单晶体的塑性变形-孪生在线视频

同学们

前面我们学习了单晶体的塑性变形的

其中一种方式滑移

那么今天我们学习

单晶体塑性变形的另外一种方式孪生

在有些条件下

滑移很难进行

比如说对于滑移系比较少的密排六方晶体

或者在温度很低

滑移来不及进行的情况

或者是应变速率非常高

滑移来不及进行的时候

往往会发生孪生

在牵引力的作用下

晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的晶向

相对于另一部分

发生了均匀切变的这样一个过程

我们叫做孪生

通过这样一个图

大家可以发现滑移和孪生的区别

滑移是全位错的运动

移动的距离是一个点阵间距

孪生是不全位错的运动

移动的距离不等于一个点阵间距

晶体的孪生我们说

它是沿着一定的晶面和晶向来进行的

我们把这样一个晶面和晶向

叫做孪晶面和孪生方向

孪生晶体的孪晶面和孪生方向

是和晶体结构是有关系的

对于体心立方

面心立方和密排六方的孪生面

和孪生方向是不一样的

对于面心立方而言

那么它的孪晶面是111面

孪生方向是11负2

我们把面心立方晶体中的1负10面拿出来

原来的晶体的原子位置

用黑点来表示

孪生以后原子的位置用圆圈来表示

那么我们看到B相对A

会发生1/3原子间距的切变

由于孪生是均匀的切变

所以呢

C相对于B也会发生1/3原子间距的切变

发生切变的部分

称为孪生带或者孪晶

沿着其发生孪生的晶面

我们叫做孪生面

孪生的结果是使得

孪生面两侧的晶体成镜面对称

那么我们把111面

叫做面心立方的孪晶面

它与负110的交截线11负2

就是面心立方晶体的孪生方向

我们说孪生的时候

每一层晶面的位移是经一个

不全位错的移动造成的

可以发现各层晶面的位移量

和它距离原晶面的距离成正比

变形的部分与未变形的部分以孪晶面为准

构成镜面对称

形成了孪晶

孪晶在显微镜下

我们可以观察到

是带状或者透镜状的一个形状

这是我们在实际中观察到的

面心立方晶体的孪晶的高分辨照片

那么我们来总结一下什么是孪生

切变的结果会使均匀切变区的晶体

仍然保持面心立方结构

但是位向会发生变化

与未切变区形成了镜面的对称

那么我们把

切变区和未切变区的

两部分晶体的总称叫做孪晶

那么均匀切变区和

未切变区的分界面叫做孪晶界

发生均匀切变的晶面叫做孪晶面

孪生面移动的方向

我们称之为孪生方向

我们看一下孪生的特点

孪生使得一部分晶体发生了均匀的切变

而滑移是不均匀的

只是集中在一些特定的滑移面上

孪生后晶体变形部分与未变形部分

形成了镜面对称关系

位向发生了变化

而滑移以后晶体各部分的位向并没有发生改变

孪生的临界分切应力比滑移要高得多

因此孪生常常发生在滑移受阻

引起的局部应力集中区域

一些密排六方金属

如镁锌常以孪生方式变形

体心立方金属

比如说阿尔法铁在冲击载荷的作用下

或者在低温下也会发生孪生变形

面心立方金属一般不发生孪生

因为面心立方金属它的滑移系比较多

但是在极低温度下或者受高速冲击时

也不能排除这样一种变形方式

孪生变形的应力应变曲线和滑移是不一样的

开始的光滑曲线

与滑移相对应

那么当应力升高到一定程度的时候

曲线开始下降

开始出现这种锯齿状的变化

这个就是由于孪生变形造成的

所以孪晶形核时局部应力很高

但是形核以后长大却容易得多

造成应力的反复上升和下降

在我们的应力应变曲线上

出现了这样的锯齿状的平台

那么孪晶的长大速度很快

与冲击波的速度相当

拉伸曲线后段又呈现出光滑的曲线

表明变形又转变为以滑移方式进行

这是由于孪生改变了晶体的位向

使得某些滑移系能够处于有利的位向

滑移能够重新开始

孪生对于塑性变形的贡献比滑移要小得多

但是孪生能够改变晶体的位向

使滑移系能够变到有利的位置

所以当滑移比较困难的时候

可以通过孪生调整取向而使晶体继续变形

孪生变形局部切变可以达到比较大的数量

在变形试样的抛光表面上可以看到浮凸

经过重新抛光以后

表面浮凸可以去掉

但是在偏光或者浸蚀后仍然能看到孪晶

而滑移变形后的试样

经抛光以后滑移带可以消失

这是孪生和滑移的区别

接下来我们看一下孪晶的形成

首先第一种形变孪晶

形变孪晶是在形变过程中形成的

那么在金相形貌上一般成透镜片状

多数发源于晶界

止于晶内

所以又称为机械孪晶

第二种退火孪晶是变形金属在退火过程中

产生的孪晶组织

退火孪晶的形貌与形变孪晶有比较大的区别

一般孪晶界平直

而且孪晶片比较厚

比如说铜晶体中的退伙孪晶组织

那么我们看一下孪生的几何学

我们假设孪生发生在这样一个上半球

那么孪生面K1是这样一个球的赤道平面

孪生方向是η1这样一个方向

发生孪生变形的时候

孪晶面以上的晶面都发生了切变

切变位移

是与它离开孪晶面K1的距离成正比

经孪晶变形以后

原来的半球变成了一个椭圆球

原来的AO便到了AO'的位置

CO移到了C'O

那么通过这样一个变形以后

我们发现不变的只有孪生面K1

BO和B'O这样一个K2

孪生时η1

η2方向上的原子没有发生变化

这样我们就得到了孪生的要素

对于球状晶体而言

那么孪生的要素是K1 K2 η1 η2

孪生也是通过位错的运动来实现的

面心立方密排面111的 堆垛方式是

ABC ABC

如果有一个肖克莱不全位错发生了滑动

就可以得到这样一个结果

那么如果有两个肖克莱不全位错发生滑动

那么继续发生滑动

最后就形成了孪晶

对于互相平行的111面

如果有螺位错的存在

在螺位错的地方形成螺旋面

如果存在一个不全位错和螺位错交于一点

另一端是自由端

那么自由端会发生运动

就和我们上楼梯一样

不全位错每转一圈

上一层原子就不在原来的平面

如果运动到一定的时候就可以形成孪晶

那么我们再来总结一下滑移和孪生的特点

相同点

宏观上

不管是滑移还是孪生

都是在切应力作用下发生的剪切变形

在微观上都是晶体塑性变形的基本形式

是晶体的一部分

沿一定的晶面和晶向

相对于另一部分的移动过程

两者都不会改变晶体结构

从机制上来看都是位错运动的结果

不同点

滑移不改变晶体的位向

而孪生改变了晶体的位向

滑移是全位错运动的结果

孪生是不全位错运动的结果

滑移是不均匀切变过程

而孪生是均匀切变过程

滑移比较平缓

应力应变曲线比较光滑

连续

孪生会出现锯齿状的应力应变曲线

两者发生的条件不同

孪生所需要的临界分切应力值远大于滑移

因此只有在滑移受阻的情况下

才会发生

滑移产生的切变较大

而孪生切变就较小

取决于晶体的结构

第三晶体的扭折

我们说扭折是不均匀塑性变形的一种形式

它是在滑移和孪生都难以实现的情况下

或者在变形受到某种约束的时候

才会出现在扭折带中

晶体的位向有突变

有可能使得该区域内的滑移系

处于有利的位置

从而产生滑移

为了使晶体的形状和外力相适应

当外力超过某一临界值时

晶体将会产生局部弯曲

这样一种变形方式我们叫做扭折

变形区域则称为扭折带

扭折变形和孪生不同

它会使得扭折区的晶体的取向

发生了不对称性的变化

那么扭折是一种协调性的变形

它能引起应力的松弛

使晶体不至于断裂

好

以上就是我们这节课的内容

谢谢大家