模板金属塑性变形理论第讲塑性变形物理本质

模板金属塑性变形理论第讲塑性变形物理本质第1页/共64页2023/4/152第二章金属塑性变形的物理本质

Chapter2Physicalinbeingofmetalplasticdeformation主要内容MainContent金属的晶体结构(Crystalstructure)位错理论基础(Dislocationtheory)单晶体塑性变形(Monocrystalplasticdeformation)多晶体塑性变形(Multi-crystalplasticdeformation)第2页/共64页2023/4/1532.1金属的晶体结构

Crystalstructure基本概念

晶胞结构

实际金属的晶体结构

第3页/共64页2023/4/154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第4页/共64页2023/4/155

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GrainorCrystallineStructureGrainBoundaryCrystals第5页/共64页2023/4/156晶胞结构面心立方：Al、Ni、Cu、γ-Fe第6页/共64页2023/4/157

体心立方：Cr、V、Mo、W、α-Fe、β-Ti第7页/共64页2023/4/158密排六方：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Coc/a=1.57-1.64第8页/共64页2023/4/159立方系的一些晶面指数第9页/共64页2023/4/1510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、面缺陷第10页/共64页2023/4/1511

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）2.642.374.106.707.1011.333.482.071.473.5410.3210.320.370.780.493.2~7.3527.571.633.30.5739.213.71.375.27×1033×1038×103

2×1033×1022×1021×1024×1034×103×1028×103

2×102一些金属材料的实验屈服强度和理论屈服强度第11页/共64页2023/4/1512常见的缺陷

点缺陷：包括空位、间隙原子、异质原子。第12页/共64页2023/4/1513第13页/共64页2023/4/1514线缺陷（位错）刃型位错L：位错线长度，V：体积，r：位错密度。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

第14页/共64页2023/4/1515M.F.AshbyandD.R.H.Jones,EngineeringMaterials1,2nded.(2002)第15页/共64页2023/4/1516螺型位错第16页/共64页2023/4/1517混合型位错（螺型+刃型）第17页/共64页2023/4/1518面缺陷

堆垛层错（stackingfault）抽出型层错插入型层错如面心立方：ABCA（B）CABC抽出ABC（B）ABCABC插入

第18页/共64页2023/4/1519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

第19页/共64页2023/4/1520孪晶界第20页/共64页2023/4/1521亚晶界

扭转晶界扭转晶界面心立方结构中的(001)面相符扭转晶界uStrained

bondBroken

bond(dangling

bond)Grain

boundaryVoid,

vacancySelf-interstitial

type

atomForeign

impurityFig.1.51:Thegrainboundarieshavebrokenbonds,voids,vacancies,strainedbondsand"interstitial"typeatoms.Thestructureofthegrainboundaryisdisorderedandtheatomsinthegrainboundarieshavehigherenergiesthanthosewithinthegrains.第21页/共64页2023/4/15222.2位错理论基础

Dislocationtheory柏氏矢量（BurgersVector）和位错环

（a）围绕一刃型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。第22页/共64页2023/4/1523（a）围绕一螺型位错的柏氏迥路；（b）完整晶体中的相同迥路；迥路缺损即为柏氏矢量。第23页/共64页2023/4/1524混合位错(b)未滑移区(a)BbbAA滑移区B第24页/共64页2023/4/1525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

第25页/共64页2023/4/1526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b第26页/共64页2023/4/1527(a)(b)(c)(d)bbb第27页/共64页2023/4/1528位错源和位错增殖

DislocationLoop:FrankReed

第28页/共64页2023/4/1529第29页/共64页2023/4/1530Frank-ReadsourcesinSiDash,DislocationandMechanicalPropertiesofCrystals,Wiley(1957).第30页/共64页2023/4/1531位错塞积

第31页/共64页2023/4/15322.3单晶体塑性变形机制

Mono-crystalplasticdeformation2.3.1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第32页/共64页2023/4/15333.25%Si-Fe单晶体中的平直滑移带。[取自Hull,proc.Roy,Soc.A274,5(1963).](b)垂直于(a)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。滑移带ab第33页/共64页2023/4/1534滑移面的表示：，Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ分别为滑移面与晶轴的截距，ａ，ｂ，ｃ为晶格常数。对于体心立方、面心立方，ａ＝ｂ＝ｃ

第34页/共64页2023/4/1535Gold(Au)-fcc第35页/共64页2023/4/1536Iron(Fe),Vanadium(V),Chromium(Cr)-bcc第36页/共64页2023/4/1537第37页/共64页2023/4/1538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

v：波松比a：滑移平面间的距离b：沿滑移方向原子间的距离

第38页/共64页2023/4/1539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]isperpendicularto(uvw)第39页/共64页2023/4/1540取向因子

滑移面和滑移方向与外力成45°角，为软取向否则为硬取向第40页/共64页2023/4/1541晶面转动单晶体拉伸单晶体压缩第41页/共64页2023/4/1542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。铜的单滑移第42页/共64页2023/4/1543双滑移所谓双滑移就是指从某一变形程度开始，同时有两个滑移系统进行工作。但这并不意味着它们的作用是同步的。第43页/共64页2023/4/1544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第44页/共64页2023/4/1545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第45页/共64页2023/4/15462.3.2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第46页/共64页2023/4/1547孪生：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。第47页/共64页2023/4/1548在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。每一晶面移动距离的大小与它距孪生面的距离成正比。每一晶面与相邻晶面的相对移动恒等于点阵常数的若干分之一。第48页/共64页2023/4/1549发生孪生的条件晶体的对称性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第49页/共64页2023/4/1550镁中的变形孪晶和滑移带第50页/共64页2023/4/1551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；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；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；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。第51页/共64页2023/4/15522.3.3不对称变向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，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。这种变形方式在金属中常见到的有扭折带和形变带。第52页/共64页2023/4/1553扭折带的形成对塑性变形有两种作用，一种是协调变形；二是进一步促进变形。第53页/共64页2023/4/1554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x射线的研究可知，带中的取向转动不同于扭折带，取向不是突变而是渐变的，其转动程度取决于变形量。第54页/共64页2023/4/15552.3.4其它变形机制非晶机制晶界滑动第55页/共64页2023/4/15562.4多晶体塑性变形

Multi-crystalplasticdeformation多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成。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；（3）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，并在晶界上聚集着其它物质的杂质。第56页/共64页2023/4/1557Graino