材料科学基础-第6章塑性变形
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材料科学基础习题与参考答案（doc14页）完美版
材料科学基础习题与参考答案（doc14页）完美版第⼀章材料的结构⼀、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离⼦键、⾦属键、组元、合⾦、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第⼆相强化。
⼆、填空题1、材料的键合⽅式有四类，分别是（），（），（），（）。
2、⾦属原⼦的特点是最外层电⼦数（），且与原⼦核引⼒（），因此这些电⼦极容易脱离原⼦核的束缚⽽变成（）。
3、我们把原⼦在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（），（），（）。
4、三种常见的⾦属晶格分别为（），（）和（）。
5、体⼼⽴⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），晶胞中⼋⾯体间隙个数为（），四⾯体间隙个数为（），具有体⼼⽴⽅晶格的常见⾦属有（）。
6、⾯⼼⽴⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），晶胞中⼋⾯体间隙个数为（），四⾯体间隙个数为（），具有⾯⼼⽴⽅晶格的常见⾦属有（）。
7、密排六⽅晶格中，晶胞原⼦数为（），原⼦半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶⾯为（），具有密排六⽅晶格的常见⾦属有（）。
8、合⾦的相结构分为两⼤类，分别是（）和（）。
9、固溶体按照溶质原⼦在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原⼦与溶剂原⼦相对分布分为（）和（）。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
11、⾦属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。
12、⾦属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、脆性（），因此在合⾦中不作为（）相，⽽是少量存在起到第⼆相（）作⽤。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电⼦浓度分别为（），（），（）。
《材料科学基础》材料的塑性变形
说明晶界本身对强度的贡献不是主要的，而 对强度的贡献主要来自晶粒间的取向差。
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
45
1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
34
35
第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
36
多晶体中晶粒取向
37
一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
16
4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于 另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑 移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
44
因相邻晶粒取向不同，为保持形变时应变 连续，各晶粒形变要协调，在晶界附近会进行多 系滑移。 正是这些多系滑移增加了形变阻力，从而增 加强度。
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1. 晶粒越细，强度越高（细晶强化） 实践证明，多晶体的屈服强度σs与晶粒平均 直径 d 的关系满足： s=0+kd-1/2（霍尔－配奇公式） σ0称晶内阻力或晶格摩擦力； ky是和晶格类型、弹性模量、位错分布及位错 被钉札程度有关的常数。
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第二节 多晶体的塑性变形
室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方 式与单晶体相同。 但由于相邻晶粒之间取向“软”和“硬” 不同，形变先后以及形变量也不同，以及晶界 的存在，因而多晶体的变形既需要克服晶界的 阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合。
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多晶体中晶粒取向
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一、 晶界和晶粒位向对塑性变形的影响
软取向，值大；硬取向，值小。
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4. 滑移时晶体的转动 若晶体在拉伸时不受约束，滑移时各滑移层 会像推开扑克牌一样一层层滑开，每一层和力轴 的夹角φ保持不变。 但在实际拉伸中，夹头不能移动，这迫使晶 体在力偶作用下发生转动，在靠近夹头处由于夹 头的约束晶体不能自由滑动能产生弯曲，在远离 夹头的地方，晶体发生转动，转动的方向是使滑 移方向转向力轴。
材料的塑性变形
Plastic Deformation of Materials
1
2
弹性变形－塑性变形－断裂
3
第一节 单晶体的塑性变形
常温下塑性变形的主要方式：滑移、孪生。
一、滑移
1. 滑移：在切应力作用下，晶体的一 部分相对于 另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑 移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子 排列规律性的塑性变形方式。
金属的塑性变形与再结晶-材料科学基础-实验-06
实验六 金属的塑性变形与再结晶（Plastic Deformation and Recrystallization of Metals ）实验学时：2 实验类型：综合前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的1． 观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征；2． 了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化；3． 讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1． 显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。
所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
第6章 《材料科学》材料的塑性变形
(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
b=a/6[112]
§6.2.2 孪生
孪生面 A1{111},A2{112},A3{1012}
孪生的晶体学
孪生方向
A1<112>,A2<111>,A3<1011>
图
锌晶体中的形变孪晶
18
§6.2.2 孪生
孪生变形的特点
----晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
机制：
螺位错的交滑移：螺位错 从一个滑移面转移到与之 相交的另一滑移面的过程； 螺位错的双交滑移：交滑 移后的螺位错再转回到原 滑移面的过程。
12
§6.2.1 滑移
（6）滑移的表面痕迹
单滑移
----单一方向的滑移带； 多滑移 ----相互交叉的滑移带； 交滑移 ----波纹状的滑移带。
式中：d为滑移面的面间距，b为滑移方向上的点阵间距，n为泊松比。 采用上式，我们可以简单推算晶体的切变强度，对于简单立方结构，存在d = b，对 金属，取n=0.3，可得τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型理论计算值（约G/30）小得多， 接近临界分切应力实验值。
除了上述点阵阻力外，位错运动还会受到一些阻力： ②与其它位错的交互作用阻力； ③位错交割后形成的割阶与扭折； ④位错与一些缺陷发生交互作用。
13
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
晶体的滑移是借助于位错在滑移面上的运动来逐步进行的。位错就是已滑移
区和未滑移区间的界线。
以刃型位错为例：
螺型位错的运动同样能导致晶体滑移。
§6.2.1 滑移
（7）滑移的位错机制
石德珂《材料科学基础》考点精讲6
八、包申格效应
材料经预先加载产生少量塑性变形（小于 ４％），而后同向加载则 σｅ升高，反向加载则 σｅ下降，此 现象称为包申格效应。
考点二：滑移和孪生（重要等级 ★★★★★）
［复习思路］掌握
金属发生塑性变形的主要方式 滑移和孪生的概念 滑移和孪生的异同点
滑移
{ 金属塑性变形的主要方式 孪生 晶界滑动（高温下） 滑移带—把试样抛光，适量的塑性变形后，在宏观或光学显微镜下看到的试样表面上平行或交叉 的细线。 滑移线—在电子显微镜下，可以看到滑移带是由更多的一组平行线组成，称为滑移线。
各向同性。
对于 α Ｆｅ多晶体其 Ｅ为 ２１１４００ＭＮ／ｍ２
七、弹性模量在工程上的应用
对零（构）件进行刚度设计
σ
＝
Ｆ Ａ
＝Ｅε→
Ｆ ε
＝ＥＡ
ＥＡ（ＧＡ），代表零件的刚度，产生单位弹性应变所需载荷的大小。
在其它条件相同时，金属的弹性模量愈高，制成的零件或构件的刚度便愈高，即在外力作用时，保
持其固有形状、尺寸的能力愈强。
２．位错运动的点阵阻力
（１）位错的宽度
{越窄 界面能越低
位错宽度
→平衡宽度
越窄 单位体积弹性畸变能高
刃型位错的形成 刃型位错原子模型
偏离 ＝ｂ／４（柏氏矢量）时，叫位错宽度 （２）位错运动的点阵阻力 晶体的滑移必须有外力作用→ 位错运动要克服阻力 →位错运动的阻力首先来自的点阵阻力
弹性变形是塑性变形的先行阶段，在塑性变形中还伴生着一定的弹性变形。可以从原子间结合
力的角度了解其物理意义。
发生弹性变形的难易程度取决于作用力 －原子间距曲线的斜率 Ｓ０
— １６７—
Ｓ０ ＝ｄｄＦｒ＝ｄｄ２ｒｕ２ σ ＝Ｓｒ００ε Ｅ ＝Ｓ０
材料科学基础-第6章塑性变形
8．位错的交割与塞积 在多系滑移时，由于各滑移面相交，因而在不同滑移面上运动着的位错必然相遇，发生交割。此外，在滑移面上运动着的位错还要与晶体中原有的以不同角度穿过滑移面的位错相交割。 不在原位错线的滑移面上的位错线，故称之为割阶。有的割阶的产生并不影响位错的运动，但由于增加了位错线的长度、需消耗一定的能量。除此之外，还会发生刃型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，交割的结果都要形成割阶，这一方面增加了位错线的长度，另一方面还可能形成一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，从而产生较强的加工硬化效果。
图6－11 两个垂直刃型位错交割
图6-12 位错塞积 图6-13 不锈钢晶界前位错塞积的透射电镜图像
孪生是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变。
孪生
孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。因此，只有在滑移难以进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些HCP结构的金属，，常以孪生方式进行塑性变形；而BCC结构的金属滑移系较多，如α-Fe等，只有在室温以下或受到冲击裁荷作用时，才发生孪生变形；而FCC结构的金属，由于其对称性高，滑移系多，所以很少发生孪生变形。
图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 面上产生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
Example 6.1 SOLUTION
02
晶粒越细，晶界越曲折，越不利于裂纹沿晶界的传播，从而在断裂过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性。
材料科学基础第六章
编辑课件
24
• 6.2.1.4 滑移时晶体的转动：晶体被拉伸而 产生滑移时，由于拉力共线的影响，晶面 位向会发生改变, 结果使滑移面和滑移方向 逐渐趋于平行于拉力轴线；而压缩时，晶 面改变的
• 结果使滑
• 移面逐渐
• 趋于与压
• 力轴线垂
• 直。
编辑课件
25
• 滑移面和滑移方向的改变必然导致斯密特 因子m的改变。
编辑课件
27
编辑课件
28
• 面心立方金属的滑移系为{111}<110>，4个{111} 面构成一个八面体。当拉力轴为[001]时，
• (1) 对所有{111}面， cosφ=02+02+12/(12+12+12·02+02+12)=1/3 φ=54.7º，
• (2) λ角对[101]，[101] • [011]，[011]也都为45º， • (3) 锥体底面上的两个 • <110>方向与[001]垂 • 直。
编辑课件
29
• 因此，八面体上有8个滑移系具有相同的取 向因子，当τ=τk时可以同时开动。但由于这 些滑移系有不同位向的滑移面和滑移方向 构成，滑移时有交互作用，产生交割和反 应，使滑移变得困难，产生较强的加工硬 化。
• 当两个以上的滑移
• 面沿同一方向滑移
• 便形成交滑移。
编辑课件
30
• 发生交滑移时， • 晶体表面会出现 • 曲折或波纹状的 • 滑移带。 • 最容易发生交滑 • 移的是体心立方 • 金属，滑移面为 • {110}，{112}和{123}，滑移方向总是<111>。 • 因滑移面不受限制，所以交滑移必是纯螺形位错，
材料科学基础 第6章 材料的塑性变形与再结晶PPT课件
屈服现象
当试样拉伸时，出现 了明显的屈服点。当拉伸 试样开始屈服时，应力随 即突然下降，并在应力基 本恒定情况下继续发生屈 服伸长，所以拉伸曲线上 出现水平台。其中，开始 屈服与下降时所对应的应 力分别为上、下屈服点。
屈服伸长
低碳钢的屈服现象
应变时效
间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化 溶效质果原，子且与由基于体间金隙属原的子价在电体子心数立相方差晶越体大中，的固点溶阵强畸化变 作属用非越对显称著性，的即，固故溶其体强的化屈作服用强大度于随面合心金立电方子晶浓体度的的； 增但加间而隙提原高子。的固溶度很有限，故实际强化效果也有限。
2)固溶强化的原因
1.孪生的变形过程
A 孪生面
孪生方向 C E
A CE C'
C' E'
分析面
孪生区域
孪生面
2.孪生的特点
①②孪孪生生变是形一也种是均在匀切切应变力，作即用切下变发区内与孪晶 生起的面沿子的的临平孪相，应界行生对并力切的方于通集应每向孪常中力③系一位生出区要孪层移面现，比晶原了的于因滑的子一切滑此移两面定变移，时部均的量受大孪分相距跟阻得生晶对离它而多所体于，与引需。形其且孪成每毗生镜一邻面面层晶的对原面距称的位向关
c 2 e 2 f 2 2efcos
因此， 当α= 0°， φ= 45°时，φ+λ= 90°取向因子最大， 正应力在此滑移系
上的分切应力最大。
sin 2 cos 2 2sin cos cos
a2 c2 b2
cos 2 sin 2 cos 2 2sin cos cos
滑移系开始滑移的最小分 切应力值称为临界分切应力。
F在滑移方向上的分切应 力为Fcosλ，滑移的面积为A/ cosφ,因此，外力在滑移面沿 滑移方向的分切应力为：
《材料的塑性变形》课件
A0 φ---滑移面法线与横截面法线间夹角； λ- -轴向拉力与滑移方向间夹角.
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
A coscosλ称取向因子或Schmid因子。
Schmidt定律：只有当作用在滑移面上沿滑移方 向的分切应力达到某一临界值时，晶体才开始滑 移。
外力在滑移方向的分切应力
τc = σs cosφ cosλ
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。 当λ= φ= 45 °时，即滑移面和滑移方向与作用力均为45°时， 在该滑移面滑移方向上分切应力最大。
τmax= σ/2 当τmax达到τc时，晶体发生滑移。此时σs 值最小, 且σs = 2τc。 等于、趋近此方位称为有利方位或软取向；远离此方向称为不 利方向或硬取向；处于软取向的滑移系首先发生滑移。
影响临界切应力的因素
1)金属的种类： 原子间结合力↑，位错移动的点阵阻力↑，τc↑。
2)化学成分： 溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。
扭折带的作用 1)协调变形：适应变形条件的约束,能引起应力松弛，使晶体不致断裂。 2)促进变形：改变取向,有可能处于软取向,促进滑移,进一步激发变形。
（a)孪生的作用使试样端部趋于产生相对位移； （b)协调扭折带的形成容许试样适应试验条件的约束
伴随孪晶的形成而产生的协调扭折带
形变带(Deformation Band)
3)变形温度： 温度↑， τc↓ 4)变形速度：
速度↑，τc↑
2 孪生
孪生(Twinning): 形成孪晶的过程：晶体在切应力的作用下,一
部分沿一定的晶面和一定的晶向相对于另一部分 发生的均匀切变。
例：面心立方晶体的孪生变形
（a）孪晶面和孪生方向 （b）孪生变形时原子的移动源自孪生和滑移比较滑移
孪生
● 材料为整体，需要有协调机制（扩散蠕变或位错滑移）。
《塑性变形》课件
详细描述
当物体受到外力作用时，物体内部会产生应力，使得物体发生塑性变形。在这个过程中，物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形，这是因为阻力最小的方向所需的力最小，因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度，当最大主应力较大时，物体更容易沿着这个方向发生变形。同时，物体的流动也受 到最小阻力定律的影响，使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺，用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中，冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品，如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品，如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟，预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果，对塑性变形过 程进行优化设计，提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数，如温度、压力、变形速度等， 实现更佳的塑性变形效果。
04
CATALOGUE
塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料
当物体受到外力作用时，物体内部会产生应力，使得物体发生塑性变形。在这个过程中，物体总是沿着阻力最小 的方向发生变形，这是因为阻力最小的方向所需的力最小，因此物体更容易沿着这个方向发生变形。
流动法则
总结词
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向一致。
详细描述
在塑性变形过程中，物体的流动方向与最大主应力的方向是一致的。这是因为最大主应力决定了物体 变形的难易程度，当最大主应力较大时，物体更容易沿着这个方向发生变形。同时，物体的流动也受 到最小阻力定律的影响，使得物体更容易沿着阻力最小的方向发生变形。
拉拔
通过拉拔机将金属材料拉制成所需形 状和尺寸的工艺，用于制造线材、管 材等。
塑料的加工成型
注塑成型
挤出成型
将塑料原料加热熔化后注入模具中，冷却 固化后得到所需形状和尺寸的塑料制品。
将塑料原料加热熔化后通过挤出机挤出成 所需形状和尺寸的塑料制品，如塑料管、 塑料薄膜等。
压延成型
吹塑成型
将塑料原料加热熔化后通过压延机压制成 所需厚度和宽度的塑料制品，如塑料板材 、塑料片材等。
塑性变形过程的数值模拟与优化
有限元分析
利用有限元方法对塑性变形过程 进行数值模拟，预测材料的变形
行为、应力分布和应变场等。
优化设计
基于数值模拟结果，对塑性变形过 程进行优化设计，提高材料的塑性 变形能力、减少缺陷和节约成本。
工艺参数优化
通过调整塑性变形过程中的工艺参 数，如温度、压力、变形速度等， 实现更佳的塑性变形效果。
04
CATALOGUE
塑性变形过程中的力学行为
应力状态对塑性的影响
应力状态对塑性变形的影响主 要体现在不同应力分量对材料
材料科学基础-第6章塑性变形2
ree Stages of Annealing
Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses introduced during deformation without reducing the strength of the coldworked material. Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working. Grain growth - Movement of grain boundaries by diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.
Section 6.3 回复与再结晶
经过冷塑性变形的材料，空位、 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增 产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态， 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 在常温下，由于原子的活动能力较弱， 在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难 这种变化极为缓慢。如果温度升高， ，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的 活动能力，扩散速度显著增加，那么， 活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会 由亚稳定状态向稳定状态转变， 由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和 性能的变化。 性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况， 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses introduced during deformation without reducing the strength of the coldworked material. Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working. Grain growth - Movement of grain boundaries by diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.
Section 6.3 回复与再结晶
经过冷塑性变形的材料，空位、 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增 产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态， 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 在常温下，由于原子的活动能力较弱， 在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难 这种变化极为缓慢。如果温度升高， ，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的 活动能力，扩散速度显著增加，那么， 活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会 由亚稳定状态向稳定状态转变， 由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和 性能的变化。 性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况， 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
材料科学基础——塑性变形
滑移带
Slip band
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 3. 临界分切应力 (Critical resolving shear stress)
6.2
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 临界分切应力
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 2. 滑移带与滑移线(Slip band and Slip line)
6.2
Al 单 晶
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals 滑移线
6.2
Slip line
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
扭折(Kink)
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
6.2.2 滑移(Slip)
滑移：外力作用下晶体的一部分相对于另一部分 沿一定晶面和晶向发生滑动位移，且不破坏晶体 内部原子排列规律性的塑性变形机制。
成分和组织：金属越纯，塑性越好
晶粒度：晶粒细小，强度、塑韧性均好 外因： 温度：低温易脆断 应力状态和裂纹：微裂纹大，拉应力状态，易脆断
应变速率：应变速率大，易发生脆性断裂
单晶体的塑性变形
Plastic deformation of single crystals
6.2
滑移 (Slip)
孪生(Twin)
即使完全消除装置的各种阻力其摆动振幅也会
第六章材料科学基础
弹性模量： 原子间结合 力的反映和 度量。
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
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
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
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。
E G
G E
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
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
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
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
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。
E G
G E
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
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
塑性变形_精品文档
塑性变形1. 引言塑性变形是固体力学中的一个基本概念，指的是材料在超过其弹性限度后，可以继续变形而不恢复原状的能力。
塑性变形可以发生在金属、塑料、陶瓷等材料中，常见于制造、建筑和工程领域。
本文旨在介绍塑性变形的基本原理、影响因素以及常见的塑性变形工艺。
2. 塑性变形的基本原理塑性变形与材料的内部结构和原子之间的相互作用有关。
在塑性变形过程中，材料中的晶体结构发生变化，原子之间的接触位置发生滑移。
这种滑移可以改变原子之间的相互作用，从而使材料继续变形。
塑性变形的基本原理可以归纳如下：•内部滑移：在材料中存在众多晶体结构，滑移发生时，晶体结构中的原子沿滑移面移动，发生形变。
•位错运动：位错是晶体结构中的缺陷，可以像滑行带一样在晶体中移动。
位错的运动是塑性变形的基本过程。
•变形时的晶界滑移：晶界是不同晶粒之间的边界，当材料变形时，晶界也会发生滑移，使晶粒相对于彼此发生位移。
3. 影响塑性变形的因素塑性变形的程度和方式受到多种因素的影响，以下是几个重要的影响因素：3.1 物质本身的性质不同材料的塑性变形性能不同。
金属通常具有良好的塑性，可以在大变形下发生塑性变形。
而一些脆性材料如陶瓷通常只能发生很小的变形，容易发生破裂。
此外，合金、塑料等材料也具有独特的塑性变形性质。
3.2 变形速率变形速率指的是材料在单位时间内发生的变形量。
较高的变形速率往往会导致材料在塑性变形过程中发生更大的变形。
这是因为较高的变形速率会加快位错的运动和晶界的滑动，使材料更容易发生塑性变形。
3.3 温度温度对塑性变形也有很大影响。
较高的温度能够使材料中的原子更容易滑动，从而促进塑性变形的发生。
相反，较低的温度会使材料变得更加脆性，减少塑性变形的程度。
3.4 应力状态材料受到的应力状态也会影响其塑性变形。
在拉伸应力作用下，材料会发生延伸变形；而在剪切应力作用下，材料会发生屈服变形。
不同应力状态下，材料的塑性变形方式有所不同。
4. 常见的塑性变形工艺塑性变形工艺是一种通过对材料施加力来改变其形状和尺寸的方法。
材料科学基础复习提纲(下)
材料科学基础(下)复习提纲第六章 金属与合金的塑性变形与断裂1、常温和低温下金属塑性变形的两种主要方式为（ ）和 （ ）。
2、体心、面心、密排六方晶格金属的主要滑移系，详见表6-2。
解释体心立方的金属的塑性为什么比面心立方金属差？3、了解施密特定律，并会做相应的计算（见第六章作业）4、晶体的滑移的实质（是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果）。
了解位错的交割和塞积对金属的力学性能的影响。
5、掌握塑性变形对金属组织和性能的影响。
第七章 金属及合金的回复与再结晶1、了解回复过程的组织结构和性能的变化？2、了解再结晶过程的组织结构和性能的变化？3、从金属学角度，金属的热加工和冷加工是如何划分的？ 第八章 扩散1、固态下原子扩散的机制主要有哪两种？扩散的本质原因是什么？2、掌握扩散第二定律的误差函数解，并会做相应计算。
（见作业题型）3、了解影响扩散的因素。
第九章 钢的热处理原理 1、钢的奥氏体化过程？ 2、钢在冷却过程中的转变。
高温转变⎪⎩⎪⎨⎧︒︒︒，托氏体，索氏体，珠光体C C C A 550~600600~650650~1 解释珠光体、索氏体和托氏体的力学性能与片间距的关系。
（详见P246）中温转变⎩⎨⎧︒，下贝氏体，上贝氏体S M C ~350350~600 了解下贝氏体的力学性能及生产方式（详见P261）低温转变 {下，马氏体转变、，快冷至f S C M M V V ≥（1） 什么是马氏体？马氏体的晶体结构、组织形态、性能特点？ （2） 马氏体转变的特点？3、淬火钢的回火转变过程？（一）~（五）P268~272，淬火钢回火时力学性能的变化？4、了解第一类和第二类回火脆性及解决办法？ 第十章 钢的热处理工艺1、了解退火和正火的目的？各种退火工艺的目的和适用对象。
正火工艺适用的四个主要方面。
2、淬火的加热温度的选择？原因？淬火常用的介质有哪几种？淬火常用方法？3、什么是淬透性、淬硬性？它们的差别？（详见P289）4、低温、中温、高温回火各获得什么组织？其性能有何特征？5、了解感应加热表面淬火的工作原理？淬硬层深度与电流频率的关系？5、渗碳的适用材料、主要方法、渗碳温度及渗碳介质？渗氮的适用材料、主要方法、渗氮温度及渗氮介质？第十一章 工业用钢1、 合金元素在钢里的存在方式？合金元素对铁-渗碳体相图的影响？合金元素对钢热处理过程的影响？2、 什么时回火稳定性和二次硬化？3、 造成金属腐蚀的原因？耐磨钢耐磨的原因？耐热钢的抗氧化型和热强性？ 第十二章 铸铁1、 铸铁石墨化过程？铸铁的组织？影响铸铁石墨化的因素？ 第十三章 有色金属及其合金1、 铝合金的分类及铝合金的强化方法？（重点掌握铝合金的沉淀强化P384）2、 铜合金的分类？黄铜的力学性能与含锌量的关系？锡青铜的力学性能与含锡量的关系。
《塑性变形》ppt课件
用金相法或硬度法测定:
再结晶温度
以显微镜中出现第一颗新晶粒时的温度
以硬度下降50％所对应的温度再结晶温度
工业消费中那么通常以经过大变形量(70％以上)冷 变形金属，经1h退火能完成再结晶(＞95％)所对
〔1〕变形程度的影响
变形程度添加 储存能增多 再结晶驱动力增大 再结
晶温度降低，再结晶速度加 快，形核率添加，
长时间回复时激活能与自分散激活能相近
12/11
8.2.2.2 回复机制
低温回复 点缺陷迁移、点缺陷密度降低；
点缺陷迁移至外表或晶界 空位与间隙原子结合 点缺陷与位错交互作用，使位错攀移 空位聚集成空位片并崩塌成位错环 中温回复 位错滑移运动和重新分布，亚构造变化； 同一滑移面上异号位错相互吸引而抵消 位错偶极子的两根位错线相消
造、性能变化
取代变形组织过程
再结晶后晶粒 长大
8.2.1.2 性能的变化
(1)强度与硬度：回复时变形金 属位错密度很高，再结晶后位错 密度显著降低。 (2)电阻：点缺陷所引起的点阵 畸变会使传导电子产生散射，提 高电阻率。退火使缺陷密度降低， 那么电阻率下降。 (3)内应力：回复阶段消除大部 或全部的宏观内应力，而微观内 应力那么只需经过再结晶方可消 除。 (4)亚晶粒尺寸：亚晶粒尺寸在 回复前期变化不大，接近再结晶 时显著增大。 (5)密度：密度在再结晶阶段急 剧增高，除与前期点缺陷数目减 小有关外，主要是在再结晶阶段 中位错密度显著降低所致。 (6)储能的释放：回复时释放的 储存能较小，再结晶晶粒出现的 温度对应于储能释放曲线的顶峰
b 长大
再结晶晶核长大方式：界面迁移 界面迁移推进力：无畸变的新晶粒与周围畸变的母体(即
旧晶拉)之间的应变能差 界面迁移方向：背叛其曲率中心，向畸变区推进 二维晶粒的稳定外形：正六边形
材料科学基础_材料的塑形变形
第三节
• • • • •
滑移的位错理论分析Fra bibliotek滑移的实质是位错的运动 位错的增殖 位错的交割 位错的塞积 加工硬化
滑移的实质是位错的运动
大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上 的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切 应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错 从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的 滑移。
例如
位错的增殖
利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上 有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位 错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号 位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可 生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶 可为柏氏矢量的整数倍。
位错的交割
不在同一个滑移面 上的两位错运动的过程 中可发生交割。图示例 子表示如果位错AB向下 运动扫过位错CD，由于 扫过区间的晶体两边发 生了柏氏矢量大小的滑 移，在位错CD上产生了 EF转折，EF长度为AB的 柏氏矢量，EF位错的柏 氏矢量不发生变化，位 错的性质和原来可能不 一样。
滑移系
滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排 晶面； 滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最 密排方向； 一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以 滑移的方式称为“滑移系”。
典型晶格的滑移系
FCC
滑移系对性能的影响
晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大， 材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的 滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。 在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心 立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系， 但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁 及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立 方晶格的金属差。
材料科学基础——塑性变形PPT课件
沿晶断裂
断裂 （fracture）
a
b
c
d
内容回顾
碳 钢 标 准 试 样
应力-应变曲线
冲击功Ak 冲击韧性ak
工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵 抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消 耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料 的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F，其单位为 kJ/m2或J/cm2。
试件在弹性极限(Elastic limit)范围内的变 形将完全恢复到原来的形状。
Pe
e
弹性变形 6.1.1
Elastic deformation
对超过弹性极限载荷的金属金属试件卸载，
卸载曲线近似于弹性曲线。
P
Pe
e
弹性变形
弹性变形
Elastic deformation
(Elastic deformation)
断裂 （fracture）
实际中，部件断裂时，所承受的外力往往远低于材 料的屈服强度或弹性极限。 即使是“塑性”材料，断裂前也没有明显的塑性变 形。
断裂 （fracture）
微孔聚集型断裂 （塑性）
断裂 （fracture）
微孔聚集型断裂——夹杂物、第二相粒子的作用
断裂 （fracture）
解理断裂（脆性）
以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。 解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。 fcc金属一般不发生解理断裂。 解理断裂总是脆性断裂。
滞弹性
现象：弹性范围 内加载或去载， 非瞬时达到，通 过一种驰豫过程 来完成。
弹性变形 6.1.1
Elastic deformation
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的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。该 分切应力即称为滑移的临界分切应力，以τk表示，它是 使滑移系开动的最小分切应力。 外力F在滑移方向上的分切应力为
F cos F cos cos cos cos A / cos A
k s cos cos
h12 k12 l12 h21 k22 l22
故滑移面
_
(111)
的法线方向与拉力轴[001]的夹角为
cos
1 0 1 0 11
1
12 12 12 02 02 12
3
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
cos 1
2
故
s
c cos cos
图6－10 弗兰克-瑞德位错源
17
17
Figure The Frank-Read source can generate dislocations. (a) A dislocation is pinned at its ends by lattice defects. (b) As the dislocation continues to move, the dislocation bows, eventually bending back on itself. (c) finally the dislocation loop forms, and (d) a new dislocation is created. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., ‘‘Climb Sources in Beta PrimeNiAl,’’ Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)
材料科学基础
李谦– 宁向梅主讲
Chapter 6 –塑性变形与再结晶
1
1
Chapter Outline
6.1晶体的塑性变形 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响 6.3 回复与再结晶 6.4 金属的热加工变形
2
2
Section 6.1 晶体的塑性变形 6.1.1 单晶体的塑性变形
图6－1 金属表面的滑移带 （a）铜中的滑移带 （b）7％冷变形铝的表面图像
3
3
6.1.1 单晶体的塑性变形
常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。 （一） 滑移 1.滑移带与滑移线 塑性变形是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，这种变形方式称为滑移。
晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移 线之间的晶体并未发生变形。
s
τκ
cosλ cos
m cos cos
9
9
图6－3 单晶体滑移时分切应力的分析图
10
10
6.1.1 单晶体的塑性变形
m为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 单晶体的屈服强度σs将随外力与滑移面和滑移方向之间
的位向关系而变，即m发生改变时，σs也要改变。 当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45°时， m具
1
0.24 2 1
0.59MPa 3
13
13
6.1.1 单晶体的塑性变形
4．滑移时晶体的转动 单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴
随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。 位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸
的轴线。
图6－6 拉伸时晶体பைடு நூலகம்生转动的示意图
14
一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间 取向。
晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越 好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。
7
7
6.1.1 单晶体的塑性变形
晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。
实际滑移的临界切应力τk远低于理论计算值的原因。
16
16
6.1.1 单晶体的塑性变形
7．位错的增殖 塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。 变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。 位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克—瑞德
（Frank－Read）位错增殖机制，F-R源。
4
4
图6－2 滑移带形成示意图
5
5
2．滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
表6－1 三种常见金属晶体结构的滑移系
6
6
6.1.1 单晶体的塑性变形
滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方 向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的 距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小， 故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要 移动的间距小，阻力也小。
12
12
Example 6.1 临界分切应力
_
已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 (111) 面上产 生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
Example 6.1 SOLUTION 对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
cos
h1h2 k1k2 l1l2
14
6.1.1 单晶体的塑性变形
5．多系滑移与交滑移 多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，
分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个 或多个滑移系同时进行。
交滑移：在晶体中，还会发生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。
图6－7 交滑移的示意图
图6－8 抛光试样的波纹状交滑移带
例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系 同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金 属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大， 必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑 性要比铝、铜等面心立方金属差。
8
8
6.1.1 单晶体的塑性变形
3．滑移的临界分切应力 只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定
15
15
6.1.1 单晶体的塑性变形
6. 滑移的位错机制 实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部
分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力 的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。
当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体表面留下— 个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果 有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面 形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕 迹，即滑移线。
有最大值，为0.5。此时分切应力最大，σs具有最低值， 晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这 种取向称为软位向。
当外力与滑移面平行( ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）时， m为零，则无论τk的数值如何， σs均为无穷大，晶体在 此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。
11
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图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系
F cos F cos cos cos cos A / cos A
k s cos cos
h12 k12 l12 h21 k22 l22
故滑移面
_
(111)
的法线方向与拉力轴[001]的夹角为
cos
1 0 1 0 11
1
12 12 12 02 02 12
3
同理，滑移方向[101]和拉力轴[001]的夹角为
cos 1
2
故
s
c cos cos
图6－10 弗兰克-瑞德位错源
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Figure The Frank-Read source can generate dislocations. (a) A dislocation is pinned at its ends by lattice defects. (b) As the dislocation continues to move, the dislocation bows, eventually bending back on itself. (c) finally the dislocation loop forms, and (d) a new dislocation is created. (e) Electron micrograph of a Frank-Read source (330,000). (Adapted from Brittain, J., ‘‘Climb Sources in Beta PrimeNiAl,’’ Metallurgical Transactions, Vol. 6A, April 1975.)
材料科学基础
李谦– 宁向梅主讲
Chapter 6 –塑性变形与再结晶
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Chapter Outline
6.1晶体的塑性变形 6.2 塑性变形对材料组织与性能的影响 6.3 回复与再结晶 6.4 金属的热加工变形
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Section 6.1 晶体的塑性变形 6.1.1 单晶体的塑性变形
图6－1 金属表面的滑移带 （a）铜中的滑移带 （b）7％冷变形铝的表面图像
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6.1.1 单晶体的塑性变形
常温下晶体材料塑性变形主要方式有滑移和孪生。 （一） 滑移 1.滑移带与滑移线 塑性变形是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，这种变形方式称为滑移。
晶体的滑移是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，而滑移 线之间的晶体并未发生变形。
s
τκ
cosλ cos
m cos cos
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图6－3 单晶体滑移时分切应力的分析图
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6.1.1 单晶体的塑性变形
m为取向因子，或称施密特因子（Schmid）。 单晶体的屈服强度σs将随外力与滑移面和滑移方向之间
的位向关系而变，即m发生改变时，σs也要改变。 当外力与滑移面、滑移方向的夹角都呈45°时， m具
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0.24 2 1
0.59MPa 3
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6.1.1 单晶体的塑性变形
4．滑移时晶体的转动 单晶体滑移时，除了滑移面发生相对位移外，往往伴
随着晶面的转动，从而使晶体的空间位向发生变化。 位向改变的结果使滑移面和滑移方向逐渐平行于拉伸
的轴线。
图6－6 拉伸时晶体பைடு நூலகம்生转动的示意图
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一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。 每个滑移系表示晶体进行滑移时可能采取的一个空间 取向。
晶体中的滑移系越多，滑移过程中可能采取的空间取 向便越多，滑移越容易进行，故这种晶体的塑性便越 好。密排六方晶体由于滑移系数目太少，故塑性较差。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
晶体塑性的好坏，不仅取决于滑移系的多少，还与滑 移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。
实际滑移的临界切应力τk远低于理论计算值的原因。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
7．位错的增殖 塑性变形时，大量位错扫过滑移面滑出晶体表面。 变形后晶体中的位错数目不但没有减少，反而显著增多了。 位错增殖的机制有多种，其中最常见的一种是弗兰克—瑞德
（Frank－Read）位错增殖机制，F-R源。
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图6－2 滑移带形成示意图
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2．滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的， 这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。
表6－1 三种常见金属晶体结构的滑移系
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6.1.1 单晶体的塑性变形
滑移面通常是晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方 向则是原子排列最密的晶向。这是因为密排面之间的 距离最大，面与面之间的结合力较小，滑移的阻力小， 故易滑动。而沿密排方向原子密度大，原子每次需要 移动的间距小，阻力也小。
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Example 6.1 临界分切应力
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已知Al的临界分切应力为0.24MPa，计算要使 (111) 面上产 生[101]方向的滑移，应在[001]方向上施加多大的力？
Example 6.1 SOLUTION 对立方晶系，晶面（h1k1l1）法线和晶向[h2k2l2]的夹角为
cos
h1h2 k1k2 l1l2
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6.1.1 单晶体的塑性变形
5．多系滑移与交滑移 多滑移：若有多组滑移系相对于外力轴的方向相同，
分切应力同时达到临界值，滑移一开始就可以在两个 或多个滑移系同时进行。
交滑移：在晶体中，还会发生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。
图6－7 交滑移的示意图
图6－8 抛光试样的波纹状交滑移带
例如体心立方金属α－Fe，与面心立方金属的滑移系 同样多，都为12个。但它的滑移方向没有面心立方金 属多，同时滑移面间距离较小，原子间结合力较大， 必须在较大的应力作用下才能开始滑移，所以它的塑 性要比铝、铜等面心立方金属差。
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6.1.1 单晶体的塑性变形
3．滑移的临界分切应力 只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定
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6.1.1 单晶体的塑性变形
6. 滑移的位错机制 实际晶体中的滑移，不是晶体的一部分相对于另一部
分同时作整体的刚性的移动，而是通过位错在切应力 的作用下，沿着滑移面逐步移动的结果。
当一条位移线移到晶体表面时，便在晶体表面留下— 个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。如果 有大量位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面 形成大量的滑移台阶，在显微镜下便能观察到滑移痕 迹，即滑移线。
有最大值，为0.5。此时分切应力最大，σs具有最低值， 晶体材料最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这 种取向称为软位向。
当外力与滑移面平行( ψ＝90°)或垂直（λ＝90°）时， m为零，则无论τk的数值如何， σs均为无穷大，晶体在 此情况下不能产生滑移，这种取向称为硬位向。
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图6－4 镁单晶拉伸的屈服应力与晶体取向的关系