单晶体金属的塑性变形.pptx

单晶体金属的塑性变形

引言

研究金属变形的意义；

材料的硬度和强度是重要的力学性能，它决定了零构件的加工形成的工艺性能，同时又是零构件的重要使用性能。

材料的力学性能是结构敏感的，他和材料的组织和结构有密切的关系，如晶体缺陷密度。

塑性变形的主要机制是滑移，滑移的临界分切应力可以作为起始塑性变形的切应力估计。起始的塑性变形的切应力越高则晶体材料的屈服强度越高。

本章涉及内容顺序如下：

一、滑移

1．滑移的显微观察

由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。

单晶体金属的塑性变形--滑移

滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移，滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。

观察发现，在晶体塑性变形中出现的滑移线并不是任意的，它们彼此之间或者相互平行，或者成一定角度，说明晶体中的滑移只能沿一定的晶面和该面上一定的晶体学方向进行，我们将其称为滑移面和滑移方向。

滑移面和滑移方向往往是晶体中原子最密排的晶面和晶向，这是由于最密排面的面间距最大，因而点阵阻力最小，容易发生滑移，而沿最密排方向上的点阵间距最小，从而使导致滑移的位错的柏氏矢量也最小。

每个滑移面以及此面上的一个滑移方向称为一个滑移系。滑移系表明了晶体滑移时的可能空间取向，一般来说，在其它条件相同时，滑移系数量越多，滑移过程就越容易进行，从而金属的塑性就越好。

2．滑移的晶体学特征总结

滑移面晶体的滑移通常是沿着一定的晶面发生的，此组晶面称为滑移面；

滑移方向滑移是沿着滑移面上一定的晶向进行的，此晶向称为滑移方向；

滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因为此时派纳力最小。

其中，b：柏氏矢量G：切变模量γ：泊松比a：滑移面的面间距

一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。

晶体结构不同时，其滑移系也不同，我们下面来了解金属晶体中几种常见结构（面心立方、体心立方、密排六方）的滑移面及滑移方向的情况。

滑移系数目的计算

(1)面心立方晶体中的滑移系

面心立方晶体的滑移面为{111}，滑移方向为<110>,由于（111）和

的方向平行，可以认为是同种（111）型滑移面，因此在面心立方晶体中有4种不同的（111）滑移面；方向相反的两个滑移方向可以看作一个滑移方向。因此其滑移系共有4×3＝12个。

(2)体心立方晶体中的滑移系

由于体心立方结构是一种非密排结构，因此其滑移面并不稳定，一般在低温时多为{112}，中温时多为{110}，而高温时多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总为<111>，因此其滑移系可能有12-48个。

(3)密排六方晶体中的滑移系

密排六方晶体中，滑移方向一般都是<1120>，但滑移面与轴比有关，当c/a接近或大于1.633时，{0001}为最密排面，滑移系即为{0001}<1120>，共有三个；当c/a小于1.633时，{0001}不再是密排面，滑移面将变为柱面{1010}或斜面{1011}，滑移系分别为三个和六个。

由于滑移系数量较少，因此密排六方结构晶体的塑性通常都不太好。

滑移的临界分切应力

我们知道，外力作用下，晶体中滑移是在一定滑移面上沿一定滑移方向进行的。因此，对滑移真正有贡献的是在滑移面上沿滑移方向上的分切应力，也只有当这个分切应力达到某一临界值后，滑移过程才能开始进行，这时的分切应力就称为临界分切应力。

切应力的计算

如图上所示的圆柱形单晶体在轴向拉伸载荷F作用下的情况，假设其横截面积为A，j为滑移面法线与中心轴线夹角，l为滑移方向与外力F夹角，则外力F在滑移方向上的分力为Fcosl，而滑移面的面积则为A/cosj，此时在滑移方向上的分切应力t为：

式中的分切应力达到临界值时，晶面间的滑移开始，这也与宏观上的屈服相对应，因此这时F/A应当等于ss，即：

ts称为临界分切应力，是一个与材料本性以及试验温度、加载速度等相关的量，与加载方向等无关，可通过实验测得，表9.1中列举了一些常见金属晶体的临界分切应力值。coslcosj称为取向因子或schmid因子，因为取向因子coslcosj大则材料在较小ss作用下即可达到临界分切应力ts，从而发生滑移，因此被称为软取向，反之则称为硬取向。

表9.1一些金属晶体的临界分切应力值

不难看出，单晶体试样在拉伸试验时，屈服强度ss将随外力取向而变化，当l或f为90°时，无论ts多大，ss都为无穷大，说明在外力作用下不会发生滑移变形；而当l=j=45°时，ss最低，这是因为当对任何j来说