材料科学基础(6-1) 塑性变形(1)

金属的应力-应变曲线；单晶体的塑性变形

金属的应力-应变曲线

弹性模量($E与G$)是原子间结合力的反应和度量，是组织不敏感量。

单晶体的塑性变形

滑移线：晶体滑移后在表面产生的台阶，这些台阶在电镜下呈现出一系列的直线。
滑移带：抛光金属表面经塑性变形后产生的平行或成一定角度的线条。

滑移带由聚集在一起的相互平行的滑移线组成。

• 滑移变形晶体的结构类型并没有发生改变，滑移线两侧的晶向也没有变。
• 滑移分布不均匀，只集中在某些晶面。

滑移系

一个滑移面和该面上一个滑移方向组成一个滑移系。

• 滑移面总是密排面，滑移方向是密排方向。
  （密排面之间间距大，滑移阻力小；密排方向原子密度大，移动距离短）

临界分切应力

滑移在切应力作用下发生。晶体中某些滑移系是否滑动，取决于该方向上的分切应力是否达到临界值。
若拉伸轴与滑移面法向夹角$\varphi$，与滑移方向夹角$\lambda$

$$ \tau_k=\tau_s\cos\varphi\cos\lambda $$

令

$$ m=\cos\varphi\cos\lambda $$

则

$$ \tau_k=\sigma_sm\ 或\ \sigma_s=\frac{\tau_k}{m} $$

其中m称为取向因子（施密特因子）。m越大，分切应力越大，约有利于滑移。

$\tau_k$取决于金属的本性，与外力等因素无关。
取向因子m小时为硬取向，大时为软取向。
当$\varphi$或$\lambda=90^\circ$时，$\sigma\rightarrow\infty$，晶体无法滑移；
当$\varphi$或$\lambda=45^\circ$时，$\sigma最小$，晶体容易滑移。
滑移面很少时，取向因子m对$\sigma_s$的影响较大，如hcp晶体。

滑移时的转动

• 无约束情况下，滑移面与滑移方向均不变，所以滑移后晶体位向均不变但拉伸轴线必然发生偏移。
• 若有夹头限制，拉伸轴线不能移动，则晶面将相应转动，造成晶体位向改变。
• 拉伸时晶面转动使滑移面逐渐趋于与压力轴线平行，压缩时晶面转动使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。

几何硬化：处于软取向的滑移系因晶体转动，$\varphi$越来越小，m越来越小，滑移越来越困难。几何软化反之。

表面痕迹

• 单滑移：只有一组滑移系取向最有利，出现一组平行的单一方向的滑移带；
• 多滑移：多个滑移系同时或相继达到最有利位置，出现多组相互交叉的滑移带；
• 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。出现波纹状的滑移带。
  只有螺位错可以交滑移。bcc材料容易交滑移，层错能高的材料容易交滑移。

滑移的位错机制

晶体的滑移时通过位错的运动实现的。

• 当一个位错移动到晶体表面时，就会在表面留下一个原子间距的滑移台阶，其大小等于柏氏矢量。
• 滑移线实质时大量位错滑过晶体后在表面留下的痕迹。因此可以将滑移线看成是晶体中已滑移区与未滑移区的分界线。

孪生

在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面(孪晶面)和晶向(孪生方向)发生均匀切变并形成晶体取向的晶面对称关系。

• 均匀切变区的晶体结构不变，只是取向改变，与未切变区构成晶面对称。
• 孪生变形所得到成晶面对称的晶体称为孪晶。

孪生时每层晶面的位移是借一个不全位错的移动造成的，每层晶面的位移量与其距孪晶面的距离成正比。