晶體塑性變形的位錯(cuò)機(jī)制

關(guān)于晶體塑性變形的位錯(cuò)機(jī)制一、單晶體塑性變形的位錯(cuò)機(jī)制（滑移的位錯(cuò)機(jī)制）1.1由于晶體中存在著位錯(cuò)，晶體的滑移不是晶體的一部分相對另一部分的移動，而是位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿滑移面逐步移動的結(jié)果。當(dāng)一條位錯(cuò)線移動到晶體表面時(shí)，會使晶體在表面上留下一個(gè)原子間距的滑移臺階，其大小等于柏矢量b.第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天若有大量的位錯(cuò)重復(fù)按此方式滑過晶體，就會在晶體表面形成顯微鏡下能夠觀測到的滑移痕跡，這就是滑移線的實(shí)質(zhì)。晶體在滑移時(shí)并不是滑移面上的所有原子一起運(yùn)動而是位錯(cuò)中心的原子逐一遞進(jìn)，有一個(gè)平衡位置移動到另一個(gè)平衡位置。第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

實(shí)線PQ表示位錯(cuò)開始位置，而P′Q′表示位錯(cuò)移動了一個(gè)原子間距，而位錯(cuò)中心附近的少數(shù)原子只做遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距的彈性偏移，而晶體其他區(qū)域的原子仍處于正常位置，即位錯(cuò)僅需要一個(gè)很小的切應(yīng)力即可實(shí)現(xiàn)，這就是實(shí)際滑移的切應(yīng)力小于理論切應(yīng)力τ的原因。

第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.2位錯(cuò)的增殖

隨著塑性變形過程的進(jìn)行，晶體中的位錯(cuò)數(shù)目會越來越多，因?yàn)榫w中存在著在晶體塑性變形過程中不斷增殖位錯(cuò)的位錯(cuò)源。常見的一種位錯(cuò)增殖機(jī)制是弗蘭克—瑞德拉位錯(cuò)源機(jī)制。第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.3位錯(cuò)的交割與塞積

晶體的滑移實(shí)際上是源源不斷的位錯(cuò)沿滑移面的運(yùn)動，在滑移時(shí)由于各滑移面相交，因而不同滑移面上運(yùn)動著的位錯(cuò)必然會相遇，發(fā)生相互交割。此外在滑移面上運(yùn)動著的位錯(cuò)還要與晶體中原有的以不同角度穿過滑移面的位錯(cuò)相互交割。第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天在上圖中可以看到在豎直平面上刃型位錯(cuò)XY的柏氏矢量，水平面上的刃型位錯(cuò)AB的柏氏矢量。兩個(gè)柏氏矢量相互垂直，若XY向下運(yùn)動與AB發(fā)生交割，XY掃過的區(qū)域，其滑移所在的豎直面兩側(cè)的晶體將發(fā)生距離為的相對位移，因此交割后，在位錯(cuò)線AB上產(chǎn)生PP′的臺階，顯然PP′的大小和方向取決于。由于位錯(cuò)的柏氏矢量的守恒性PP′的柏氏矢量仍為垂直于PP′，因而仍是刃型位錯(cuò)，并不在原位錯(cuò)線的滑移面上，故為割階，而位錯(cuò)XY由于平行與AB的柏氏矢量交割后不會再XY上形成割階。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

此外，還有忍型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的交割，其結(jié)果都是形成割階。這一方面增加了位錯(cuò)線的長度，另一方面導(dǎo)致帶割階的位錯(cuò)運(yùn)動困難，從而成為后續(xù)位錯(cuò)運(yùn)動的障礙。這就是多滑移加工硬化效果較大的原因。

在切應(yīng)力作用下，弗蘭克—瑞德拉位錯(cuò)源所產(chǎn)生的大量的位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動過程中，如遇到障礙物（固定位錯(cuò)、雜質(zhì)粒子、晶界等）領(lǐng)先的位錯(cuò)在障礙前被阻止，后續(xù)位錯(cuò)被堵塞起來，結(jié)果形成位錯(cuò)的平面塞積群，并在障礙物前形成高度的應(yīng)力集中，這就是位錯(cuò)的塞積。70.5°位錯(cuò)塞積最大應(yīng)力面第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天二、多晶體塑性變形的位錯(cuò)機(jī)制

多晶體的塑性變形主要受兩個(gè)方面的影響，一方面由于晶界的存在使變形晶粒中的位錯(cuò)在晶界處受阻（即形成位錯(cuò)的塞積），每一個(gè)晶粒中的滑移帶也都終止在晶界附近；另一方面由于各晶粒間存在位向差，為了協(xié)調(diào)變形要求每一個(gè)晶粒必須進(jìn)行多滑移，而多滑移必然發(fā)生位錯(cuò)的相互交割，這兩方面將大大提高金屬材料的強(qiáng)度。顯然晶界越多，即晶粒越細(xì)小，則強(qiáng)化效果越顯著，而這種用細(xì)化晶粒而增加晶界來提高金屬強(qiáng)度的方法就成為細(xì)晶強(qiáng)化。第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

多晶體塑性變形的特點(diǎn)：

1.各晶粒塑性變形的不同時(shí)性；

2.各晶粒在變形時(shí)的相互協(xié)調(diào)性；

3.塑性變形的不均勻性。這是因?yàn)槎嗑w塑性變形要受到晶界的阻礙和位向不同晶粒的影響；任何一個(gè)晶粒的塑性變形都不是處于獨(dú)立的自由變形狀態(tài)，需要周圍的晶粒同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變形來配合，以保持晶粒間的結(jié)合和整個(gè)物體的連續(xù)性。多晶體中各晶粒的位向是不同的，各個(gè)滑移的方向也是不同的，在外加拉伸應(yīng)力的作用下，各滑移系上的分切應(yīng)力很大。第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)位向最有利的晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，這就意味著在它的滑移面上的位錯(cuò)源開動，位錯(cuò)不斷地在滑移面上向前運(yùn)動，但周圍晶粒的位向不同，滑移系也不同，運(yùn)動著的位錯(cuò)不能越過晶界，滑移系就不可能發(fā)展到另一個(gè)晶粒中。位錯(cuò)就會在晶界處形成平面塞積群，這樣就會造成很大的應(yīng)力集中。在外加應(yīng)力及已滑移晶粒內(nèi)位錯(cuò)平面塞積群所造成的應(yīng)力集中作用下就會有越來越多的晶粒發(fā)生塑性變形。例如下圖是雙晶粒的拉伸變形，由于在晶界附近的滑移受阻，變形量較小，而晶粒內(nèi)部的塑性變形較大，整個(gè)晶體的變形是不均勻的。所以呈現(xiàn)出竹節(jié)狀。第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天下圖是由于位錯(cuò)塞積而在晶界處產(chǎn)生的竹節(jié)效應(yīng)Ni3Al+0.1%B合金拉伸時(shí)滑移帶終止于晶界第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天三、合金的塑性變形

根據(jù)合金的組織可以將合金分為兩類，一是具有以基體金屬為基的單相固溶體組織，稱為單相固溶體；二是加入的合金元素量超過了它在基體金屬中的飽和溶解度，在顯微組織中除了以基體組織為基的固溶體外，還出現(xiàn)了第二相（各組元形成的化合物或以合金元素為基形成的另一固溶體）構(gòu)成了多相合金。第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.1單相固溶體合金的塑性變形

由于單相固溶體合金的顯微組織與多晶體純金屬相似，其塑性變形也基本相似，但由于固溶體中存在著溶質(zhì)原子，使得合金強(qiáng)度、硬度提高；塑性、韌性有所下降。這是因?yàn)楹辖鹬挟a(chǎn)生了固溶強(qiáng)化。合金產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因，一是固溶體溶質(zhì)與溶劑原子半徑差所引起的彈性畸變與位錯(cuò)之間產(chǎn)生的彈性交互作用對滑移面上運(yùn)動著的位錯(cuò)有阻礙作用；二是在位錯(cuò)線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯(cuò)的釘扎作用。第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

例如正刃型位錯(cuò)的上半部分晶格受到擠壓而處于壓應(yīng)力狀態(tài)，位錯(cuò)線的下半部分被拉開而處于拉應(yīng)力狀態(tài)，比溶劑原子大的置換原子及間隙原子往往會擴(kuò)散至位錯(cuò)線下方受拉應(yīng)力的部位，比溶劑原子小的置換原子擴(kuò)散至上方受拉應(yīng)力的部位，這樣偏置于位錯(cuò)周圍的溶質(zhì)原子好像形成了一個(gè)溶質(zhì)原子“氣團(tuán)”，稱為“柯氏氣團(tuán)”。第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

柯氏氣團(tuán)的形成減少了晶格畸變，降低了溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用能，使位錯(cuò)處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而減少了可動位錯(cuò)的數(shù)目，這就是釘扎作用。若要使位錯(cuò)線運(yùn)動，脫離開氣團(tuán)的釘扎，就需要更大的外力，從而增加了固溶體合金抵抗塑性變形的能力。第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.2多相合金塑性變形與位錯(cuò)機(jī)制

多相合金的組織主要分為兩類：一兩相的晶粒尺寸相近，兩相的塑性也相近；二是有塑性較好的固溶體基體及其上分布的硬脆第二相組成，這類合金除具有固溶體強(qiáng)化效果外，還有因第二相的存在而引起的第二相強(qiáng)化。位錯(cuò)對多相合金塑性的影響主要體現(xiàn)在合金中的硬脆相在塑性相中呈顆粒狀分布的合金中。一般來說，顆粒狀的硬脆相對塑性的危害比針狀和片狀要小。第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

倘若第二相的彌散粒子均勻分布在塑性基體上，則可顯著提高強(qiáng)度，這種強(qiáng)化的原因是由于彌散細(xì)小的第二相粒子與位錯(cuò)的交互作用阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動，從而提高了金屬的塑性變形抗力。根據(jù)兩者相互作用的方式，主要有兩種強(qiáng)化機(jī)制。

1.位錯(cuò)繞過第二相粒子在滑移面上運(yùn)動著的位錯(cuò)遇到堅(jiān)硬不變形的并且比較粗大的第二相粒子時(shí)，將受到粒子的阻礙而彎曲，隨外加應(yīng)力的增加，位錯(cuò)線受阻部分彎曲加劇，以至圍繞粒子的位錯(cuò)線在左右兩邊相遇時(shí)正負(fù)位錯(cuò)彼此抵消，形成包圍著粒子的位錯(cuò)環(huán)而留下，其余部分位錯(cuò)線繼續(xù)前進(jìn)。第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天位錯(cuò)繞過第二相的運(yùn)動機(jī)制示意圖粒子位錯(cuò)線λ位錯(cuò)環(huán)位錯(cuò)環(huán)abcd第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天Ni合金中位錯(cuò)繞過Ni3Al相的電鏡照片第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

位錯(cuò)繞過間距為λ的第二相粒子時(shí)，所需要的切應(yīng)力為：τ=Gb/λ,

其中G為切變模量，b為柏氏矢量，λ為兩粒子間距由上式可以看出λ越小強(qiáng)化作用越大。第二相粒子是可借助粉末冶金的方法加入機(jī)體而起強(qiáng)化作用的，這種強(qiáng)化機(jī)制成為彌散強(qiáng)化。當(dāng)過飽和固溶體進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，可以得到與基體非共格的析出相，此時(shí)位錯(cuò)也是以繞過機(jī)制通過障礙的，這也稱為彌散強(qiáng)化。第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2.位錯(cuò)切過第二相粒子

若第二相粒子為硬度不是太高，尺寸也不很大的可變形的第二相粒子時(shí)或是過飽和固溶體時(shí)效處理初期產(chǎn)生的共格析出相，則運(yùn)動著的位錯(cuò)與其相遇時(shí)將切過粒子與基體一起變形。位錯(cuò)切過第二相粒子時(shí)必須做而外的功，消耗足夠大的能量，從而提高合金的強(qiáng)度，這被稱作是沉淀強(qiáng)化。第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天適用于第二相粒