滑移和孪生-范性形变

第3章晶体的范性形变昆明理工大学材料科学与工程学院/材料学系孟彬晶体单晶体多晶体单晶体的范性形变多晶体的范性形变材料科学基础/FundamentalsofMaterialsScienceChapter3Plasticdeformationofcrystals2020/1/171讲授提纲3.1概述3.2滑移、滑移系和Schmid定律3.3孪生3.4多晶体的范性变形3.5范性形变对材料组织及性能的影响3.6材料的断裂2020/1/1723.1范性形变概述E1.弹性变形2.塑性变形一.基本概念延伸率：ε=(l-l0)/l0断面收缩率:ψ=(A0-Af)/A0Gσ0σsσeacbdσbkε低碳钢的拉伸应力－应变曲线3.断裂2020/1/1733.1范性形变概述E1.弹性变形2.塑性变形一.基本概念退火纯铜的拉伸曲线延伸率断面收缩率G3.断裂2020/1/1743.1范性形变概述一.基本概念金属材料和陶瓷材料的应力-应变曲线差异2020/1/1753.1范性形变概述二.单晶体范性变形的基本形式虽然从宏观上看，固体范性变形的方式很多，但从微观角度，单晶体范性变形的基本方式只有两种：1.滑移:2.孪生:2020/1/1763.2滑移、滑移系和Schmid定律在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。1.定义：一.滑移2.滑移系：上述滑移面和位于滑移面上的滑移方向便组成滑移系，用{hkl}uvw表示；2020/1/1773.2滑移、滑移系和Schmid定律3.滑移的表象：滑移线和滑移带滑移带和滑移线示意图一.滑移光镜下：滑移带电境下：滑移线2020/1/1783.2滑移、滑移系和Schmid定律二.滑移系2.滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。想想这是为什么？1.一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格{110}{111}{110}{111}晶格滑移面滑移方向滑移系三种典型金属晶格的滑移系2020/1/1793.2滑移、滑移系和Schmid定律5.滑移系首先取决于晶体结构，也和温度、合金元素等因素有关。二.滑移系4.在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。3.滑移的分类：多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。双滑移：单滑移：2020/1/1710式中：1.决定晶体能否开始滑移的关键在于作用于滑移面上的切应力是否达到临界值；假设有一正断面为A0的单晶试棒进行拉伸试验，假定拉力F和滑移面法线n的夹角为φ，F和滑移方向b的夹角为λ，则有作用在滑移面上沿滑移方向的分切应力为：3.2滑移、滑移系和Schmid定律0FAcoscos三.Schmid定律单晶试棒的单向拉伸00coscoscoscoscoscosFFAA为拉伸应力称为取向因子或Schmid因子2020/1/17113.2滑移、滑移系和Schmid定律c三.Schmid定律之后，Schmid采用同种材料但不同取向（不同μ值）的单晶体试棒进行拉伸，结果发现，尽管不同试棒的μ值不同，但开始滑移时的分切应力都相同，等于某一确定值τc，即：称为临界分切应力，它是个材料常数。上式即为Schmid定律，它可以表述为：当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体开始滑移。其中：c2020/1/17123.2滑移、滑移系和Schmid定律三.Schmid定律cSchmid的实验结果2020/1/1713三.Schmid定律特殊方向上的实际切应力2020/1/17143.2滑移、滑移系和Schmid定律三.Schmid定律c根据取向因子的大小，滑移方向可分为：软位向和硬位向；在加载过程中首先发生滑移的必然为取向因子大的滑移系，如果有两个或多个滑移系具有相同的取向因子，则它们都时开动，称为多滑移，否则叫单滑移；2020/1/17153.2滑移、滑移系和Schmid定律四.滑移过程中晶体的转动晶体在拉伸过程中的转动示意图(a)拉伸前示意图；(b)自由滑移过程的变形；(c)受夹头限制时的变形；2020/1/17163.2滑移、滑移系和Schmid定律四.滑移过程晶体的转动机制00coscoscoscoscoscosFFAA几何软化现象：在单晶体拉伸试验初期，由于晶体位向的不断变化，拉应力F会随着变形量的增加而减小，称为几何软化现象；2020/1/17173.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移的位错机制①理想单晶体滑移变形示意图②实际单晶体滑移变形示意图未变形弹性变形弹塑性变形塑性变形2020/1/17183.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移的位错机制2020/1/17193.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移的位错机制2020/1/17203.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移的位错机制2020/1/17213.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移的位错机制2020/1/17223.2滑移、滑移系和Schmid定律2020/1/17233.2滑移、滑移系和Schmid定律五.滑移过程的次生现象晶面弯曲由于局部区域的微观缺陷、杂质等的阻碍作用，滑移面发生弯曲。形变带由于局部区域存在杂质和各种缺陷，这些区域的转动就受到阻碍，其转角小于远离杂质和缺陷的区域。转角不同的区域就有位向差，因而在显微镜下存在反差(衬度)。弯折带沿六方系金属(锌或镉)单晶在C轴压缩时会发生扭折现象。此时滑移和转动仅发生在—个狭窄的带状区域，这个带状区域就叫扭折带，如图所示。扭折带也可以看成是一种特殊的形变带—转动都集中在带内，带外各部分既不滑移，也不转动。2020/1/17243.2滑移、滑移系和Schmid定律六.单晶体的硬化曲线在滑移过程中由于晶体内部结构(主要是位错的密度、分布和性质等)的变化，继续维持滑移所需的切应力(也称为流变应力)随切应变γ而不断增加的现象；1.物理硬化描述单晶体硬化行为的曲线就是硬化曲线。通常用晶体在拉伸时的切应力－切应变曲线或τ－γ示出。2.物理硬化2020/1/17253.2滑移、滑移系和Schmid定律六.单晶体的硬化曲线FCC晶体的硬化曲线a).硬化量：τh，其值为流变应力τ与临界分切应力τc的差值，即τh=τ-τc。3.表示单晶体硬化的量b).硬化率：dτ/dγ；4.硬化曲线的3阶段第一阶段是易滑移阶段，dτ/dγ非常小；第二阶段是线性硬化阶段，dτ/dγ为一恒定的最大值；第三阶段是抛物线硬化阶段，dτ/dγ随着γ增加而减小。2020/1/17263.2滑移、滑移系和Schmid定律六.单晶体的硬化曲线a).硬化曲线各阶段的范围和斜率随金属而异。即使是同一材料，硬化曲线也和晶体的位向有关，此外，硬化曲线也和温度、合金元素等因素有关(温度升高，硬化曲线斜率减小、合金元素的加入往往可以增加硬化率)。b).在不同阶段，样品表面形貌也不同。在第一阶段，样品表面只有一些均匀分布的细小滑移线。在第二阶段则在均匀细滑移线的背景上出现不均匀分布的粗滑移带。在第三阶段出现交叉滑移带，它是交滑移的结果，因为交滑移使应力松弛，因而硬化率下降。5.硬化的机理2020/1/17273.3孪生1.定义：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称孪生。面心立方晶体的孪生过程示意图2020/1/17283.3孪生面心立方晶体的孪生过程示意图发生切变的晶体部分称为孪晶；均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界；发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面（即（111）面）；孪生面的移动方向称为孪生方向。孪生面：切变前后形状和尺寸均未发生变化的切变区和未切变区之间的界面。切变区域内，与孪生面平行的各层晶面的相对位移是一定的。2020/1/17293.3孪生2.bcc:{112}1,1,-1fcc:{111}1,1,-2hcp:{1,0,-1,2}-1,0,1,12020/1/17303.3孪生3.孪生的结构特点2020/1/17313.3孪生2020/1/17323.3孪生4.伴有孪生过程的应力应变曲线铜单晶体在4.2K的拉伸曲线2020/1/17336.5.2020/1/17347.孪生与滑移的比较(1)相同点从宏观上：两者都是晶体在切应力作用下发生的均匀剪切变形；从微观上：两者都是晶体范性变形的基本形式，是晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向平移；两者都不改变晶体结构；从变形机制上，两者都是晶体中位错运动的结果；2020/1/17357.孪生与滑移的比较(2)不同点滑移不改变位向，而孪生则改变位向；滑移时原子的位移是沿滑移方向的原子间距的整数倍，孪生时原子的位移小于原子间距；滑移时切应变为任意值，孪生时切应变位一固定值，且一般很小；从微观上看，孪生比滑移变形更均匀；滑移过程比较平缓，孪生则往往突然发生；两者发生的条件往往不同；滑移有确定的临界分切应力，孪生尚无定论；滑移是全位错运动的结果，孪生则是分位错运动的结果；2020/1/17367.孪生与滑移的区别(6)形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体，面心立方晶体中很难发生孪生，常发生滑移变形。(7)孪生形成的孪晶改变晶体位向，使新滑移系开动，间接对塑性变形做贡献；而滑移是直接产生塑性变形。2020/1/1737