1、金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation,第二講 Lesson Two,張貴杰 Zhang Guijie TelE-Mail： 河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系 Department of Metal Material and Process Engineering Hebei Polytechnic University, Tangshan 063009,2020/8/16,2,第二章 金屬塑性變形的物理本質(zhì) Chapter 2 Physical inbeing of metal plastic deformation

2、,主要內(nèi)容 Main Content 金屬的晶體結(jié)構(gòu)(Crystal structure) 位錯理論基礎(chǔ)(Dislocation theory) 單晶體塑性變形(Monocrystal plastic deformation) 多晶體塑性變形(Multi-crystal plastic deformation),2020/8/16,3,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) Crystal structure,基本概念 晶胞結(jié)構(gòu) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),2020/8/16,4,基本概念,晶體 :原子按一定的幾何規(guī)律在空間作周期性排列 晶格 :用直線將原子中心連接起來，構(gòu)成的空間格子 空間點(diǎn)陣：在空間由點(diǎn)排列起來的

3、無限陣列，其中每一個點(diǎn)都與其它所有的點(diǎn)都具有相同的環(huán)境。 晶胞：只包含一個陣點(diǎn)的六面體,2020/8/16,5,晶界: 晶粒和晶粒之間的界面 晶面: 晶體中，由原子組成的平面 晶向: 由原子組成的直線,Grain or Crystalline Structure,Grain Boundary,Crystals,2020/8/16,6,晶胞結(jié)構(gòu),面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe,2020/8/16,7,體心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti,2020/8/16,8,密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Co,c/a=1.57-1.64,2020/8/16,9,立方系的一些晶面指數(shù),202

4、0/8/16,10,實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),單晶體: 各方向上的原子密度不同各向異性 多晶體: 晶粒方向性互相抵消各向同性 存在著一系列缺陷: 點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷,2020/8/16,11,一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度,2020/8/16,12,常見的缺陷,點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。,2020/8/16,13,2020/8/16,14,線缺陷（位錯）,刃型位錯,L：位錯線長度，V：體積，r：位錯密度。,一般退火晶體： r =106-108/cm2 超薄單晶體： r 103/cm2 冷變形金屬： r =1011-1012/cm2,2020/8/16,15,M.F. Ash

5、by and D.R.H. Jones, Engineering Materials 1, 2nd ed. (2002),2020/8/16,16,螺型位錯,2020/8/16,17,混合型位錯（螺型+刃型 ）,2020/8/16,18,面缺陷,堆垛層錯（stacking fault） 抽出型層錯 插入型層錯 如面心立方： ABCA（B）CABC 抽出 ABC（B）ABCABC 插入,2020/8/16,19,晶界 晶界上的原子平均能量高于晶內(nèi)原子，高出的能量稱為晶界能。,小角度晶界,2020/8/16,20,孿晶界,2020/8/16,21,亞晶界,扭轉(zhuǎn)晶界,扭轉(zhuǎn)晶界,面心立方結(jié)構(gòu)中的(00

6、1)面相符扭轉(zhuǎn)晶界,b,o,n,d,B,r,o,k,e,n,b,o,n,d,(,d,a,n,g,l,i,n,g,b,o,n,d,),G,r,a,i,n,b,o,u,n,d,a,r,y,V,o,i,d,v,a,c,a,n,c,y,S,e,l,f,-,i,n,t,e,r,s,t,i,t,i,a,l,t,y,p,e,a,t,o,m,F,o,r,e,i,g,n,i,m,p,u,r,i,t,y,Fig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type a

7、toms. The structure of the grain,boundary is disordered and the atoms in the grain boundaries have higher,energies than those within the grains.,2020/8/16,22,2.2 位錯理論基礎(chǔ) Dislocation theory,柏氏矢量 （Burgers Vector）和位錯環(huán),（a）圍繞一刃型位錯的柏氏迥路；（b）完整晶體中 的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。,2020/8/16,23,（a）圍繞一螺型位錯的柏氏迥路；（b）完整晶體中 的相同迥路

8、；迥路缺損即為柏氏矢量。,2020/8/16,24,混合位錯,(b),未滑移區(qū),(a),B,b,b,A,A,滑移區(qū),B,2020/8/16,25,位錯攀移（Climb）,正攀移：位錯縮短，空位遷移 負(fù)攀移：位錯加長，間隙原子遷移,2020/8/16,26,位錯交割,(a),(b) 刃型位錯上的彎節(jié)；(c),(d)刃型位錯 和螺型位錯上的割節(jié)，陰影部分為滑移面,刃型+刃型 割階 繼續(xù)滑移 刃型+螺型 割階 繼續(xù)滑移 螺型+螺型 割階 不能繼續(xù)滑移,柏氏矢量b,2020/8/16,27,(a),(b),(c),(d),b,b,b,2020/8/16,28,位錯源和位錯增殖,Dislocation

9、Loop: Frank Reed,2020/8/16,29,2020/8/16,30,Frank-Read sources in Si,Dash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).,2020/8/16,31,位錯塞積,2020/8/16,32,2.3 單晶體塑性變形機(jī)制Mono-crystal plastic deformation,2.3.1 滑移 滑移:晶體一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對另一部分發(fā)生相對移動和切變。產(chǎn)生宏觀的塑性變形。 滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向

10、：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一種滑移面及其上的一個滑移方向構(gòu)成,2020/8/16,33,3.25% Si-Fe單晶體中的平直滑移帶。取自Hull,proc. Roy, Soc. A274, 5(1963). (b) 垂直于(a) 中所示表面，且通過滑移帶的截面示意圖。每條滑移帶是由平行于滑移面，且緊密排列的大量滑移臺階所構(gòu)成。,滑移帶,a,b,2020/8/16,34,滑移面的表示：，分別為滑移面與晶軸的截距，為晶格常數(shù)。對于體心立方、面心立方，,2020/8/16,35,Gold (Au) - fcc,2020/8/16,36,Iron (Fe), Vanadium (V), Ch

11、romium (Cr) - bcc,2020/8/16,37,2020/8/16,38,滑移時的位錯運(yùn)動,一個位錯移到晶體表面時，便形成一個原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯移到晶體表面時，則形成一條滑移線。,剪切力,v：波松比 a：滑移平面間的距離 b：沿滑移方向原子間的距離,2020/8/16,39,臨界剪切應(yīng)力,晶體進(jìn)入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應(yīng)力稱為臨界剪應(yīng)力,uvw is perpendicular to (uvw),2020/8/16,40,取向因子,滑移面和滑移方向與外力成45角，為軟取向 否則為硬取向,2020/8/16,41,晶面轉(zhuǎn)動,單晶體拉伸,單晶體壓

12、縮,2020/8/16,42,平移滑移和復(fù)雜滑移,單滑移（平移滑移） 是沿著一定的結(jié)晶面和結(jié)晶方間進(jìn)行。它僅可能在最初始的塑性變形階段發(fā)生。,銅的單滑移,2020/8/16,43,雙滑移 所謂雙滑移就是指從某一變形程度開始，同時有兩個滑移系統(tǒng)進(jìn)行工作。但這并不意味著它們的作用是同步的。,2020/8/16,44,多滑移 與雙滑移相似，晶體在滑移過程中，如果滑移同時在各個滑移系統(tǒng)上進(jìn)行時，則稱此滑移為多滑移。,發(fā)生多系滑移時，在拋光的金屬表面就不是平行的滑移線，而是兩組或多組交叉的滑移線,2020/8/16,45,交滑移 若滑移是沿兩個不同的滑移面和共有的滑移方向上進(jìn)行時，則稱為交滑移。,滑移后

13、在晶體表面上所看到的滑移線不再是直線而呈折線或波紋狀,2020/8/16,46,2.3.2 孿生,面心立方晶體孿生變形示意,a) 孿生面和孿生方向 b) 孿生變形時原子的移動,孿生面,孿生面,孿生方向,孿生方向,孿生區(qū)域,2020/8/16,47,孿生：晶體在切應(yīng)力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的關(guān)系發(fā)生相對的位向移動，其結(jié)果使晶體的一部分與原晶體的位向處于相互對稱的位置。,2020/8/16,48,在孿生變形時，所有平行于孿生面的原子平面都朝著一個方向移動。每一晶面移動距離的大小與它距孿生面的距離成正比。每一晶面與相鄰晶面的相對移動恒等于點(diǎn)陣常數(shù)的若干分之一。,2020/8/1

14、6,49,發(fā)生孿生的條件,晶體的對稱性 變形速度的增加可促使晶體的孿生化 溫度越低，孿生產(chǎn)生的可能性越大,2020/8/16,50,鎂中的變形孿晶和滑移帶,2020/8/16,51,孿生與滑移的區(qū)別,由孿生的變形過程可知，孿生所發(fā)生的切變均勻地波及整個孿生變形區(qū)，而滑移變形只集中在滑移面上，切變是不均勻的； 孿生切變時原子移動的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍（而是幾分之一原子間距），而滑移時原子移動的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍； 孿生變形后，孿晶面兩邊晶體位向不同，成鏡像對稱；而滑移時，滑移面兩邊晶體位向不變； 由于孿生改變了晶體的取向，因此孿晶經(jīng)拋光浸蝕后仍可觀察到，而滑移所造成的臺階

15、經(jīng)拋光浸蝕后不會重現(xiàn)。,2020/8/16,52,2.3.3 不對稱變向,孿生變形點(diǎn)陣的再取向是有規(guī)律的，變形后晶體與未變形部分晶體以孿晶面為對稱面。當(dāng)變形條件既不利于滑移又不利于孿生時，晶體點(diǎn)陣則以非對稱的方式變向，稱為不對稱變向。變形部分相對未變形部分取向的是無規(guī)律的，并不成對稱關(guān)系。這種變形方式在金屬中常見到的有扭折帶和形變帶。,2020/8/16,53,扭折帶的形成對塑性變形有兩種作用，一種是協(xié)調(diào)變形；二是進(jìn)一步促進(jìn)變形。,2020/8/16,54,在變形晶體的某些微區(qū)中，其點(diǎn)陣相對原來點(diǎn)陣發(fā)生轉(zhuǎn)動而形成形變帶。經(jīng)x射線的研究可知，帶中的取向轉(zhuǎn)動不同于扭折帶，取向不是突變而是漸變的，其

16、轉(zhuǎn)動程度取決于變形量。,2020/8/16,55,2.3.4 其它變形機(jī)制,非晶機(jī)制 晶界滑動,2020/8/16,56,2.4 多晶體塑性變形Multi-crystal plastic deformation,多晶體是由許多微小的單個晶粒雜亂組合而成。 多晶體在其組織結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)： （1）多晶體的各個晶粒，其形狀和大小是不同的，化學(xué)成分和力學(xué)性能的分布不均勻； （2）多晶體各相鄰晶粒的取向一般不同； （3）在多晶體中存在大量的晶界，晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與晶粒本身不同，并在晶界上聚集著其它物質(zhì)的雜質(zhì)。,2020/8/16,57,Grain or Crystalline Structure,Grai

17、n Boundary,2020/8/16,58,多晶體塑性變形特點(diǎn),變形的不均勻性,多晶體變形的竹節(jié)現(xiàn)象,晶粒變形的整體性,2020/8/16,59,晶界的作用及晶粒大小的影響 多晶金屬在塑性變形過程中，仍然保持著連續(xù)性。即每個晶粒的變形都要受到相鄰晶粒的制約，并與相鄰晶粒的變形相協(xié)調(diào)。 晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高,2020/8/16,60,多晶體塑性變形機(jī)制,晶粒的轉(zhuǎn)動和移動 溶解沉積機(jī)制 粘滯性晶間流動,2020/8/16,61,多晶體的屈服與形變時效,屈服極限 當(dāng)多晶體出現(xiàn)一定殘留塑性變形值時的抗力作為多晶體的屈服極限。對這樣的屈服極限稱為條件屈服極限。,2020/8/16,62,屈服效應(yīng)和呂德斯帶,拉伸試驗(yàn)表明，有些金屬其拉伸曲線是逐漸連續(xù)變化的，沒有明顯的屈服極限，也有些金屬材料（如低碳鋼），在拉伸曲線上有明顯的上、下屈服點(diǎn)，在下屈服點(diǎn)后有一應(yīng)力平臺區(qū)域（或帶有少量的應(yīng)