滑移和孪晶

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。

孪晶和滑移的特点：相同点：●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过程；●两者都不会改变晶体结构；●从机制上看，都是位错运动结果。

不同点：●滑移不改变晶体的位相，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，应力应变曲线较光滑、连续，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，因此只有在滑移受阻情况下晶体才以孪生方式形变。

●滑移产生的切变较大（取决于晶体的塑性），而孪生切变较小，取决于晶体结构。

回复机制:1）低温回复（0.1－0.3Tm）点缺陷（空位和间隙原子)运动至晶界出或位错处消失、空位和间隙原子结合消失、空位结合成空位对。

结果导致点缺陷密度降低。

2）中温回复（0.3－0.5Tm）位错可以在滑移面上滑移或交滑移，使异号位错相遇相消，位错密度下降，位错缠结内部重新排列组合，使变形亚晶规整化。

3）高温回复（>0.5Tm）位错除滑移外，还可获得足够的能量产生攀移，使滑移面上不规整的位错重新分布，形成亚晶界和亚晶粒，使弹性畸变能降低。

位错攀移（＋滑移）→位错垂直排列（亚晶界）→多边化（亚晶粒）→弹性畸变能降低。

4）位错反应形成亚晶肖脱基缺陷离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置，而晶体内仅留有空位，晶体中形成了肖特基缺陷滑移：是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。

固溶强化：是指由于溶质原子的固溶而引起的强化效应。

扩散：由于物质中原子（或者其他的微观粒子）的微观热运动所引起的强化效应。

影响扩散的因素1.温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大，且空位浓度增大，有利扩散。

2.原子结合键越弱，Q越小，D越大。

3.在间隙固溶体中，扩散激活能较小，原子扩散较快；在置换固溶体中扩散激活能比间隙扩散大得多。

实验方案金属的塑性变形与再结晶一，实验目的1、观察显微镜下滑移线、变形孪晶的特征；2、了解金属经冷加工变形后显微组织及性能的变化；二、概述1 显微镜下的滑移线与变形挛晶金属受力超过弹性极限后，在金属中特产生塑性变形。

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。

所谓滑移时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相保持不变。

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。

变形后的显微姐织是由许多滑移带所组成。

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—部分以一定的晶面为对称面；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。

孪晶的结果是孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。

所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。

2、变形程度对金属组织和性能的影响变形前金属为等轴晶粒，轻微量变形后晶粒内即有滑移带出现，经过较大的变形后即发现晶粒被拉长，变形程度愈大，晶粒被拉得愈长，当变形程度很大时，则加剧剧了晶粒沿一定方向伸长，晶粒内部被许多的滑移带分割成细小的小块，晶界与滑移带分辨不清，呈纤维状组织。

由于变形的结果，滑移带附近晶粒破碎，产生较严重的晶格歪扭，造成临界切应力提高，使继续变形发生困难，即产生了所谓加工硬化现象。

随变形程度的增加，金属的硬度、强度、矫顽力、电阻增加，而塑性和韧性下降。

3、形变金属在加热后组织和性能的影响变形后的金属在较低温度加热时，金属内部的应力部分消除，歪曲的晶格恢复正常，但显微组织没有变化，原来拉长的晶粒仍然是伸长的。

这个过程是靠原子在一个晶粒范围内的移动来实现的，称为回复。

变形后金属加热到再结晶温度以上时，发生再结晶过程，显微组织发生显著变化。

孪晶和滑移的异同点
孪晶和滑移是固体材料中常见的两种晶体变形机制。

它们在晶
体学和材料科学领域都有重要的意义。

接下来我将从多个角度来分
别介绍它们的异同点。

首先，让我们来看看它们的相似之处。

孪晶和滑移都是固体材
料中的晶体塑性变形机制。

它们都是由外力作用于晶体时引起的晶
格变形，从而使材料产生塑性变形。

此外，它们都可以导致材料的
塑性变形，从而改变材料的形状和性能。

然而，孪晶和滑移也有很多不同之处。

首先，孪晶是指晶体中
出现的一种特殊的晶体结构，通常是由于晶格畸变或者晶体内部发
生相变而形成的。

而滑移是指晶格中原子沿着特定的滑移面和滑移
方向发生滑移，从而引起晶体的塑性变形。

因此，孪晶是一种晶体
结构上的变化，而滑移是一种晶格中原子位置的变化。

其次，孪晶和滑移在形成机制上也有所不同。

孪晶的形成通常
需要一定的条件，比如特定的应力或温度条件，而滑移则是在晶体
受到外力作用时就会发生。

此外，孪晶的形成通常需要一定的能量，而滑移则是在较低的能量条件下就可以发生。

此外，孪晶和滑移在对材料性能的影响上也有所不同。

孪晶可
以使材料的塑性变形能力增强，同时也可能导致材料的脆性增加。

而滑移则可以使材料产生塑性变形，从而增加材料的延展性和韧性。

综上所述，孪晶和滑移是固体材料中常见的两种晶体变形机制，它们在形成机制、对材料性能的影响等方面都有所不同。

深入了解
孪晶和滑移的异同点有助于我们更好地理解材料的塑性变形机制，
从而为材料设计和加工提供理论依据。

1.滑移和孪晶的变形机制有何不同？为什么在一般条件下进行塑性变形时锌中容易出现孪晶，而纯铁中容易出现滑移带？主要的不同：（1）晶体位向在滑移前后不改变，而在孪生前后晶体位向改变，形成镜面对称关系。

（2）滑移的变形量为滑移方向原子间距的整数倍，而孪生过程中的位移量正比于该层至孪晶面的距离。

（3）孪生是一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的。

锌的晶体结构为密排六方，密排六方金属滑移系少，所以容易出现孪晶，而纯铁为体心立方结构，滑移系多，所以容易出现滑移带。

2.多晶体塑性变形与单晶体塑性变形有何不同？多晶体的每一晶粒滑移变形的规律与单晶体相同，但由于多晶体中存在晶界，且各晶体的取向也不相同，多晶体的塑性变形具有以下特点：（1）各晶粒不同同时变形；（2）各晶粒变形的不均匀性；（3）各变形晶粒相互协调。

3.什么是滑移、滑移线、滑移带和滑移系？滑移线和滑移带是如何在金属表面形成的？列举金属中常见晶体结构最重要的滑移系，并在其晶胞内画出一个滑移系。

哪种晶体的塑性最好？哪个次之？为什么？所谓滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。

晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线。

由数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。

一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。

滑移线是由于晶体的滑移变形使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所造成的；相互靠近的小台阶在宏观上反映的是一个大台阶，所以形成了滑移带。

滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。

滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。

密排六方由于滑移少，塑性最差。

4.简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并说明如何区分冷、热加工。

动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？一次再结晶的驱动力是冷变形所产生的储存能的释放。

二次再结晶的驱动力是由于界面能变化引起的。

一、概论1. 组织：用肉眼或借助于各种不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

2. 结构：原子集合体中各原子的具体组合状态。

二、金属和合金的固态结构1. 固溶体：溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一的均匀固体。

一次（端际）：以纯金属组元作溶剂，结构上保持溶剂组元纯态时的点阵类型。

二次（中间）：以化合物为溶剂的固溶体，结构类型与主、副组元都不同。

代位：主组元一部分原子被其它组元原子取代，保留主组元结构类型。

一定范围内（有限互溶）或是所有成分范围（无限互溶）。

异类原子按任意比例统计分布在各类结构中各相应晶面，并处于主组元相似的正常位置。

有序：异类原子不是统计式分布，而是按一定顺序分布。

超结构（长程有序）：某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定原子比，在低于一定临界温度时可转化为长程有序固溶体。

间隙：异类原子分布在主组元原子间空隙中。

金属间化合物类型：各组元原子按一定比例和一定顺序共同组成一个新的不同于其任一组元的典型结构。

中间相（金属间化合物）：在合金中形成的与其纯组元结构类型不同的相。

2. 开放型金属：dO点附近较平缓、势阱小、原子间作用力弱、结合能小、原子易压缩、刚度小、热膨胀大。

（与封闭型金属对应）3. 空间点阵：由构成晶体的结构基元抽象出来的等同点在三维空间中的周期排列。

4. 排列周期：点阵直线上相邻两点间的距离。

5. 单胞（基胞）：在空间点阵中选取的一个能反映其特点的最小构筑单元。

一般以最近邻八阵点为顶点能够构成一个体积最小、对称性最高的平行六面体。

6. 晶面：点阵空间中由阵点组成的平面为点阵平面，非严格意义上又称晶面。

晶向：点阵空间中两阵点连线（及延长线）为点阵直线，非严格意义上称晶向。

晶带：晶体中一系列晶面可相交于一条直线或几条相平行的直线，合称…晶界：同成分、同结构晶粒间由于相对取向不同而出现的接触界面。

倾转晶界：在所选平面内以任一直线为轴，使晶粒两部分相对转动任意角度。

《材料科学基础》课程实验指导书实验一金属塑性变形与再结晶一、实验目的1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；2、研究变形程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。

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。

孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。

一、半导体缺陷1.位错：位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。

从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。

产生原因：晶体生长过程中，籽晶中的位错、固-液界面附近落入不溶性固态颗粒，界面附近温度梯度或温度波动以及机械振动都会在晶体中产生位错。

在晶体生长后，快速降温也容易增殖位错。

（111）呈三角形；（100）呈方形；（110）呈菱形。

2.杂质条纹：晶体纵剖面经化学腐蚀后可见明、暗相间的层状分布条纹，又称为电阻率条纹。

杂质条纹有分布规律，在垂直生长轴方向的横断面上，一般成环状分布；在平行生长轴方向的纵剖面上，呈层状分布。

反映了固-液界面结晶前沿的形状。

产生原因：晶体生长时，由于重力产生的自然对流和搅拌产生的强制对流，引起固-液界近附近的温度发生微小的周期性变化，导致晶体微观生长速率的变化，或引起杂质边界厚度起伏，一截小平面效应和热场不对称等，均使晶体结晶时杂质有效分凝系数产生波动，引起杂质中杂质浓度分布发生相应的变化，从而在晶体中形成杂质条纹。

解决方案:：调整热场，使之具有良好的轴对称性，并使晶体的旋转轴尽量与热场中心轴同轴，抑制或减弱熔热对流，可以使晶体中杂质趋于均匀分布。

采用磁场拉晶工艺或无重力条件下拉晶可以消除杂质条纹。

3.凹坑：晶体经过化学腐蚀后，由于晶体的局部区域具有较快的腐蚀速度，使晶体横断面上出现的坑。

腐蚀温度越高，腐蚀时间越长，则凹坑就越深，甚至贯穿。

4.空洞：单晶切断面上无规则、大小不等的小孔。

产生原因：在气氛下拉制单晶，由于气体在熔体中溶解度大，当晶体生长时，气体溶解度则减小呈过饱和状态。

如果晶体生长过快，则气体无法及时从熔体中排出，则会在晶体中形成空洞。

5.孪晶：使晶体断面上呈现金属光泽不同的两部分，分界线通常为直线。

1 滑移与孪生的区别及它们在塑性变形过程中的作用。

答：滑移与孪生的区别：（1）滑移是晶体两部分发生相对滑动，不改变晶体位向，孪生是晶体一部分相对另一部分发生均匀切变，发生位向的改变，孪生面两侧原子呈镜面对称。

（2）滑移面上的原子移动的距离是原子间距的整数倍，而孪生方向移动的原子不是原子间距的整数倍。

（3）滑移是个缓慢的过程，孪生产生速度极快。

（4）滑移是在晶体内各晶粒内部产生不均匀，而孪生在整个孪生区内部都是均匀的切变。

作用：晶体产生塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生所需的临界应力要高很多，对塑性变形的贡献比滑移小得多，但孪生改变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。

2面心立方、体心立方、密排六方金属的主要塑性变形方式是什么？温度、变形速度对其有何影响？铝、铁、鎂中哪种金属的塑性最好？哪种最差？答：面心立方、体心立方有较多的滑移系，塑性变形以滑移为主，而密排六方金属对称性低，滑移系少，塑性变形方式主要是孪生。

变形温度越高，滑移越容易，孪生产生的几率越小，反之变形温度越高，滑移越困难，产生孪晶的几率越大。

变形速度越大，滑移常来不及产生足够大的变形，因此导致切应力增大，产生孪晶的几率也增大。

铝为面心立方结构、铁为体心立方结构、镁为密排六方结构，因此铝的塑性最好，镁的塑性最差。

3绘图说明常见fcc、bcc结构金属的滑移系有哪些？这两种晶体结构的密排面、密排方向是哪些？与滑移系之间有何关系？答：FCC晶格：滑移面就是最密排面：｛111｝包括(111), (111), (111), (111);滑移方向就是最密排方向：〈110〉每个滑移面上有三个，如图中箭头所示。

一个滑移面与滑移面上的一个滑移方向构成一个滑移系，因此滑移系数: 4×3=12BCC晶格：滑移面：｛110｝(110), (011), (101), (110), (011), (101)共6个滑移方向：〈111〉，每个滑移面上两个，如图箭头所示。

第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形金属的一项重要特性是具有塑性，能够在外力作用下进行塑性变形。

外力除去后，永久残留的变形，称为塑性变形。

塑性变形的基本方式有滑移和孪生两种，最常见的是滑移。

下面我们就讨论：一、光学金相显微镜下滑移带、变形孪晶与退火孪晶的特征滑移：所谓滑移即在切应力作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑动。

所沿晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。

1．滑移带经表面抛光的金属单晶体或晶粒粗大的多晶体试样，在拉伸（或压缩）塑性变形后放在光学显微镜下观察，在抛光的晶体表面上可见到许多互相平行的线条，称为滑移带，如图4一1所示。

ａ黄铜的滑移带600⨯b 纯铁的滑移带 400⨯图4-1 滑移带的光学显微形貌由图可见，纯铁的滑移带特征与黄铜的略有不同，往往呈波纹状。

这主要由于纯铁本身层错能较高，其扩展位错容易束集，加之体心立方晶体可进行滑移的晶面多，因而产生大量交滑移的缘故。

如果用电子显微镜作高倍观察，会发现每条滑移带（光学显微镜下的每根线条）是由许多密集在一起的滑移线群所组成。

实际上，每条滑移线表示晶体表面上因滑移而产生的一个小台阶，而滑移带是小台阶累积的大台阶。

正因为晶体表面有这些台阶的出现才显示出上述的微观形貌。

如果将这些小台阶磨掉，即使重新抛光并浸蚀也看不出滑移带，因为滑移面两侧的晶体位向不随滑移而改变，故只能借助晶体表面出现的小台阶来观察。

1．变形孪晶孪生通常是晶体难以进行滑移时而发生的另一种塑性变形方式。

以孪生方式形变的结果将产生孪晶组织，在面心立方晶体中一般难以见到变形孪晶，而在密排六方晶体中比较容易见到。

因为密排六方晶体的滑移系少，塑性变形经常以孪生方式进行。

图4一2a为锌的变形孪晶，其形貌特征为薄透镜状。

纯铁在低温下受到冲击时也容易产生变形孪晶，其形貌如图4一2b所示，在这种条件下萌生孪晶并长大的速度大大超过了滑移速度。

a 锌的变形孪晶100⨯b 铁的变形孪晶 100⨯图4—2 变形孪晶光学显微形貌如果将变形孪晶试样重新磨制、抛光、浸蚀，是否如同滑移带那样也会消失呢？并不是这样的。

无机材料物理性能题库一、填空题1、晶体中的塑性变形有两种基本方式：滑移和孪晶。

2、影响弹性模量的因素有晶体结构、温度、复相。

3、一各向异性材料，弹性模量E=109pa,泊松比u=0。

2，则其剪切模量G=（)。

4、裂纹有三种扩展方式或类型：掰开型，错开型和撕开型。

其中掰开型是低应力断裂的主要原因。

5、弹性模量E是一个只依赖于材料基本成份的参量，是原子间结合强度的一个标志，在工程中表征材料对弹性变形的抗力,即材料的刚度。

.6、无机材料的热冲击损坏有两种类型:抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。

7、从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个：弹性模量,裂纹尺寸和表面能。

8、根据材料在弹性变形过程中应力和应变的响应特点，弹性可以分为理想弹性和非理想弹性两类。

9、Griffith微裂纹理论从能量的角度来研究裂纹扩展的条件，这个条件是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。

（2分）10、在低碳钢的单向静拉伸试验中，整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形以及不均匀集中塑性变形4个阶段。

11、一25cm长的圆杆,直径2。

5mm，承受4500N的轴向拉力。

如直径拉伸成2.4mm，问:设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，拉伸后的长度为27.13 cm；在此拉力下的真应力为9.95×108 Pa、真应变为0。

082；在此拉力下的名义应力为9。

16×108 Pa、名义应变为0.085.12、热量是依晶格振动的格波来传递的,格波分为声频支和光频支两类。

13．激光的辐射3个条件：(1）形成分布反转，使受激辐射占优势；(2）具有共振腔，以实现光量子放大；（3）至少达到阀值电流密度,使增益至少等于损耗。

14、杜隆-伯替定律的内容是：恒压下元素的原子热容为25J/Kmol.15、在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率.18、导电材料中载流子是离子、电子和空位.19、金属材料电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。