金属塑性变形理论_第2讲_塑性变形物理本质

1、2022-2-241金属塑性变形理论Theory of metal plastic deformation 第二讲第二讲Lesson Two张贵杰张贵杰Zhang GuijieTel-Mail： 河北理工大学金属材料与加工工程系Department of Metal Material and Process EngineeringHebei Polytechnic University, Tangshan 0630092022-2-242第二章 金属塑性变形的物理本质 Chapter 2 Physical inbeing of metal plastic defor

2、mation主要内容主要内容Main Content 金属的晶体结构金属的晶体结构(Crystal structure) 位错理论基础位错理论基础(Dislocation theory) 单晶体塑性变形单晶体塑性变形(Monocrystal plastic deformation) 多晶体塑性变形多晶体塑性变形(Multi-crystal plastic deformation)2022-2-2432.1 金属的晶体结构 Crystal structure 基本概念 晶胞结构 实际金属的晶体结构 2022-2-244基本概念 晶体 :原子按一定的几何规律在空间作周期性排列 晶格 :用直线将原子

3、中心连接起来，构成的空间格子 空间点阵：在空间由点排列起来的无限阵列，其中每一个点都与其它所有的点都具有相同的环境。 晶胞：只包含一个阵点的六面体2022-2-245 晶界: 晶粒和晶粒之间的界面 晶面: 晶体中，由原子组成的平面 晶向: 由原子组成的直线 Grain or Crystalline StructureG r a i n BoundaryCrystals2022-2-246晶胞结构 面心立方：Al、Ni、Cu、-Fe 2022-2-247 体心立方：Cr、V、Mo、W、-Fe、-Ti 2022-2-248 密排六方：Zn、Mg、Be、-Ti、-Coc/a=1.57-1.64 20

4、22-2-249立方系的一些立方系的一些晶面指数晶面指数2022-2-2410实际金属的晶体结构 单晶体: 各方向上的原子密度不同各向异性 多晶体: 晶粒方向性互相抵消各向同性 存在着一系列缺陷: 点缺陷、线缺陷、面缺陷 2022-2-2411 材料理论强度（G/30)/Gpa实验强度/MPa理论强度/实验强度银铝铜镍铁钼铌镉镁（柱面滑移）钛（柱面滑移）铍（基面滑移）铍（柱面滑移） 2.64 2.37 4.10 6.70 7.10 11.33 3.48 2.07 1.47 3.54 10.32 10.32 0.37 0.78 0.49 3.27.35 27.5 71.6 33.3 0.57 3

5、9.2 13.7 1.37 5.2 7103 3103 8103 2103 3102 2102 1102 4103 410 3102 8103 2102一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度2022-2-2412常见的缺陷 点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。2022-2-24132022-2-2414线缺陷（位错）刃型位错刃型位错 L：位错线长度，V：体积，r：位错密度。 VLr一般退火晶体： r =106-108/cm2超薄单晶体： r 103/cm2冷变形金属： r =1011-1012/cm2 2022-2-2415M.F. Ashby and D.R.H. Jones, Engi

6、neering Materials 1, 2nd ed. (2002)2022-2-2416螺型位错2022-2-2417 混合型位错（螺型+刃型 ）2022-2-2418面缺陷 堆垛层错（堆垛层错（stacking stacking faultfault） 抽出型层错抽出型层错插入型层错插入型层错如面心立方：如面心立方：ABCA（B）CABC 抽抽出出ABC（B）ABCABC 插插入入 2022-2-2419 晶界 晶界上的原子平均能量高于晶内原子，高出的能量称为晶界能。 小角度晶界 2022-2-2420孪晶界2022-2-2421 亚晶界 扭转晶界 扭转晶界)(nu面心立方结构中的(00

7、1)面相符扭转晶界 uStrained bondBroken bond(dangling bond)Grain boundaryVoid, vacancySelf-interstitial type atomForeign impurityFig. 1.51: The grain boundaries have broken bonds, voids, vacancies,strained bonds and interstitial type atoms. The structure of the grainboundary is disordered and the atoms in th

8、e grain boundaries have higherenergies than those within the grains.2022-2-24222.2 位错理论基础 Dislocation theory柏氏矢量（Burgers Vector）和位错环 （a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中）完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。2022-2-2423（a）围绕一螺型位错的柏氏迥路；（）围绕一螺型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中）完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢

9、量。2022-2-2424混合位错(b)未滑移区(a)BbbAA滑移区B2022-2-2425位错攀移（Climb） 正攀移：位错缩短，空位迁移 负攀移：位错加长，间隙原子迁移 2022-2-2426位错交割 (a),(b) 刃型位错上的弯节；(c),(d)刃型位错和螺型位错上的割节，阴影部分为滑移面刃型+刃型 割阶 继续滑移刃型+螺型 割阶 继续滑移螺型+螺型 割阶 不能继续滑移 柏氏矢量b2022-2-2427(a)(b)(c)(d)bbb2022-2-2428位错源和位错增殖 Dislocation Loop: Frank Reed 2022-2-24292022-2-2430Frank

10、-Read sources in SiDash, Dislocation and Mechanical Properties of Crystals, Wiley (1957).2022-2-2431位错塞积 2022-2-24322.3 单晶体塑性变形机制单晶体塑性变形机制Mono-crystal plastic deformation2.3.1 滑移 滑移:晶体一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对移动和切变。产生宏观的塑性变形。 滑移面：原子排列密度最大的晶面。 滑移方向：原子排列密度最大的方向。 滑移系:一种滑移面及其上的一个滑移方向构成2022-2-2433

11、3.25% Si-Fe单晶体中的平直滑移带。单晶体中的平直滑移带。取自取自Hull,proc. Roy, Soc. A274, 5(1963). (b) 垂直于垂直于(a) 中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑中所示表面，且通过滑移带的截面示意图。每条滑移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。移带是由平行于滑移面，且紧密排列的大量滑移台阶所构成。滑移带ab2022-2-2434滑移面的表示：，分别为滑移面与晶轴的截距，为晶格常数。对于体心立方、面心立方， zyxSaSaSa2022-2-2435Gold (Au) - fcc2022-2-2436Iron (Fe), Va

12、nadium (V), Chromium (Cr) - bcc2022-2-24372022-2-2438滑移时的位错运动 一个位错移到晶体表面时，便形成一个原子间距的滑移量。同一滑移面上，有大量的位错移到晶体表面时，则形成一条滑移线。 剪切力剪切力 )1(/212vbaevGv：波松比a：滑移平面间的距离b：沿滑移方向原子间的距离 2022-2-2439临界剪切应力 晶体进入塑性时，在滑移面上，沿滑移方向的剪应力称为临界剪应力 uvw is perpendicular to (uvw)2022-2-2440sFP0coscoscoscos0skFPcoscos取向因子 滑移面和滑移方向与外力

13、成45角，为软取向否则为硬取向2022-2-2441晶面转动单晶体拉伸单晶体压缩2022-2-2442平移滑移和复杂滑移 单滑移（平移滑移） 是沿着一定的结晶面和结晶方间进行。它仅可能在最初始的塑性变形阶段发生。 铜的单滑移2022-2-2443 双滑移双滑移 所谓双滑移就是指从某一变形程度开始，同时有两个滑所谓双滑移就是指从某一变形程度开始，同时有两个滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。 2022-2-2444 多滑移多滑移 与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在各与双滑移相似，晶体在滑移过程中，如果滑移同时在各个滑移

14、系统上进行时，则称此滑移为多滑移。个滑移系统上进行时，则称此滑移为多滑移。 发生多系滑移时，在抛光的金属表面就不是平行的滑移线，而是两组或多组交叉的滑移线 2022-2-2445 交滑移交滑移 若滑移是沿两个不同的滑移面和共有的滑移方向上进行若滑移是沿两个不同的滑移面和共有的滑移方向上进行时，则称为交滑移。时，则称为交滑移。 滑移后在晶体表面上所看到的滑移线不再是直线而呈折线或波纹状 2022-2-24462.3.2 孪生 面心立方晶体孪生变形示意a) 孪生面和孪生方向 b) 孪生变形时原子的移动孪生面孪生面孪生方向孪生方向孪生区域2022-2-2447 孪生：晶体在切应力的作用下，其一部分孪

15、生：晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互对称的位置。与原晶体的位向处于相互对称的位置。 2022-2-2448在孪生变形时，所在孪生变形时，所有平行于孪生面的有平行于孪生面的原子平面都朝着一原子平面都朝着一个方向移动。每一个方向移动。每一晶面移动距离的大晶面移动距离的大小与它距孪生面的小与它距孪生面的距离成正比。每一距离成正比。每一晶面与相邻晶面的晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点相对移动恒等于点阵常数的若干分之阵常数的若干分之一。一。

16、2022-2-2449发生孪生的条件 晶体的对称性晶体的对称性 变形速度的增加可促使晶体的孪生化变形速度的增加可促使晶体的孪生化 温度越低，孪生产生的可能性越大温度越低，孪生产生的可能性越大 2022-2-2450镁中的变形孪晶和滑移带镁中的变形孪晶和滑移带 2022-2-2451孪生与滑移的区别 由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不均匀的；均匀的； 孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数孪生切变时原子移动的距离不是孪生

17、方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；是滑移方向原子间距的整数倍； 孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；滑移时，滑移面两边晶体位向不变； 由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现。2022-2-24522.3.3 不对称变向 孪生变形点阵的再

18、取向是有规律的，变形孪生变形点阵的再取向是有规律的，变形后晶体与未变形部分晶体以孪晶面为对称后晶体与未变形部分晶体以孪晶面为对称面。当变形条件既不利于滑移又不利于孪面。当变形条件既不利于滑移又不利于孪生时，晶体点阵则以非对称的方式变向，生时，晶体点阵则以非对称的方式变向，称为不对称变向。变形部分相对未变形部称为不对称变向。变形部分相对未变形部分取向的是无规律的，并不成对称关系。分取向的是无规律的，并不成对称关系。这种变形方式在金属中常见到的有扭折带这种变形方式在金属中常见到的有扭折带和形变带。和形变带。 2022-2-2453 扭折带的形成对塑性变形有两种作用，一种是协调变形；二是进一步促进变

19、形。 2022-2-2454 在变形晶体的某些微区中，其点阵相对原在变形晶体的某些微区中，其点阵相对原来点阵发生转动而形成形变带。经来点阵发生转动而形成形变带。经x射线的射线的研究可知，带中的取向转动不同于扭折带，研究可知，带中的取向转动不同于扭折带，取向不是突变而是渐变的，其转动程度取取向不是突变而是渐变的，其转动程度取决于变形量。决于变形量。2022-2-24552.3.4 其它变形机制 非晶机制 晶界滑动 2022-2-24562.4 多晶体塑性变形多晶体塑性变形Multi-crystal plastic deformation 多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而多晶体是由许多微小的

20、单个晶粒杂乱组合而成。成。 多晶体在其组织结构上的特点：多晶体在其组织结构上的特点：（1）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同）多晶体的各个晶粒，其形状和大小是不同的，化学成分和力学性能的分布不均匀；的，化学成分和力学性能的分布不均匀；（2）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；）多晶体各相邻晶粒的取向一般不同；（3）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构）在多晶体中存在大量的晶界，晶界的结构和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着和性质与晶粒本身不同，并在晶界上聚集着其它物质的杂质。其它物质的杂质。 2022-2-2457Grain or Crystalline StructureGrain Boundary2022-2-2458多晶体塑性变形特点 变形的不均匀性 多晶体变形的竹节现象多晶体变形的竹节现象 晶粒变形的整体性晶粒变形的整体性 2022-2-2459 晶界的作用及晶粒大小的影响晶界的作用及晶粒大小的影响 多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续多晶金属在塑性变形过程中，仍然保持着连续性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，性。即每个晶粒的变形都要受到相邻晶粒的制约，并与相邻晶粒的变形相协调。并与相邻晶粒的变形相协调。 晶粒越细，屈服强度越高晶粒越细，屈服强度越高 2022-2-2460多晶体塑性变形机制 晶粒的转动和移动 溶解沉积机制 粘滞性晶间流动