金屬塑性變形理論塑性變形物理本質(zhì)

1、2022-3-151金屬塑性變形理論Theory of metal plastic deformation 第二講第二講Lesson Two張貴杰張貴杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大學(xué)金屬材料與加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-3-152第二章 金屬塑性變形的物理本質(zhì) Chapter 2 Physical inbeing of metal plastic defor

2、mation主要內(nèi)容主要內(nèi)容Main Content 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)(Crystal structure) 位錯(cuò)理論基礎(chǔ)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)(Dislocation theory) 單晶體塑性變形單晶體塑性變形(Monocrystal plastic deformation) 多晶體塑性變形多晶體塑性變形(Multi-crystal plastic deformation)2022-3-1532.1 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) 2022-3-154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

3、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。 晶胞：只包含一個(gè)陣點(diǎn)的六面體2022-3-155 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 StructureG r a i n BoundaryCrystals2022-3-156晶胞結(jié)構(gòu) 面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe 2022-3-157 體心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti 2022-3-158 密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Coc/a=1.57-1.64 20

4、22-3-159立方系的一些立方系的一些晶面指數(shù)晶面指數(shù)2022-3-1510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 2022-3-1511 材料理論強(qiáng)度（G/30)/Gpa實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度/MPa理論強(qiáng)度/實(shí)驗(yàn)強(qiáng)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） 2.64 2.37 4.10 6.70 7.10 11.33 3.48 2.07 1.47 3.54 10.32 10.32 0.37 0.78 0.49 3.27.35 27.5 71.6 33.3 0.57 3

5、9.2 13.7 1.37 5.2 7103 3103 8103 2103 3102 2102 1102 4103 410 3102 8103 2102一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度2022-3-1512常見的缺陷 點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。2022-3-15132022-3-1514線缺陷（位錯(cuò)）刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) L：位錯(cuò)線長(zhǎng)度，V：體積，r：位錯(cuò)密度。 VLr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 2022-3-1515M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engi

6、neering Materials 1, 2nd ed. (2002)2022-3-1516螺型位錯(cuò)2022-3-1517 混合型位錯(cuò)（螺型+刃型 ）2022-3-1518面缺陷 堆垛層錯(cuò)（堆垛層錯(cuò)（stacking stacking faultfault） 抽出型層錯(cuò)抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)如面心立方：如面心立方：ABCA（B）CABC 抽抽出出ABC（B）ABCABC 插插入入 2022-3-1519 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 2022-3-1520孿晶界2022-3-1521 亞晶界 扭轉(zhuǎn)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界)(nu面心立方結(jié)構(gòu)中的(00

7、1)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. The structure of the grainboundary is disordered and the atoms in th

8、e grain boundaries have higherenergies than those within the grains.2022-3-15222.2 位錯(cuò)理論基礎(chǔ) Dislocation theory柏氏矢量（Burgers Vector）和位錯(cuò)環(huán) （a）圍繞一刃型位錯(cuò)的柏氏迥路；（）圍繞一刃型位錯(cuò)的柏氏迥路；（b）完整晶體中）完整晶體中的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。2022-3-1523（a）圍繞一螺型位錯(cuò)的柏氏迥路；（）圍繞一螺型位錯(cuò)的柏氏迥路；（b）完整晶體中）完整晶體中的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺損即為柏氏矢

9、量。2022-3-1524混合位錯(cuò)(b)未滑移區(qū)(a)BbbAA滑移區(qū)B2022-3-1525位錯(cuò)攀移（Climb） 正攀移：位錯(cuò)縮短，空位遷移 負(fù)攀移：位錯(cuò)加長(zhǎng)，間隙原子遷移 2022-3-1526位錯(cuò)交割 (a),(b) 刃型位錯(cuò)上的彎節(jié)；(c),(d)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)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b2022-3-1527(a)(b)(c)(d)bbb2022-3-1528位錯(cuò)源和位錯(cuò)增殖 Dislocation Loop: Frank Reed 2022-3-15292022-3-1530Frank

10、-Read sources in SiDash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).2022-3-1531位錯(cuò)塞積 2022-3-15322.3 單晶體塑性變形機(jī)制單晶體塑性變形機(jī)制Mono-crystal plastic deformation2.3.1 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(duì)另一部分發(fā)生相對(duì)移動(dòng)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：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(gè)滑移方向構(gòu)成2022-3-1533

11、3.25% 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b2022-3-1534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(duì)于體心立方、面心立方， zyxSaSaSa2022-3-1535Gold (Au) - fcc2022-3-1536Iron (Fe), Va

12、nadium (V), Chromium (Cr) - bcc2022-3-15372022-3-1538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。 剪切力剪切力 )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 2022-3-1539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 is perpendicular to (uvw)2022-3-1540sFP0coscoscoscos0skFPcoscos取向因子 滑移面和滑移方向與外力

13、成45角，為軟取向否則為硬取向2022-3-1541晶面轉(zhuǎn)動(dòng)單晶體拉伸單晶體壓縮2022-3-1542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2022-3-1543 雙滑移雙滑移 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。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。 2022-3-1544 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

14、系統(tǒng)上進(jìn)行時(shí)，則稱此滑移為多滑移。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 2022-3-1545 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。時(shí)，則稱為交滑移。 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 2022-3-15462.3.2 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(shí)原子的移動(dòng)孿生面孿生面孿生方向?qū)\生方向?qū)\生區(qū)域2022-3-1547 孿生：晶體在切應(yīng)力的作用下，其一部分孿

15、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)生沿某一定晶面和晶向，按一定的關(guān)系發(fā)生相對(duì)的位向移動(dòng)，其結(jié)果使晶體的一部分相對(duì)的位向移動(dòng)，其結(jié)果使晶體的一部分與原晶體的位向處于相互對(duì)稱的位置。與原晶體的位向處于相互對(duì)稱的位置。 2022-3-1548在孿生變形時(shí)，所在孿生變形時(shí)，所有平行于孿生面的有平行于孿生面的原子平面都朝著一原子平面都朝著一個(gè)方向移動(dòng)。每一個(gè)方向移動(dòng)。每一晶面移動(dòng)距離的大晶面移動(dòng)距離的大小與它距孿生面的小與它距孿生面的距離成正比。每一距離成正比。每一晶面與相鄰晶面的晶面與相鄰晶面的相對(duì)移動(dòng)恒等于點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)恒等于點(diǎn)陣常數(shù)的若干分之陣常數(shù)的若干分之一。一。

16、2022-3-1549發(fā)生孿生的條件 晶體的對(duì)稱性晶體的對(duì)稱性 變形速度的增加可促使晶體的孿生化變形速度的增加可促使晶體的孿生化 溫度越低，孿生產(chǎn)生的可能性越大溫度越低，孿生產(chǎn)生的可能性越大 2022-3-1550鎂中的變形孿晶和滑移帶鎂中的變形孿晶和滑移帶 2022-3-1551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(gè)孿生變形區(qū)，而滑移變形只集中在滑移面上，切變是不個(gè)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；均勻的； 孿生切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)孿生切變時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生

17、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(shí)原子移動(dòng)的距離倍（而是幾分之一原子間距），而滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍；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(duì)稱；而孿生變形后，孿晶面兩邊晶體位向不同，成鏡像對(duì)稱；而滑移時(shí)，滑移面兩邊晶體位向不變；滑移時(shí)，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(tái)階經(jīng)拋光浸蝕后不會(huì)重現(xiàn)。觀察到，而滑移所造成的臺(tái)階經(jīng)拋光浸蝕后不會(huì)重現(xiàn)。2022-3-15522.3.3 不對(duì)稱變向 孿生變形點(diǎn)陣的再

18、取向是有規(guī)律的，變形孿生變形點(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(duì)稱后晶體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)陣則以非對(duì)稱的方式變向，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。變形部分相對(duì)未變形部稱為不對(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，并不成對(duì)稱關(guān)系。分取向的是無規(guī)律的，并不成對(duì)稱關(guān)系。這種變形方式在金屬中常見到的有扭折帶這種變形方式在金屬中常見到的有扭折帶和形變帶。和形變帶。 2022-3-1553 扭折帶的形成對(duì)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

19、形。 2022-3-1554 在變形晶體的某些微區(qū)中，其點(diǎn)陣相對(duì)原在變形晶體的某些微區(qū)中，其點(diǎn)陣相對(duì)原來點(diǎn)陣發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而形成形變帶。經(jīng)來點(diǎn)陣發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而形成形變帶。經(jīng)x射線的射線的研究可知，帶中的取向轉(zhuǎn)動(dòng)不同于扭折帶，研究可知，帶中的取向轉(zhuǎn)動(dòng)不同于扭折帶，取向不是突變而是漸變的，其轉(zhuǎn)動(dòng)程度取取向不是突變而是漸變的，其轉(zhuǎn)動(dòng)程度取決于變形量。決于變形量。2022-3-15552.3.4 其它變形機(jī)制 非晶機(jī)制 晶界滑動(dòng) 2022-3-15562.4 多晶體塑性變形多晶體塑性變形Multi-crystal plastic deformation 多晶體是由許多微小的單個(gè)晶粒雜亂組合而多晶體是由許多微小的

20、單個(gè)晶粒雜亂組合而成。成。 多晶體在其組織結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：多晶體在其組織結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：（1）多晶體的各個(gè)晶粒，其形狀和大小是不同）多晶體的各個(gè)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；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；）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)）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)。其它物質(zhì)的雜質(zhì)。 2022-3-1557Grain or Crystalline StructureGrain Boundary2022-3-1558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)象多晶體變形的竹節(jié)現(xiàn)象 晶粒變形的整體性晶粒變形的整體性 2022-3-1559 晶界的作用及晶粒大小的影響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)多晶金屬在塑性變形過程中，仍然保持著連續(xù)性。即每個(gè)晶粒的變形都要受到相鄰晶粒的制約，性。即每個(gè)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)。并與相鄰晶粒的變形相協(xié)調(diào)。 晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高晶粒越細(xì)，屈服強(qiáng)度越高 2022-3-1560多晶體塑性變形機(jī)制 晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng) 溶解沉積機(jī)制 粘滯性晶間流動(dòng)