塑性變形物理本質

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@河北聯(lián)合大學金屬材料與加工工程系金屬塑性變形理論

第二講2/1/20231第二章金屬塑性變形的物理本質

Chapter2Physicalinbeingofmetalplasticdeformation主要內容MainContent金屬的晶體結構(Crystalstructure)位錯理論基礎(Dislocationtheory)單晶體塑性變形(Monocrystalplasticdeformation)多晶體塑性變形(Multi-crystalplasticdeformation)2/1/202322.1金屬的晶體結構

Crystalstructure基本概念

晶胞結構

實際金屬的晶體結構

2/1/20233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，構成的空間格子空間點陣：在空間由點排列起來的無限陣列，其中每一個點都與其它所有的點都具有相同的環(huán)境。晶胞：只包含一個陣點的六面體2/1/20234

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GrainorCrystallineStructureGrainBoundaryCrystals2/1/20235晶胞結構面心立方：Al、Ni、Cu、γ-Fe2/1/20236

體心立方：Cr、V、Mo、W、α-Fe、β-Ti2/1/20237密排六方：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Coc/a=1.57-1.642/1/20238立方系的一些晶面指數(shù)2/1/20239實際金屬的晶體結構單晶體: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:點缺陷、線缺陷、面缺陷2/1/202310材料理論強度（G/30)/Gpa實驗強度/MPa理論強度/實驗強度銀鋁銅鎳鐵鉬鈮鎘鎂（柱面滑移）鈦（柱面滑移）鈹（基面滑移）鈹（柱面滑移）2.642.374.106.707.1011.333.482.071.473.5410.3210.320.370.780.493.2~7.3527.571.633.30.5739.213.71.375.27×1033×1038×103

2×1033×1022×1021×1024×1034×103×1028×103

2×102一些金屬材料的實驗屈服強度和理論屈服強度2012-9-5-22/1/202311常見的缺陷

點缺陷：包括空位、間隙原子、異質原子。2/1/2023122/1/202313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

2/1/202314M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)2/1/202315螺型位錯2/1/202316混合型位錯（螺型+刃型）2/1/202317面缺陷

堆垛層錯（stackingfault）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

2/1/202318晶界晶界上的原子平均能量高于晶內原子，高出的能量稱為晶界能。

小角度晶界

2/1/202319孿晶界2/1/202320亞晶界

扭轉晶界扭轉晶界面心立方結構中的(001)面相符扭轉晶界uStrained

bondBroken

bond(dangling

bond)Grain

boundaryVoid,

vacancySelf-interstitial

type

atomForeign

impurityFig.1.51:Thegrainboundarieshavebrokenbonds,voids,vacancies,strainedbondsand"interstitial"typeatoms.Thestructureofthegrainboundaryisdisorderedandtheatomsinthegrainboundarieshavehigherenergiesthanthosewithinthegrains.2/1/2023212.2位錯理論基礎

Dislocationtheory柏氏矢量（BurgersVector）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。2/1/202322（a）圍繞一螺型位錯的柏氏迥路；（b）完整晶體中的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。2/1/202323混合位錯(b)未滑移區(qū)(a)BbbAA滑移區(qū)B2/1/202324位錯攀移（Climb）

正攀移：位錯縮短，空位遷移負攀移：位錯加長，間隙原子遷移

2/1/202325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b2/1/202326(a)(b)(c)(d)bbb2/1/202327位錯源和位錯增殖

DislocationLoop:FrankReed

2/1/2023282/1/202329Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).2/1/202330位錯塞積

2/1/2023312.3單晶體塑性變形機制

Mono-crystalplasticdeformation2.3.1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：原子排列密度最大的方向?；葡?一種滑移面及其上的一個滑移方向構成2/1/2023323.25%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成。滑移帶ab2/1/202333滑移面的表示：，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ分別為滑移面與晶軸的截距，ａ，ｂ，ｃ為晶格常數(shù)。對于體心立方、面心立方，ａ＝ｂ＝ｃ

2/1/202334Gold(Au)-fcc2/1/202335Iron(Fe),Vanadium(V),Chromium(Cr)-bcc2/1/2023362/1/202337滑移時的位錯運動

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

2/1/202338臨界剪切應力

晶體進入塑性時，在滑移面上，沿滑移方向的剪應力稱為臨界剪應力

[uvw]isperpendicularto(uvw)2/1/202339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2/1/202340晶面轉動單晶體拉伸單晶體壓縮2/1/202341平移滑移和復雜滑移單滑移（平移滑移）是沿著一定的結晶面和結晶方間進行。它僅可能在最初始的塑性變形階段發(fā)生。銅的單滑移2/1/202342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)進行工作。但這并不意味著它們的作用是同步的。2/1/202343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2/1/202344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行時，則稱為交滑移?；坪笤诰w表面上所看到的滑移線不再是直線而呈折線或波紋狀2/1/2023452.3.2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2/1/202346孿生：晶體在切應力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的關系發(fā)生相對的位向移動，其結果使晶體的一部分與原晶體的位向處于相互對稱的位置。2/1/202347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陣常數(shù)的若干分之一。2/1/202348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，孿生產生的可能性越大2/1/202349鎂中的變形孿晶和滑移帶2/1/202350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，因此孿晶經拋光浸蝕后仍可觀察到，而滑移所造成的臺階經拋光浸蝕后不會重現(xiàn)。2/1/2023512.3.3不對稱變向孿生變形點陣的再取向是有規(guī)律的，變形后晶休與未變形部分晶體以孿晶面為對稱面。當變形條件既不利于滑移又不利于孿生時，晶體點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，并不成對稱關系。這種變形方式在金屬中常見到的有扭折帶和形變帶。2/1/202352扭折帶的形成對塑性變形有兩種作用，一種是協(xié)調變形；二是進一步促進變形。2/1/202353在變形晶體的某些微區(qū)中，其點陣相對原來點陣發(fā)生轉動而形成形變帶。經x射線的研究可知，帶中的取向轉動不同于扭折帶，取向不是突變而是漸變的，其轉動程度取決于變形量。2/1/2023542.3.4其它變形機制非晶機制晶界滑動2/1/2023552.4多晶體塑性變形

Multi-crystalplasticdeformation多晶體是由許多微小的單個晶粒雜亂組合而成。多晶體在其組織結構上的特點：（1）多晶體的各個晶粒，其形狀和大小是不同的，化學成分和力學性能的分布不均勻；（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，晶界的結構和性質與晶粒本身不同，并在晶界上聚集著其它物質的雜質。2/1/202356GrainorCrystallineStructureGrainBoundary2/1/202357多晶體塑性變形特點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2012-9-6-22/1/202358晶界的作用及晶粒大小