金屬塑性成形原理

第一章金屬塑性變形的基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容金屬的晶體結(jié)構(gòu)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)單晶體塑性變形多晶體塑性變形2/5/202311.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念

晶胞結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2/5/20232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(lái)，構(gòu)成的空間格子空間點(diǎn)陣：在空間由點(diǎn)排列起來(lái)的無(wú)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。晶胞：只包含一個(gè)陣點(diǎn)的六面體2/5/20233

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GrainorCrystallineStructureGrainBoundaryCrystals2/5/20234晶胞結(jié)構(gòu)面心立方：Al、Ni、Cu、γ-Fe2/5/20235

體心立方：Cr、V、Mo、W、α-Fe、β-Ti2/5/20236密排六方：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Coc/a=1.57-1.642/5/20237晶向與晶面指數(shù)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)的連線的方向，代表了晶體中原子列的方向。晶向指數(shù)：表示晶向方位符號(hào)。標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位；在晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(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)；

計(jì)算x2-x1：y2-y1：z2-z1

；化成最小、整數(shù)比u：v：w

；放在方括號(hào)[uvw]中，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方。2/5/20238一、晶向與立方晶系晶向指數(shù)晶向族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向的集合。

表示方法：用尖括號(hào)<uvw>表示。舉例：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。

晶向指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶向。

2/5/20239二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)晶面：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。晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號(hào)。標(biāo)定方法：建立坐標(biāo)系結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣常數(shù)為單位（原點(diǎn)在標(biāo)定面以外，可以采用平移法）；晶面在三個(gè)坐標(biāo)上的截距a1a2a3

；

計(jì)算其倒數(shù)b1b2b3

；化成最小、整數(shù)比h：k：l

；放在圓方括號(hào)(hkl)，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方

。2/5/202310二、晶面與立方晶系晶面指數(shù)晶面族：原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶面的集合。

表示方法：用花括號(hào){hkl}表示。

舉例：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。

晶面指數(shù)特征：與原點(diǎn)位置無(wú)關(guān)；每一指數(shù)對(duì)應(yīng)一組平行的晶面。

2/5/202311三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)1、晶面指數(shù)：建立坐標(biāo)系：在六方晶系中，為了明確的表示晶體底面的(六次)對(duì)稱性，底面用互成120度的三個(gè)坐標(biāo)軸x1、x2、x3，其單位為晶格常數(shù)a，加上垂直于底面的方向Z，其單位為高度方向的晶格常數(shù)c。注意x1、x2、x3三個(gè)坐標(biāo)值不是獨(dú)立的變量。

方法同立方晶系，(hkil)為在四個(gè)坐標(biāo)軸的截距倒數(shù)的化簡(jiǎn)，自然可保證關(guān)系式h＋k＋I(xiàn)＝0。底面指數(shù)為(0001),側(cè)面的指數(shù)為(1010)。2/5/202312三、六方晶系晶面與晶向指數(shù)2、晶向指數(shù)標(biāo)定方法：平移晶向(或坐標(biāo))，讓原點(diǎn)為晶向上一點(diǎn)，取另一點(diǎn)的坐標(biāo)，有:并滿足p＋q＋r＝0；化成最小、整數(shù)比u：v：t：w放在方方括號(hào)[uvtw]，不加逗號(hào)，負(fù)號(hào)記在上方

。2/5/202313金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體:一塊晶體材料，其內(nèi)部的晶體位向完全一致時(shí)，即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”，實(shí)用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的材料。

2/5/202314一、多晶體結(jié)構(gòu)多晶體:實(shí)際應(yīng)用的工程材料中，那怕是一塊尺寸很小材料，絕大多數(shù)包含著許許多多的小晶體，每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個(gè)小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個(gè)小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體”。2/5/202315一、多晶體結(jié)構(gòu)晶粒：多晶體材料中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒狀，通常把它們叫做“晶?！薄?/p>

晶界：晶粒與晶粒之間的分界面叫“晶粒間界”，或簡(jiǎn)稱“晶界”。為了適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，在晶界處的原子排列總是不規(guī)則的。2/5/202316二、多晶體的組織與性能：偽各向同性：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)分布，大量晶粒的綜合作用，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。組織：（如圖）2/5/202317三、晶體中的缺陷概論晶體缺陷：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(理想晶體)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(lái)巨大的影響。2/5/202318三、晶體中的缺陷概論晶體缺陷按范圍分類：點(diǎn)缺陷

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。

線缺陷

在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation

面缺陷

在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。2/5/202319一、點(diǎn)缺陷的類型：空位

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“空位”。

間隙原子

在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子。

異類原子

在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置。

2/5/202320常見的缺陷

點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。2/5/202321二、點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響原因：無(wú)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，即造成小區(qū)域的晶格畸變。

效果提高材料的電阻定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度(發(fā)熱)。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。形成其他晶體缺陷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)。改變材料的力學(xué)性能空位移動(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)的運(yùn)動(dòng)阻力。會(huì)使強(qiáng)度提高，塑性下降、2/5/202322三、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)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)而高于沒有空位時(shí)的那一部分能量稱為“空位形成能”。

空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值

平衡空位濃度

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。原因：

2/5/202323三、空位的平衡濃度例如：Cu晶體得空位形成能為0.9ev/atom=1.44X10-19J/atom，在500℃時(shí)計(jì)算可得出平衡空位的濃度為1.4X10-6(很低)，而在每立方米的銅晶體存在1.2X1023個(gè)空位(數(shù)量很多)。

過飽和空位晶體中含點(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，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來(lái)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)還要一時(shí)間過程。2/5/202324二、位錯(cuò)的基本概念線缺陷：在三維空間的一個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外兩個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯(cuò)Dislocation

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，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(b)。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其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)。

2/5/202325一）、位錯(cuò)的原子模型若將晶體的上半部分向后移動(dòng)一個(gè)原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來(lái)(c)，同樣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)。2/5/202326二）、柏氏矢量

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。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)矢量就稱為該位錯(cuò)的柏氏(Burgers)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)該首先定義位錯(cuò)線的方向，再依據(jù)位錯(cuò)線的方向來(lái)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。

2/5/202327二）、柏氏矢量

柏氏矢量與位錯(cuò)類型的關(guān)系：

刃型位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直。(依方向關(guān)系可分正刃和負(fù)刃型位錯(cuò))

螺型位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線相互平行。(依方向關(guān)系可分左螺和右螺型位錯(cuò))

混合位錯(cuò)柏氏矢量與位錯(cuò)線的夾角非0或90度。

柏氏矢量守恒：

①同一位錯(cuò)的柏氏矢量與柏氏回路的大小和走向無(wú)關(guān)。②一條位錯(cuò)線的柏氏矢量相同，位錯(cuò)不可能終止于晶體的內(nèi)部，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2/5/202328三）、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，①位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；②位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；③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)(滑移)；④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。

2/5/202329三、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，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，①螺位錯(cuò)是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)；②位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是和位錯(cuò)線垂直；③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)(滑移)；④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。2/5/202330三）、位錯(cuò)的運(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。

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(lái)原子，無(wú)外來(lái)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)?；泼妫哼^位錯(cuò)線并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是該位錯(cuò)的滑移面。位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)：位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)。

2/5/202331四、位錯(cuò)的觀察

位錯(cuò)在晶體表面的露頭

拋光后的試樣在侵蝕時(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。

薄膜透射電鏡觀察將試樣減薄到幾十到數(shù)百個(gè)原子層(500nm以下)，利用透射電鏡進(jìn)行觀察，可見到位錯(cuò)線。2/5/202332四、位錯(cuò)的觀察表示晶體中含有位錯(cuò)數(shù)量的參數(shù)。位錯(cuò)密度ρ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)所得到的材料，這時(shí)位錯(cuò)的密度較低，約在106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)1010--12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2/5/202333五、位錯(cuò)的應(yīng)變能來(lái)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0.5σε，而切應(yīng)力引起的為0.5τγ。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(lái)表示，單位為J?M-1。在數(shù)值上U=αGb2，其中b為柏氏矢量的大小，G為材料的剪切變模量。α為常數(shù)，螺位錯(cuò)為0.55—0.73，常用0.5來(lái)簡(jiǎn)算；刃型位錯(cuò)為0.81—1.09，常用1.0來(lái)簡(jiǎn)算。

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)稱位錯(cuò)能。

2/5/202334六、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)(特別時(shí)溶入的異類原子)，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?？瘴粫?huì)使刃位錯(cuò)發(fā)生攀移運(yùn)動(dòng)。2/5/202335七、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)為互相排斥，有條件時(shí)相互移動(dòng)來(lái)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，最后可能互相中和而消失。螺型位錯(cuò)也有相同的行為。2/5/202336面缺陷：在三維空間的兩個(gè)方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級(jí))，另外一個(gè)方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。一、表面及表面能

1.晶體的表面：就是晶體的外表面，一般是指晶體與氣體(氣相或液相)的分界面。2.晶體的表面能：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J/m2。表面能就是表面張力，單位為N/m。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。

2/5/202337一、表面及表面能3.表面能的來(lái)源：材料表面的原子和內(nèi)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。

2/5/202338一、表面及表面能4.表面能與晶體形狀之間的關(guān)系：在晶體形成的過程中，為了使系統(tǒng)的自由能最低，盡量降低表面的總能量，即ΣσA最小。為此一方面盡量讓?duì)易钚〉木鏋楸砻?，?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。5.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x來(lái)表示，這些缺陷的存在可提高表面的熵，是必然存在的。每種材料有特定的x值下表面能最低，其中x=0.5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；x值僅在0或1附近穩(wěn)定的稱為平滑表面，大多是非金屬材料。2/5/202339二、晶界2.晶界的結(jié)構(gòu)：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。1.晶界：晶界就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的分界面。

1）小角度晶界

晶界兩側(cè)的晶粒位向差很小?？煽闯墒且幌盗腥形诲e(cuò)排列成墻，晶界中位錯(cuò)排列愈密，則位向差愈大。

2/5/202340二、晶界2）大角度晶界晶界兩側(cè)的晶粒位向差較大，不能用位錯(cuò)模型。關(guān)于大角度晶界的結(jié)構(gòu)說法不一，晶界可視為2—3(5)個(gè)原子的過渡層，這部分的原子排列盡管有其規(guī)律，但排列復(fù)雜，暫以相對(duì)無(wú)序來(lái)理解。3）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。

2/5/202341二、晶界3.界面能：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，晶界也存在界面能。

界面能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

2/5/202342二、晶界4.晶界與雜質(zhì)原子的相互作用：在材料的研究中，發(fā)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。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)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。

2/5/202343孿晶界孿晶關(guān)系指相鄰兩晶?；蛞粋€(gè)晶粒內(nèi)部相鄰兩部分沿一個(gè)公共晶面（孿晶屆）構(gòu)成晶面對(duì)稱的位向關(guān)系2/5/202344亞晶界

扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界面心立方結(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:Thegrainboundarieshavebrokenbonds,voids,vacancies,strainedbondsand"interstitial"typeatoms.Thestructureofthegrainboundaryisdisorderedandtheatomsinthegrainboundarieshavehigherenergiesthanthosewithinthegrains.2/5/202345單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片1.3單晶體塑性變形機(jī)制

Mono-crystalplasticdeformation2/5/2023461.3.1滑移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。塑性變形的形式：滑移和孿生。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

Mono-crystalplasticdeformation2/5/202347滑移面：原子排列密度最大的晶面?；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较??；葡?一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成2/5/2023483.25%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(tái)階所構(gòu)成。滑移帶ab2/5/202349一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三種典型金屬晶格的滑移系2/5/2023501、滑移變形的特點(diǎn)：⑴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.⑵滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。2/5/202351滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格,體心立方晶格好于密排六方晶格。2/5/202352⑶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.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。⑷滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)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)。

切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)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.A0A1FFA0滑移時(shí)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖2/5/202353當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45°角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移滑移后,滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。(5)滑移是通過滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的．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)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。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，則在晶體表面形成一條滑移線。

2/5/2023542/5/202355滑移時(shí)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

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

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

2/5/202356臨界剪切應(yīng)力

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]isperpendicularto(uvw)2/5/202357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2/5/202358晶面轉(zhuǎn)動(dòng)單晶體拉伸單晶體壓縮2/5/202359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2/5/202360雙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)行工作。但這并不意味著它們的作用是同步的。2/5/202361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2/5/202362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2/5/202363㈡孿生孿生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)生的切變。孿生變形示意圖2/5/202364發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱。與滑移相比：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所需切應(yīng)力比滑移大得多,變形速度極快,接近聲速;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。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，稱退火孿晶。2/5/2023651.3.3不對(duì)稱變向?qū)\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)變形條