材料科学基础－第五章-金属及合金的塑性变形.ppt

1、主要内容：主要内容：l金属的变形特性l单晶体的塑性变形l多晶体的塑性变形l合金的塑性变形l塑性变形对金属组织和性能的影响第五章 金属及合金的塑性变形与断裂各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发生塑性变形，即金属的外形发生了改变。生塑性变形，即金属的外形发生了改变。轧制轧制（Rolling） 挤压挤压（Extruding） 拉拔拉拔（Drawing） 锻压锻压（Forging） 冲压冲压（Pressing） 各种压力加工方法示意图各种压力加工方法示意图 一般来说，金属在常温下发生的塑性变形是一般来说，金属在常温下发

2、生的塑性变形是冷塑性变形冷塑性变形。金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观金属发生冷塑性变形后，其内部组织、结构和性能均将发生变化，宏观性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐腐蚀性降低。性能表现为强度和硬度、电阻率升高，塑性和韧性、耐腐蚀性降低。第一节金属的变形特性第一节金属的变形特性一、工程应力应变一、工程应力应变(Engineering Stress-Engineering Strain)曲线曲线第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.1 5.1 金属的变形特性金属的变形特性AABCDK p e s b K低碳钢的工程应力低碳钢的工程应力应变曲线应变曲线 低

3、碳钢的变形特点：低碳钢的变形特点：F应力不超过应力不超过 e ，为弹性变形阶为弹性变形阶段，应力去除，变形消失。段，应力去除，变形消失。 p比例极限，比例极限， E e弹性极限弹性极限F应力超过应力超过 s，应力去除，变形不，应力去除，变形不能完全消失，即发生均匀的塑能完全消失，即发生均匀的塑性变形，并出现加工硬化。性变形，并出现加工硬化。 s屈服强度或屈服极限屈服强度或屈服极限F应力超过应力超过 b，发生不均匀的塑性，发生不均匀的塑性变形，出现颈缩，直至断裂。变形，出现颈缩，直至断裂。 b抗拉强度抗拉强度 K条件断裂强度条件断裂强度二、真应力应变二、真应力应变（True Stress-Tru

4、e Strain）曲线曲线 K真应力真应力应变曲线应变曲线 e弹性范围弹性范围均匀塑性变形范围均匀塑性变形范围颈缩开始颈缩开始不均匀塑性变形范围不均匀塑性变形范围断裂断裂真应力真应力真真应变应变断裂应力断裂应力真实应力：真实应力：AFtLLdd真应力应变曲线上不出现真应力应变曲线上不出现在载荷达到最大值后的下降，在载荷达到最大值后的下降，而是随变形的进行，载荷不断而是随变形的进行，载荷不断增加直至断裂，即一直发生加增加直至断裂，即一直发生加工硬化。工硬化。真实应变：真实应变：总应变：总应变：第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.1 5.1 金属的变形特性金属的变形特性)1ln(lndd0t0

5、LLLLLL三、金属的弹性变形三、金属的弹性变形 金属发生弹性变形的实质：金属发生弹性变形的实质：金属晶格在外力作用下产生的弹性畸变。金属晶格在外力作用下产生的弹性畸变。 弹性变形阶段的应力弹性变形阶段的应力-应变关系：应变关系：服从胡克定律服从胡克定律（Hookes Law）：在正应力下：在正应力下： E 在切应力下：在切应力下： G E和和G分别称为弹性模量和切变模量。分别称为弹性模量和切变模量。 E E和和G G是一个对组织不敏感的性能指标，取决是一个对组织不敏感的性能指标，取决于原子间的结合力大小，几乎不受合金化、加工于原子间的结合力大小，几乎不受合金化、加工过程及热处理的影响。过程及

6、热处理的影响。d0dcAB结合力排斥力吸引力原子间距d排斥力FF吸引力双原子作用模型双原子作用模型第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.1 5.1 金属的变形特性金属的变形特性未变形未变形滑移滑移 孪生孪生 第二节单晶体的塑性变形第二节单晶体的塑性变形变形方式：变形方式：滑移滑移（Slip） ：在切应力的作用下，晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和的一部分沿一定的晶面和晶向，相对于另一部分发晶向，相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。生相对滑动位移的现象。孪生孪生（Twinning） ：在切应力作用下，晶体的在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶一部分沿一定的晶面和晶向，相对

7、于另一部分发生向，相对于另一部分发生对称切变的现象。对称切变的现象。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形一、滑移一、滑移. .滑移的特点滑移的特点滑移的结果会在金属表面造成台阶，即形成滑移带。滑移的结果会在金属表面造成台阶，即形成滑移带。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移带滑移带滑移线滑移线100原子间距原子间距铜中的滑移带铜中的滑移带（Slip Band）滑移带和滑移线滑移带和滑移线（Slip Line）10000原子间距原子间距滑移面滑移面（Slip Plane）滑移方向滑移方向（Sip Di

8、rection）滑移系滑移系（Sip Systems）滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生滑移沿原子密度最大的晶面和原子密度最大的晶向发生体心立方结构体心立方结构(bcc)面心立方结构面心立方结构(fcc)密排六方结构密排六方结构(hcp)11011100010211三种典型金属结构的滑移系构成三种典型金属结构的滑移系构成第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形为何滑移面和滑移方向是晶体的密排面和密排方向？为何滑移面和滑移方向是晶体的密排面和密排方向？d1d2d3晶体晶面间距示意图晶体晶面间距示意图第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2

9、5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形晶面上的原子密度越大，晶面间距越大，面与面之间的原子结合力越晶面上的原子密度越大，晶面间距越大，面与面之间的原子结合力越弱，滑移时的阻力越小。晶向上的原子密度越大，滑移的阻力越小。弱，滑移时的阻力越小。晶向上的原子密度越大，滑移的阻力越小。 滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。滑移系越多，则金属发生滑移的可能性越大，该金属的塑性也越好。 如果滑移系数目相同，则滑移方向越多，塑性越好。如果滑移系数目相同，则滑移方向越多，塑性越好。滑移系：滑移系：1212（62）有有6 6个个110110面，每个面，每个110110面上有面上有2 2

10、个个方向。方向。 - -Fe,Cr,W,Mo,V,NbFe,Cr,W,Mo,V,Nb。滑移系：滑移系：1212（43）有有4 4个个111111面，每个面，每个111111面上有面上有3 3个个方向。方向。 - -Fe,Cu,Al,Ni,Au,AgFe,Cu,Al,Ni,Au,Ag。滑移系：滑移系：3 3（31）有有1 1个底面，每个底面上个底面，每个底面上有有3 3个滑移方向。个滑移方向。Mg,Zn,Cd,BeMg,Zn,Cd,Be, , - -TiTi。体心立方结构体心立方结构(bcc)面心立方结构面心立方结构(fcc)密排六方结构密排六方结构(hcp)11011100010211第五章

11、金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移只能在切应力的作用下发生滑移只能在切应力的作用下发生滑移系开动，即产生滑移所需的最小分切应力称为滑移系开动，即产生滑移所需的最小分切应力称为临界分切应力临界分切应力。重要现象：重要现象：当外力与滑移所发生当外力与滑移所发生的滑移面之间呈的滑移面之间呈4545 时，时， 使单晶体滑移所需的分使单晶体滑移所需的分切应力最小，即当单晶切应力最小，即当单晶体在外力作用下，首先体在外力作用下，首先开始滑移所在的滑移面开始滑移所在的滑移面与该外力呈与该外力呈4545 角。角。锌单晶体拉伸试验示意图锌单晶体拉伸试验示意图锌单晶的拉

12、伸锌单晶的拉伸变形照片变形照片 FFFFF第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形临界分切应力临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress）：）：F作用在滑移面上的分切应力：作用在滑移面上的分切应力：A是晶体的横截面积，是晶体的横截面积，或或计算分切应力的分析图计算分切应力的分析图AFAFcoscoscos/cos scoscosK coscosKs cos cos称取向因子称取向因子(Orientation Fact)， A/cos是滑移面的面积。是滑移面的面积。 当当F增加增加，使使s = F/A，晶体发生塑性变，晶体

13、发生塑性变形，即开始滑移，则临界分切应力：形，即开始滑移，则临界分切应力：该公式称为施密特该公式称为施密特（Schmid）定律，定律，或施密特或施密特（Schmid）因子。因子。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形F当条件一定时，各金属单晶体的当条件一定时，各金属单晶体的K为一定值。为一定值。coscosKs F取向因子取向因子cos cos 越大，越大，s 越小，滑移越容易进行。越小，滑移越容易进行。 F当当 45 时，时，cos cos 有最大值有最大值0.5，此时，此时s 具有最小值，滑移最具有最小值，滑移最 F当当 90 时，时，cos c

14、os 为为0，s 为为，滑移不能进行，这种取向，滑移不能进行，这种取向 容易进行，这种取向称为容易进行，这种取向称为软取向软取向。称为称为硬取向硬取向。F当取向因子介于当取向因子介于00.5之间时，之间时，s 较大，晶体开始滑移，即产生塑性变较大，晶体开始滑移，即产生塑性变形需要较大的拉应力。形需要较大的拉应力。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形例例1 1在面心立方晶胞在面心立方晶胞001上施加一上施加一69MPa的的应力，试求滑应力，试求滑移系移系(111) 上的分切应力。上的分切应力。解：首先确定该滑移系对拉力轴的相对取向。解：首先确定该滑移

15、系对拉力轴的相对取向。011滑移方向与拉力轴滑移方向与拉力轴的夹角的夹角 4545 ；滑移面法线与拉力滑移面法线与拉力轴的夹角轴的夹角 54.7654.76 。 由施密特定律，由施密特定律，cos=a0 / a03coscos 45cos76.54cos69MPa1 .28213169第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动单晶体拉伸变形过程单晶体拉伸变形过程a)原试样；原试样；b)自由滑移变形；自由滑移变形；c)受夹头限制时的变形受夹头限制时的变形滑移时晶体转动滑移时晶体转动的规律：的规律：试样中部

16、的滑移面试样中部的滑移面朝着与拉伸轴平行的朝着与拉伸轴平行的方向发生转动，使方向发生转动，使 增大。增大。在两端夹头处，滑在两端夹头处，滑移不能进行，晶面必移不能进行，晶面必然发生某种弯曲以适然发生某种弯曲以适应中间部分的晶体位应中间部分的晶体位向变化。向变化。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形O1O2O1 O2 2 1 n2 2 1 n1ABC b b 1 2 2 O2 O1 1 滑移方向滑移方向最大切应力方向最大切应力方向拉伸时金属晶体发生转动的机制拉伸时金属晶体发生转动的机制 n1与与 n2组成的力偶使滑移组成的力偶使滑移面转向与外力平行的

17、方向。面转向与外力平行的方向。 b b与与 b b 组成的力偶使滑移方组成的力偶使滑移方向转向最大切应力方向。向转向最大切应力方向。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形晶体压缩时的晶面转动晶体压缩时的晶面转动压缩前压缩前压缩后压缩后晶体受压时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直。晶体受压时，晶面转动的结果是使滑移面逐渐趋于与压力轴线相垂直。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形滑移时晶体的转动对晶体滑移的影响：滑移时晶体的转动对晶体滑移的影响：F晶体在滑移过程中，滑移面在转动，滑移方向在旋转

18、。晶体在滑移过程中，滑移面在转动，滑移方向在旋转。F晶体的位向不断改变，取向因子随之改变。晶体的位向不断改变，取向因子随之改变。F处于软取向的滑移系，在滑移过程中会因晶体位向的改变而偏离处于软取向的滑移系，在滑移过程中会因晶体位向的改变而偏离4545 角，角，该滑移系的滑移将越来越困难，这种现象称为该滑移系的滑移将越来越困难，这种现象称为几何硬化几何硬化。F处于硬取向的滑移系，在滑移过程中会因晶体位向的改变而接近处于硬取向的滑移系，在滑移过程中会因晶体位向的改变而接近4545 角，角，该滑移系的滑移将越来越容易进行，这种现象称为该滑移系的滑移将越来越容易进行，这种现象称为几何软化几何软化。F对

19、于滑移系较多的立方晶系单晶体，滑移可以在一个以上的滑移系上同时对于滑移系较多的立方晶系单晶体，滑移可以在一个以上的滑移系上同时进行，即产生多系滑移。进行，即产生多系滑移。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形多系滑移多系滑移（Poly slip）：晶体的滑移在两个或更多的滑移系上同时进行或交替进行，称为晶体的滑移在两个或更多的滑移系上同时进行或交替进行，称为多系滑多系滑移移，简称，简称多滑移多滑移。相应的，仅发生在一个滑移系上的滑移称为。相应的，仅发生在一个滑移系上的滑移称为单系滑移单系滑移，简称简称单滑移单滑移。铝晶体中的多滑移，滑移带呈交叉形铝晶

20、体中的多滑移，滑移带呈交叉形第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形2.2.滑移的位错机制滑移的位错机制历史回顾：历史回顾：19261926年，物理学家弗兰克尔年，物理学家弗兰克尔（FrankFrank）将滑移设想为晶体中相邻上、将滑移设想为晶体中相邻上、下两列原子的刚性位移，并据此估算出晶体的理论剪切强度。下两列原子的刚性位移，并据此估算出晶体的理论剪切强度。FrankFrank计算出的晶体的理论剪切强度：计算出的晶体的理论剪切强度：比较：比较：CuCu的理论剪切强度的理论剪切强度 m m1500MPa1500MPaCuCu的实际剪切强度的实际剪切强

21、度 m m0.98MPa0.98MPa 两者相差两者相差15001500多倍。多倍。结论：结论： FrankFrank的滑移理论不正确，即滑移不是晶体原子作整体刚性滑动。的滑移理论不正确，即滑移不是晶体原子作整体刚性滑动。 2Gm 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形19341934年，物理学家泰勒年，物理学家泰勒（G.I.TaylorG.I.Taylor）、波依、波依（M.PolanyiM.Polanyi）和奥罗和奥罗万万（E.OrowanE.Orowan）几乎同时提出了晶体中位错的概念，几乎同时提出了晶体中位错的概念，TaylorTaylor还

22、将位错与滑还将位错与滑移变形联系了起来，最终圆满解释了晶体滑移的机理。移变形联系了起来，最终圆满解释了晶体滑移的机理。滑移的机理滑移的机理 滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。滑移是通过位错在滑移面上的运动实现的。晶体通过位错运动而发生滑移晶体通过位错运动而发生滑移第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错运动导致滑移的特点：位错运动导致滑移的特点：当晶体通过位错运动产生滑移时，只需在当晶体通过位错运动产生滑移时，只需在位错中心的少数原子发生移动，而且它们移位错中心的少数原子发生移动，而且它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临动的距离远小于一

23、个原子间距，因而所需临界分切应力小。界分切应力小。当位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产生一个位移量（一个原子间距）为柏氏矢量b b 的滑移，同一滑移面上若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。显然，位错越容易滑动，则晶体越容易发生塑性变形。显然，位错越容易滑动，则晶体越容易发生塑性变形。 位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。位错运动越困难，则金属的强度越高；反之则强度越低，塑性越好。位错运动时的原子位移位错运动时的原子位移 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错运动的点阵阻力位错运动的点阵阻力当柏氏矢量为当柏氏矢

24、量为b b 的位错从一个对称位置移到另一个对称位置时，晶体能量的位错从一个对称位置移到另一个对称位置时，晶体能量将增高，造成位错滑动的点阵阻力，位错要运动就需要一个力来克服这个阻将增高，造成位错滑动的点阵阻力，位错要运动就需要一个力来克服这个阻力，越过势垒。这个力称为派纳力。力，越过势垒。这个力称为派纳力。位错从一个对称位置移到另一个对称位置位错从一个对称位置移到另一个对称位置派派- -纳纳( (Peierls-NabarroPeierls-Nabarro) )力力: :Wa/1- ，位错宽度；，位错宽度；a滑移面的晶面间距；滑移面的晶面间距；b滑移方向上的原子间距；滑移方向上的原子间距； 泊

25、松比。泊松比。bWbapGG/2)1/(2e12e12第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形F位错宽度位错宽度Wa/1- 越大，派纳力越大，派纳力 p 越小。越小。位错宽度位错宽度表示了位错引起的点阵严重畸变区的范围，宽度大则位错周围的表示了位错引起的点阵严重畸变区的范围，宽度大则位错周围的原子就能比较接近于平衡位置，点阵的弹性畸变能低，位错移动时其他原子原子就能比较接近于平衡位置，点阵的弹性畸变能低，位错移动时其他原子所作相应移动的距离较小，产生的阻力亦较小。所作相应移动的距离较小，产生的阻力亦较小。Fa 越大，派纳力越大，派纳力 p 越小。越小。

26、a越大，即滑移面的晶面间距越大，滑移面的原子密度越大。越大，即滑移面的晶面间距越大，滑移面的原子密度越大。Fb 越小，派纳力越小，派纳力 p 越小。越小。b越小，即滑移方向上的原子间距越小，滑移方向上的原子密度越大。越小，即滑移方向上的原子间距越小，滑移方向上的原子密度越大。晶体的滑移通常发生在晶体的密排面和密排方向上。晶体的滑移通常发生在晶体的密排面和密排方向上。bWbapGG/2)1/(2e12e12第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形螺型位错的交滑移螺型位错的交滑移（Cross Slip）当螺型位错在某一滑移面上移动受到阻碍时，它可离开原滑移

27、面而沿另一当螺型位错在某一滑移面上移动受到阻碍时，它可离开原滑移面而沿另一个与原滑移面有着共同滑移方向的晶面继续移动，这一过程称为交滑移。个与原滑移面有着共同滑移方向的晶面继续移动，这一过程称为交滑移。螺位错的交滑移螺位错的交滑移与交滑移相关的一些规律：与交滑移相关的一些规律：F晶体交滑移后，在抛光的表面上出现的滑移带晶体交滑移后，在抛光的表面上出现的滑移带常常呈波纹状。常常呈波纹状。F交滑移必须是纯螺位错。交滑移必须是纯螺位错。F螺位错在点阵中的移动性胜过刃位错。螺位错在点阵中的移动性胜过刃位错。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形铝晶体中的交滑

28、移铝晶体中的交滑移位错的增殖位错的增殖（Multiplication of Dislocations） 弗兰克瑞德源弗兰克瑞德源（Frank-Read Generator）增殖机制：增殖机制： 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形B弗兰克瑞德源的位错增殖过程弗兰克瑞德源的位错增殖过程位错位错DD 两端被固定两端被固定在在D、D 两结点处两结点处位错位错DD 滑移，从直线滑移，从直线变为曲线变为曲线位错位错DD 围绕围绕D、D 卷曲，卷曲，形成位错蜷线形成位错蜷线位错蜷线相互靠近，两个位错蜷线相互靠近，两个异号螺位错相遇抵消异号螺位错相遇抵消位错蜷线

29、分成位错环和新位错蜷线分成位错环和新的位错的位错DD 两个部分两个部分位错环向外扩张，新的位错位错环向外扩张，新的位错DD 开始弯曲，重复上述过程开始弯曲，重复上述过程第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形硅单晶中的弗兰克瑞德源位错硅单晶中的弗兰克瑞德源位错弗兰克瑞德源的位错线和作用力方向弗兰克瑞德源的位错线和作用力方向II、VI、IV处为纯刃型位错处为纯刃型位错I、VII、III、V处为纯螺型位错处为纯螺型位错I、VII处的两个螺位错为异号位错处的两个螺位错为异号位错晶体中的三维位错网晶体中的三维位错网络络 双交滑移双交滑移（Double Cros

30、s Slip）增殖机制：增殖机制： 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形螺型位错通过双交滑移增殖螺型位错通过双交滑移增殖螺位错在滑移面螺位错在滑移面（111）上滑移）上滑移螺位错在（螺位错在（111）上滑移受阻，）上滑移受阻，借助交滑移在借助交滑移在 上滑移，同上滑移，同时产生两段不能滑动的刃型位错时产生两段不能滑动的刃型位错1)1(1螺位错通过交滑移回到（螺位错通过交滑移回到（111）上滑移，因为被固定在上滑移，因为被固定在D、C两两结点处，开始增殖位错结点处，开始增殖位错任意两个位错的交割任意两个位错的交割位错的交割位错的交割（Intersec

31、ting of Dislocations）晶体发生多滑移时，在不同滑移面上运动的位错必然会相遇，发生相互的晶体发生多滑移时，在不同滑移面上运动的位错必然会相遇，发生相互的交割。当柏氏矢量分别为交割。当柏氏矢量分别为b1和和b2的两个位错相互交割时，将会各自生成一个的两个位错相互交割时，将会各自生成一个大小和位向等于对方柏氏矢量的短位错，即大小和位向等于对方柏氏矢量的短位错，即“割阶割阶（Jog）”。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错位错AB中生成一段大小和中生成一段大小和位向均同于位向均同于b2的割阶。的割阶。位错位错CD中生成一段大小和中生

32、成一段大小和位向均同于位向均同于b1的割阶。的割阶。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形两个柏氏矢量相垂直的刃型位错交割后所产生的割阶为刃型位错。两个柏氏矢量相垂直的刃型位错交割后所产生的割阶为刃型位错。l刃型位错相互交割刃型位错相互交割两个柏氏矢量相垂直的刃型位错的交割两个柏氏矢量相垂直的刃型位错的交割1u两个柏氏矢量相垂直的刃型位错的交割两个柏氏矢量相垂直的刃型位错的交割两个刃型位错交割后所产生的割阶不影响位错的滑移。两个刃型位错交割后所产生的割阶不影响位错的滑移。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变

33、形两个柏氏矢量相平行的刃型位错交割后所产生的割阶为螺型位错，且位于两个柏氏矢量相平行的刃型位错交割后所产生的割阶为螺型位错，且位于原滑移面上。通常把处于原滑移面上的割阶称为原滑移面上。通常把处于原滑移面上的割阶称为“扭折扭折（Kinking）”，以，以区别于不处于原滑移面上的割阶。区别于不处于原滑移面上的割阶。u两个柏氏矢量相平行的刃型位错的交割两个柏氏矢量相平行的刃型位错的交割两个柏氏矢量相平行的刃型位错的交割两个柏氏矢量相平行的刃型位错的交割l刃型位错与螺型位错交割刃型位错与螺型位错交割第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形一个刃型位错与一个螺型

34、位错交割后所产生的割阶均属刃型。一个刃型位错与一个螺型位错交割后所产生的割阶均属刃型。在刃型位错上产生的割阶不影响该位错的滑移，但在螺型位错上产生的割在刃型位错上产生的割阶不影响该位错的滑移，但在螺型位错上产生的割阶由于不能在其滑移面上滑移，因此将使该螺位错滑移受到阻碍。阶由于不能在其滑移面上滑移，因此将使该螺位错滑移受到阻碍。当该螺位错带着这个割阶一起运动时，割阶只能借助刃型位错的另一种运当该螺位错带着这个割阶一起运动时，割阶只能借助刃型位错的另一种运动方式，即动方式，即“攀移攀移（Climbing）”而被拖曳过去，并在其后面留下一串空位。而被拖曳过去，并在其后面留下一串空位。刃型位错与螺型

35、位错的交割刃型位错与螺型位错的交割第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形刃型位错的攀移刃型位错的攀移未攀移时的位错未攀移时的位错正攀移正攀移负攀移负攀移刃型位错的攀移：刃型位错的攀移：l螺型位错相互交割螺型位错相互交割两个螺型位错交割后所产生的割阶均属刃型，对位错的滑移将产生阻碍。两个螺型位错交割后所产生的割阶均属刃型，对位错的滑移将产生阻碍。位错的塞积位错的塞积（Pile-up of Dislocations）第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形GbLkn0当位错的滑移被障碍物（如固定位错、杂质粒子、晶

36、界等）阻住时，就当位错的滑移被障碍物（如固定位错、杂质粒子、晶界等）阻住时，就会沿着滑移面在障碍前面塞积起来，并在塞积群的前端造成应力集中。会沿着滑移面在障碍前面塞积起来，并在塞积群的前端造成应力集中。式中：式中：n位错数目；位错数目； 0作用于滑移面上的分切应力；作用于滑移面上的分切应力；k系数，螺位错系数，螺位错k1， 刃位错刃位错k1 ， 为柏松比为柏松比；L障碍物至位错源之间的距离；障碍物至位错源之间的距离；G切变模量；切变模量；b柏氏矢量。柏氏矢量。位错的平面塞积位错的平面塞积高温合金中的位错塞积高温合金中的位错塞积位错塞积群的位错数与障碍物位错塞积群的位错数与障碍物至位错源之间的距

37、离成正比：至位错源之间的距离成正比：第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形位错塞积群作用于障碍物的应力位错塞积群作用于障碍物的应力 是滑移面上分切应力是滑移面上分切应力 0的的n倍：倍： n 0该应力将在障碍物附近距离为该应力将在障碍物附近距离为r 的的P 点产生很高的应力集中：点产生很高的应力集中：作用于作用于OP 面上的切应力：面上的切应力：021max32rL 如果塞积的位错不能通过交滑移或攀移越过障碍而使应力松驰下来，就如果塞积的位错不能通过交滑移或攀移越过障碍而使应力松驰下来，就会导致晶体发生破裂，或迫使障碍物的另一边发生塑性变形。会导致晶

38、体发生破裂，或迫使障碍物的另一边发生塑性变形。位错的平面塞积位错的平面塞积021rL垂直于垂直于OP 面上的最大张应力：面上的最大张应力：二、孪生二、孪生孪生通常在滑移不能进行时发生。滑移系较少的密排六方结构金属，如孪生通常在滑移不能进行时发生。滑移系较少的密排六方结构金属，如锌、镁、镉等常以孪生方式变形。锌、镁、镉等常以孪生方式变形。. .孪生的特点孪生的特点孪生使晶体的一部分发生均匀的切变孪生使晶体的一部分发生均匀的切变第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形锌中的变形孪晶锌中的变形孪晶切变区内，与孪生面平行的每层原子的切变区内，与孪生面平行的每层

39、原子的切变量与它距孪生面的距离成正比，且不切变量与它距孪生面的距离成正比，且不是原子间距的整数倍。是原子间距的整数倍。孪生使晶体的变形与未变形部分孪生使晶体的变形与未变形部分 构成镜面对称的位向关系构成镜面对称的位向关系孪生不改变晶体的点阵类型，但使晶体孪生不改变晶体的点阵类型，但使晶体的位向发生变化。的位向发生变化。成镜面对称的两部分晶体称为成镜面对称的两部分晶体称为孪晶孪晶。孪生面和孪生方向因晶体结构而异孪生面和孪生方向因晶体结构而异第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形密排六方结构：孪生面密排六方结构：孪生面，孪生方向，孪生方向21100111

40、体心立方结构：孪生面体心立方结构：孪生面112，孪生方向，孪生方向面心立方结构：孪生面面心立方结构：孪生面 111，孪生方向，孪生方向FCC晶体的孪生变形过程晶体的孪生变形过程孪生面和孪生方向孪生面和孪生方向孪生变形时的晶面移动情况孪生变形时的晶面移动情况孪生面孪生面孪生面孪生面孪生对塑性变形的贡献比滑移小，但能促进滑移的进行孪生对塑性变形的贡献比滑移小，但能促进滑移的进行第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形孪生使晶体位向发生改变，可使原来处于不利取向的滑移系转到有利孪生使晶体位向发生改变，可使原来处于不利取向的滑移系转到有利取向上，使该滑移系开动

41、，提高晶体的塑性变形能力。取向上，使该滑移系开动，提高晶体的塑性变形能力。孪生变形的速度极快孪生变形的速度极快孪生变形常引起冲击波，发出声响。孪生变形常引起冲击波，发出声响。孪生是在位于孪晶面上的分切应力大于临界值时发生的孪生是在位于孪晶面上的分切应力大于临界值时发生的孪生所需的临界分切应力远大于滑移的临界分切应力。孪生所需的临界分切应力远大于滑移的临界分切应力。密排六方晶体常以孪生方式进行塑性变形；密排六方晶体常以孪生方式进行塑性变形；体心立方晶体在低温下可通过孪生方式变形，在室温下只有承受冲击载体心立方晶体在低温下可通过孪生方式变形，在室温下只有承受冲击载荷时才发生孪生变形；荷时才发生孪生

42、变形；面心立方晶体很少发生孪生变形。面心立方晶体很少发生孪生变形。2.2.孪生与滑移的主要区别孪生与滑移的主要区别F孪生变形后晶体的位向发生改变，滑移不引起晶体位向的变化；孪生变形后晶体的位向发生改变，滑移不引起晶体位向的变化；F孪生变形位移量小于孪生方向上的原子间距，滑移变形位移量为原子间孪生变形位移量小于孪生方向上的原子间距，滑移变形位移量为原子间距的整数倍；距的整数倍；F孪生所需临界分切应力远高于滑移的临界分切应力。孪生所需临界分切应力远高于滑移的临界分切应力。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.2 5.2 单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形纯锌中的变形孪晶纯锌中的变形孪晶纯铁中的变形孪

43、晶纯铁中的变形孪晶第三节多晶体的塑性变形第三节多晶体的塑性变形多晶体发生塑性变形的方式仍然是滑移和孪生。多晶体发生塑性变形的方式仍然是滑移和孪生。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形单晶与多晶的应力一应变曲线单晶与多晶的应力一应变曲线锌锌铜铜多晶体中的晶界和晶粒位向对其塑性变形有很大的影响。多晶体中的晶界和晶粒位向对其塑性变形有很大的影响。一、晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响一、晶界和晶粒位向对多晶体塑性变形的影响位错在晶界处塞积位错在晶界处塞积晶界晶界位位错错塞塞积积群群第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体

44、的塑性变形1.1.晶界的影响晶界的影响 晶界对位错运动起阻碍作用，它晶界对位错运动起阻碍作用，它使多晶体的塑性变形变得困难。使多晶体的塑性变形变得困难。晶界是相邻晶粒的过渡区，原子排列不规则，当某一晶粒中的位错在滑移面上滑动到晶界处时，就会受到晶界的阻碍，不能越过晶界，因此晶体的滑移就不能发展到另一个晶粒，于是位错就在晶界处堆积起来，形成位错的平面塞积群。2.2.晶粒位向的影响晶粒位向的影响 多晶体中各晶粒的位向不同将形成晶粒之多晶体中各晶粒的位向不同将形成晶粒之间在发生塑性变形时的相互约束与协调配合，间在发生塑性变形时的相互约束与协调配合，使多晶体的塑性变形变得困难。使多晶体的塑性变形变得困

45、难。 各晶粒位向不同，各滑移系的取向也不同，因此各晶粒不是同时发生塑性变形。只有那些位向接近软取向的晶粒先开始发生塑性变形。为了保持晶粒之间的结合和晶体的连续性，周围其他位向不利的晶粒必然以弹性变形来与之协调配合，这样就形成了多晶体在发生塑性变形时晶粒之间的相互约束。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形位错在晶界处塞积位错在晶界处塞积 多晶体中的晶界和晶粒间存在的位向差使多晶体的塑性变形变得困难，提多晶体中的晶界和晶粒间存在的位向差使多晶体的塑性变形变得困难，提高了多晶体的高了多晶体的塑性塑性变形抗力，将导致多晶体金属的强度和硬度升高。变形抗力，将

46、导致多晶体金属的强度和硬度升高。3.3.多晶体的塑性变形过程多晶体的塑性变形过程多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于角等于或接近于 4545 的晶粒，即在分切应力达到临的晶粒，即在分切应力达到临界分切应力后，位错源开动，开始塑性变形，于是界分切应力后，位错源开动，开始塑性变形，于是大量位错便开始在这些滑移系上滑动，并在晶界处大量位错便开始在这些滑移系上滑动，并在晶界处受阻塞积起来。当塞积位错前端的应力集中达到一受阻塞积起来。当塞积位错前端的应力集中达到一定程度后，加上相邻晶粒的转动，使相邻的原来处定程度后，加上相邻晶粒的转动，使相邻

47、的原来处于不利位向的晶粒中的位错源开动，滑移便在这些于不利位向的晶粒中的位错源开动，滑移便在这些晶粒中发生，于是在各晶粒中发生多系滑移，从而晶粒中发生，于是在各晶粒中发生多系滑移，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，即有越来越使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，即有越来越多的晶粒参与滑移。当大量晶粒发生滑移后，多晶多的晶粒参与滑移。当大量晶粒发生滑移后，多晶体便显示出明显的宏观塑性变形。体便显示出明显的宏观塑性变形。多晶体拉伸多晶体拉伸变形示意图变形示意图第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形4.4.多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点各晶粒变形

48、的不同时性各晶粒变形的不同时性各晶粒的变形有先有后，不是同时进行。各晶粒的变形有先有后，不是同时进行。各晶粒变形的相互约束与协调性各晶粒变形的相互约束与协调性每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，单个晶粒的变形不可能孤立和任每个晶粒都处于其他晶粒的包围之中，单个晶粒的变形不可能孤立和任意地进行，以保持多晶体的连续性。意地进行，以保持多晶体的连续性。双晶粒试样拉伸时双晶粒试样拉伸时变形示意图变形示意图 第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形面心立方和体心立方金属滑移系多，各晶面心立方和体心立方金属滑移系多，各晶粒的变形协调配合好，具有良好的塑性。粒的变形协

49、调配合好，具有良好的塑性。密排六方金属滑移系少，晶粒的变形协调密排六方金属滑移系少，晶粒的变形协调困难，塑性差。困难，塑性差。变形的不均匀性变形的不均匀性 一是各个晶粒变形程度不同；二是晶内的一是各个晶粒变形程度不同；二是晶内的变形程度比晶界及附近的变形程度大。变形程度比晶界及附近的变形程度大。二、晶粒大小对多晶体塑性变形的影响二、晶粒大小对多晶体塑性变形的影响 1.1.对硬度和强度的影响对硬度和强度的影响晶粒越细小，硬度和强度越高。晶粒越细小，硬度和强度越高。原理：原理：晶粒越细小，晶界总面积越大，位错障碍越多，同时需要协调的晶粒越细小，晶界总面积越大，位错障碍越多，同时需要协调的具有不同位

50、向的晶粒越多，因此金属的强度和硬度越高。具有不同位向的晶粒越多，因此金属的强度和硬度越高。第五章 金属及合金的塑性变形与断裂5.3 5.3 多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形210sKd常温下，多晶体常温下，多晶体的强度的强度 s 与与(亚亚)晶晶粒直径粒直径d 的的霍尔霍尔配奇公式配奇公式：屈服强度与晶粒（亚晶粒）尺寸的关系屈服强度与晶粒（亚晶粒）尺寸的关系低碳钢低碳钢铜和铝铜和铝式中，式中， 0 0 和和K 是与是与材料有关的常数。材料有关的常数。 2. 2.对塑性和韧性的影响对塑性和韧性的影响晶粒越细小，塑性和韧性越高。晶粒越细小，塑性和韧性越高。原理：原理：晶粒越细小，单位体积内晶粒数目