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1、第4章 晶体的塑性变形第1页，本讲稿共15页第一节第一节 派派-纳力和起始塑性变形抗力纳力和起始塑性变形抗力n位错宽度和派位错宽度和派-纳纳(P-N)(P-N)力力位错宽度位错宽度w晶体中已滑移部分和未滑移部分间的过度区规定：位错中心两侧原子列偏离平衡位置b/4的原子列间距离位错宽度越宽，位错运动所需克服的能垒越小位错宽度越宽，位错运动所需克服的能垒越小 a)位错宽度位错宽度w 大大 b)位错宽度位错宽度w 小小 c)能量能量-位移关系曲线位移关系曲线第2页，本讲稿共15页派派-纳纳(Peierls-Nabarro:P-N)(Peierls-Nabarro:P-N)力或力或晶格阻力位错在点阵周
2、期场中运动所需克服的阻力结论：位错宽度越窄，力越大，晶体的塑性越差。与金属晶体相比，共价键晶体和离子键晶体的位错宽度大（由于键角、键长和键的方向性等难以改变。b（原子间距）最小、a（面间距）最大时，力最小。位错在密排面的密排方向上运动，阻力最小。位错宽度窄的晶体的屈服或流变应力对温度及应变速率敏感性大。晶体起始塑性变形抗力实际晶体开始开始塑性变形的应力（屈服应力）晶体起始塑性变形抗力实际晶体开始开始塑性变形的应力（屈服应力）起始塑性变形抗力与位错间的交互作用、位错与其它缺陷和第二相间的交互作用、力等因素有关。第3页，本讲稿共15页第二节第二节 屈服和位错增殖屈服和位错增殖n屈服降落产生上下屈服
3、点的现象屈服降落产生上下屈服点的现象屈服降落是在各类晶体中普遍存在的现象n柯氏气团与屈服降落柯氏气团与屈服降落解释低碳钢的上下屈服点的现象解释低碳钢的上下屈服点的现象柯氏气团难以解释的现象柯氏气团难以解释的现象不形成柯氏气团的晶体中（Si、Ge、LiF、铜晶须）也会出现屈服降落。按照柯氏气团理论，温度越低位错被钉扎的越强烈，但实际位错被钉扎的强弱程度不随温度变化。按照柯氏气团理论，上屈服点应是位错脱钉应力，但电镜观察表明，开始屈服后位错大量增殖。柯氏气团不是发生屈服降落的必要条件。柯氏气团不是发生屈服降落的必要条件。解释屈服降落的普遍理论解释屈服降落的普遍理论屈服降落的必备条件.变形前晶体的可
4、动位错密度低；.变形后位错能快速增殖；.在下式中，m要小：第4页，本讲稿共15页屈服降落的普遍理论屈服降落的普遍理论.拉伸时的应变速率：拉伸时的应变速率：.定性解释定性解释 由上式可知，以一定的速度拉伸时，当可动位错密度 很小时位错为适应变形速率必须作高速运动，若晶体的m（速度的应力敏感系数）值小则外加应力必须很大，才可产生屈服，屈服后晶体中就有大量的位错增殖，可动位错密度 增加后为保持应变速率 稳定，位错运动速率 必须降低，从而使所需外加应力 也随之降低，出现屈服降落。.应力敏感系数应力敏感系数m对屈服降落的影响对屈服降落的影响材料的m越小，屈服降落越明显第5页，本讲稿共15页第三节第三节
5、单晶体的滑移变形单晶体的滑移变形密排六方（密排六方（hcp)晶体金属的滑移晶体金属的滑移理想的密排六方（hcp)晶体（c/a=1.633)的滑移系：（）c/a接近或大于1.633的密排六方金属(Mg(1.624);Zn(1.856);Cd(1.885)的滑移系：（）滑移系少，加工硬化速率低加工硬化速率低 c/a小于1.633的密排六方金属(Ti(1.587);Zr(1.5)的滑移系：基面已不是唯一的密排面，棱柱面和棱 锥面密排程 度与基面相近棱柱面和 棱锥面也是滑移面，滑移 方向不变滑移系多，加工硬化速率大加工硬化速率大第6页，本讲稿共15页n面心立方面心立方(fcc)晶体金属的滑移晶体金属的
6、滑移 滑移面：滑移面：111；滑移方向：；滑移方向：110 特点：滑移系多，可进行单滑移、双滑移或多滑移，取决于外力轴的取向特点：滑移系多，可进行单滑移、双滑移或多滑移，取决于外力轴的取向 n体心立方体心立方(bcc)晶体金属的滑移晶体金属的滑移 滑移面：滑移面：110、112、123；滑移方向：；滑移方向：111 第7页，本讲稿共15页特点：不服从特点：不服从Schmid定律和滑移的非对称性。定律和滑移的非对称性。不服从不服从Schmid定律的两种表现：定律的两种表现：不同温度在不同晶向上做拉力试验，不同温度在不同晶向上做拉力试验，当当Schmid因子最大时，临界分切应因子最大时，临界分切应
7、 力并不是最大，而且也不是常数力并不是最大，而且也不是常数。同样晶向上拉伸与压缩的临界切应力不相等同样晶向上拉伸与压缩的临界切应力不相等 表明位错运动在正反方向上的阻力不同表明位错运动在正反方向上的阻力不同第8页，本讲稿共15页第四节第四节 多晶体的变形多晶体的变形影响多晶体变形的两个因素：晶界和晶体（粒）位向影响多晶体变形的两个因素：晶界和晶体（粒）位向n晶体位向的影响晶体位向的影响 晶粒间变形要协调，至少应有晶粒间变形要协调，至少应有5个独立的滑移系。个独立的滑移系。面心和体心立方金属滑移系多可满足要求面心和体心立方金属滑移系多可满足要求5个独立的滑移系的变形协调条件。个独立的滑移系的变形
8、协调条件。密排六方金属滑移系少，为了实现变形协调密排六方金属滑移系少，为了实现变形协调:柱面和棱锥面参与滑移；柱面和棱锥面参与滑移；产生孪生变形产生孪生变形n晶界的影响晶界的影响 位错在晶界上的塞积位错在晶界上的塞积 位错运动受到晶界的阻止，在晶界前塞积，形成塞积群。位错在塞积群中的位错运动受到晶界的阻止，在晶界前塞积，形成塞积群。位错在塞积群中的 分布是不均匀的，离晶界越近排列越密。分布是不均匀的，离晶界越近排列越密。塞积群的长度塞积群的长度L等于晶粒直径等于晶粒直径D的一半：的一半：L=D/2 第9页，本讲稿共15页设：塞积群中有设：塞积群中有n个位错，在外力个位错，在外力作用下，晶界对领
9、先位错的作用力作用下，晶界对领先位错的作用力B，则则 B=n n 可知在外力可知在外力作用下在晶界附近引起的作用下在晶界附近引起的应应力集中是外力力集中是外力的的n倍。倍。塞塞积积位位错产错产生的生的应应力集中的作用：力集中的作用：激发相邻晶粒位错源的开动，使变形由一个晶粒传播到另一个晶粒激发相邻晶粒位错源的开动，使变形由一个晶粒传播到另一个晶粒 当当B在相在相邻邻晶粒滑移方向上的分切晶粒滑移方向上的分切应应力力 达到达到临临界切界切应应力力c时时，相，相邻邻晶粒的位晶粒的位错错源开源开动动。产生生解理裂纹，松弛应力。产生生解理裂纹，松弛应力。晶界发射位错晶界发射位错 晶界除了阻碍位错运动造成
10、位错塞集外，还可以自身发射位错。晶界除了阻碍位错运动造成位错塞集外，还可以自身发射位错。第10页，本讲稿共15页第五节第五节 温度和应变速率对流变应力的影响温度和应变速率对流变应力的影响流变应力的组成流变应力的组成 流变应力随温度升高或应变速率降低而减小流变应力随温度升高或应变速率降低而减小.温度达到某一临界值后温度达到某一临界值后,流变应力不在变化。流变应力不在变化。流变应力的组成流变应力的组成 第11页，本讲稿共15页n面心面心 与体心立方金属的流变应力与体心立方金属的流变应力 体心立方金属单晶体体心立方金属单晶体(Nb)：滑移的临界切应力随温度变化强烈 温度升高到某一温度（423K）时易
11、滑移阶段消失 第二阶段硬化率不随温度变化 面心立方金属单晶体面心立方金属单晶体(Cu)：滑移的临界切应力几乎不随温度而变化 第二阶段硬化率随温度而变化 由于上述差别由于上述差别,它们的拉伸塑性随温度的变化不同它们的拉伸塑性随温度的变化不同:体心立方金属体心立方金属:温度降低,塑性减少;面心立方金属面心立方金属:温度降低,塑性反而增加 第12页，本讲稿共15页第六节第六节 孪生变形孪生变形形变孪晶在塑性变形中的作用形变孪晶在塑性变形中的作用 面心立方金属面心立方金属 一般很难产生孪生变形，如纯铜在4K下才发生孪生变 形。但低层错能的面心立方金属，如不锈钢、高锰钢等在室温下变形，可出 现大量的孪晶
12、。体心立方和密排六方金属体心立方和密排六方金属 密排六方金属独立滑移系只有2个，为了协调变形，一般滑移和孪晶同时进行。体心立方金属，在冲击载荷及低温时易发生孪晶变形。孪晶变形的特点孪晶变形的特点 临界切应力随温度升高而增加；临界切应力随温度升高而增加；在给定温度下，增加应变速率使流变应力减少；在给定温度下，增加应变速率使流变应力减少；加工硬化率随温度升高而增加；加工硬化率随温度升高而增加；引起很高的加工硬化率，由此带来高的均匀伸长率。引起很高的加工硬化率，由此带来高的均匀伸长率。孪晶的形核与生长孪晶的形核与生长 细晶粒阻碍孪晶的产生：细晶粒阻碍孪晶的产生：孪晶形核需要有高的应力集中，而细晶粒产
13、生的应力较小；孪晶形核需要有高的应力集中，而细晶粒产生的应力较小；晶界是孪晶生长的障碍。晶界是孪晶生长的障碍。孪晶在高应力孪晶在高应力 集中区形核，形核速度极快集中区形核，形核速度极快 孪晶在低应力下生长，应力孪晶在低应力下生长，应力-应变曲线上呈锯齿状应变曲线上呈锯齿状第13页，本讲稿共15页n孪晶变形机制孪晶变形机制 极轴位错机制极轴位错机制-在孪晶面上的可动不全位错绕在孪晶面上的可动不全位错绕 一极轴位错连续扫过平行的孪晶面。一极轴位错连续扫过平行的孪晶面。体心立方晶体的孪晶变形过程体心立方晶体的孪晶变形过程 孪晶系孪晶系112111。在各。在各112上有柏氏矢量为上有柏氏矢量为1/61
14、11的位错，在各层上面移动，的位错，在各层上面移动，就形成了孪晶，如下图：可动位错就形成了孪晶，如下图：可动位错1/6111，极轴位错在孪晶面法线上的分量为，极轴位错在孪晶面法线上的分量为a/6121，等于孪晶面的面间距，等于孪晶面的面间距。第14页，本讲稿共15页 面心立方晶体的孪晶变形过程面心立方晶体的孪晶变形过程 孪晶系孪晶系111112。孪晶面就是滑移面，其上肖克莱位错。孪晶面就是滑移面，其上肖克莱位错a/6112的运动就可产生孪的运动就可产生孪晶，如下图：（晶，如下图：（111）上有柏氏矢量为）上有柏氏矢量为a/6112的位错，在各层上面移动，就形成了孪晶。的位错，在各层上面移动，就形成了孪晶。面心立方晶体的孪晶也可照极轴位错机制的方式产生，在面心立方晶体的孪晶也可照极轴位错机制的方式产生，在111方向有一极轴位错，方向有一极轴位错，b=a/3111（螺位错），肖克莱位错（螺位错），肖克莱位错a/6112 绕其连续运动，也可产生孪晶。绕其连续运动，也可产生孪晶。极轴位错机制可解释孪晶的高生长速率和孪晶形核需要的较高应力，但极轴位错机制未在电镜中得到证实。极轴位错机制可解释孪晶的高生长速率和孪晶形核需要的较高应力，但极轴位错机制未在电镜中得到证实。第15页，本讲稿共15页