第三章 材料的变形

§3.4.3 残余应力
随着形变量的增加，晶体 的强度增加、塑性下降的 规律（加工硬化）。 其物理性能和化学性能也 会发生一定的变化。如电 阻率增加，电阻温度系数 降低，热导率下降，抗腐 蚀性减弱。
思考题
要求将铜丝的屈服强度由10000psi 提高至 15000psi 。试 比较用冷加工强化和加锌强化后导电率的变化。
图 晶体的扭折示意图
第三节 多晶体的塑性变形
实际使用的金属材料中， 绝大多数都是多晶材料。 虽然多晶体塑性变形的基 本方式与单晶体相同。 但实验发现，通常多晶的 塑性变形抗力都较单晶高。
图 锌的单晶体与多晶体的应力－应变曲线
§3.3.1 多晶体塑性变形过程
在多晶体中，由于相邻各个晶粒的位向一般都不同，因而 在一定外力作用下，作用在各晶粒滑移系上的临界分切应 力值也各不相同，处于有利取向的晶粒塑性变形早，反之 则晚。 前者开始发生塑性变形时，必然受到周围未发生塑性变形 晶粒的约束，导致变形阻力增大。 同时为保持晶粒间的连续性，要求各个晶粒的变形与周围 晶粒相互协调。
对所有的{111}面，φ角是 相同的，为54.7°。 对[101]、[101]、[011]和 [011]方向， 角也是相同的， 为45°。 锥体底面上的两个<110> 方向和[001]垂直。 因此，锥体上有4×2个滑 移系具有相同的施密特因 子，当达到临界切应力时 可同时开动。
图fcc晶体中复滑移
{0001} {1010}
<111>
<1120> <1120>
33.8
0.81 13.7
4.滑移时的晶体转动
图 滑移时的晶体转动 a.压缩 b.拉伸
图 拉伸时晶体转动机制示意图
5.多滑移 由于很多晶系具有多组滑移系，决定滑移系能否开动的 前提条件是其分切应力能否达到其临界值，当某组滑移系 开动后，由于不断发生晶面的转动，结果可能使得另一组 滑移系的分切应力逐渐增加，并最终达到其临界值，进而 使得滑移过程能够沿两个以上滑移系同时或交替进行，这 种滑移过程就称为称多滑移。
图 体心立方和面心立方晶体的滑移系
由于体心立方结构是一种非密排结构，因此其滑移面并不 稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为{110}，而高 温时多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总为<111>，因 此其滑移系可能有12-48个。
图 bcc晶体{112} 和{123}面的滑移系
3.滑移的临界分切应力 对滑移真正有贡献的是在 滑移面上沿滑移方向上的 分切应力，也只有当这个 分切应力达到某一临界值 后，滑移过程才能开始进 行，这时的分切应力就称 为临界分切应力。
图 锌晶体中的形变孪晶和铜晶体中的退火孪晶组织
形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上 一般呈现透镜片状，多数发源于晶界，终止于晶内，又称 机械孪晶。 退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织， 一般孪晶界面平直，且孪晶片较厚。
§3.2.3 晶体的扭折
在一些晶体中，由于某些 特殊原因，既不能进行滑 移也不能进行孪生的晶体 将通过其他方式进行塑性 变形。 扭折是一种发生在晶体中 的局部弯曲 。
第二节 单晶体的塑性变形
虽然工程中应用的通常是多 晶， 但多晶体的变形是和其 中各 个晶粒变形相关的。因 此，单 晶体的变形是金属变 形的基 础。 单晶受力后，在它晶面上可以分解出平行于晶面和垂直于 晶面的两个分量，前者称为切应力，后者称为正应力。 切应力产生塑性形变而正应力不产生塑性形变。
6.交滑移 两个或两个以上滑移面沿 着同一个滑移方向同时或 交替进行滑移的现象，称 作交滑移。
交滑移
§3.2.2 孪生
单晶体中如果滑移系由于 某些情况而不能开动，就 会发生另一种重要的变形， 这就是孪生。 在金相显微镜下一般呈带 状，称为孪晶带。
1.孪生的晶体学 孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。 面心立方 {111}面为孪生面，<112>为孪生方向。fcc晶体 是一系列平行的(111)面所构成(按ABCABC…规律)。若晶 体中局部的几层(111)面沿[112]方向均匀移动 。 均匀移动是指每一个(111)面的移动距离，这是相对于其 最临近晶面而言。
(112)[111] (112)[111] （1012）[1011]
2.孪生变形的特点 (1)孪生是在应力集中的局 部区突然萌生，萌发于局 部应力高度集中的地方。 (2)孪生所需的切应力比滑 移所需的要大10~100倍。 (3)孪生形核难，长大快， 通常以猝发的方式形成并 使应力-应变曲线上呈现锯 齿状 。
图 弹性模量与原子序数的变化关系
表 几种不同材料的弹性模量 材料 E/104MPa 泊松比
钢
铜
20.7
11
0.28
0.35
聚乙烯
橡胶 氧化铝
0.3
10-4~10-3 40
0.38
0.49 0.35
滞弹性
在低于弹性极限的应力范围内，实际固体的应力和应变不 是单值对应关系，往往有一个时间的滞后现象，这种特性 称为滞弹性。
图 弹性变形与塑性变形
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。 可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变 形就消失。 (2)线性 应力和应变间满 足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说 来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
§3.2.1 滑移
1.滑移现象 如果对经过抛光的退火态 工业纯铜多晶体试样施加 适当的塑性变形，然后在 金相显微镜下观察，就可 以发现原抛光面呈现出很 多相互平行的细线。
图 工业纯铜中的滑移线
在普通金相显微镜中发现 的滑移线其实由多条平行 的更细的线构成，现在称 前者为滑移带，后者为滑 移线。
图 三种常见结构的纯金属单晶 体处于软取向时的应力－应变曲线
§3.4.2 形变织构
多晶体变形时，各晶粒的 滑移也将使滑移面发生转 动。 当塑性变形量不断增加时， 多晶体中原本取向随机的 各个晶粒会逐渐调整到其 取向趋于一致，这样就使 经过强烈变形后的多晶体 材料形成了择优取向，即 形变织构。
图 形变织构形成示意图
图 形变织构形成的制耳
• 根据形成的条件不同，形变织构可分为丝织构和板织构。 • 实际上，无论形变进行的程度如何，各晶粒都不可能形成 完全一致的取向。 • 形变织构的出现会使得材料呈现一定程度的各向异性，这 对材料的加工和使用都会带来一定的影响。如加工过程中 的“制耳”现象就是我们所不希望出现的；而变压器用硅 钢片的(100)[001]织构由于其处于最易磁化方向，则是我 们所希望的。
对只有两个晶粒的双晶试 样拉伸结果表明，室温下 拉伸变形后，呈现竹节状。 说明室温变形时晶界具有 明显强化作用。
图 位错塞积
§3.3.2 晶粒大小对塑性变形的影响
实验表明，多晶体的强度 随其晶粒的细化而增加。 Hall-Patch关系：
s 0 kd
1 2
图 屈服强度与晶粒尺寸的关系图
E E
E G 2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变 化，E下降。 （3）合金元素的影响 一般说来，E对结构不敏感。少 量的合金元素不影响E，但大量的合金化，可使E发生显 著变化。这是因为固溶体中溶质元素在周围晶体中引起畸 变，从而使E下降。
图 临界分析应力分析图
cos cos
cos cos 称为取向因子
s c s cos cos
τc称为临界分切应力，是 一个与材料本性以及试验 温度、加载速度等相关的 量，与加载方向等无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
图 一些金属单晶的临界分切应力
图 三种常见结构的纯金属单晶 体处于软取向时的应力－应变曲线
2.多晶体的应力－应变曲线 多晶体的应力-应变曲线,它不 具备典型单晶体的第Ⅰ阶段-易滑移阶段。 因为晶粒位向不同,各晶粒变 形需相互协调,至少有5个独 立的滑移系开动,一开始便是 多滑移,无易滑移阶段。
图 锌的单晶与多晶的应力－应变曲线
图 滑移带形成示意图
2.滑移系 晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方 向进行，我们将其称为滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向， 这是由于最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容 易发生滑移，而沿最密排方向上的点阵间距最小，从而使 导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。 每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系， 滑移系表明了晶体滑移时的可能空间取向。
图 铜单晶在4.2K的拉伸曲线
宏观上，都是切应力作用 下发生的剪切变形； 微观上，都是晶体塑性变 形的基本形式，是晶体的 一部分沿一定晶面和晶向 相对另一部分的移动； 都不会改变晶体结构； 从机制上看，都是位错运 动结果。
滑移不改变晶体的位向， 孪生改变了晶体位向； 滑移是全位错运动的结果， 而孪生是不全位错运动的 结果； 滑移是不均匀切变过程， 而孪生是均匀切变过程； 滑移比较平缓，孪生则呈 锯齿状； 两者发生的条件不同，孪 生所需临界分切应力值远 大于滑移。
(a)孪晶面与孪生方向 (b)孪生变形时晶面移动情况 图 面心立方晶体孪生变形示意图
表 一些晶体中的常见孪生要素
晶体结构 fcc
合金系 Al,Cu-Al,Au-Ag
孪生要素 (111)[112]
bcc
bcc bcc hcp
α-Fe
W Cu-Zn(β) Zn,Cd,Be,Mg,Zn-Sn