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第9章 材料的形变

一 单晶体的塑性变形

常温下塑性变形的主要方式：滑移和孪生。
滑移
1滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
光镜下：滑移带（无重现性）。
2滑移的表象学
电境下：滑移线。

3 滑移的晶体学
滑移面 （密排面）
（1）几何要素
滑移方向（密排方向）
（2）滑移系
滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。
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）

典型滑移系
晶体结构
滑移面
滑移方向
滑移系数目
常见金属
面心立方
{111}×4
<110>×3
12
Cu,Al,Ni,Au

{110}×6
×2
12
Fe,W,Mo
体心立方
{121}×12
<111> ×1
12
Fe,W

{123}×24
×1
24
Fe

{0001}×1
×3
3
Mg,Zn,Ti
密排六方
{1010}
<1120>
3
Mg,Zr,Ti

{1011}

6
Mg,Ti
一般滑移系越多，塑性越好；
滑移系数目与材料塑性的关系： 与滑移面密排程度和滑移方向个数有关；
与同时开动滑移系数目有关（tc）。
（3）滑移的临界分切应力（tc）
tc：在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。
外力在滑移方向上的分解。
tc取决于金属的本性，不受j，l的影响；
j或l＝90°时，ss ¥；
tc＝sscosjcosl ss的取值 j，l＝45°时，ss最小，晶体易滑移；
软取向：值大；
取向因子：cosjcosl 硬取向：值小。

（4）位错运动的阻力
派－纳力：tP-N=[2pG/(1-v)]exp{-2pa/[(1-v)b]}
主要取决于位错宽度、结合键本性和晶体结构。
4 滑移时晶体的转动

（1）位向和晶面的变化 拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向
（力轴方向不变） 压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
几何硬化：j，l远离45°，滑移变得困难；
（2）取向因子的变化
几何软化；j，l接近45°，滑移变得容易。

5 多滑移
多滑移：在多个（>2）滑移系上同时或交替进行的滑移。
（1） 滑移的分类 双滑移：
单滑移：
（2）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。
6 交滑移
（1）交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；
（2） 机制 螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
单滑移：单一方向的滑移带；
（3）滑移的表面痕迹 多滑移：相互交叉的滑移带；
交滑移：波纹状的滑移带。

二 孪生

（1）孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。
孪生面 A1{111}, A2{112}, A3{1012}
（2）孪生的晶体学 孪生方向 A1<112>,A2<111>, A3<1011>
孪晶区

（3）孪生变形的特点

滑移
孪生
相同点
1 均匀切变；2 沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。
不
同
点

晶体位向
不改变（对抛光面观察无重现性）。
改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）
位移量
滑移方向上原子间距的整数倍，较大。
小于孪生方向上的原子间距，较小。
对塑变的贡献
很大，总变形量大。
有限，总变形量小。
变形应力
有一定的临界分切压力
所需临界分切应力远高于滑移
变形条件
一般先发生滑移
滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果

二 多晶体的塑性变形

1 晶粒之间变形的传播
位错在晶界塞积 应力集中 相邻晶粒位错源开动 相邻晶粒变形 塑变

2 晶粒之间变形的协调性
（1） 原因：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。（独立变形会导致晶体分裂）
（3） 条件：独立滑移系³5个。（保证晶粒形状的自由变化）

3 晶界对变形的阻碍作用
（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。
（3） 晶粒大小与性能的关系
a 晶粒越细，强度越高(细晶强化：由下列霍尔－配奇公式可知)
ss=s0+kd-1/2
原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。（有尺寸限制）

晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中
导致的开裂机会减少，可承受更大的变
形量，表现出高塑性。
b 晶粒越细，塑韧性提高
细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易
萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂
过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。

三 塑性变形对材料组织和性能的影响

（一） 对组织结构的影响
晶粒拉长;
1 形成纤维组织
杂质呈细带状或链状分布。

2 形成形变织构
（1）形变织构：多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。
丝织构：某一晶向趋于与拔丝方向平行。（拉拔时形成）
（2）常见类型 板织构：某晶面趋于平行于轧制面，某晶向趋于平行于主
变形方向。（轧制时形成）
力学性能：利：深冲板材变形控制；弊：制耳。
（3）对性能的影响：各向异性
物理性能：硅钢片<100>织构可减少铁损。

3 形成位错胞
变形量 位错缠结 位错胞（大量位错缠结在胞壁，胞内位错密度低。）

（二）对性能的影响
1对力学性能的影响（加工硬化）
（1）加工硬化（形变强化、冷作强化）：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象。
强化金属的重要途径；
利 提高材料使用安全性；
（2）利弊 材料加工成型的保证。
弊 变形阻力提高，动力消耗增大；
脆断危险性提高。

2 对物理、化学性能的影响
导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；
结构缺陷增多，扩散加快；
化学活性提高，腐蚀加快。

（三）残余应力（约占变形功的10％）
第一类残余应力（sⅠ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。
1 分类 第二类残余应力（sⅡ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起。
第三类残余应力（sⅢ）：点阵畸变，由位错、空位等引起。80-90%。
利：预应力处理，如汽车板簧的生产。
2 利弊
弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。

3 消除：去应力退火。