晶体塑性变形的位错机制

晶体塑性变形的位错机制一、单晶体塑性变形的位错机制（滑移的位错机制）1.1由于晶体中存在着位错，晶体的滑移不是晶体的一部分相对另一部分的移动，而是位错在切应力作用下沿滑移面逐步移动的结果。当一条位错线移动到晶体表面时，会使晶体在表面上留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏矢量b.若有大量的位错重复按此方式滑过晶体，就会在晶体表面形成显微镜下能够观测到的滑移痕迹，这就是滑移线的实质。晶体在滑移时并不是滑移面上的所有原子一起运动而是位错中心的原子逐一递进，有一个平衡位置移动到另一个平衡位置。实线PQ表示位错开始位置，而P′Q′表示位错移动了一个原子间距，而位错中心附近的少数原子只做远小于一个原子间距的弹性偏移，而晶体其他区域的原子仍处于正常位置，即位错仅需要一个很小的切应力即可实现，这就是实际滑移的切应力小于理论切应力τ的原因。k1.2位错的增殖随着塑性变形过程的进行，晶体中的位错数目会越来越多，因为晶体中存在着在晶体塑性变形过程中不断增殖位错的位错源。常见的一种位错增殖机制是弗兰克—瑞德拉位错源机制。1.3位错的交割与塞积晶体的滑移实际上是源源不断的位错沿滑移面的运动，在滑移时由于各滑移面相交，因而不同滑移面上运动着的位错必然会相遇，发生相互交割。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互交割。在上图中可以看到在竖直平面上刃型位错XY的柏氏矢量，水平面上的刃型位错AB的柏氏矢量。两个柏氏矢量相互垂直，若XY向下运动与AB发生交割，XY扫过的区域，其滑移所在的竖直面两侧的晶体将发生距离为的相对位移，因此交割后，在位错线AB上产生PP′的台阶，显然PP′的大小和方向取决于。由于位错的柏氏矢量的守恒性PP′的柏氏矢量仍为垂直于PP′，因而仍是刃型位错，并不在原位错线的滑移面上，故为割阶，而位错XY由于平行与AB的柏氏矢量交割后不会再XY上形成割阶。1b2b1b1b2b此外，还有忍型位错与螺型位错、螺型位错与螺型位错的交割，其结果都是形成割阶。这一方面增加了位错线的长度，另一方面导致带割阶的位错运动困难，从而成为后续位错运动的障碍。这就是多滑移加工硬化效果较大的原因。在切应力作用下，弗兰克—瑞德拉位错源所产生的大量的位错沿滑移面运动过程中，如遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界等）领先的位错在障碍前被阻止，后续位错被堵塞起来，结果形成位错的平面塞积群，并在障碍物前形成高度的应力集中，这就是位错的塞积。70.5°位错塞积最大应力面二、多晶体塑性变形的位错机制多晶体的塑性变形主要受两个方面的影响，一方面由于晶界的存在使变形晶粒中的位错在晶界处受阻（即形成位错的塞积），每一个晶粒中的滑移带也都终止在晶界附近；另一方面由于各晶粒间存在位向差，为了协调变形要求每一个晶粒必须进行多滑移，而多滑移必然发生位错的相互交割，这两方面将大大提高金属材料的强度。显然晶界越多，即晶粒越细小，则强化效果越显著，而这种用细化晶粒而增加晶界来提高金属强度的方法就成为细晶强化。多晶体塑性变形的特点：1.各晶粒塑性变形的不同时性；2.各晶粒在变形时的相互协调性；3.塑性变形的不均匀性。这是因为多晶体塑性变形要受到晶界的阻碍和位向不同晶粒的影响；任何一个晶粒的塑性变形都不是处于独立的自由变形状态，需要周围的晶粒同时发生相应的变形来配合，以保持晶粒间的结合和整个物体的连续性。多晶体中各晶粒的位向是不同的，各个滑移的方向也是不同的，在外加拉伸应力的作用下，各滑移系上的分切应力很大。当位向最有利的晶粒发生塑性变形时，这就意味着在它的滑移面上的位错源开动，位错不断地在滑移面上向前运动，但周围晶粒的位向不同，滑移系也不同，运动着的位错不能越过晶界，滑移系就不可能发展到另一个晶粒中。位错就会在晶界处形成平面塞积群，这样就会造成很大的应力集中。在外加应力及已滑移晶粒内位错平面塞积群所造成的应力集中作用下就会有越来越多的晶粒发生塑性变形。例如下图是双晶粒的拉伸变形，由于在晶界附近的滑移受阻，变形量较小，而晶粒内部的塑性变形较大，整个晶体的变形是不均匀的。所以呈现出竹节状。下图是由于位错塞积而在晶界处产生的竹节效应Ni3Al+0.1%B合金拉伸时滑移带终止于晶界三、合金的塑性变形根据合金的组织可以将合金分为两类，一是具有以基体金属为基的单相固溶体组织，称为单相固溶体；二是加入的合金元素量超过了它在基体金属中的饱和溶解度，在显微组织中除了以基体组织为基的固溶体外，还出现了第二相（各组元形成的化合物或以合金元素为基形成的另一固溶体）构成了多相合金。3.1单相固溶体合金的塑性变形由于单相固溶体合金的显微组织与多晶体纯金属相似，其塑性变形也基本相似，但由于固溶体中存在着溶质原子，使得合金强度、硬度提高；塑性、韧性有所下降。这是因为合金中产生了固溶强化。合金产生固溶强化的原因，一是固溶体溶质与溶剂原子半径差所引起的弹性畸变与位错之间产生的弹性交互作用对滑移面上运动着的位错有阻碍作用；二是在位错线上偏聚的溶质原子对位错的钉扎作用。例如正刃型位错的上半部分晶格受到挤压而处于压应力状态，位错线的下半部分被拉开而处于拉应力状态，比溶剂原子大的置换原子及间隙原子往往会扩散至位错线下方受拉应力的部位，比溶剂原子小的置换原子扩散至上方受拉应力的部位，这样偏置于位错周围的溶质原子好像形成了一个溶质原子“气团”，称为“柯氏气团”。柯氏气团的形成减少了晶格畸变，降低了溶质原子与位错的弹性交互作用能，使位错处于较稳定的状态，从而减少了可动位错的数目，这就是钉扎作用。若要使位错线运动，脱离开气团的钉扎，就需要更大的外力，从而增加了固溶体合金抵抗塑性变形的能力。3.2多相合金塑性变形与位错机制多相合金的组织主要分为两类：一两相的晶粒尺寸相近，两相的塑性也相近；二是有塑性较好的固溶体基体及其上分布的硬脆第二相组成，这类合金除具有固溶体强化效果外，还有因第二相的存在而引起的第二相强化。位错对多相合金塑性的影响主要体现在合金中的硬脆相在塑性相中呈颗粒状分布的合金中。一般来说，颗粒状的硬脆相对塑性的危害比针状和片状要小。倘若第二相的弥散粒子均匀分布在塑性基体上，则可显著提高强度，这种强化的原因是由于弥散细小的第二相粒子与位错的交互作用阻碍了位错的运动，从而提高了金属的塑性变形抗力。根据两者相互作用的方式，主要有两种强化机制。1.位错绕过第二相粒子在滑移面上运动着的位错遇到坚硬不变形的并且比较粗大的第二相粒子时，将受到粒子的阻碍而弯曲，随外加应力的增加，位错线受阻部分弯曲加剧，以至围绕粒子的位错线在左右两边相遇时正负位错彼此抵消，形成包围着粒子的位错环而留下，其余部分位错线继续前进。位错绕过第二相的运动机制示意图粒子位错线λ位错环位错环abcdNi合金中位错绕过Ni3Al相的电镜照片位错绕过间距为λ的第二相粒子时，所需要的切应力为：τ=Gb/λ,其中G为切变模量，b为柏氏矢量，λ为两粒子间距由上式可以看出λ越小强化作用越大。第二相粒子是可借助粉末冶金的方法加入机体而起强化作用的，这种强化机制成为弥散强化。当过饱和固溶体进行时效处理时，可以得到与基体非共格的析出相，此时位错也是以绕过机制通过障碍的，这也称为弥散强化。2.位错切过第二相粒子若第二相粒子为硬度不是太高，尺寸也不很大的可变形的第二相粒子时或是过饱和固溶体时效处理初期产生的共格析出相，则运动着的位错与其相遇时将切过粒子与基体一起变形。位错切过第二相粒子时必须做而外的功，消耗足够大的能量，从而提高合金的强度，这被称作是沉淀强化。适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形Mg-0.5Zn-0.5Zr-2.2Nd-4.0Y合金中相质点被运动位错所切割滑移面位错B(b)50nm位错切割Al－Li合金中Al3Li相的电镜照片Thanks