2011塑性变形机制(1)

滑移带示意图
滑移

定义：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。 滑移的机制就是位错在滑移面内的运动。 滑移时，滑移矢量与柏氏矢量平行。 晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍. 滑移后, 滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。 滑移分别集中在某些晶面上，变形具有不均匀性。
不动，即拉力轴方向不变，
此时晶体必须不断发生转动。 如图(c)。转动结果，使滑移
面法线与外力轴夹角增大，
原始 自由变形 受夹头限制变形
使外力与滑移方向夹角变小。
2) 滑移面上最大分切应力与滑移方向不一致时晶体的转动
F A
0
A
1
•转动有两种：滑移面向外力轴方 向转动和滑移面上滑移方向向最 大切应力方向转动。 •切应力作用下的变形和滑移面向 外力方向的转动 •转动的原因：晶体滑移后使正应 力分量和切应力分量组成了力偶.
不对称变形(Asymmetrical Deformation）：
变形协调机制
非晶机制(Amorphous Mechanism)：高温 晶界滑移(Grain Boundary Slip)：高温
单晶体塑性变形的主要机制为滑移与孪生。
2.1 滑移（Slip）
2.1.1滑移现象

室温下晶体塑变的主要方式是滑移。 滑移是通过位错的运动实现的
间隙固溶强化
C、N等溶质原子嵌 入α-Fe晶格的八面体 间隙中,使晶格产生不 对称正方性畸变造成 强化效应.铁基体屈服 强度随间隙原子含量 增加而变大.
铁的屈服应力和含C量的关系
3)变形温度：
高温（熔点）时，温度↑， 不变；
c
温度↑， c↓，因为原子动能增大，原子间结合力减弱；但
三种常用金属的临界分 切应力随温度的变化

多系滑移
对于具有多组滑移系的晶体，滑移首先在取向最有 利的滑移系（其分切应力最大）中进行，但由于变形时 晶面转动的结果，另一组滑移面上的分切应力也可能逐 渐增加到足以发生滑移的临界值以上，于是晶体的滑移 就可能在两组或更多的滑移面上同时进行或交替地进行， 从而产生多系滑移。

滑移的位错机制
实际测得晶体滑移的临界分切应力值较理论计算值 低3～4个数量级，表明晶体滑移并不是晶体的一部分相 对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位 错在滑移面上运动来逐步地进行的。
能够引起滑移系开动的分切应力.
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.
A0
横截面A0上的正应力: P A0 滑移面A上的全应力: S P P cos cos
A A0
滑移方向
S S
A
滑移面上沿滑移方向的分切应力:
S cos cos cos
锌 单 照晶 片的 拉 伸
晶体在正应力作用下的变形
位错运动造成的滑移示意图
临界切应力：

晶体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；

沿滑移面滑移方向上的分切应力；
塑性变形的本质: 位错的运动（晶粒内部或晶粒之间产生的滑移 及转动）；

塑性变形机制（Mechanism of Plastic Deformation）
（根据原子群移动所发生的条件和方式划分）

滑移(Slip)：最主要的变形方式 孪生(Twinning)：
低温、高速，对称性较低的密排六方金属
间隙固溶
臵换固溶 固溶体中的晶格畸变示意图
a)间隙固溶体 b)置换固溶体
临界切应力，×10MPa
Cu基固溶体加入 不同溶质时强化效 果不相同。

固溶原子(原子)，％
与Cu原子尺寸相近的Ni、 Si等对流变应力的影响 较小； 原子尺寸比Cu大的Sn等 对流变应力的影响非常 显著。
固溶原子对铜单晶临界分切应力的影响
实际变形中滑移总要受到限制，晶体不会自由无限
制滑移下去，因此滑移的同时往往伴随着晶体的转动。 1. 位向和晶面的变化
拉伸时晶体的转动
拉伸时晶体的转动：
1)滑移面上最大分切应力与滑移方向一致时:
滑移面和滑移方向趋于 平行于力轴方向
若夹头不受限制，欲使
滑移面的滑移方向保持不变，
拉力轴取向必须不断变化， 如图(a)(b)。实际上夹头固定
的一次变形量也越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移 面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方
晶格好于密排六方晶格。

对一定结构晶体，滑移方向是固定的，滑移面可能随温度改变。如 Al室 温{111}，高温时增加{100}，因此塑性增加。
2.1.2 滑移时的临界切应力（Critical Shear Stress)
滑移面上的正应力:
(2-2)
n S cos cos2
由（2-2），σ↑，则 τ↑
外力在滑移方向的分切应力
c
s
c s cos cos
s
c cos cos
cosψcosλ称取向因子（或Schmid因子）
只有 c一定时 与 s

cos cos

过程：外力→应力→原子离开平衡位臵→变形→原子位能增加→返回趋
势→外力消失→变形消失→弹性变形
可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：应力与应变关系遵循虎克定律
拉伸: σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切: τ=Gγ，G-切变模量 。
弹性模量是重要的物理和力学参量，表示使原子离开平衡位臵的难易程 度，只取决于晶体原子结合的本性，不依晶粒大小以及组织变化而变， 是一种组织不敏感的性质。

滑移系只提供了金属滑移的 可能性，而金属在外力作用 下滑移的驱动力是沿滑移面 滑移方向上的分切应力。 单晶体受力后，外力在任何 晶面上都可分解为正应力和 切应力。正应力只能引起弹 性变形及解理断裂。只有在 切应力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。

外 的力 分在 解晶 面 上
切 的应 变力 形作 用 下
a、b…i表示从不同方向对铁单晶体的拉伸
如图：临界切应力大体都为20MPa，即与取向因子无关。
cos cos
对于某一滑移系，取向因子越大，分切应力也越大。对任意给定的ψ，
λ＝90°-ψ时，取向因子最大。因为此时滑移面法线、滑移方向、外力 处于同一平面，所投影分解的分切应力值最大。则：
2.1.3影响临界切应力的因素

滑移的物理本质是晶体中的位错在切应力作用下逐步移动。
因此，所有造成位错移动阻力的因素均会使临界切应力提高。

影响因素：
1)金属的种类：
c↑； 原子间结合力↑ ，位错移动的点阵阻力↑ ，
2)化学成分：
溶质原子产生固溶强化，位错运动受阻。 不同溶质原 子固溶强化效应不同： ①溶质原子的原子数分数越大，强化作用越大； ②溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越大； ③间隙型溶质原子比臵换原子有更大的固溶强化作用。
外加切应力>τc,开动一组滑移系；发生在滑移系较少或塑性变形开始阶段。
过程：位错增殖、扩展，大量位错沿滑移面移出晶体表面，产生滑移量为∆ 的滑移台阶。当n个位错移出晶体，∆=nb； 特征：表面平行的滑移线所形成的滑移带;

多滑移(Multiple Slip)：
外力轴与几个滑移系取向相同,多个滑移系同时开动；由于位错交割、缠结， 导致加工硬化。 特征：两组或多组交叉的滑移线；
F
滑移时晶体转动示意图
压缩时晶体的转动: 晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
压缩时晶体转动示意图（φ2>φ1) (a)压缩前（b）压缩后
2 取向因子的变化
几何硬化：，远离45，滑移变得困难； 几何软化；，接近45，滑移变得容易。
2.1.5 滑移的基本类型

单滑移(Single Slip)：

11

滑移系(Slip System):
一个滑移面和其上的一个 滑移方向构成一个滑移系。
具体晶体中滑移系是有限
的。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110}
{110}
体心立方晶格
{111}
面心立方晶格
密排六方晶格
{111}
滑移 方向 滑移系

滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，变形也越均匀，并且能承受

滑移面(Slip Plane)和滑移方向(Slip Direction):

塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，晶体沿某 些特定的晶面及方向相对错开，这些晶面和晶向分别称 “滑移面”和“滑移方向”。 滑移面与滑移方向称为滑移要素 滑移面应是面间距最大的密排面（面间距最大，面间结合 力最弱，切变阻力最小），滑移方向方向是原子的最密排 方向（原子间距最小，柏氏矢量最小，滑移阻力最小）。
cos cos(90 ) cos sin
2 sin 2
45 ,即滑移面和滑移方向与作用力均为45 °角时，
在该滑移面滑移方向上分切应力最大。 min 2 max 2 max 达到 c 时, s 最小, 且 s 2 c 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。
化学成分和温度对纯铜 的临界分切应力的影响
4)变形速度：
c ↑ ，因为单位时间 速度↑，
内必须使更多位错线移动，加工
硬化率较快； 对变形速度的依赖性极弱；