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。
晶体结构 | 孪生面 | 孪生方向 |
---|---|---|
面心立方 | {111} | <112> |
体心立方 | {112} | <111> |
密排六方 | {$10\bar 12$} | <$10\bar 11$> |
滑移 | 形变 | |
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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 (有重现性) |
变形方式 | 集中在一些滑移面上 | 均匀变形 |
位移量 | 滑移方向上原子间距的整数倍,较大 | 小于形变方向上的原子间距,较小 |
对塑变贡献 | 很大,总变形量大 | 有限,总变形量小 |
变形应力 | 有一定临界分切应力 | 所需$\tau_k$远高于滑移 |
变形条件 | 一般先发生滑移 | 滑移困难时发生形变 |
变形机制 | 全位错运动的结果 | 不全位错运动的结果 |
相同点 | 1. 切变; 2. 沿特定晶面、晶向进行;3. 不改变结构 |
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