统统中中位位错错交交互互作作用用，在在此此阶阶段段的的后后期期，出出现现不不规规则则的的胞胞状状组组织织，直直径径约约数数微微米米。第第二二套套共共轭轭滑滑移移系系统统参参加加滑滑移移，导导致致位位错错缠缠结结的的出出现现和和滑滑移移线线的的变变短短；第第二二套套滑滑移移系系统统被被激激活活，形形成成L-CL-C位位错错锁，阻碍位错继续运动，是这一阶段加工硬化率高的原因。锁，阻碍位错继续运动，是这一阶段加工硬化率高的原因。第第三三

27、阶阶段段：滑滑移移线线发发展展为为很很粗粗的的滑滑移移带带，新新增增加加的的应应变变几几乎乎全全部部集集中中在在这这些些滑滑移移带带内内，而而且且滑滑移移带带碎碎化化。位位错错呈呈明明显显的的胞胞状状组组织织，位位错错密密度度在在胞胞壁壁处处很很高高，胞胞内内则则很很低低。由由于于交交滑滑移移的的出出现现，位位错错的的障障碍碍被被绕绕过过，故故加加工工硬硬化化率率逐逐渐渐降降低低。位位错错经经过过双双交交滑滑移移移移出出晶晶体体时时，同同一一条条位位错错线线在在很很近近的的距距离离形形成成平平行的滑移台阶。行的滑移台阶。第16页/共54页多晶体的塑性变形的特点多晶体的塑性变形的特点（1 1）各

28、晶粒变形的不同时性各晶粒变形的不同时性 多多晶晶体体中中各各晶晶粒粒取取向向不不同同，在在外外力力作作用用下下各各滑滑移移系系的的分分切切应应力力不不同同，不能同时发生滑移。，不能同时发生滑移。处处于于软软取取向向的的晶晶粒粒先先产产生生滑滑移移，位错源开动，位错沿滑移面运动。位错源开动，位错沿滑移面运动。位错不能越过周围硬取位错不能越过周围硬取向晶粒，在晶界处受阻，形向晶粒，在晶界处受阻，形成位错的平面成位错的平面塞积塞积群，造成群，造成应力集中。应力集中。随外力随外力，应力集中也，应力集中也，叠加后使相邻晶粒某滑移，叠加后使相邻晶粒某滑移系分切应力达到临界值，位系分切应力达到临界值，位错源

29、开动并产生滑移。错源开动并产生滑移。塑性变形便从一个晶粒塑性变形便从一个晶粒传递传递到另一个晶粒。如此反到另一个晶粒。如此反复，整个试样产生宏观的塑复，整个试样产生宏观的塑性变形。性变形。第八章第八章 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形第17页/共54页（2 2）各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 多多晶晶体体每每个个晶晶粒粒都都处处于于其其它它晶晶粒粒的的包包围围之之中中，因因此此变变形形不不是是孤孤立立和和任任意意的的，邻邻近近的的晶晶粒粒之之间间必必须须相相互互协协调调配配合合，不不然然就就难难以以进进行行变变形形，甚甚至至不不能能保保持持晶晶粒粒之之间间的的连续性，会造成空隙而

30、导致材料的断裂。连续性，会造成空隙而导致材料的断裂。为为与与先先变变形形的的晶晶粒粒相相协协调调，要要求求相相邻邻晶晶粒粒不不只只在在取取向向最最有有利利的的滑滑移移系系中中进进行行变变形形，还还必必须须有有几几个个滑滑移移系系，其其中中包包括括取取向向并并非非有有利利的的滑滑移移系系上上同同时时进进行行滑滑移移，才才能能保证其形状作各种相应的改变。保证其形状作各种相应的改变。因因此此，滑滑移移系系较较多多的的fccfcc和和bccbcc金金属属，通通过过多多滑滑移移可可表表现现出出良良好好的的塑塑性性，而而hcphcp金金属属滑滑移移系系少少，晶晶粒粒间间协协调调性性很很差差，塑塑性性变形能

31、力低。变形能力低。由由于于各各个个晶晶粒粒的的取取向向不不同同及及晶晶界界的的存存在在，多多晶晶体体中中各各个个晶晶粒粒之之间间的的变变形形是是不不均均匀匀的的；而而且且在在每每个个晶晶粒粒内内部部的的变变形形也也是是不不均均匀匀的的，晶晶粒粒中中心心区区域域的的变变形形量量较较大大，晶晶界界及及其其附附近近区域变形量较小区域变形量较小。（3 3）塑性变形的不均匀性塑性变形的不均匀性第18页/共54页多晶体的应力多晶体的应力应变曲线应变曲线由由于于多多晶晶体体的的塑塑性性变变形形比比单单晶晶体体复复杂杂，往往往往一一开开始始就就是是多多滑滑移移；并并且且各各晶晶粒粒的的变变形形不不是是同同时时

32、开开始始，屈屈服服是是逐逐步步发发生生的的，以以致致于于很很难难找找到到明明显显的的屈屈服服点点，因因此此其其应应力力应应变变曲曲线线没没有有单单晶晶体体那那样样的的易易滑滑移移阶阶段段，同同时屈服应力也比单晶体高。时屈服应力也比单晶体高。另另外外，晶晶界界的的存存在在促促使使多多滑滑移移发发生生，因因此此多多晶晶体体的的晶晶粒粒越越细细，其其加加工硬化率越高。工硬化率越高。铝单晶体和多晶体的应力应变曲线铝单晶体和多晶体的应力应变曲线第19页/共54页双晶体变形模型双晶体变形模型双晶体变形条件双晶体变形条件双双晶晶体体变变形形的的主主要要约约束束条条件件是是在在晶晶界界处处两两晶晶体体的的变变

33、形形必必须须协协调调，以以维维持持晶晶界界的的连连续续性性。在在双双晶晶体体变变形形时时，应应满满足足四四个个独独立立的的约约束束条条件件，相相应应便便需需要要四四个个独独立立的的滑滑移系统同时开动移系统同时开动。按按照照SchmidSchmid定定律律，当当压压力力刚刚刚刚超超过过单单晶晶体体的的临临界界切切应应力力时时，应应只只有有一一组组取取向向最最有有利利的的主主滑滑移移系系统统先先开开动动，但但在在双双晶晶体体变变形形时时，却却必必须须有有附附加加的的滑滑移移系系统统同同时时开开动动。实实际际上上，造造成成这这种种附附加加滑滑移移或或协协调调滑滑移移的的原原因因是是由由于于双双晶晶变

34、变形形时时，两两晶晶体体的的弹弹性性变变形形及及塑塑性性变变形形具具有有不不匹匹配配性所致。性所致。第20页/共54页双晶体弹性变形的不匹配性产产生生变变形形不不匹匹配配的的原原因因主主要要同同晶晶体体具具有有弹弹性性各各向向异异性性有有关关。如如果果两两晶晶体体均均为为各各向向同同性性时时，双双晶晶体体应应协协调调变变形形。实实际际金金属属晶晶体体多多为为各各向向异异性性，构成双晶体时，引起两种弹性变形不匹配现象构成双晶体时，引起两种弹性变形不匹配现象1 1、弹性切应变不匹配弹性切应变不匹配轴轴向向应应力力在在各各向向同同性性的的晶晶体体中中仅仅引引起起正正应应变变，而而在在各各向向异异性性

35、晶晶体体中中还还会会引引起起切切应应变变。于于是是，便便可可由由双双晶晶体体中中两两晶晶体体的的切切变变方方向向不不同同，而而引引起起弹弹性性变变形的不匹配现象。形的不匹配现象。轴向加载双晶体弹性切变不匹配示意图轴向加载双晶体弹性切变不匹配示意图第21页/共54页2 2、弹性正应变不匹配、弹性正应变不匹配两晶体的取向不同时，可使轴向上的弹性柔度系数不同。在两晶两晶体的取向不同时，可使轴向上的弹性柔度系数不同。在两晶体未焊合的情况下，会导致彼此的轴向应变不同。于是在焊合的情况体未焊合的情况下，会导致彼此的轴向应变不同。于是在焊合的情况下，便要引起双晶体的界面上出现附加的切应力。附加应力在两晶体下

36、，便要引起双晶体的界面上出现附加的切应力。附加应力在两晶体界面上最大，并随离开界面的距离增大呈指数关系下降。界面上最大，并随离开界面的距离增大呈指数关系下降。轴向加载双晶体的弹性正应变不匹配示意图轴向加载双晶体的弹性正应变不匹配示意图第22页/共54页双晶体塑性变形的不匹配性双晶体塑性变形的不匹配性从从微微观观角角度度而而言言，滑滑移移具具有有高高度度的的不不均均匀匀性性。滑滑移移过过程程总总是是从从某某一一晶晶粒粒先先开开始始，并并集集中中在在滑滑移移带带中中进进行行。当当滑滑移移带带与与晶晶界界相相遇遇时时，形形成成位位错错塞塞积积，产产生生应应力力集集中中。这这种种塑塑性性变变形形不不匹

37、匹配配使使相相邻邻晶晶粒粒变变形形不不一一致致。于于是是在在应应力力集集中中的的作作用用下下，便便可可能能引引起起相相邻邻晶晶粒粒中中有有滑滑移移系系统统开开动动。在在应应力力集集中中的的作作用用下下，除除了了可可以以使使相相邻邻晶晶粒粒中中的的主主滑滑移移系系统统激激活活外外，并并有有可可能能使使晶晶界界附附近近的的次次滑滑移移系系统统开开动动，以以致在晶界附近致在晶界附近产生多滑移产生多滑移。一一般般而而言言，形形成成刃刃型型位位错错塞塞积积群群时时，易易于于有有效效地地激激活活相相邻邻晶晶粒粒中中的的次次滑滑移移；而而形形成成螺螺型型位位错错塞塞积积群群时时，因因领领先先位位错错易易于于

38、交交滑滑移移，常常使使塞积群前端钝化，导致了对激活次滑移的有效程度降低。塞积群前端钝化，导致了对激活次滑移的有效程度降低。对称性双晶体塑性变形引起对称性双晶体塑性变形引起附加滑移机制示意图附加滑移机制示意图第23页/共54页8.38.3晶界强化机制晶界强化机制位错穿过晶界位错穿过晶界小小角角晶晶界界的的短短程程应应力力场场会会对对靠靠近近的的晶晶格格位位错错作作功功，以以阻阻止止其其滑滑移移穿穿过过。故故当当晶晶格格位位错错进进入入晶晶界界的的短短程程应应力力场场时时，便便会会受受到到一一定定的的阻阻碍碍作作用用。若若应应力力较较大大时时，晶晶格格位位错错可可以以切切过过晶晶界界，而而在在晶晶

39、界界上上形形成成台台阶阶或或晶晶界界位位错错。在在切切过过后后晶晶格格位位错错的的柏柏氏氏矢矢量量有有所所改改变变，其其变变化化量量便便为为晶界位错的柏氏矢量。晶界位错的柏氏矢量。滑滑移移位位错错与与大大角角晶晶界界也也会会发发生生交交互互作作用用。在在外外加加切切应应力力的的作作用用下下，晶晶格格位位错错进进入入晶晶界界时时可可以以发发生生分分解解反反应应形形成成多多个个晶晶界界位位错错，这这样样便便会会使滑移位错进入晶界后难于离开或继续前进。使滑移位错进入晶界后难于离开或继续前进。当当晶晶格格位位错错切切过过晶晶粒粒内内部部的的小小角角晶晶界界时时，也也可可以以与与晶晶界界位位错错相相互互

40、交交截截而而形形成成割割阶阶或或扭扭折折，使使能能量量增增加加。同同样样，当当晶晶格格位位错错切切过过大大角角晶晶界时，可使晶界形成台阶而引起晶界面积增加。界时，可使晶界形成台阶而引起晶界面积增加。第24页/共54页晶界发射和吸收位错晶界发射和吸收位错晶界可以作为位错源，向晶内发射位错。晶界可以作为位错源，向晶内发射位错。若若晶晶界界中中的的台台阶阶本本身身是是晶晶界界位位错错的的话话，在在外外力力作作用用下下可可以以发发生生分分解解而而生生成成晶晶格格位位错错。由由于于每每个个晶晶界界位位错错只只能能产产生生一一个个晶晶格格位位错错，会会使使这种晶界位错源逐渐趋于耗竭。这种晶界位错源逐渐趋于

41、耗竭。此此外外，沿沿晶晶界界滑滑动动的的晶晶界界位位错错遇遇到到突突出出的的晶晶界界台台阶阶时时，晶晶界界位位错错在台阶上与台阶反应分解成新的晶格位错和晶界位错。在台阶上与台阶反应分解成新的晶格位错和晶界位错。第25页/共54页晶界强化作用晶界强化作用直接强化作用直接强化作用（晶界本身对晶内滑移所起的阻碍作用。）（晶界本身对晶内滑移所起的阻碍作用。）无无论论是是小小角角晶晶界界还还是是大大角角晶晶界界都都可可以以看看成成是是位位错错的的集集合合体体，从从而而成成为直接阻碍晶内位错运动的障碍。为直接阻碍晶内位错运动的障碍。1.晶晶界界具具有有短短程程应应力力场场，可可障障碍碍晶晶格格滑滑移移位位

42、错错进进入入或或通通过过晶晶界界。这这是是一一种种由由位位错错与与晶晶界界的的应应力力场场的的交交互互作作用用所所引引起起的的一一种种局局部部强强化化作作用。用。2.若若晶晶格格滑滑移移位位错错穿穿过过晶晶界界时时，其其柏柏氏氏矢矢量量发发生生变变化化，并并形形成成晶晶界界位位错错。除除非非所所形形成成的的晶晶界界位位错错从从滑滑移移带带与与晶晶界界相相交交处处移移开开，否否则则会会形成反向应力阻碍进一步滑移。形成反向应力阻碍进一步滑移。3.若若晶晶格格滑滑移移位位错错进进入入晶晶界界，可可发发生生分分解解，形形成成晶晶界界位位错错；或或者者与与晶界位错发生反应。晶界位错发生反应。第26页/共

43、54页间接强化作用间接强化作用（晶界的存在所引起的潜在强化效应。）（晶界的存在所引起的潜在强化效应。）、次滑移引起强化、次滑移引起强化晶晶界界的的存存在在可可以以引引起起弹弹性性应应变变不不匹匹配配和和塑塑性性应应变变不不匹匹配配，两两种种效效应应，在在晶晶界界附附近近引引起起多多滑滑移移。弹弹性性应应变变不不匹匹配配效效应应在在主主滑滑移移前前引引起起次次滑滑移移时时，可可对对随随后后的的主主滑滑移移构构成成林林位位错错加加工工硬硬化化机机制制。这这种种先先次次滑滑移移后后主主滑滑移移的的机机制制在在晶晶界界潜潜在在强强化化中中起起重重要要作作用用。塑塑性性应应变变不不匹匹配配应应力力易易于

44、于激激发发晶晶界界位位错错源源，使使之之放放出出位位错错而而导导致致晶晶界界附附近近的的区区域域快快速速加工硬化。加工硬化。、晶粒间取向差引起强化、晶粒间取向差引起强化由由于于相相邻邻晶晶粒粒取取向向不不同同，会会引引起起两两者者主主滑滑移移系系统统取取向向因因子子出出现现差差异异。若若在在外外力力作作用用下下某某一一晶晶粒粒先先开开始始滑滑移移时时，相相邻邻晶晶粒粒内内的的主主滑滑移移系系统统难难于于同同时时开开动动。着着说说明明晶晶界界的的存存在在能能使使运运动动位位错错的的晶晶体体学学特特性性受受到到破坏，从而引起强化效应。破坏，从而引起强化效应。第27页/共54页晶界强化的数学表达晶界

45、强化的数学表达霍尔霍尔佩奇公式佩奇公式霍霍尔尔和和佩佩奇奇在在实实验验的的基基础础上上建建立立了了流流变变应应力力与与晶晶粒粒尺尺寸寸之之间间的的关系式：关系式：f f=0 0+kd+kd-n-n式式中中，f f为为流流变变应应力力；0 0为为晶晶格格摩摩擦擦力力，大大体体相相当当于于单单晶晶体体的的屈屈服服强强度度；d d为为晶晶粒粒的的平平均均直直径径；k k为为常常数数，表表征征晶晶界界对对强强度度影影响响的的程程度度，与晶界的结构有关；指数与晶界的结构有关；指数n n常取常取1/21/2。Hall-PetchHall-Petch公公式式是是一一个个很很好好的的经经验验公公式式，可可以以

46、从从不不同同的的物物理理模模型出发加以推导。型出发加以推导。第28页/共54页位错塞积模型位错塞积模型在在外外加加切切应应力力较较小小时时，由由于于晶晶界界的的阻阻碍碍作作用用，会会使使晶晶粒粒1 1内内由由位位错错源源放放出出的的位位错错形形成成位位错错塞塞积积，位位错错塞塞积积可可以以在在相相邻邻晶晶粒粒内内产产生生较较大大的的切切应应力力，当当这这个个应应力力达达到到该该晶晶粒粒内内位位错错源源开开动动的的临临界界分分切切应应力力时时，该该晶晶粒粒内内的的位位错错开开始始滑滑移。计算结果为移。计算结果为 y y=0 0+kd+kd-1/2-1/2位错塞积引起相邻晶粒中位错源位错塞积引起相

47、邻晶粒中位错源开动示意图开动示意图第29页/共54页晶界台阶模型晶界台阶模型晶晶界界上上的的台台阶阶可可以以作作为为位位错错源源而而放放出出位位错错，由由此此可可以以将将流流变变应应力力视视为位错运动克服林位错的阻力，进而求出如下的霍尔为位错运动克服林位错的阻力，进而求出如下的霍尔佩奇关系式：佩奇关系式：式中式中S S为台阶的密度（单位长度晶界上台阶的个数）。为台阶的密度（单位长度晶界上台阶的个数）。晶界台阶发射位错示意图晶界台阶发射位错示意图第30页/共54页晶界区硬化模型晶界区硬化模型在在同同一一晶晶粒粒内内，由由于于离离晶晶界界远远近近不不同也会在形变阻力上有所反应。同也会在形变阻力上有

48、所反应。设设想想在在流流变变条条件件下下，晶晶界界的的影影响响上上在在晶晶粒粒内内造造成成一一定定宽宽度度(b/2)(b/2)的的硬硬化化区区，晶晶粒粒的的强强度度 y y要要由由晶晶界界附附近近的的硬硬化化区区强强度度 H H和和心心部部软软化化区区强强度度 S S综综合合决决定定。推推出出或者或者霍霍尔尔佩佩奇奇关关系系式式的的指指数数n n可可介介于于0.450.45和和1.11.1之间变化。之间变化。晶界区硬化模型示意图晶界区硬化模型示意图第31页/共54页亚晶界强化亚晶界强化亚亚晶晶界界一一般般为为小小角角晶晶界界，其其对对流流变变应应力力的的影影响响也也可可用用Hall-Petch

49、Hall-Petch公公式式加加以描述，即以描述，即 f f=0 0+kd+kds s-n-n式式中中，d ds s为为亚亚晶晶粒粒直直径径，kk为为亚亚晶晶界界的的强强化化系系数数，n=1/2n=1/2。对对于于相相同同的的材材料料而而言言，kkklLl。溶质原子对位错的障碍溶质原子对位错的障碍()强相互作用强相互作用()弱相互作用弱相互作用第35页/共54页非均匀固溶强化理论非均匀固溶强化理论在很多情况下，溶质原子在基体中并非完全无规分布，而是因为与位错在很多情况下，溶质原子在基体中并非完全无规分布，而是因为与位错有交互作用而在位错周围聚集，是非均匀的。有交互作用而在位错周围聚集，是非均匀

50、的。柯垂尔气团强化柯垂尔气团强化由于溶质原子与刃型位错的交互作用，在温度和时间允许的条件下，为由于溶质原子与刃型位错的交互作用，在温度和时间允许的条件下，为了减少畸变能，溶质原子将聚集在位错线周围，形成溶质原子云，也称为柯了减少畸变能，溶质原子将聚集在位错线周围，形成溶质原子云，也称为柯垂尔气团。垂尔气团。从一级效应考虑，螺位错周围只有切应变而没有体应变，因此不能形成从一级效应考虑，螺位错周围只有切应变而没有体应变，因此不能形成柯垂尔气团；但从二级效应考虑，螺位错仍造成体应变，螺位错芯部处于引柯垂尔气团；但从二级效应考虑，螺位错仍造成体应变，螺位错芯部处于引张状态，故半径很小的间隙原子也会趋于