单晶体的塑性变形-滑移在线视频

同学们

这节课我们开始学习金属的塑性变形

首先我们学习单晶体的塑性变形

我们知道单晶体受力以后

外力在任何晶面上都可以分解成

一个正应力和切应力

一个正应力和切应力

那么正应力只能引起单晶体的弹性变形

以及解理断裂

只有在切用力的作用下

金属晶体才能产生塑性变形

金属在常温和低温下

其塑性变形的主要方式是滑移和孪生

这节课我们开始学习滑移

滑移是指晶体的一部分

沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生的

滑动位移的现象

那么在滑移里面我们首先要了解两个概念

滑移带和滑移线

我们把表面抛光的单晶体

进行一定的塑性变形以后

发现在抛光的表面有许多平行的线条

这样一些线条我们叫做滑移带

每一条滑移带

有许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成

这样一些线实际上是晶体表面产生的小台阶

我们把这样一些线叫做滑移线

变形以后的晶体的晶体结构

实际上它的类型没有发生变化

滑移线两侧的晶体取向也没有发生变化

表明滑移是晶体的一部分

相对另一部分沿着特定的晶面发生的平移滑动

滑移以后在晶体表面留下了滑移台阶

晶体的滑移是不均匀的

滑移集中在某些晶面上

而相邻的两条滑移带之间的晶体

并没有产生滑移

那么滑移带之间的距离呢

大概是10的5次方个原子间距

滑移线的滑移量

大概是10的三次方原子间距

那么

滑移线的间距是10的二次方原子间距

我们看一下滑移变形的特点

第一

我们知道滑移只能在切应力的作用下发生

产生滑移

有一个最小的切应力

我们把它叫做临界切应力

那么二

滑移常常沿着晶体中

原子密度大的晶面和晶向发生

我们把这样一个晶面和晶向

分别叫做滑移面和滑移方向

它通常是晶体中的密排面和密排方向

因为原子密度最大的晶面和晶向之间

原子的间距最大

结合力最弱

所以沿着这样的晶面和晶向产生滑移

所需要的切应力最小

那么在塑性变形中

单晶体表面的滑移线并不是任意排列的

它们彼此之间相互平行

或者是从一定角度

表明滑移是沿着特定的晶面和晶向进行的

我们把一个滑移面上

和其这个滑移面上的一个滑移方向

叫做滑移系

那么对于面心立方来说

它的滑移面是111面

滑移方向是110

可以得到面心立方一共有12个滑移系

那么对于体心立方而言

滑移面并不稳定

一般在低温的时候是112面

中温的时候是110

而高温的时候是113

但是它的滑移方向都是111方向

所以它的滑移系可能有12到48个

那么对于密排六方晶体而言

滑移方向一般都是11负20

但是滑移面和它的c轴和a轴的比值有关系

当c比a接近或者大于1.633的时候

0001面是最密排面

所以它的滑移系有三个

当c比a的比值小于1.6330

0001面不再是密排面

而滑移面变成了柱面10负10

或者是斜面10负11

那么滑移系分别是3个和6个

这是不同结构的

各种材料的滑移面和滑移方向

我们知道每个滑移系表示晶体进行滑移时

可能采取的一个空间方向

在其他条件相同的时候

滑移系越多

滑移过程可能采取的空间取向越多

塑性越好

其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大

所以我们说金属材料的塑性

面心立方的晶格好于体心立方

体心立方的晶格

好于密排六方晶格

那么我们需要注意的是

滑移面总是晶体的密排面

而滑移方向也总是密排方向

主要是由于密排面之间的面间距最大

面与面之间的结合力比较小

滑移的阻力小

容易滑动

而密排方向的原子线密度大

原子从原始位置

到达新的平衡位置所要移动的距离小

所以阻力也小

第二

每一种晶格类型的金属都有特定的滑移系

一般来说滑移系的多少在一定程度上

决定了金属塑性的好坏

那么然而在其他条件相同的时候

金属塑性的好坏

不仅仅取决于滑移系的多少

还与滑移面原子密排程度

以及滑移方向的数目等因素有关

比如说我们的α铁属于体心立方结构

它可能有48个滑移系

但是每个滑移面上滑移方向只有两个

那么我们的面心立方结构

它的每个滑移面上的滑移方向有三个

所以面心立方晶体结构的材料的塑性

要比体心立方结构的材料要好

第三滑移时晶体的两部分

相对的位移量是原子间距的整数倍

我们前面说了大概是

10的5次方个原子间距

那么滑移的结果是在晶体表面形成台阶

成为滑移线

由若干条滑移线组成了一个滑移带

通过这个图我们可以发现

滑移线和滑移带的区别

那么我们说滑移需要在牵引力的作用下发生

那么要发生滑移

必须有一个最小的牵引力

那么我们在一个晶体受力的时候

晶体中的某个滑移系能不能发生滑动

决定于沿着此滑移系的分切应力

它有多大

如果这样一个分切应力达到一定的临界值时

滑移才能发生

我们假设有一个面积为A的圆柱形单晶体

受到轴向拉力F的作用

那么它的滑移面是这样一个粉色的面

那么我们可以把F就是外力

我们可以把它分解到在滑移方向上的

正应力和切应力

那么F在滑移方向的分切应力

我们就可以算出来

可以根据外力在滑移面上的分力

和滑移面的面积的比值

算出来就有了这样一个公式

当σ等于屈服强度的时候

晶体就可以开始滑移

这时候滑移方向上的分切应力

我们就把它叫做临界分切应力

这就是我们说的临界分切应力定律

这样一个定律就可以判断

在一定的外力作用下

某一个滑移系是否可以开始发生滑移

在这里面

我们把cosλ cosφ的乘积

叫做施密特因子

那么施密特因子越大

临界分切应力越大越有利于滑移

那么当我们的滑移面的法线

滑移方向和外力轴三者处于一个平面的时候

φ等于45度的时候

我们的施密特因子m等于0.5最大

这个时候最有利于滑移

我们把这样一个取向叫做软取向

一般情况下滑移面的法线 滑移方向和外力轴

并不是处于同一个平面上

当外力与滑移面平行

也就是说φ等于90度

或者是φ等于0度的时候

晶体无法滑移

这样一个取向呢叫做硬取向

临界分切应力

它的大小主要取决于金属的本性

和外力无关

当条件一定的时候

各种晶体的临界分切应力都有一个固定的值

但它是一个组织敏感参数

比如说金属的纯度

变形的速度

温度

金属的加工和热处理状态都会影响

这样一个临界分切应力

晶体在受拉伸滑移的时候

如果两端不受夹头的限制

就是两边不固定

那么在滑移的过程中

为了使滑移面和滑移方向保持不变

拉伸轴线会逐渐发生偏移

实际上由于夹头的限制

拉伸轴线的方向不能改变

这样就必须使得晶面做相应的转动

从而造成了晶体位向的改变

晶体位向改变的结果就是使得滑移面

和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴线

在压缩的时候也是类似的

压缩时候晶体转动的结果会使得滑移面

逐渐趋于与压力轴线垂直

那么我们看一下单轴拉伸时晶体转动的情况

最开始O1 O2是在一条直线上

那么在外力的作用下

沿着这样一个滑移面发生了滑移

会使得O1点变到O1'O2点

变到O2'的位置

O1 O2之间就会形成一对力偶

那么这样一对力偶就会使得晶体发生转动

随着滑移的不断进行

这样一个转动的程度越来越大

那么最后的结果就会是我们刚才说的

会使得滑移面和外力轴方向垂直

转动可以分为两种

一种是滑移面向外力轴方向转动

另外一种是滑移面上滑移方向

向最大切应力的方向转动

滑移过程中滑移面和滑移方向的转动

导致取向因子会发生变化

如果某一个滑移系原来处于软取向

在拉伸的时候

随着晶体取向的改变

滑移面的反向与外力轴的夹角

越来越偏离45度

那么使得滑移变得越来越困难

我们把这样一种现象叫做几何硬化

反过来如果经过滑移和转动以后

滑移面的法线和外力轴的夹角

越来越接近45度

使得滑移越来越容易进行

那么这样一种现象叫做几何软化

这是我们说的单滑移

实际上几组滑移系的分切应力

有时候会同时达到临界值

或者由于晶面的改变

使得其他滑移系的分切应力也达到临界值

滑移将在多组滑移系上同时或者交替进行

我们叫做多滑移或者是复滑移

那么我们怎么样判断某一个滑移系

是不是能发生滑移呢

第一种方法

我们说是可以根据前面的

临界分切应力定律判断

第二种方法可以根据

极射赤面投影图来判断

我们首先以力轴

所在的三角形111角的对边

作为公共边

而镜面对称的极点

就是滑移面的法线方向

以三角形011角的对边作为公共边

与其对称的几点代表滑移方向

外力轴正好位于

两相邻三角形的公共边上的时候

两组滑行系处于同等有利的地位

将会发生双交滑移

其实滑移系的确定可以认为外力轴

分别处于相邻的两个三角形中

按我们前面说的方法分别进行确定

对于面心立方晶体001的

这样一个标准极射赤面投影图而言

那么极点100 110 111三点

就可以组成一个三角形

那么把整个极图分成了24个三角形

当外加拉力轴位于三角形内部的时候

会发生单向滑移

当外加拉力轴位于三角形的边上的时候

同时开动两个等效滑移系发生双系滑移

当外加拉力轴位于每个110极点上的时候

同时开动4个等效滑移系发生多系滑移

那么当外加拉力轴

位于每个111极点上的时候

同时开通6个等效滑移系

发生多系滑移

当外加拉力轴位于每个100极点上的时候

同时开动8个等效滑移系发生多系滑移

所以我们可以根据这样一个极射赤面投影图

来很快的判断

在这样一个外力作用下

哪个滑移系可以发生滑移

我们把两个或者多个滑移面

沿着某个共同的滑移方向

同时或者交替滑移的现象叫做交滑移

发生交滑移的时候会出现曲折

或者波纹状的滑移带

这个在我们试样表面就可以观察到

最容易发生交滑移的是体心立方金属

因为它有三个滑移面

但是滑移方向总是固定的

交滑移发生的难易程度

和它的晶体的层错能有关

层错能高的材料容易发生交滑移

那么还需要注意的是

交滑移必须是纯螺型位错

它的滑移面不受限制

对于螺位错的交滑移

我们说螺位错

从一个滑移面转移到与之相交的

另外一个滑移面这样一个过程

那么交滑移后的螺位错

它可以再转回到原始的滑移面

进行滑移

前面我们介绍了单滑移

多滑移

单系滑移

多系滑移

复滑移

交滑移

那么滑移的位错机制到底是什么呢

我们宏观上

标志晶体滑移进行的临界分切应力

应该与微观上

克服位错运动的阻力的外力相等

这样一个位错运动的阻力

首先来源于点阵的阻力

派尔斯和纳巴罗首先估算了这样一个力

又称为派纳力

它相当于简单立方晶体中刃型位错运动

需要的临界分切应力

面心立方晶体位错宽度大

点阵阻力小

滑移容易进行

因而它的屈服点低

体心立方晶体正好相反

尽管它可能的进行的滑移系很多

但是由于位错宽度比较小

滑移阻力比较大

所以屈服点很高

塑性的变形能力不如面心立方结构的晶体

位错运动的阻力还来源于

位错和其他位错相互交互作用的阻力

位错交割以后形成的割阶与扭折

位错和其他一些缺陷发生的交互作用

这样一些作用都是位错运动的阻力

也是我们滑移的阻力

滑移过程中会伴随着晶面的转动

滑移和转动只发生在一个狭窄的带状区域

我们把这样一个区域叫做扭折带

转角较小的带状区域我们称为形变带

尽管扭折带和形变带都是特殊条件下

滑移的特殊表现

但是形变带中取向的转动是逐渐的

而扭折带中的转动都集中在扭折带内

相邻的带外部分既没有发生滑移

也没有发生转动

这个是需要注意的

那么我们把滑移可以想象成刚性

整体滑动所需要的理论临界分力

那么滑移的机理到底是什么呢

我们说滑移如果是刚性整体滑移

所需要的理论临界切应力值

是非常高的

往往比我们实际测量的临界分切应力值

要高3~4个数量级

那么我们说

滑移实际上

是通过滑移面上位错的运动来实现的

也就是说刃位错在牵引力的作用下

不断的移动一个原子间距

而不是整体滑移

就像这样一个多脚虫的爬行一样

那么这样一个过程

使得滑移的临界分切应力就会比较小

那么晶体通过位错运动产生滑移的时候

只有在位错的中心的少数原子处发生了移动

它们移动的距离远远小于一个原子间距

所以所需要的临界分切应力小

这样一种现象我们叫做位错的易动性

我们可以看一下这样一个刃型位错运动的过程

好

以上就是我们这节课的内容

谢谢大家