材料科学基础-材料的塑形变形

第八章材料的塑性变形变形概述

单晶体的滑移滑移的位错理论分析

多晶体的塑性变形其他塑性变形方式

塑性变形对组织性能的影响

塑性变形引言塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来某些不利的影响，为了消除塑性变形(冷加工)这些不利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以，塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。

第一节变形概述名词概念变形过程

弹性变形

塑性变形

塑性变形的方式

变形过程中的名词概念变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”；变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位体积之比值称为“体积应变”。变形过程低碳钢的拉伸曲线如图所示。

在应力低于弹性极限σe时，材料发生的变形为弹性变形；应力在σe到σb之间将发生的变形为均匀塑性变形；在σb之后将发生颈缩；在K点发生断裂。弹性变形定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全恢复，变形消失。

特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比比例系数E称为弹性模量G称为切变模量，它反映材料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度”。实质：弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长(缩短)或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。塑性变形定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸长率(δ%)或断面减缩率(ψ%)表示。实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。塑性变形过程－－屈服屈服：材料开始发生塑性变形。

屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形，这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿状的平台。这是部分材料所具有的特征。

屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗力，也称为屈服极限，用σs表示。对具有屈服现象的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2%时的应力值表示。

塑性变形过程－－均匀变形均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力，材料的变形将不能继续下去。原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生了加工硬化。已经发生变形处的强度提高，进一步变形困难，即变形要在更大的应力作用下才能进行。下一步的变形发生在未变形或变形相对较小的位置，达到同样变形后，在更大的应力作用下发生变形。塑性变形过程－－颈缩颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形，产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域进行。特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降，工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真实应力依然在上升。极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程应力σb，这时试样出现失稳，颈缩真实应力依然在上升，但能承受的总外力在下降。塑性变形过程－－断裂断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力，原子间的结合破坏而分离。韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为“穿间断裂”，断口比较平坦。

塑性变形的方式 材料在外力作用下发生塑性变形，依材料的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方式有：滑移、孪生、蠕变、流动。 其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为液体，可以维持自己形状的位固体、第二节单晶体的滑移滑移概念

过程说明

滑移系施密特定律

临界分切应力滑移变形的主要特点

滑移概念滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的另一部分发生的相对滑动滑移过程说明

在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。

作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分离，材料则出现断裂。

材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶格沿另外的方向上发生滑移。滑移系滑移发生的晶面称为滑移面，通常为晶体的最密排晶面；滑移滑动的方向称为滑移方向，通常也为晶体的最密排方向；一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为“滑移系”。

典型晶格的滑移系FCC滑移系对性能的影响晶体中滑移系愈多，晶体发生滑移的可能性便愈大，材料的塑性愈好，并且，其中一个滑移面上存在的滑移方向数目比滑移面数目的作用更大。

在金属材料中，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然它们都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝，而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有立方晶格的金属差。

施密特定律

直接推动滑移的是在滑移方向上的分切应力。在同一外加应力作用下，不同的滑移系因自己的取向不同，对应的分切应力也不相同。图示一单晶体单向拉伸，滑移面法线方向与外力的夹角为φ，滑移方向和拉力轴的夹角为λ，注意到滑移方向、拉力轴和滑移面的法线三者一般不在一平面，即

φ+λ≠900。施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

其中称为取向因子或施密特因子。当φ+λ=900，取向因子有最大值0.5。施密特定律

滑移方向上的分切应力为：

称为施密特定律，τc是一常数，但材料的屈服强度σs则随拉力轴相对于晶体的取向不同而不同，即晶体材料存在各向异性。临界分切应力与首开滑移系

临界分切应力：当外力在某个滑移面的滑移方向上的分切应力达到某一临界值时，这个滑移系开始出现滑移，材料开始发生塑性变形，这个切应力值叫临界分切应力，它是决定材料强度的直接因素。首开滑移系:在某一外力作用下，取向因子最大的滑移系将有最大的分切应力，外力加大，它将首先达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子最大的滑移系称为这个外力下的首开滑移系。等效滑移系:在某一外力作用下，取向因子相同的滑移系将有相同分切应力，外力加大，它将同时达到临界分切应力，开始发生滑移，所以把取向因子相同滑移系称为这个外力下的等效滑移系。

滑移变形的主要特点

滑移只能在切应力的作用下发生。滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。这是因为只有在最密晶面之间的面间距最大，原子面之间的结合力最弱，沿最密晶向滑移的步长最小，因此这种滑移所需要的外加切应力最小。滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向的距离为原子间距的整数倍，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。

滑移的同时必然伴随有晶体的转动。

滑移变形的主要特点

滑移变形在晶体表面形成的滑移线滑移时晶体的转动

当外力作用于单晶体试样上时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力和垂直滑移方向的另一分切应力因滑移错开组成一力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。转动的趋势为滑移面趋于平行拉力方向，滑移方向也趋于平行拉力方向。第三节滑移的位错理论分析滑移的实质是位错的运动位错的增殖

位错的交割位错的塞积加工硬化滑移的实质是位错的运动大量的理论研究证明，滑移原来是由于滑移面上的位错运动而造成的。图示例子表示一刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错从滑移面的一侧运动到另一侧便造成一个原子间距的滑移。

滑移的实质是位错的运动对应于位错运动，在滑移的过程中，只需要位错中心上面的两列原子（实际为两个半原子面）向右作微量的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个原子间距的右移。由此可见，通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需要的临界切应力便远远小于整体刚性滑移。

滑移的实质是位错的运动

位错的滑移面就是晶体的滑移面，柏氏矢量的方向就是晶体的滑移方向。为了使位错的能量较低，在结构容许的条件下，尽量减小柏氏矢量，所以原子的密排方向就成为了位错的柏氏矢量的方向。

位错的增殖塑性变形的过程中，尽管位错移出晶体产生滑移台阶，但位错的数量(位错密度)却在不断的增加，这是因为在外应力作用下发生塑性变形时位错会发生增殖。

例如位错的增殖利用Fnak-Read源说明增殖的过程。若滑移面上有一段位错，CD两点钉住不可滑移，在外力作用下位错应向右移动，这段位错将弯曲、扩张，相遇为异号位错相消，产生一位错环，内部CD段还存在。反复可生成一系列的位错环，扩展到晶体外的产生滑移台阶可为柏氏矢量的整数倍。

位错的交割不在同一个滑移面上的两位错运动的过程中可发生交割。图示例子表示如果位错AB向下运动扫过位错CD，由于扫过区间的晶体两边发生了柏氏矢量大小的滑移，在位错CD上产生了EF转折，EF长度为AB的柏氏矢量，EF位错的柏氏矢量不发生变化，位错的性质和原来可能不一样。位错的交割

若AB为一个源发出的一批位错，EF则为多倍长。如果CD为如图的刃位错，AB上也留下一转折。转折的性质不一样，有的在位错的线张力作用下可消失，或以相同滑移方向一起滑移的称为扭折；有的不仅不能消失，而且滑移面也不同而不能一起运动，这种称为割阶。割阶成为位错运动的阻碍。

位错的塞积位错运动时，在其前沿如果有障碍(如晶界、不可变形的硬质点……)，就停留不能前进，若同一位错源不断产生一系列位错源源而来，在此将产生塞积。位错的塞积在该处产生大的应力，可能带来的后果有：①螺位错可改变滑移面而发生交滑移；②晶界处的应力可能迫使相邻晶粒中的位错运动来松弛应力；③无发松弛就有可能在此处造成裂纹。

加工硬化材料在变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性明显下降的现象称为加工硬化。这种加工硬化的作用在拉伸时的应力--应变曲线中可看出，材料屈服后要继续变形只有不断增加外力。原因：塑性变形是通过位错的运动来实现的，位错运动一旦受阻，塑性变形就难以进行，要继续进行变形只有增加外力。分析：变形过程中，位错沿滑移面运动，各种位错会频繁相遇，发生一系列复杂的交割作用，出现位错的缠结等等现象，使位错的运动受阻，位错源不断发出的位错不能顺利地移出晶体，发生位错地塞积，造成位错密度的逐渐增大。变形量越大，位错密度就越大，变形的抗力也越就大。随着位错密度的升高，位错之间的平均距离减小，它们之间的相互干扰和交互作用进一步增强，因而强度和硬度也就越来越大。返回第四节多晶体的塑性变形晶界和晶粒位向的影响

变形的传递

变形的协调

多晶体的塑性变形过程

塑性变形过程的不均匀性 晶粒的位向同时也在发生转动

晶粒大小对材料强度与塑性的影响 强度

塑性

变形的传递 当一个晶粒在某一滑移系发生滑移动作，即位错发生运动，位错遇到晶界时，由于各个晶粒的位向不同，不能直接从一个晶粒移动到另一晶粒，便塞积起来；加之晶界处的杂质原子也往往较多，增大其晶格畸变，在滑移时位错运动的阻力较大，难以发生变形，可见晶界的存在可以提高材料的强度。 位错在晶界处的塞积产生了大的应力集中，当应力集中能使相邻晶粒的位错源开动，相邻取向不利的晶粒也能开始变形，相邻晶粒的变形也使位错塞积产生的应力集中得以松弛，原来变形的晶粒可以进一步的变形，这就是滑移的传播过程。变形的协调 多晶体的变形中要保持晶界处的连续性，即晶界处的原子既不能堆积也不能出现空隙或裂缝，晶界两边的变形需要达到互相协调。 晶界两边的晶粒取向不一样，靠单一的滑移系的动作将不能保证这种协调，为了适应变形协调，不仅要求邻近晶粒的晶界附近区域有几个滑移系动作，就是已变形的晶粒自身，除了变形的主滑移系统外，在晶界附近也要有几个滑移系统同时动作。变形的协调 为了满足变形协调，理论计算本应有6个独立的滑移系，以保证6个独立的应变分量使晶粒的形状自由变化，在体积不变的情况下，有实际只有5个变量是独立的。对面心和体心立方金属，是容易满足这个变形协调条件的，但对密排六方金属，由于滑移系一般只有三个，为了实现变形协调，有两种方式：一种是在晶界附近区域，除了有基面滑移外，可能有柱面或棱锥面等较难滑移的晶面作为滑移面；另一种则是产生孪晶变形，孪晶和滑移结合起来，连续地进行变形。

至少应有5个独立的滑移系才能协调多晶体的塑性变形。塑性变形过程的不均匀性 在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同，故在在同一外力作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受的分切应力便不同。凡滑移面和滑移方向处于或接近于与外力成45度，即施密特因子较大(接近1/2)，必将首先发生滑移变形，通常称这种位向的晶粒为处于“软位向”；而滑移面或滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直，即施密特因子较小(接近0)的晶粒则处于“硬位向”，它们所受的分切应力将较小，较难发生滑移。由此可见，由于多晶体金属中每个晶粒所取的位向不同，金属的塑性变形将会在不同晶粒中逐批发生，是个不均匀的塑性变形过程。晶粒的位向的影响作用分批滑移：多晶体材料在外力作用下，当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于硬位向的晶粒尚