金屬塑性成形原理

1、2022-7-11第一章第一章 金屬塑性變形的基礎(chǔ)理論金屬塑性變形的基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容主要內(nèi)容n金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n位錯(cuò)理論基礎(chǔ)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)n單晶體塑性變形單晶體塑性變形n多晶體塑性變形多晶體塑性變形2022-7-121.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)n基本概念 n晶胞結(jié)構(gòu) n實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2022-7-13基本概念n晶體：原子按一定的幾何規(guī)律在空間作周期性排列 n晶格：用直線將原子中心連接起來，構(gòu)成的空間格子n空間點(diǎn)陣：在空間由點(diǎn)排列起來的無限陣列，其中每一個(gè)點(diǎn)都與其它所有的點(diǎn)都具有相同的環(huán)境。n晶胞：只包含一個(gè)陣點(diǎn)的六面體2022-7-14 n晶界晶界: : 晶粒和晶粒之間的界面晶粒和晶

2、粒之間的界面 n晶面晶面: : 晶體中，由原子組成的平面晶體中，由原子組成的平面n晶向晶向: : 由原子組成的直線由原子組成的直線Grain or Crystalline StructureG r a i n BoundaryCrystals2022-7-15晶胞結(jié)構(gòu) n面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe 2022-7-16 n體心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti 2022-7-17n密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Coc/a=1.57-1.64 2022-7-18晶向與晶面指數(shù)晶向與晶面指數(shù)晶向：晶向：空間點(diǎn)陣中節(jié)點(diǎn)列的方向?？臻g中任兩節(jié)點(diǎn)的空間點(diǎn)陣中節(jié)點(diǎn)列的方向。空間中任兩節(jié)

3、點(diǎn)的連線的方向，代表了晶體中原子列的方向。連線的方向，代表了晶體中原子列的方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù)：表示晶向方位符號(hào)。：表示晶向方位符號(hào)。 標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系 結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位點(diǎn)陣常數(shù)為單位 ；在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)(x1,y1,z1) (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)(x2,y2,z2)。( (若平移晶向或坐標(biāo)，讓在第若平移晶向或坐標(biāo)，讓在第一點(diǎn)在原點(diǎn)則下一步更簡(jiǎn)單一點(diǎn)在原點(diǎn)則下一步更簡(jiǎn)單) )； 計(jì)算計(jì)算x2-x1 x2-x1 ： y2-y1 y2-y1 ： z2-z1z2-z1 ；化成最小、整數(shù)

4、比化成最小、整數(shù)比u u：v v：w w ；放在方括號(hào)放在方括號(hào)uvwuvw中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方上方 。2022-7-19一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)晶向族：晶向族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向晶向的集合的集合。 表示方法：表示方法：用尖括號(hào)用尖括號(hào)表示表示 。舉例：舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。有結(jié)果都是該族的范圍。 晶向指數(shù)特征：晶向指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶

5、向。平行的晶向。 2022-7-110二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)晶面：晶面：空間中不在一直線任三個(gè)陣點(diǎn)的構(gòu)成的平面，空間中不在一直線任三個(gè)陣點(diǎn)的構(gòu)成的平面，代表了晶體中原子列的方向。代表了晶體中原子列的方向。 晶面指數(shù)晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號(hào)。：表示晶面方位的符號(hào)。 標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系 結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位點(diǎn)陣常數(shù)為單位 （原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可（原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可以采用平移法）以采用平移法）；晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距a1 a2 a3a1 a2 a3 ； 計(jì)算其倒數(shù)計(jì)算其倒數(shù) b1

6、 b2 b3b1 b2 b3 ；化成最小、整數(shù)比化成最小、整數(shù)比h h：k k：l l ；放在圓方括號(hào)放在圓方括號(hào)(hkl)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方上方 。2022-7-111二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)晶面族：晶面族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶晶面的集合面的集合。 表示方法：表示方法：用花括號(hào)用花括號(hào)hklhkl表示表示。 舉例：舉例：可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所可見任意交換指數(shù)的位置和改變符號(hào)后的所有結(jié)果都是該族的范圍。有結(jié)果都是該族的范圍。 晶面指數(shù)特征：晶面指數(shù)特征：與原

7、點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組與原點(diǎn)位置無關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶面。平行的晶面。 2022-7-112三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)1 1、晶面指數(shù)、晶面指數(shù)：建立坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的明確的表示晶體底面的( (六次六次) )對(duì)稱對(duì)稱性，底面用互成性，底面用互成120120度的三個(gè)坐標(biāo)度的三個(gè)坐標(biāo)軸軸x1x1、x2x2、x3x3，其單位為晶格常數(shù)，其單位為晶格常數(shù)a a，加上垂直于底面的方向，加上垂直于底面的方向Z Z，其單，其單位為高度方向的晶格常數(shù)位為高度方向的晶格常數(shù)c c。注意。注意x1x1、x2x2、x3x

8、3三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的變量。變量。 方法同立方晶系，方法同立方晶系， (hkil)為在四個(gè)為在四個(gè)坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡(jiǎn)，自然可坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡(jiǎn)，自然可保證關(guān)系式保證關(guān)系式hkI0。底面指數(shù)。底面指數(shù)為為(0001),側(cè)面的指數(shù)為側(cè)面的指數(shù)為(1010)。2022-7-113三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)2 2、晶向指數(shù)、晶向指數(shù)標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：平移晶向平移晶向( (或坐標(biāo)或坐標(biāo)) )，讓原，讓原點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)的坐標(biāo)，有點(diǎn)的坐標(biāo)，有: :并滿足并滿足p pq qr r0 0 ；化成最小、整數(shù)比化成最小、整數(shù)比

9、u u：v v：t t：w w放在放在方方方括號(hào)方括號(hào)uvtwuvtw，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方 。2022-7-114金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體單晶體: : 一塊晶體材料，其內(nèi)部一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為晶體就稱之為“單晶體單晶體”，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的金須和其他一些供研究用的材料。材料。 2022-7-115一、多晶體結(jié)構(gòu)一、

10、多晶體結(jié)構(gòu)多晶體多晶體: : 實(shí)際應(yīng)用的工程材料實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體多晶體”。 2022-7-116一、多晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)晶粒：晶粒：多晶體材料中每個(gè)多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫的顆

11、粒狀，通常把它們叫做做“晶粒晶?！薄?晶界：晶界：晶粒與晶粒之間的晶粒與晶粒之間的分界面叫分界面叫“晶粒間界晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱或簡(jiǎn)稱“晶界晶界”。為了適。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶界處的原子的過渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。排列總是不規(guī)則的。 2022-7-117二、多晶體的組織與性能：二、多晶體的組織與性能：偽各向同性：偽各向同性：多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單多晶體材料中，盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部象單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個(gè)晶粒在空間取向是隨機(jī)分布，大量晶粒的綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)分布，大量晶粒的

12、綜合作用，整個(gè)材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。各向異性，這個(gè)現(xiàn)象稱為多晶體的偽各向同性。 組織組織 ：（如圖）（如圖）2022-7-118三、晶體中的缺陷概論三、晶體中的缺陷概論晶體缺陷：晶體缺陷：即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象即使在每個(gè)晶粒的內(nèi)部，也并不完全象晶體學(xué)中論述的晶體學(xué)中論述的( (理想晶體理想晶體) )那樣，原子完全呈現(xiàn)那樣，原子完全呈現(xiàn)周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原子排周期性的規(guī)則重復(fù)的排列。把實(shí)際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺陷的數(shù)量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體陷的數(shù)

13、量相當(dāng)大，但因原子的數(shù)量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來關(guān)性能特點(diǎn)，而缺陷的數(shù)量將給材料的性能帶來巨大的影響。巨大的影響。 2022-7-119三、晶體中的缺陷概論三、晶體中的缺陷概論晶體缺陷按范圍分類：晶體缺陷按范圍分類：點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 在三維空間各方向上尺寸都很小，在原在三維空間各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶體缺陷。子尺寸大小的晶體缺陷。 線缺陷線缺陷 在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶晶粒數(shù)量級(jí)粒數(shù)量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小，另外

14、兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺原子尺寸大小寸大小) )的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)Dislocation 面缺陷面缺陷 在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( (晶晶粒數(shù)量級(jí)粒數(shù)量級(jí)) )，另外一個(gè)方向上的尺寸很小，另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺原子尺寸大小寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。2022-7-120一、點(diǎn)缺陷的類型一、點(diǎn)缺陷的類型 ：空位空位 在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為地方空缺，這種缺陷稱為“空位空位”。 間隙原子間隙原子 在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往在晶格非結(jié)

15、點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。是異類原子。 異類原子異類原子 在一種類型的原子組成在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置。有的原子占有其應(yīng)有的位置。 2022-7-121常見的缺陷 n點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。2022-7-122二、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響二、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響原因：原因：無論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏無論那種點(diǎn)缺陷的存在，都會(huì)使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即

16、造成小區(qū)域的晶格畸變。離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。 效果效果提高材料的電阻提高材料的電阻 定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力平衡力( (陷阱陷阱) )，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度( (發(fā)熱發(fā)熱) )。 加快原子的擴(kuò)散遷移加快原子的擴(kuò)散遷移 空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站?？瘴豢勺鳛樵舆\(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。 形成其他晶體缺陷形成其他晶體缺陷 過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的過飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。 改變材料的力學(xué)性能改變材料的力學(xué)性能 空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成

17、刃位空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在會(huì)增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、 2022-7-123三、空位的平衡濃度三、空位的平衡濃度空位的出現(xiàn)提高了體系的內(nèi)能空位的出現(xiàn)提高了體系的內(nèi)能 空位的出現(xiàn)破壞了其周空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒有空位時(shí)的那一部分能量稱為于沒有空位時(shí)的那一部分能量稱為“空位形成能空位形成能”。 空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值 平衡空位

18、濃度平衡空位濃度 體系的自由能最低時(shí)，晶體處于平體系的自由能最低時(shí)，晶體處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，晶體中存在的空位濃度。衡穩(wěn)定狀態(tài)，晶體中存在的空位濃度。原因：原因： 2022-7-124三、空位的平衡濃度三、空位的平衡濃度例如例如： CuCu晶體得空位形成能為晶體得空位形成能為0.9ev/atom =1.44X100.9ev/atom =1.44X10-19-19J/atomJ/atom，在在500500時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為1.4X101.4X10-6-6( (很低很低) )，而在，而在每立方米的銅晶體存在每立方米的銅晶體存在1.2X101.2X102323個(gè)空位

19、個(gè)空位( (數(shù)量很多數(shù)量很多) )。 過飽和空位過飽和空位 晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過平衡晶體中含點(diǎn)缺陷的數(shù)目明顯超過平衡值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，值。如高溫下停留平衡時(shí)晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來不及移快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來不及移出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過這時(shí)的平出晶體，就會(huì)造成晶體中的空位濃度超過這時(shí)的平衡值。過飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)衡值。過飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢(shì)，在動(dòng)力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時(shí)間過程。還要一時(shí)間過程。 2

20、022-7-125二、位錯(cuò)的基本概念二、位錯(cuò)的基本概念 線缺陷：線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) )，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小另外兩個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。其的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation 一）、位錯(cuò)的原子模型一）、位錯(cuò)的原子模型 將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的將晶體的上半部分向左移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來結(jié)合方式連接起來(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他

21、部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個(gè)原子面，這就是刃型位錯(cuò)。子面，這就是刃型位錯(cuò)。 2022-7-126一）、位錯(cuò)的原子模型一）、位錯(cuò)的原子模型 若將晶體的上半部分向后若將晶體的上半部分向后移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來的結(jié)合方式連接起來(c)(c)，同樣，同樣除分界線附近的一管形區(qū)域例除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本也都是完好外，其他部分基本也都是完好的晶體。而在分界線的區(qū)域形的晶體。而在分界線的區(qū)域形成一螺旋面，這就是螺型位錯(cuò)。成一螺旋面，這就是螺型位錯(cuò)。 2022-7-127

22、二）、柏氏矢量二）、柏氏矢量 確定方法：確定方法： 首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的首先在原子排列基本正常區(qū)域作一個(gè)包含位錯(cuò)的回路，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變?；芈?，也稱為柏氏回路，這個(gè)回路包含了位錯(cuò)發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就稱封閉，需要一個(gè)額外的矢量連接才能封閉，這個(gè)矢量就稱為該位錯(cuò)的柏氏為該位錯(cuò)的柏氏(Burgers)(Burgers)矢量。矢量。 說明：這是一個(gè)并不十分準(zhǔn)確的定義方法。柏氏矢量的方向與位錯(cuò)線方向的定義有關(guān)，應(yīng)該首

23、先定義位錯(cuò)線的方向，再依據(jù)位錯(cuò)線的方向來定柏氏回路的方向，再確定柏氏矢量的方向。在專門的位錯(cuò)理論中還會(huì)糾正。 2022-7-128二）、柏氏矢量二）、柏氏矢量 柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系：柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系： 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò)) ) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。( (依方向關(guān)系可依方向關(guān)系可分左螺和右螺型位錯(cuò)分左螺和右螺型位錯(cuò)) ) 混合位錯(cuò)混合位錯(cuò) 柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非0 0或或9090度。度。 柏氏

24、矢量守恒：柏氏矢量守恒： 同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無關(guān)。同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無關(guān)。一條位錯(cuò)線的柏氏矢量相同，一條位錯(cuò)線的柏氏矢量相同，位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，只能到表面、晶界和其他位錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然只能到表面、晶界和其他位錯(cuò)，在位錯(cuò)網(wǎng)的交匯點(diǎn)，必然 2022-7-129三）、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)三）、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一刃型

25、位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體移動(dòng)要容易。因此，移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑滑移移) )；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺(tái)階。大小的臺(tái)階。 2022-7-130三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)三、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，

26、當(dāng)應(yīng)力足夠大螺型位錯(cuò)的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一時(shí)，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過的區(qū)間右邊螺型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中向后發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)過的區(qū)間右邊晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，晶體向下移動(dòng)一柏氏矢量。因此，螺位錯(cuò)是在外加切應(yīng)力的作螺位錯(cuò)是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂直；位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的

27、相對(duì)運(yùn)動(dòng)( (滑滑移移) )；位錯(cuò)移過部分在表面留下部分臺(tái)階，全部移出晶體的表位錯(cuò)移過部分在表面留下部分臺(tái)階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺(tái)階。2022-7-131三）、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)三）、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于半原子面的伸長(zhǎng)或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。 滑移時(shí)不涉及單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀滑移時(shí)不涉及

28、單個(gè)原子遷移，即擴(kuò)散。刃型位錯(cuò)發(fā)生正攀移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的移將有原子多余，大部分是由于晶體中空位運(yùn)動(dòng)到位錯(cuò)線上的結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來原子，無結(jié)果，從而會(huì)造成空位的消失；而負(fù)攀移則需要外來原子，無外來原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位。空位的遷移速度隨溫度的外來原子將在晶體中產(chǎn)生新的空位。空位的遷移速度隨溫度的升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)。升高而加快，因此刃型位錯(cuò)的攀移一般發(fā)生在溫度較高時(shí)。 滑移面滑移面：過位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面：過位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面(晶面晶面)是該位錯(cuò)是該位錯(cuò)的滑移面。的滑移面。位錯(cuò)的滑

29、移運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。 2022-7-132四、位錯(cuò)的觀察四、位錯(cuò)的觀察 位錯(cuò)在晶體表面的露頭位錯(cuò)在晶體表面的露頭 拋光后的拋光后的試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)試樣在侵蝕時(shí)，由于易侵蝕而出現(xiàn)侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊侵蝕坑，其特點(diǎn)是坑為規(guī)則的多邊型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒型且排列有一定規(guī)律。只能在晶粒較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。較大，位錯(cuò)較少時(shí)才有明顯效果。 薄膜透射電鏡觀察薄膜透射電鏡觀察 將試將試樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原子層子層(500nm(500nm以下以下) )，利用透，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見到射電鏡進(jìn)行

30、觀察，可見到位錯(cuò)線。位錯(cuò)線。 2022-7-133四、位錯(cuò)的觀察四、位錯(cuò)的觀察 表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。 在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得在金屬材料中，退火狀態(tài)下，接近平衡狀態(tài)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在106的數(shù)量級(jí)；的數(shù)量級(jí)； 經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)1010-12的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。的數(shù)量級(jí)。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度2022-7-134

31、五、位錯(cuò)的應(yīng)變能五、位錯(cuò)的應(yīng)變能來源：來源：位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈位錯(cuò)應(yīng)變能主要是彈性應(yīng)變能。彈簧或其他彈性體的彈性位能性位能0.5kx2。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為。同樣在單位體積內(nèi)彈性位能，正應(yīng)力引起的為0.50.5，而切應(yīng)力引起的為，而切應(yīng)力引起的為0.50.5。大小：大?。何诲e(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來表位錯(cuò)應(yīng)變能的大小，以單位長(zhǎng)度位錯(cuò)線上的應(yīng)變能來表示，單位為示，單位為JMJM-1-1。 在數(shù)值上在數(shù)值上U=GbU=Gb2 2，其中，其中b為柏氏矢量的大小，為柏氏矢量的大小，G為材料的為材料的剪切變模量。剪切變模量。為常數(shù)，螺位

32、錯(cuò)為為常數(shù)，螺位錯(cuò)為0.550.73，常用，常用0.5來簡(jiǎn)算；來簡(jiǎn)算；刃型位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)為0.811.09，常用，常用1.0來簡(jiǎn)算。來簡(jiǎn)算。 位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的位錯(cuò)線周圍的原子偏離了平衡位置，處于較高的能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能，或簡(jiǎn)稱位位錯(cuò)能錯(cuò)能。 2022-7-135六、位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用六、位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的交互作用 晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)晶體內(nèi)同時(shí)含由位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷時(shí)( (特別時(shí)溶入的異類原子特別時(shí)溶入的異類原子) )，它們會(huì)發(fā)生交互作用。它們會(huì)發(fā)生交互作用。異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子

33、面處，大異類原子在刃位錯(cuò)處會(huì)聚集，如小原子到多出半原子面處，大原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。原子到少半原子面處，而異類原子則溶在位錯(cuò)的間隙處。 空位會(huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)?？瘴粫?huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。 2022-7-136七、位錯(cuò)間的交互作用七、位錯(cuò)間的交互作用 每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作每條位錯(cuò)線周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)附近的其他位錯(cuò)有力的作用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說明。用和影響，這個(gè)影響較復(fù)雜，下面僅對(duì)簡(jiǎn)單情況加以說明。 一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn)一對(duì)在同一滑移面上平行刃位錯(cuò)，當(dāng)其方向相同時(shí)，表現(xiàn)為互相排斥

34、，有條件時(shí)相互移動(dòng)來增加其距離。當(dāng)其方向相反為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來增加其距離。當(dāng)其方向相反時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和時(shí)，表現(xiàn)為互相吸引，有條件時(shí)相互靠近，最后可能互相中和而消失。螺型位錯(cuò)也有相同的行為。而消失。螺型位錯(cuò)也有相同的行為。 2022-7-137面缺陷：面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大( (晶粒數(shù)量級(jí)晶粒數(shù)量級(jí)) )，另外一個(gè)方向上的尺寸很小另外一個(gè)方向上的尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶體缺陷。的晶體缺陷。一、表面及表面能一、表面及表面能 1.1.晶體的表面晶體的表面：就是晶體的外表面，一般

35、是指晶體與：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體氣體(氣相或液相氣相或液相)的分界面。的分界面。2.2.晶體的表面能：晶體的表面能：同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的同體積晶體的表面高出晶體內(nèi)部的能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為能量稱為晶體的表面自由能或表面能。計(jì)量單位為J/m2。表面能就是表面張力，單位為。表面能就是表面張力，單位為N/m。晶體的表。晶體的表面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。面能在有些意義和大家已知液體表面張力是一樣的。 2022-7-138一、表面及表面能一、表面及表面能3.3.表面能的來源：表面能的來源：材料表面的原子和內(nèi)部原子所處的材料表面的原子和內(nèi)

36、部原子所處的環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面環(huán)境不同，內(nèi)部在均勻的力場(chǎng)中，能量較低，而表面的原子有一個(gè)方向沒有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較的原子有一個(gè)方向沒有原子結(jié)合，處在與內(nèi)部相比較高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶高的能量水平。另一種設(shè)想為一完整的晶體，按某晶面為界切開成兩半，形成兩個(gè)表面，切開時(shí)為破壞原面為界切開成兩半，形成兩個(gè)表面，切開時(shí)為破壞原有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面有的結(jié)合鍵單位面積所吸收的能量。由于不同的晶面原子的排列方式不同，切開破壞的化學(xué)鍵的量也不同，原子的排列方式不同，切開破壞的化學(xué)鍵的量也不同，所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面

37、能也不相同，一所以用不同的晶面作表面對(duì)應(yīng)的表面能也不相同，一般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。般以原子的排列面密度愈高，對(duì)應(yīng)的表面能較小。 2022-7-139一、表面及表面能一、表面及表面能4.4.表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：在晶體形成的過程中，為了在晶體形成的過程中，為了使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即AA最小。最小。為此一方面盡量讓為此一方面盡量讓最小的晶面為表面，當(dāng)然也可能是表面能最小的晶面為表面，當(dāng)然也可能是表面能略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。略高但能明顯減小表面積的晶面為表面。5.5

38、.粗糙表面與平滑表面：粗糙表面與平滑表面：晶體的表面在宏觀為一能量較低的平晶體的表面在宏觀為一能量較低的平面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多面，但表面原子的缺陷，局部表面原子的缺少或部分表面有多余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比余原子，以表面存在的陣點(diǎn)數(shù)與實(shí)有原子數(shù)的比x x來表示，這些來表示，這些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特定缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特定的的x x值下表面能最低，其中值下表面能最低，其中x=0.5x=0.5的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面，的表面穩(wěn)定的稱為粗糙表面，大多數(shù)的金屬材料是屬于粗糙表面；大多數(shù)的金

39、屬材料是屬于粗糙表面；x x值僅在值僅在0 0或或1 1附近穩(wěn)定的稱附近穩(wěn)定的稱為平滑表面，大多是非金屬材料。為平滑表面，大多是非金屬材料。 2022-7-140二、晶界二、晶界 2.2.晶界的結(jié)構(gòu)：晶界的結(jié)構(gòu)：根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶根據(jù)晶界兩側(cè)晶粒的位向差不同，晶界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。界的結(jié)構(gòu)大致可分為三類。1.1.晶界：晶界：晶界就是空間取向晶界就是空間取向( (或位向或位向) )不同的相鄰晶粒不同的相鄰晶粒之間的分界面。之間的分界面。 1 1）小角度晶界）小角度晶界 晶界兩側(cè)晶界兩側(cè)的晶粒位向差很小。可看的晶粒位向差很小?？煽闯墒且幌盗腥形诲e(cuò)排列成成是一系列刃位錯(cuò)排列成墻，晶

40、界中位錯(cuò)排列愈密，墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密，則位向差愈大。則位向差愈大。 2022-7-141二、晶界二、晶界 2 2）大角度晶界）大角度晶界 晶界兩側(cè)晶界兩側(cè)的晶粒位向差較大，不能用的晶粒位向差較大，不能用位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界的結(jié)構(gòu)說法不一，晶界可視的結(jié)構(gòu)說法不一，晶界可視為為23(5)23(5)個(gè)原子的過渡層，個(gè)原子的過渡層，這部分的原子排列盡管有其這部分的原子排列盡管有其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以相規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以相對(duì)無序來理解。對(duì)無序來理解。3 3）共格界面）共格界面 界面上一側(cè)的晶體的某一晶面與另一側(cè)的一界面上一側(cè)的晶體的某一晶面與另一側(cè)的一晶面具有相同的

41、原子排列，例如同一族的不同晶面，作為晶面具有相同的原子排列，例如同一族的不同晶面，作為其共有界面。這時(shí)兩側(cè)的晶體應(yīng)處于某寫特定角度。其共有界面。這時(shí)兩側(cè)的晶體應(yīng)處于某寫特定角度。 2022-7-142二、晶界二、晶界 3.3.界面能：界面能：晶界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子晶界面上的原子相對(duì)正常晶體內(nèi)部的原子而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界而言，均處于較高的能量狀態(tài)，因此，晶界也存在界面能。面能。 界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系： 2022-7-143二、晶界二、晶界 4.4.晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：在材料的研究中，發(fā)在材料的研究中，發(fā)現(xiàn)少量

42、雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻現(xiàn)少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布也是不均勻的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。的，它們常偏聚于晶界，稱這種現(xiàn)象為晶界內(nèi)吸附。 產(chǎn)生的原因可參見位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一般雜產(chǎn)生的原因可參見位錯(cuò)與點(diǎn)缺陷的作用，一般雜質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)質(zhì)原子與晶體的尺寸或性質(zhì)差別愈大，這種偏聚愈嚴(yán)重。重。 雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重雜質(zhì)原子在晶界的偏聚對(duì)晶體的某些性能產(chǎn)生重要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用。要的影響，具體的影響到學(xué)習(xí)材料性能時(shí)要使用。 2022-7-144孿晶界孿晶關(guān)系指相鄰兩晶?；蛞粋€(gè)晶粒內(nèi)部

43、相鄰兩部分沿一個(gè)公共晶面（孿晶屆）構(gòu)成晶面對(duì)稱的位向關(guān)系2022-7-145n亞晶界 扭轉(zhuǎn)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界)(nu面心立方結(jié)構(gòu)中的(001)面相符扭轉(zhuǎn)晶界 uStrained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityFig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type atoms. T

44、he structure of the grainboundary is disordered and the atoms in the grain boundaries have higherenergies than those within the grains.2022-7-146n單晶體受力后，外力在任單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切

45、應(yīng)力作用下的變形切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片鋅單晶的拉伸照片1.3 單晶體塑性變形機(jī)制單晶體塑性變形機(jī)制Mono-crystal plastic deformation2022-7-147n1.3.1 1.3.1 滑移滑移n滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。對(duì)于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。l塑性變形的形式：塑性變形的形式：滑移和孿生滑移和孿生。l金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。 1.3 單晶體塑性變形機(jī)制單晶體塑性變形機(jī)制Mono-crystal plastic deformatio

46、n2022-7-148n滑移面：原子排列密度最大的晶面。 n滑移方向：原子排列密度最大的方向。 n滑移系:一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成2022-7-1493.25% Si-Fe單晶體中的平直滑移帶。單晶體中的平直滑移帶。取自取自Hull,proc. Roy, Soc. A274, 5(1963). (b) 垂直于垂直于(a) 中所示表面，且通過滑移帶的截面示意圖。每條滑中所示表面，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(tái)階所構(gòu)成。移帶是由平行于滑移面，且緊密排列的大量滑移臺(tái)階所構(gòu)成?；茙b2022-7-150n一個(gè)滑移面一個(gè)滑移面和其上的一和其上的

47、一個(gè)滑移方向個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)滑滑移系移系。體心立方晶格體心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移滑移面面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三種典型金屬晶格的滑移系三種典型金屬晶格的滑移系2022-7-151n1 1、滑移變形的特點(diǎn)、滑移變形的特點(diǎn) ：n 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力. . n 滑移常沿晶體中滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距。因原子密度最大的晶面和晶向

48、之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。n沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面滑移面和和滑滑移方向移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。2022-7-152n滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中其中滑移方向滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。對(duì)塑性的貢獻(xiàn)比滑移面更大。n因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, , 體體心立方晶格好于密排六方晶格。心立方晶格好

49、于密排六方晶格。2022-7-153n滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子滑移時(shí)，晶體兩部分的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍間距的整數(shù)倍. .n滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，滑移的結(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。n 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)n轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 n切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)n轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正

50、應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶組成了力偶. .A0A1FFA0滑移時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖 2022-7-154n當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈4545角時(shí)，滑移方角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移l滑移后滑移后, , 滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化?；泼鎯蓚?cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。n(5)(5)滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的l晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生

51、移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性位錯(cuò)的易動(dòng)性。l當(dāng)一根位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的當(dāng)一根位錯(cuò)移動(dòng)到晶體表面時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯(cuò)移出，則在晶體滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯(cuò)移出，則在晶體表面形成一條滑移線。表面形成一條滑移線。 2022-7-1552022-7-156滑移時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) n一個(gè)位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，便形成一個(gè)原子間距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位錯(cuò)移到晶體表面時(shí)，則形成一條滑移線。 剪切力剪切

52、力 )1(/212vbaevGv：波松比a：滑移平面間的距離b：沿滑移方向原子間的距離 2022-7-157臨界剪切應(yīng)力 n晶體進(jìn)入塑性時(shí)，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)2022-7-158sFP0coscoscoscos0skFPcoscos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2022-7-159晶面轉(zhuǎn)動(dòng)單晶體拉伸單晶體壓縮2022-7-160平移滑移和復(fù)雜滑移n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2022-7-161n雙滑移雙

53、滑移 所謂雙滑移就是指從某一變形程度開始，同時(shí)有兩個(gè)滑移系統(tǒng)進(jìn)所謂雙滑移就是指從某一變形程度開始，同時(shí)有兩個(gè)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。行工作。但這并不意味著它們的作用是同步的。 2022-7-162n多滑移多滑移 與雙滑移相似，晶體在滑移過程中，如果滑移同時(shí)在各個(gè)滑移系與雙滑移相似，晶體在滑移過程中，如果滑移同時(shí)在各個(gè)滑移系統(tǒng)上進(jìn)行時(shí)，則稱此滑移為多滑移。統(tǒng)上進(jìn)行時(shí)，則稱此滑移為多滑移。 發(fā)生多系滑移時(shí)，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 2022-7-163n交滑移交滑移 若滑移是沿兩個(gè)不同的滑移面和共有的滑移方向上進(jìn)行時(shí)，則稱若滑移是沿

54、兩個(gè)不同的滑移面和共有的滑移方向上進(jìn)行時(shí)，則稱為交滑移。為交滑移。 滑移后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 2022-7-164n 孿生孿生n孿生孿生是指晶體的一部分沿一定晶是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。的切變。孿生變形示意圖孿生變形示意圖 2022-7-165n發(fā)生切變的部分稱發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿孿生面。生面。n孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。n與滑移相比：與滑移相比：n孿生使晶格位向發(fā)生改變；孿生使晶

55、格位向發(fā)生改變；n所需切應(yīng)力比滑移大得多所需切應(yīng)力比滑移大得多, , 變形速度極快變形速度極快, , 接近聲速接近聲速; ;n孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。n密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶退火孿晶。2022-7-1661.3.3 不對(duì)稱變向 n孿生變形點(diǎn)陣的再取向是有規(guī)律的，變形后晶孿生變形點(diǎn)陣的再取向是有規(guī)律的，變形后晶休與未變形部分晶體以孿晶面為對(duì)稱面。當(dāng)變休與未變形部分晶體以孿晶面為對(duì)稱面。當(dāng)變形條件既不利于滑移又不利于孿生時(shí)，晶體點(diǎn)形條件既不利于滑移又不利于孿生時(shí)，晶體點(diǎn)陣則以非對(duì)稱的方式變向，稱為不對(duì)稱變向。陣則以非對(duì)稱的方式變向，稱為不對(duì)稱變向。變形部分相對(duì)未變形部分取向的是無規(guī)律的，變形部分相對(duì)未變形部分取向的是無規(guī)律的，并不成對(duì)稱關(guān)系。這種變形方式在金