塑性變形物理本質(zhì)

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@河北聯(lián)合大學(xué)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(zhì)

Chapter2Physicalinbeingofmetalplasticdeformation主要內(nèi)容MainContent金屬的晶體結(jié)構(gòu)(Crystalstructure)位錯(cuò)理論基礎(chǔ)(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(jié)構(gòu)

Crystalstructure基本概念

晶胞結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

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(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(jié)構(gòu)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(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2/1/202310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）2.642.374.106.707.1011.333.482.071.473.5410.3210.320.370.780.493.2~7.3527.571.633.30.5739.213.71.375.27×1033×1038×103

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

2×102一些金屬材料的實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度和理論屈服強(qiáng)度2012-9-5-22/1/202311常見的缺陷

點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子、異質(zhì)原子。2/1/2023122/1/202313線缺陷（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。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(cuò)2/1/202316混合型位錯(cuò)（螺型+刃型）2/1/202317面缺陷

堆垛層錯(cuò)（stackingfault）抽出型層錯(cuò)插入型層錯(cuò)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(nèi)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(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.2/1/2023212.2位錯(cuò)理論基礎(chǔ)

Dislocationtheory柏氏矢量（BurgersVector）和位錯(cuò)環(huán)

（a）圍繞一刃型位錯(cuò)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(cuò)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(cuò)(b)未滑移區(qū)(a)BbbAA滑移區(qū)B2/1/202324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

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

DislocationLoop:FrankReed

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

2/1/2023312.3單晶體塑性變形機(jī)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(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?；品较颍涸优帕忻芏茸畲蟮姆较颉；葡?一種滑移面及其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)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(tái)階所構(gòu)成?；茙b2/1/202333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(duì)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(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

2/1/202338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)2/1/202339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(zhuǎn)動(dòng)單晶體拉伸單晶體壓縮2/1/202341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2/1/202342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。2/1/202343多滑移與雙滑移相似，晶體在滑移過程中，如果滑移同時(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2/1/202344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2/1/2023452.3.2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(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2/1/202346孿生：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。2/1/202347在孿生變形時(shí)，所有平行于孿生面的原子平面都朝著一個(gè)方向移動(dòng)。每一晶面移動(dòng)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(duì)移動(dòng)恒等于點(diǎn)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(duì)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(chǎn)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(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；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)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；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；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)。2/1/2023512.3.3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。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。這種變形方式在金屬中常見到的有扭折帶和形變帶。2/1/202352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)變形。2/1/202353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)x射線的研究可知，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)程度取決于變形量。2/1/2023542.3.4其它變形機(jī)制非晶機(jī)制晶界滑動(dòng)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(gè)晶粒雜亂組合而成。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；（3）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，并在晶界上聚集著其它物質(zhì)的雜質(zhì)。2/1/202356GrainorCrystallineStructureGrainBoundary2/1/202357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)象晶粒變形的整體性2012-9-6-22/1/202358晶界的作用及晶粒大小