材料的塑性變形

關(guān)于材料的塑性變形2第2頁,共95頁，2024年2月25日，星期天3第二章：材料的塑性變形主要內(nèi)容：

一.概述；二.對塑性變形的認(rèn)識過程；三.塑性變形的本質(zhì)；四.多晶體的塑性變形。Plasticdeformationofmaterials第3頁,共95頁，2024年2月25日，星期天42.1概述1.定義

塑性變形——在外力除去后不能恢復(fù)的變形叫塑性變形，有一部分殘余形變。即使固體產(chǎn)生變形的力，在超過該固體的屈服應(yīng)力后，出現(xiàn)能使該固體長期保持其變形后的形狀或尺寸，即非可逆性能。

屈服應(yīng)力——當(dāng)外力超過物體彈性極限，達(dá)到某一點(diǎn)后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點(diǎn)為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的應(yīng)力。第4頁,共95頁，2024年2月25日，星期天52.度量塑性的指標(biāo)工程上：（脆性材料）

（塑性/韌性材料）

延伸率：斷面收縮率：2.1概述第5頁,共95頁，2024年2月25日，星期天63.影響因素

①溫度；（MgO高溫下表現(xiàn)一定的塑性）。

②加載方式；（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力）——鑄鐵施加壓力表現(xiàn)為塑性變形；受拉伸應(yīng)力表現(xiàn)為脆性變形。

③加載速度。（沖擊荷載、準(zhǔn)靜荷載）——加載速度越小，塑性變形可以充分表現(xiàn)；加載速度越大，應(yīng)力來不及均勻變化，表現(xiàn)為脆性變形。2.1概述第6頁,共95頁，2024年2月25日，星期天72.2理想晶體的強(qiáng)度理想晶體——空間點(diǎn)陣每一個格點(diǎn)都被原子占有和原子平面的規(guī)整排列未被破壞而構(gòu)成的晶體，即完全符合格子構(gòu)造規(guī)律的晶體。理想晶體的化學(xué)和物理性質(zhì)——取決于原子的結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合性質(zhì)。理想晶體的塑性變形——是由晶體沿著晶面的整體滑移而引起的，塑性變形的出現(xiàn)意味著晶體屈服。第7頁,共95頁，2024年2月25日，星期天82.2理想晶體的強(qiáng)度兩列原子間的力有兩種：（1）每層中原子之間的相互作用力，該力與兩層原子相對位移不相干；（2）上、下兩層原子之間的相互作用力，該力與兩層原子相對位移有關(guān)，是周期性變化的力。完整晶體原子排列位置第8頁,共95頁，2024年2月25日，星期天92.2理想晶體的強(qiáng)度上、下半晶體相對移動假定在晶體特定的晶面及結(jié)晶向上施加切應(yīng)力τ，引起晶體上半部分相對于下半部分沿兩層原子間MN面上移動，如圖所示。在切應(yīng)力作用下，勢必引起MN面上原子同時移動，同時切斷MN面上所有的原子鍵，此過程為晶體的整體滑移。第9頁,共95頁，2024年2月25日，星期天102.2理想晶體的強(qiáng)度原子位移位置a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線P和R位置上的原子處于晶體點(diǎn)陣的平衡位置，勢能最低，該位置上的原子處于平衡位置；而P和R之間中央Q位置，勢能最高，Q位置上的原子處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，勢能的變化取決于原子鍵的性質(zhì)。因此，勢能隨位移變化曲線的真實(shí)形狀很難確定。第10頁,共95頁，2024年2月25日，星期天112.2理想晶體的強(qiáng)度a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線為了便于分析，假定勢能隨原子位移變化為正弦波曲線。移動原子所需的作用力F的變化可由勢能-位移曲線（E-x）的斜率確定。第11頁,共95頁，2024年2月25日，星期天122.2理想晶體的強(qiáng)度a.E-x變化曲線；b.τ-x變化曲線

τm——完整晶體屈服強(qiáng)度，晶體受到的切應(yīng)力超過τm后產(chǎn)生永久變形，即為晶體的塑性變形。第12頁,共95頁，2024年2月25日，星期天132.2理想晶體的強(qiáng)度第13頁,共95頁，2024年2月25日，星期天142.2理想晶體的強(qiáng)度為什么完整晶體理論屈服強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)測定的屈服強(qiáng)度差異大？原因：近似為彈性變形，利用胡克定律；剪切力與原子間距離并非符合正弦變化；推導(dǎo)過程中針對的是理想晶體，而實(shí)際晶體存在缺陷。第14頁,共95頁，2024年2月25日，星期天152.3.1位錯的基本概念（dislocation）

（1）定義：線狀缺陷。2.3晶格缺陷——位錯實(shí)際晶體在結(jié)晶時，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動產(chǎn)生的應(yīng)力作用或晶體由于受到打擊、切割等機(jī)械應(yīng)力作用，使晶體內(nèi)部原子排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶體的有序排列，形成線狀缺陷，即為位錯。第15頁,共95頁，2024年2月25日，星期天162.3.1位錯的基本概念（dislocation）

（1）定義：線狀缺陷。位錯的提出——解釋晶體的塑性變形。塑性變形理論滑移模型，1920線缺陷（位錯）模型,1934建立位錯理論,1956第16頁,共95頁，2024年2月25日，星期天171934年

Taylor、Polanyi、Orowan三人幾乎同時提出晶體中位錯的模型。滑移過程并非是原子面之間整體發(fā)生相對位移，而是一部分先發(fā)生位移，然后推動晶體中另一部分滑移，循序漸進(jìn)。2.3.1位錯的基本概念（dislocation）第17頁,共95頁，2024年2月25日，星期天182.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型2.3晶格缺陷——位錯基本類型刃位錯（edgedislocation），l⊥螺位錯（screwdislocation），l∥混合位錯第18頁,共95頁，2024年2月25日，星期天192.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型a.刃位錯——刃位錯的產(chǎn)生半原子面（EFGH）位錯線EF刃位錯示意圖第19頁,共95頁，2024年2月25日，星期天202.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型a.刃位錯——刃位錯的產(chǎn)生第20頁,共95頁，2024年2月25日，星期天212.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型a.刃位錯——幾何特征①位錯線與原子滑移方向（即伯氏矢量b）相垂直；②滑移面上部位錯線周圍原子受壓應(yīng)力作用，原子間距小于正常晶格間距；③滑移面下部位錯線周圍原子受張應(yīng)力作用，原子間距大于正常晶格間距。第21頁,共95頁，2024年2月25日，星期天22正刃位錯負(fù)刃位錯2.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型a.刃位錯——表示符號如果半個原子面在滑移面上方，稱為正刃位錯，以符號“⊥”表示；反之稱為負(fù)刃位錯，以符號“┬”表示。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。第22頁,共95頁，2024年2月25日，星期天23（2）位錯的類型b.螺位錯——螺位錯的產(chǎn)生第23頁,共95頁，2024年2月25日，星期天242.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型b.螺位錯——螺位錯的產(chǎn)生位錯線EF螺位錯形成示意圖a）與螺位錯垂直的晶面的形狀（b）螺位錯滑移面兩側(cè)晶面上原子的滑移情況第24頁,共95頁，2024年2月25日，星期天252.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型b.螺位錯——螺位錯的產(chǎn)生第25頁,共95頁，2024年2月25日，星期天26（2）位錯的類型b.螺位錯——螺位錯的產(chǎn)生螺形位錯示意圖BC線兩側(cè)的上下兩層原子都偏離了平衡位置，圍繞著BC連成了一個螺旋線.第26頁,共95頁，2024年2月25日，星期天27①位錯線與原子滑移方向平行；②位錯線周圍原子的配置是螺旋狀的，即形成螺位錯后，原來與位錯線垂直的晶面，變?yōu)橐晕诲e線為中心軸的螺旋面。（2）位錯的類型b.螺位錯——幾何特征第27頁,共95頁，2024年2月25日，星期天28如果在外力τ作用下，兩部分之間發(fā)生相對滑移，在晶體內(nèi)部已滑移部分和未滑移部分的交線既不垂直也不平行于滑移方向（伯氏矢量b），這樣的位錯稱為混合位錯。如下圖所示。位錯線上任一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯與螺位錯分量。2.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型c.混合位錯第28頁,共95頁，2024年2月25日，星期天29混合位錯的形成2.3.1位錯的基本概念（dislocation）（2）位錯的類型c.混合位錯第29頁,共95頁，2024年2月25日，星期天30位錯線在幾何上的兩個特征：①位錯線的方向ξ，它表明給定點(diǎn)上位錯線的取向，由人們的觀察方位來決定，是人為規(guī)定的；②位錯線的伯格斯矢量b，它表明晶體中有位錯存在時，滑移面一側(cè)質(zhì)點(diǎn)相對于另一側(cè)質(zhì)點(diǎn)的相對滑移或畸變，由伯格斯于1939年首先提出，故稱為伯格斯矢量，簡稱為伯氏矢量。

（1）柏氏矢量的確定2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第30頁,共95頁，2024年2月25日，星期天31（1）柏氏矢量的確定刃型位錯柏氏矢量的確定(a)實(shí)際晶體的柏氏回路；(b)完整晶體相應(yīng)回路2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第31頁,共95頁，2024年2月25日，星期天32螺型位錯柏氏矢量的確定(a)實(shí)際晶體的柏氏回路；(b)完整晶體相應(yīng)回路（1）柏氏矢量的確定2.3.2柏氏矢量與柏氏回路第32頁,共95頁，2024年2月25日，星期天332.3.2柏氏矢量與柏氏回路（2）柏氏矢量的性質(zhì)與表示方法柏氏矢量具有守恒性，具體表現(xiàn)在如下：柏氏矢量與柏氏回路的起點(diǎn)、形狀、大小和位置無關(guān)。只要回路不與其他位錯線或原位錯線相遇，則回路所包含的晶格畸變總量不會改變；一條位錯線具有唯一的柏氏矢量，即位錯線各部分的柏氏矢量均相同；若幾條位錯線匯交于一點(diǎn)時，則指向節(jié)點(diǎn)的各位錯的柏氏矢量之和等于離開結(jié)點(diǎn)的各位錯柏氏矢量之和。第33頁,共95頁，2024年2月25日，星期天34（1）位錯滑移位錯的滑移面——由位錯線與其柏格斯矢量組成的晶面。

滑移運(yùn)動——位錯沿滑移面的移動。當(dāng)位錯在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑過整個滑移面時，就會使晶體表面產(chǎn)生一個原子間距的滑移臺階。2.3.3位錯運(yùn)動理論晶體滑移的三種情況刃型位錯的滑移螺型位錯的滑移混合位錯的滑移

位錯運(yùn)動的難易將直接影響材料的塑性變形和強(qiáng)度。

位錯運(yùn)動的兩種基本形式：滑移和攀移。第34頁,共95頁，2024年2月25日，星期天35（1）位錯滑移2.3.3位錯運(yùn)動理論位錯滑移導(dǎo)致晶體滑移的示意圖第35頁,共95頁，2024年2月25日，星期天36類型柏氏向量位錯線運(yùn)動方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃⊥位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致唯一螺∥位錯線⊥位錯線本身與b一致與b一致多個混合與位錯線成一定角度⊥位錯線本身與b一致與b一致刃位錯只有唯一的一個滑移面；對于螺位錯，凡通過位錯線的晶面，都是滑移面，有無數(shù)個。2.3.3位錯運(yùn)動理論（1）位錯滑移第36頁,共95頁，2024年2月25日，星期天372.3.3位錯運(yùn)動理論（2）位錯的攀移位錯除滑移外，還可以產(chǎn)生攀移，由于熱運(yùn)動，原子之間擴(kuò)散，空位擴(kuò)散到位錯處，使位錯上移，雜質(zhì)離子擴(kuò)散到位錯處，使位錯下移。

刃型位錯的攀移運(yùn)動模型(a)未攀移的位錯；(b)空位運(yùn)動形成的正攀移；(c)間隙原子擴(kuò)散引起的負(fù)攀移第37頁,共95頁，2024年2月25日，星期天382.3.3位錯運(yùn)動理論（2）位錯的攀移

刃型位錯攀移的實(shí)質(zhì)——多余半原子面通過空位或原子的擴(kuò)散而擴(kuò)大或縮小。

正攀移——當(dāng)多余原子面縮小，位錯線向上攀移。

負(fù)攀移——當(dāng)多余半原子面擴(kuò)大，位錯線向下攀移。

注意——由于攀移需要通過原子擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)，故位錯的攀移比滑移困難的多，主要發(fā)生在高溫或應(yīng)力條件下。

壓應(yīng)力——正攀移；

拉應(yīng)力——負(fù)攀移。第38頁,共95頁，2024年2月25日，星期天392.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論當(dāng)位錯穿過晶體時，其中間所取的位置第39頁,共95頁，2024年2月25日，星期天40完整晶體中原子排列及其勢能曲線2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論根據(jù)平衡理論，完整晶體中的每個原子處于勢能最低位置。原子的熱運(yùn)動使得原子在它勢能最低位置附近運(yùn)動。原子能越過勢壘落到臨近的位置上去的機(jī)會是很小的。第40頁,共95頁，2024年2月25日，星期天41晶體中存在缺陷的原子排列及其勢能變化曲線2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第41頁,共95頁，2024年2月25日，星期天42切應(yīng)力作用下含缺陷晶體中原子排列及勢能變化曲線2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第42頁,共95頁，2024年2月25日，星期天432.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論完整晶體的勢能曲線有位錯時，晶體的勢能曲線加剪應(yīng)力后的勢能曲線······

hh

H()滑移面第43頁,共95頁，2024年2月25日，星期天44有位錯時，越過能量勢壘h’；正常原子滑移需越過勢壘h；位錯運(yùn)動的激活能H(

)，與剪切應(yīng)力有關(guān)，剪應(yīng)力大，H(

)??；

小，H(

)大。H(τ)＜h’＜h當(dāng)τ＝0，H(τ)最大，H(τ)＝h’。2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第44頁,共95頁，2024年2月25日，星期天45金屬材料H(

)為0.1－0.2eV；由離子鍵、共價(jià)鍵組成的非金屬材料的H(

)為1eV數(shù)量級，故室溫下無機(jī)非金屬材料的位錯難以運(yùn)動。

因?yàn)閔hH(

)，所以位錯只能在滑移面上運(yùn)動。

溫度升高，位錯運(yùn)動速度加快，對于一些在常溫下不發(fā)生塑性形變的材料，在高溫下具有一定塑性。2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第45頁,共95頁，2024年2月25日，星期天46當(dāng)位錯線在晶體中運(yùn)動時，穿過滑移面的原子鍵的裂開是逐步發(fā)生的，而不像理想晶體那樣是一次同時實(shí)現(xiàn)的。半原子面在運(yùn)動中不斷改變位置，運(yùn)動的最終結(jié)果使得立方體上半部份相對于下半部份發(fā)生了平移，其大小等于平衡原子的間距b。但是，這里有重大的差別，這就是說，每次裂開一個鍵比起同時裂開所有的鍵來說，所需要的能量要小得多。2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第46頁,共95頁，2024年2月25日，星期天47晶體中位錯從一邊移到另一邊的過程中，滑移面上的原子鍵一個接一個地?cái)嚅_。因此，所需外界切應(yīng)力比晶體整體滑移時滑移面上原子鍵同時斷開所需的外界切應(yīng)力小得多。由此可見，晶體理論屈服強(qiáng)度與真實(shí)晶體屈服強(qiáng)度之間存在很大差別正是由于真實(shí)晶體中存在位錯的緣故。2.3.3位錯運(yùn)動理論（3）位錯運(yùn)動理論第47頁,共95頁，2024年2月25日，星期天48宏觀上觀察到的塑性變形，是無數(shù)位錯運(yùn)動的結(jié)果。因此，要表現(xiàn)出塑性變形，必須有位錯增殖的機(jī)理。

2.3.3位錯運(yùn)動理論（4）位錯增殖機(jī)理U型位錯增殖過程模型第48頁,共95頁，2024年2月25日，星期天492.4塑性變形及其檢驗(yàn)方法

塑性變形：當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限的臨界值，變形就成為永久性的。當(dāng)一個試樣承載超過這個極限時，在作用力撤除后它就不能夠再恢復(fù)到原始長度，這種行為稱為塑性變形或永久變形。塑性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線呈非線性，不服從胡克定律。

延展性——材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力。第49頁,共95頁，2024年2月25日，星期天502.4塑性變形及其檢驗(yàn)方法彈性與塑性荷載條件下加載與卸載過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線第50頁,共95頁，2024年2月25日，星期天512.4.1拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)——定量測定結(jié)構(gòu)材料的主要力學(xué)性能。第51頁,共95頁，2024年2月25日，星期天522.4.1拉伸試驗(yàn)第52頁,共95頁，2024年2月25日，星期天532.4.1拉伸試驗(yàn)工程斷裂應(yīng)變εf的表示形式：試件的伸長率δ：

εf取決于試件的長徑比，長徑比越大，達(dá)到的工程斷裂應(yīng)變就越低。試件的斷面收縮率φ：

優(yōu)點(diǎn)：εf不依賴于試件的長徑比。第53頁,共95頁，2024年2月25日，星期天542.4.1拉伸試驗(yàn)各種類型金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Cu、Al等面心立方金屬，屈服點(diǎn)不易確定。碳鋼等材料呈現(xiàn)復(fù)雜的屈服行為。材料開始塑性變形時的應(yīng)力。產(chǎn)生塑性變形時的最低應(yīng)力。第54頁,共95頁，2024年2月25日，星期天552.4.2陶瓷試驗(yàn)陶瓷——四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。第55頁,共95頁，2024年2月25日，星期天56優(yōu)點(diǎn)：試樣的幾何形狀簡單（矩形或圓柱形試樣）；試驗(yàn)程序簡化；試驗(yàn)成本較低。缺點(diǎn)：試樣的應(yīng)力分布不均勻。不像拉伸試驗(yàn)?zāi)菢釉谡麄€標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)力幾乎呈均勻狀態(tài)。應(yīng)力不均勻狀態(tài)的后果：在某些情況下，特別是受載試樣中的最大裂紋位于試樣內(nèi)部時，在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中會過高地估計(jì)陶瓷的強(qiáng)度。2.4.2陶瓷試驗(yàn)第56頁,共95頁，2024年2月25日，星期天572.4.2陶瓷試驗(yàn)第57頁,共95頁，2024年2月25日，星期天582.4.2陶瓷試驗(yàn)陶瓷與金屬的差別：陶瓷的彈性模量E通常比金屬高；陶瓷很少呈明顯的塑性變形；無裂紋的陶瓷的斷裂應(yīng)力往往比金屬高；金屬在拉伸和壓縮試驗(yàn)中所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎相同，而陶瓷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線取決于試驗(yàn)時的應(yīng)力狀態(tài)（壓縮還是拉伸）。第58頁,共95頁，2024年2月25日，星期天592.4.3聚合物試驗(yàn)聚合物——塑性變形能力好。聚合物——拉伸試驗(yàn)或者彎曲試驗(yàn)。聚合物的特點(diǎn)——聚合物的彈性模量較低，斷裂強(qiáng)度較低，延展性較高；高度取向的聚合物具有像金屬或陶瓷那樣高的剛度和強(qiáng)度。第59頁,共95頁，2024年2月25日，星期天602.5單晶體塑性變形的基本方式最早對塑性變形的認(rèn)識——單晶的拉伸試驗(yàn)。

拉伸——最簡單的受力方式，截面積受力均勻；

彎曲應(yīng)力——上表面受到壓應(yīng)力，下表面受到拉應(yīng)力，所受應(yīng)力不均勻。

金屬產(chǎn)生塑性變形的方式滑移slide（占90%）孿生twin（占10%）：形成孿晶的過程。第60頁,共95頁，2024年2月25日，星期天611.定義：晶體在切應(yīng)力作用下，其中一部分沿著一定晶面和這個晶面上的一定方向，相對另一部分產(chǎn)生的平移滑動?！w發(fā)生了塑性變形。2.5.1滑移ττ滑移的結(jié)果：塑性變形，表面形成臺階。外力作用下晶體滑移示意圖（微觀）第61頁,共95頁，2024年2月25日，星期天62外力作用下晶體滑移示意圖（a）滑移前；（b）滑移后單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變形（a）變形前；（b）變形后2.5.1滑移第62頁,共95頁，2024年2月25日，星期天632.5.1滑移第63頁,共95頁，2024年2月25日，星期天642.滑移的晶體學(xué)條件：①幾何條件：滑移沿密排面和密排方向進(jìn)行；

②靜電條件：對于離子晶體和共價(jià)晶體，滑移過程中不應(yīng)遇到同號離子的巨大斥力作用?；泼妫涸用芘琶妫嬷笖?shù)?。换品较颍涸用芘欧较?，晶向指數(shù)??；滑移系：滑移面與滑移方向的組合。2.5.1滑移第64頁,共95頁，2024年2月25日，星期天652.5.1滑移3.滑移的特點(diǎn)：滑移過程中晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變；滑移的距離為該方向上原子間距的整數(shù)倍；滑移面與滑移方向組成滑移系。第65頁,共95頁，2024年2月25日，星期天662.5.2滑移機(jī)制位錯——晶體中已滑移部分和未滑移部分的分界線。位錯寬度——分界線之間的過渡區(qū)域。位錯寬度越窄：界面能越小，但彈性畸變能很高；位錯寬度越寬：集中的彈性畸變分?jǐn)偟捷^寬區(qū)域內(nèi)的各個原子面上，每個原子偏離平衡位置較小，單位體積內(nèi)的彈性畸變能減小。即——位錯寬度越大，位錯就越易運(yùn)動。第66頁,共95頁，2024年2月25日，星期天672.5.2滑移機(jī)制位錯寬度越寬——位錯運(yùn)動所需克服的能量勢壘小。位錯寬度越窄——位錯運(yùn)動所需克服的能量勢壘大。派—納力——在理想晶體中，位錯點(diǎn)陣周期場中運(yùn)動時所需克服的阻力。定性分析派—納力：位錯寬度越小，派—納力越大，材料就難以變形，相應(yīng)屈服強(qiáng)度就高；位錯寬度主要決定于結(jié)合鍵的本性和晶體的結(jié)構(gòu)。第67頁,共95頁，2024年2月25日，星期天682.5.2滑移機(jī)制共價(jià)鍵：方向性很強(qiáng)，其鍵角和鍵長都很難改變，位錯寬度很窄，W≈b，即宏觀表現(xiàn)是屈服強(qiáng)度很高但很脆；金屬鍵：沒有方向性，位錯有較大的寬度，對立方面心金屬如Cu，其W≈6b，其派-納力是很低的。派-納力的計(jì)算公式第一次定量給出了金屬晶體中由于位錯的存在，實(shí)際的屈服強(qiáng)度（10-4G）可遠(yuǎn)低于理論的屈服強(qiáng)度（1/30G）。第68頁,共95頁，2024年2月25日，星期天69τm=104~105MPa實(shí)際金屬單晶：切變強(qiáng)度值間的巨大差異，使人們認(rèn)識到:一般金屬理論切變強(qiáng)度：1~10MPa晶體的滑移也并非剛性同步實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)并非理想完整2.5.2滑移機(jī)制第69頁,共95頁，2024年2月25日，星期天702.5.2滑移機(jī)制為什么實(shí)驗(yàn)觀察到金屬中的滑移面和滑移方向都是源自排列最緊密的面和方向？原因：位錯在不同的晶面和晶向上運(yùn)動，其位錯寬度是不同的，只有當(dāng)b最小，a最大時，位錯寬度最大，即派-納力最小。位錯只有沿著原子排列緊密的面及原子密排方向上運(yùn)動，派-納力才最小。第70頁,共95頁，2024年2月25日，星期天712.5.3滑移系1.定義滑移面和滑移方向的組合，稱為滑移系。

滑移面和滑移方向?yàn)榻饘倬w中原子面密度最大的晶面（密排面）和其上線密度最大的晶相（密排方向）。

原因：密排面與密排面之間的間距最大，結(jié)合力最弱，滑移容易進(jìn)行。密排方向，相鄰原子的間距較小，容易恢復(fù)晶體結(jié)構(gòu)。因此，滑移往往沿晶體的密排面和該面上的密排方向進(jìn)行。第71頁,共95頁，2024年2月25日，星期天722.5.3滑移系注意：晶體中的滑移系越多，越容易發(fā)生滑移，越容易發(fā)生塑性變形；金屬晶體——滑移系較多，滑移時可能選擇的空間取向越多，發(fā)生滑移的可能性越大，塑性越好。陶瓷晶體——滑移系少，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)陣常數(shù)大，滑移距離大，故其塑性?。◣缀螚l件）；鍵合為共價(jià)鍵/離子鍵（具有方向性/飽和性）（靜電條件）。第72頁,共95頁，2024年2月25日，星期天732.5.3滑移系金屬晶體的結(jié)構(gòu)對稱性好，陶瓷的結(jié)構(gòu)對稱性差，對稱性好的晶體容易滑移。實(shí)例：

體心立方金屬有6×2=12個滑移系；

面心立方金屬有4×3=12個滑移系（Al）；

密排六方金屬有1×3=3個滑移系；

MgO在低溫下有2個滑移系，高溫下有5個滑移系，是陶瓷中塑性變形較好的；

Al2O3陶瓷只有2個滑移系，故其滑移比較困難，難以發(fā)生塑性變形。第73頁,共95頁，2024年2月25日，星期天742.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力當(dāng)單晶受到拉伸，外力在某個滑移面的滑移方向上的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，這一滑移系才開始變形，當(dāng)有許多滑移系時，就看外力在哪個滑移系上的分切應(yīng)力最大，分切應(yīng)力最大的滑移系一般首先開始動作。當(dāng)晶體受外力時，不論外力的方向、大小與作用方式如何，在晶體內(nèi)部均可分解為垂直某一晶面的正應(yīng)力與沿此晶面的切應(yīng)力。第74頁,共95頁，2024年2月25日，星期天752.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力：為臨界分切應(yīng)力

：位向因子施密特定律：在單晶體某滑移系上的分切應(yīng)力第75頁,共95頁，2024年2月25日，星期天762.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力當(dāng)在滑移面的滑移方向上，分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值τc時，晶體就開始屈服，σ=σs。臨界分切應(yīng)力τc為一常數(shù)，對某種金屬是一定值，其數(shù)值取決于金屬的本性、純度、試驗(yàn)溫度與加載速度，而與加載方向、方式及數(shù)值無關(guān)。cosΦcosλ值大——軟取向，材料的屈服強(qiáng)度較低；第76頁,共95頁，2024年2月25日，星期天77cosΦcosλ值小——硬取向，材料的屈服強(qiáng)度較高。當(dāng)滑移面垂直于拉力軸或平行于拉力軸時，在滑移面上的分切應(yīng)力為零，因此，不能滑移。當(dāng)λ和Φ都等于或接近45°時，金屬的σs最低，在外力作用下最易產(chǎn)生塑性變形并可表現(xiàn)出最大的塑性。2.5.4滑移的臨界分切應(yīng)力第77頁,共95頁，2024年2月25日，星期天78（1）定義：

孿晶：以共格晶面（晶面）相連接，呈鏡面對稱的一對晶體的合稱。

孿生：在切應(yīng)力作用下晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面（孿生面）和晶向（孿生向）發(fā)生切變變形，以產(chǎn)生孿晶的變形過程。（2）與位錯滑移的異同點(diǎn)

相同點(diǎn)：ⅰ）都不改變晶體結(jié)構(gòu)；ⅱ）都是位錯運(yùn)動。孿生過程實(shí)際就是“部分位錯”的運(yùn)動，不同的柏氏矢量的位錯相繼掃過孿生面。

2.5.5孿生第78頁,共95頁，2024年2月25日，星期天79不同點(diǎn)：?。┗撇桓淖兙w結(jié)構(gòu)和取向；孿生不改變晶體結(jié)構(gòu)，改變了晶體取向。ⅱ）滑移切變量是b的整數(shù)倍；孿生切變量是b的一個分?jǐn)?shù)。ⅲ）孿生切應(yīng)力大；ⅳ）孿生的晶體學(xué)條件更嚴(yán)格。2.5.5孿生第79頁,共95頁，2024年2月25日，星期天80二者的關(guān)系：變形首先由滑移完成，到一定程度滑移困難時，產(chǎn)生孿生。由于取向改變后，切應(yīng)力又容易使位錯進(jìn)行，滑移開始。在整個塑性變形過程中，二者是相互協(xié)同完成的。

對于對稱性差的晶體，可能首先產(chǎn)生孿生，然后再進(jìn)行滑移，但以孿生為主。

孿生發(fā)生切變變形占變形總量的10%。2.5.5孿生第80頁,共95頁，2024年2月25日，星期天812.6金屬多晶體的塑性變形2.6.1多晶體與單晶體的區(qū)別

多晶體——是由許多形狀、大小、位向都不相同的晶粒所組成，晶粒之間以晶界相毗連。多晶體的特點(diǎn)：各個晶粒形狀、大小不同，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻；相鄰晶粒取向不同；晶界處原子排列不規(guī)則，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)與晶粒不同；晶界上聚集著其他物質(zhì)與雜質(zhì)。單晶體的塑性變形——位錯理論解釋。第81頁,共95頁，2024年2月25日，星期天822.6金屬多晶體的塑性變形2.6.2多晶體塑性變形的過程多晶體的滑移示意圖位錯塞積；變形的傳遞；變形的協(xié)調(diào)和制約。第82頁,共95頁，2024年2月25日，星期天83玻璃發(fā)生塑性形變的過程：正是因?yàn)榉情L程有序，許多原子并不在勢能曲線低谷；有一些原子鍵比較弱，只需較小的應(yīng)力就能使這些原子間的鍵斷裂；原子躍遷附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服應(yīng)力就能變形-----粘性流動。例如：玻璃是無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可能有滑移系統(tǒng)，呈脆性，但在高溫時又能變形，為什么？2.6金屬多晶體的塑性變形2.6.2多晶體塑性變形的過程第83頁,共95頁，2024年2月25日，星期天842.6金屬多晶體的塑性變形2.6.3多晶體塑性變形的特點(diǎn)（1）多晶體塑性變形的協(xié)調(diào)性臨近晶粒的制約和協(xié)調(diào)；相鄰晶粒需與變形晶粒相協(xié)調(diào)的滑移系進(jìn)行滑移、變形。第84頁,共95頁，2024年2月25日，星期天852.6.3多晶體塑性變形的特點(diǎn)（2）多晶體變形的不均勻性晶粒的不同區(qū)域——同一晶粒的各向異性（微觀）；各晶粒之間——不同晶粒的組成、形貌不同（微觀）；不同區(qū)域——同一樣品的不同區(qū)域（宏觀）。第85頁,共95頁，2024年2月25日，星期天862.7陶瓷的塑性變形陶瓷的脆性離子鍵/共價(jià)鍵的方向性和飽和性——滑移系少；多元化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜——原子遷移過程中克服較大的勢壘，位錯可動性差。陶瓷材料——產(chǎn)生塑性變形的主要原因是位錯在滑移面上的滑移造成的。晶體中滑移總是發(fā)生在主要的晶面和主要的晶向上。這些晶面和晶向指數(shù)小，原子密度大，即柏氏矢量b較小，只要滑動較小的距離就能使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原。第86頁,共95頁，2024年2月25日，星期天87陶瓷材料塑性變形能力較差的原因：陶瓷材料的鍵合多為離子鍵或共價(jià)鍵，化學(xué)鍵具有明顯的方向性和飽和性，只有個別滑移系統(tǒng)滿足滑移的晶體學(xué)條件（幾何條件與靜電條件），所以滑移系少，塑性變形能力差；由塑性變形的位錯運(yùn)動理論可知，由于滑移反映出來的宏觀上的塑性變形是位錯運(yùn)動的結(jié)果，而陶瓷材料要發(fā)生塑性變形，其位錯寬度較窄，位錯運(yùn)動須克服的勢壘較高，塑性變形較難；2.7陶瓷的塑性變形第87頁,共95頁，2024年2月25日，星期天88陶瓷材料多為二元以上的多元化合物，結(jié)構(gòu)比較