金属的塑性变形与强化

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1、金属的塑性变形与强化单晶体多晶体合金强化理论第七章　单晶体的塑性变形滑移现象晶体的塑性变形是晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向相对滑动的结果，这种变形方式称为滑移。如果将表面抛光的单晶体金属试样进行拉伸，当试样经过适量的塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上出现许多相互平行的线条，这些线条称为滑移带。经高分辨的电子显微镜分析表明，每条滑移带实际上是由一族相互平行的细线即滑移线组成。滑移线与滑移带的形成这些滑移线实际上是经塑性变形后在试样表面上产生的一个个小台阶。这些小台阶的高度约为1000个原子间距。滑移带实际上是由相互靠近的一些滑移

2、线所形成的大台阶，滑移带之间的距离约为10000个原子间距。滑移系金属中的滑移是沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行的，这些晶面称为滑移面，晶向称为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来，组成一个滑移系。滑移系表示金属晶体在发生滑移时滑移动作可能采取的空间位向。当其它条件相同时，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可采取的空间位向越多，该金属的塑性越好。金属塑性的好坏，还与滑移面上原子的密排程度和滑移方向的数目等因素有关。滑移面和滑移方向与金属的晶体结构有关，滑移面通常是金属晶体中原子排列最密的晶面，而滑移方向则是原子排列最密的晶向。这是因为在晶体的

3、原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，即密排面之间的原子结合力最弱，滑移的阻力最小，因而最易于滑移。沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力也最小。１、面心立方金属的滑移面为{111}，共有四个，滑移方向为〈110〉，每个滑移面上有三个滑移方向，故面心立方金属共具有12个滑移系。２、体心立方金属不是密堆积结构，没有最密排的晶面，因此滑移是在几组较密排的面上进行，但滑移方向总是〈111〉。最基本的滑移面为{110}，共有六个，滑移方向为〈111〉，每个滑移面上有两个滑移方向，因此体心立方金属共具有12个滑移系。体心立方结构也可以在其它包含

4、〈111〉方向的{121}和{123}两组滑移面上进行，滑移系共48个。３、c/a接近或大于1.633时，密排六方金属的滑移面在室温时只有{0001}一个，滑移方向为　　　　　，滑移面上有三个滑移方向，因此它的滑移系只有三个。若c/a小于1.633时，则{0001}的面间距缩小，棱柱面比底面更密排，此时的滑移面可能是柱面　　　　或锥面　　　　　。临界分切应力晶体的滑移是在切应力的作用下进行的。当晶体受力时并非所有的滑移系都同时参与滑移。而是只有当外力在某一滑移系中的分切应力首先达到一定的临界值时，这一滑移系开动，晶体才开始滑移。使滑移系开动的最小分切应力称为

5、滑移的临界分切应力，以τK表示。临界分切应力τK的数值大小取决于金属的本性、金属的纯度、实验温度与加载速度，而与外力的大小、方向及作用方式无关。临界分切应力的计算方法：设圆柱形金属单晶体试样的横截面积为A，受到轴向拉力F的作用。F与滑移方向的夹角为λ，则F在滑移方向上的分力为Fcosλ；F与滑移面法线的夹角为φ，则滑移面的面积为A/cosφ。所以，外力F在滑移方向上的分切应力为式中，F/A为试样拉伸时横截面上的正应力，当滑移系中的分切应力达到其临界值时，晶体开始滑移，这时在宏观上晶体开始出现屈服现象，即F/A=σS，可得τk=σScosλcosφ或σS=τK

6、/cosλcosφ晶体受单向拉伸时，在滑移面和滑移方向上力的分解晶体的取向：因为σS=τK/cosλcosφcosλcosφ称为取向因子，单晶体的屈服强度σS将随外力与滑移面和滑移方向之间而改变，即取向因子发生变化时，σS也要改变。当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45°时，取向因子具有最大值，为0.5，此时分切应力也最大，σS具有最低值，金属最容易进行滑移，并表现出最大的塑性，这种取向称为软取向；当外力与滑移面平行（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，取向因子为零，则无论τK的数值如何，σS均为无穷大，晶体在此情况下不产生滑移，直至断裂，这种取向称为硬取向

7、。滑移时晶体的转动当晶体在F力的作用下发生滑移时，假如滑移面和滑移方向保持不变，拉伸轴的取向必然不断发生变化。实际上由于夹头固定不动，为了保持拉伸轴的方向固定不动，因此单晶体的取向必须相应地转动。拉伸前　自由滑移变形　受夹头限制时的变形B层上的作用点O1和O2同轴，滑移后A、B、C层沿滑移面和滑移方向相对移动，使O1→O1′，O2→O2′。将σ1分解为σn1、τ1，σ2分解为σn2、τ2。滑移面法线方向的正应力σn1-σn2组成力偶，使滑移面转向与外力方向平行。如果金属在单纯的切应力作用下产生滑移，则晶体的取向不会改变。但当任意一个力作用在晶体上时，总是可以

8、分解为沿滑移方向的分切应力和垂直于滑移面的分正应力。