材料的塑性变形

第五章材料的变形与再结晶5.2材料的塑性变形•单晶体的塑性变形•多晶体的塑性变形•合金的塑性变形•塑性变形对材料组织和性能的影响第五章材料的变形与再结晶5.2.1单晶体的塑性变形塑性变形是永久性变形。•常温或低温下，单晶体的塑性变形主要有滑移、孪生，还有扭折。第五章材料的变形与再结晶1.滑移(1)滑移的显微观察由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。右下图铜中的滑移带（500×）第五章材料的变形与再结晶（2）滑移线和滑移带•滑移带（slipband）是由一系列相互平行更细的线组成的。这些线为滑移线（slipline）。滑移线实际上是在晶体表面产生的小台阶。•下图滑移线和滑移带示意图第五章材料的变形与再结晶（3）滑移系•滑移是沿着特定的晶面(称为滑移面slipplane)和晶向(称为滑移方向slipdirection)上运动。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。•滑移系的个数=(滑移面个数）×（每个面上所具有的滑移方向的个数）第五章材料的变形与再结晶•结论:①滑移与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向。如fcc：｛111｝110；bcc：｛110｝、｛112｝和｛123｝111；hcp：｛0001｝11-20②滑移系主要与晶体结构有关。每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系，且滑移系数量不同。晶体结构不同，滑移系不同；一般晶体中滑移系越多，滑移越容易进行，塑性越好。如：fcc中有（6×2＝）12个,bcc中有12（6×2＋12×1＋24×1＝48）个，hcp中有（3×1＝）3个。与同时开动滑移系数目有关（k）第五章材料的变形与再结晶三种常见金属晶体结构的滑移系第五章材料的变形与再结晶（4）滑移的临界分切应力（τk）•能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。通常把给定滑移系上开始产生滑移所需分切应力称为滑移的临界分切应力（criticalresolvedshearstress）。第五章材料的变形与再结晶•计算方法（计算分切应力的分析图）:对一个单晶圆柱体(截面积为A)试样作拉伸试验，滑移面的面积A/cosφ,作用在此滑移面上的力Fcosλ,作用在滑移面上的分切应力τ=Fcosφcosλ/A.分切应力τ作用在滑移方向使晶体产生滑移，F/A为σs，则：τk=σscosφcosλcosφcosλ为取向因子（orientationfactor），该值越大，τ越大，越有利于滑移。在拉伸时，可以粗略认为金属单晶体在外力作用下，滑移系一开动就相当于晶体开始屈服，此时，对应于临界分切应力的外加应力就相当于屈服强度σS第五章材料的变形与再结晶•当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，则φ=45º时，cosφcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂直时（φ=90º或φ=0º），则σs→∞，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。•取向因子cosφcosλ对σs的影响在只有一组滑移面的密排六方结构中尤为明显。第五章材料的变形与再结晶（5）滑移时晶体的转动随着滑移的进行，晶体的取向发生改变的现象称为晶体的转动。对于密排六方结构结构，这种现象尤为明显。拉伸时，滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线方向。压缩时，滑移面逐渐趋于与压力轴线方向垂直。滑移时不仅滑移面发生转动，而滑移方向也逐渐改变，滑移面上的分切应力也随之改变。φ=45º时分切应力最大。经滑移转动后，若φ角趋近于45º，则分切应力逐渐增大，滑移越来越容易，称为几何软化(geometricalsoftening)；若φ角远离45º，则滑移越来越困难，称为几何硬化(geometricalhardening)。第五章材料的变形与再结晶（6）多系滑移•单滑移：只有一个特定的滑移系处于最有利的位置而优先开动时，形成单滑移。多滑移（multislip/polyslip）—由于变形时晶体转动的结果，有两组或几组滑移面同时转到有利位向，•例如fcc中滑移系：{111}110，4个{111}面构成一个八面体，当拉力轴为[001]时，由图中可以得出：①对所有的{111}面，角都是相同的，为54.7º。②λ角对[T01]、[101]、[011]、[0T1]也是相同的，为45º。③锥体底面上的两个110方向与[001]垂直,则8面体上有4×2=8个取向因子相同的滑移系，当τ=τk时可同时开动。但这些滑移系由不同的滑移面和滑移方向构成，滑移时发生交互作用，产生交割和反应。•等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。•交滑移（cross-slip）：指两个或多个滑移面共同沿着一个滑移方向的滑移。交滑移的实质是螺位错在不改变滑移方向的情况下，从一个滑移面滑到交线处，转到另一个滑移面的过程。bcc结构中最易发生交滑移。•注意多系滑移和交滑移的区别？第五章材料的变形与再结晶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。第五章材料的变形与再结晶第五章材料的变形与再结晶（7）滑移中的位错机制滑移是借助于位错在滑移面上运动来逐步进行的；晶体的滑移必在一定外力作用下才能发生，说明位错运动要克服阻力，该阻力来自点阵阻力，称为P—N力，其大小为：τP－N=2Gexp（－2пW/b）/（1－ν）τP－N与W呈指数关系，d增大，w[=d/（1－ν）]增大，b减小，则τP－N下降，滑移阻力小,滑移容易进行。位错的阻力：点阵阻力、位错间的交互作用力产生的阻力、位错交割后的钉扎作用、位错与其他点缺陷的作用产生的阻力。这些均导致位错的强化。第五章材料的变形与再结晶刃位错的滑移示意图刃位错和螺位错的滑移模型第五章材料的变形与再结晶2.孪生(1)孪生变形：是在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面(孪晶面：twiningplane)和一定方向(孪生方向；twiningdirection)相对于另一部分作均匀的切变（协同位移）所产生的变形。但是不同的层原子移动的距离也不同。变形与未变形的两部分晶构成镜面对称,合称为孪晶（twin）。均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界。第五章材料的变形与再结晶FCC晶体孪生变形•FCC晶体的孪生面是（111），孪生方向是[11-2]。图2是FCC晶体孪生示意图。fcc中孪生时每层晶面的位移是借助于一个不全位错（b=a/6[11-2]）的移动造成的，各层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。孪晶在显微镜下观察呈带状或透镜状。每层（111）面的原子都相对于邻层（111）晶面在[11-2]方向移动了此晶向原子间距的一个分数值。•右图2中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。如把孪晶以孪晶面上的[11-2]为轴旋转180度，孪晶将与基体重合。其他晶体结构也存在孪生关系，但各有其孪晶面和孪晶方向。第五章材料的变形与再结晶铜中的变形孪晶锌中的变形孪晶第五章材料的变形与再结晶第五章材料的变形与再结晶(2)孪生的特点①孪生变形是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻的应力集中区。因此孪生的τk比滑移大得多。hcp中常以孪生方式变形，bcc中在冲击或低温也可能借助于孪生变形，fcc中一般不发生孪生变形。②孪生是一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作均匀切变。而滑移是不均匀的。③孪生的两部分晶体的位向不同，形成镜面对称的位向关系。而滑移后晶体各部分的位向并未改变。第五章材料的变形与再结晶④孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多。但孪生能改变晶体取向，使滑移转到有利位置。⑤由于孪生变形后，局部切变可达较大数量，所以在变形试样的抛光面上可以看到浮凸，经重新抛光后，表面浮凸可以去掉，但因已变形区和未变形区的晶体位向不同，所以在偏光下或侵蚀后有明显的衬度，仍能看到孪晶。而滑移变形后的试样经抛光后滑移带消失。形变孪晶常见于密排六方和体心立方晶体（密排六方金属很容易产生孪生变形），面心立方晶体中很难发生孪生。第五章材料的变形与再结晶(3)孪晶的类型及形成按孪晶（twin）形成原因可将孪晶分为：变形孪晶（deformationtwinning）、生长孪晶、退火孪晶①变形孪晶(机械孪晶)：机械变形产生的孪晶。特征：透镜状或片状。其形成通过形核和长大两个阶段生产。形核是在晶体变形时以极快速度爆发出薄片孪晶；生长是通过孪晶界的扩展使孪晶增宽。孪生变形在σ—ε曲线上表现为锯齿状变化，如下图。孪生变形与晶体结构类型有关。hcp中易发生，fcc一般不易发生，但在极低温度下才会产生。②生长孪晶：晶体自气态，液态，或固体中长大时形成的孪晶。③退火孪晶：形变金属在其再结晶过程中形成的孪晶。第五章材料的变形与再结晶(4)孪晶的位错机制•孪生变形（deformationtwinning）是整个孪晶区发生均匀切变，其各层面的相对位移是借助于一个Shockley不完全位错移动而造成的。•形变孪晶是通过位错增值的极轴机制形成的。(如：L型扫动位错)第五章材料的变形与再结晶3.扭折（link）•扭折与孪生不同的是它使扭折区晶体的取向发生了不对称性的变化。•扭折区上下界面是由符号相反的两列刃型位错所构成，而每一弯曲区是由同号位错堆积而成，取向是逐渐弯曲过渡的。扭折还伴随形变孪晶。•扭折是不均匀塑性变形的一种形式，它是在滑移和孪生难以实现，或者在变形受到某种约束时才出现的。在扭折带中，晶体位向有突变，有可能使该区域内的滑移系处于有利的位置，从而产生滑移。第五章材料的变形与再结晶4.位错塞积•在切应力的作用下，F－R位错源所产生的大量位错沿滑移面的运动过程中，如果遇到障碍物（固定位错、杂质粒子、晶界）的阻碍，领先的位错在障碍前被阻止，后续的位错被堵塞起来。形成位错的平面塞积群，称为位错塞积。•位错塞积群的位错数n与障碍物至位错源的距离L呈正比。塞积群在障碍处产生高度应力集中，其值τ为：τ=nτ0•τ0为滑移方向的分切应力值。L越大，n越多，τ越大。第五章材料的变形与再结晶5.2.2多晶体的塑性变形1.晶粒取向的影响晶界具有阻滞效应：90%以上的晶界是大角度晶界，其结构复杂，由约几个纳米厚的原子排列紊乱的区域与原子排列较整齐的区域交替相间而成，这种晶界本身使滑移受阻而不易直接传到相邻晶粒，晶界附近变形较晶粒内部小。原因(1)晶界的特点：原子排列不规则,分布有大量缺陷。(2)晶界对变形的影响:滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。晶界具有取向差效应：多晶体中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延续到另一晶粒中。第五章材料的变形与再结晶在变形过程中各晶粒具有相互制约和协调性。在多晶体中，外力作用下处于有利位向的晶粒首先滑动→位错开动，增殖→晶界上位错塞积→应力集中（ττk）→相邻晶粒位错源开动→相邻晶粒变形→塑变，各晶粒间变形而得到相互协调与配合。原因：（1）各晶粒之间变形具有非同时性。（2）要求各晶粒之间变形相互协调否则独立变形会导致晶体分裂。（3）理论分析指出，多晶体塑性变形时要求每个晶粒至少能在5个独立的滑移系进行滑移，保证晶粒形状的自由变化。能否满足该要求与晶体的结构类型有关。第五章材料的变形与再结晶2.晶界对性能的影响晶界对晶粒变形具有阻碍作用。拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状，每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积，塞积数目n为：n=kлτ0l/Gb第五章材料的变形与再结晶位错塞积，密度增高，材料强度提高。因此，晶粒越细，晶界越多，材料强度（包括σs，σb，σ-1）越高，塑性较好，称为细晶强化（grainsizestrenthing），其σs与d关系如下：σs=σ0＋kd-1/2Hall－Petch公式晶粒直径（μm）400501052下屈服点（KN/m2）8612118024234510钢σs与晶粒