晶体的形变

多晶体的塑性变形机制

多晶体是由大量晶体颗粒组成的晶粒体，其内部包含了许多晶界。而塑性变形机制是多晶体在外力作用下发生形变的过程。在多晶体的塑性变形中，晶界扮演着关键的角色，影响着材料的塑性行为。本文将探讨多晶体的塑性变形机制及其影响因素。

多晶体的塑性变形机制主要有晶体滑移、孪晶形变和再结晶等方式。晶体滑移是晶格内平面沿晶胞平面方向发生相对滑动，使晶体产生形变。孪晶形变是晶体中出现特殊结构的孪晶，通过孪晶界的移动来实现形变。再结晶是材料在高温下形成新的晶粒结构以释放应力。

在多晶体的塑性变形中，晶界的性质对材料的塑性行为有重要影响。晶界的迁移与扩散是晶粒体在形变过程中的重要机制，影响了晶粒的重新排列以适应外力。此外，晶界强化机制也影响了材料的变形性能，不同形态和性质的晶界对材料的硬度、韧性等性能具有不同影响。

除了晶界的影响，晶体取向和织构对多晶体的塑性变形也具有重要作用。晶体取向决定了材料在外力作用下的各向异性表现，不同取向的晶粒在形变中的行为也有所不同。织构是晶粒在材料中的排布规律，直接影响了材料的力学性能和变形行为。

总的来说，多晶体的塑性变形机制是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。晶界、晶体取向和织构等因素共同作用，决定了材料的塑性行为和性能。通过深入研究多晶体的塑性变形机制，可以为材料设计与加工提供科学依据，实现材料性能的优化与提升。

第 8 章 晶体的塑性形变题解

1. 细铜棒两端固定，从 100°C 冷却到 0°C，问发生的内应力有多大?铜的热膨胀系数=1.5×

10-6/°C，弹性模量 E=1.103×1011 Pa)。

解 ： 设 棒 长 为 1 ， 热 膨 胀 系 数 α=1.5×10-6/°C ， 从 100°C 冷 却 到 0°C 棒 收 缩 量

∆L=α∆T=1.5×10-6×100=1.5×10-4，如果棒仍保持弹性范围，根据胡克定律，内应力σ应为：

σ = Eε =1 × 11 × × −4 = × 7

.103 10 1.5 10 Pa 1.65 10 Pa

2. 板材轧制时，设弹性变形量从表面到中心是线性的。(a)压下量不大时，表面仍处在弹性

范围，画出加载及卸载时从表面到中心的应力分布；(b)表面发生了塑性形变，但中心仍

处于弹性围，画出加载及卸载时从表面到中心的应力分布。

解：(a)当压下量不大表面仍处在弹性范围时，因表面变形量最大，所以整个板处于弹性

范围，加载时，应力与应变正比，所以应力从表面到中心亦呈线性分布，如下图(a)所示。

卸载后，弹性应变完全回复，板内无应力存在。

(b)当表面发生了塑性形变但中心仍处于弹性围时，表面层已屈服，它的应力与应变关关

系不再符合胡克定律，所以表层应力的增加斜率降低，如下图(b)所示；卸载后，表层的

塑性形变不能回复，内部的弹性变形要回复，因此，表层受内部收缩而产生压应力，因

表层留下的永久变形不能回复而使内部产生拉伸应力，这些残余应力的分布如下图(c)所

示。

3. 体心立方晶体可能的滑移面是{110}、{112}及{123}，若滑移方向为[111]，具体的滑移

系是哪些?

解：一个具体的滑移系的滑移方向必在滑移面上，根据晶带定律可知，滑移方向为[111]

时，对于{110}滑移面，可能的滑移面是(110)、(011)和(101 )。对于{112}滑移面，可能

1 微小形变的放大

物理中很多概念是抽象得让人无法想象，譬如说“力”；物理中的很多现象不明显，肉眼是看不到的，譬如说书放在水平桌面上我们都难以想象桌面发生了形变——向下弯曲。那么这种微小的形变我们必须想办法看到它，这也就给我们提出了实验设计的难题。现在我就研究微小形变的方案予以阐述。

方案一：数学原理：柱体表面积一定时，圆柱的体积最大

图1 图2

在高中《物理》（必修）第一册《弹力》的课后练习中，是利用如图1所示的装置来演示微小形变的。其在教学中按照此法演示，因液面升降的幅度很小，很难取得预期的效果。笔者经研究发现，若将此装置略加改动，并添加必要的步骤，效果较为理想，改动方法如下：将细玻璃管的一端在酒精灯上加热后拉成如图2所示的形状，将较粗的一端少许插入红墨水中，用手封住细端后将玻璃管提出，连同橡皮塞一起插入装满红墨水的扁玻璃瓶后放手，在细玻管中将形成被空气分开的红墨水和水两段液体柱，通过挤压橡皮塞等方法将红墨水部分的液体柱调整到玻璃管粗细交接的一段（如图2所示）．这样，再用手挤压扁玻璃瓶时，细管中红墨水部分液体柱的升降就更为明显，演示效果更佳。还有一种方法，那就是把普通玻璃管换成把玻璃泡去掉了的温度计上的毛细管，这样红色液体柱上升的高度就明显些。

方案二：光的原理：利用光的反射

图3 图4 2 在教材中是这样设置实验的：如图3，一张大桌子上放两个平面镜M和N，让一束光依次被这两平面镜反射，最后射到墙上形成一个光点．用力压桌面，镜子要向箭头方向倾斜．由于两面镜子之间的距离较大，光点会在墙上有明显的移动，把桌面的形变显示出来．

我对实验装置做了如下改进，如图4，用一面镜子，把光点投在天花板上。一方面，实验器材更简单，另一方面，光点投到天花板上更容易找到。如果采用教材中的实验装置时光点投到教室的窗玻璃上或窗帘上，难以寻觅。但是在这个实验中平面镜应该足够小，否则也会影响实验效果。

1 5 材料的形变和再结晶

材料在加工制备过程中或是制成零部件后的工作运行中都要受到外力的作用。材料受力后要发生变形，外力较小时产生弹性变形；外力较大时产生塑性变形，而当外力过大时就会发生断裂。

本章主要内容：

一．晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形

多晶体的塑性变形

合金的塑性变形

塑性变形对材料组织与性能的影响

二．回复和再结晶

冷变形金属在加热时的组织与性能变化

回复

再结晶

晶粒长大

再结晶织构与退火孪晶

5.1 晶体的塑性变形

塑性加工

金属材料获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得一定形状、尺寸和机械性能的型材、板材、管材或线材。

塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。

金属在承受塑性加工时，当应力超过弹性极限后，会产生塑性变形，这对金属的结构和性能会产生重要的影响。

5.1.1 单晶体的塑性变形 2 单晶体塑性变形的两种方式： 滑移 孪生

滑移

:

滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动。

滑移线 ： 为了观察滑移现象，可将经良好抛光的单晶体金属棒试样进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条的细线，通常称为滑移线.

滑移带 ：在宏观及金相观察中看到的滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平行的更细的线所组成的，称为滑移带。

滑移系 ： 塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。 一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

滑移的临界分切应力τk

晶体的滑移是在切应力作用下进行的，但其中许多滑移系并非同时参与滑移，而只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可以首先发生滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力。

滑移的特点