位错运动与金属塑性变形机制

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1、2016-12-03编辑：无忧本期导读：本期着重讲解金属材料的塑性变形机制。在现实生产中无论是对金属材料进行塑性加工还是对金属材料进行强化处理，使之获得更好的力学性能，都需要了解金属的塑性变形机制，滑移和李生是金属最重要的两种变形机制。本期内容专业性较强，望感兴趣的读者认真揣摩。希望对您理解金属的塑性变形有帮助。虽然有些材料在性质上是弹性的，因为直到断裂，它们都未发生屈服，但是也有许多工程材料像金属和热塑性聚合物可以经受较大的永久变形。材料的这种性质使其具有了变形的能力。然而，它也使这些工程材料的应用受到了某种限制。永久变形通常可归因于剪切过程。在这一过程中原子间

2、或分子间作用力以及结构扮演了重要角色，尽管前者并不那么重要相比他们的弹性行为。永久变形大致可以分为两类：塑性变形和粘性流动。塑性变形涉及原子面在晶态固体中以特定的方式相对滑动。众所周知，位错可以在外加作用力下运动。位错的累积运动导致宏观塑性变形。在微观层面上，位错运动涉及原子间键合的断裂。黑色线为真实的位错线为了使塑性变形更易于进行，位错运动的必要性可以从固体的理论强度和真实强度间的差异得到良好的解释。可以总结岀，一维晶休缺陷一一位错一一在晶态固体塑性变形中扮演了重要角色。它们在塑性变形中的重要性与它们在特定平面和特定晶向上的运动特性相关，刃型位错通过滑移和攀移运

3、动，而螺位错通过滑移和交滑移运动。来源：网络：真实材料中的位错塑性变形的启动与在真实晶体中现有位错的运动有关，而在完美晶体中它可归因于位错的产生和运动。大多实际晶体中因为这样或那样的原因存在位错。在运动过程中，位错趋向于彼此相互作用。位错间的相互作用是非常复杂的，在许多滑移面上位错沿着不同方向运动。当它们在相同的平面上，它们符号相同则彼此相互排斥；如果它们的符号相反则湮灭。总体上，当位错相互接近，它们的应变场叠加数值更大，它们相互排斥，因为相互接近增加势能，使一个区域的材料产生应变需要更高能量。当不同位错处于相近但存在一定间隔的滑移面上，完全湮灭将不会发生。在这种

4、情况下，它们相互结合产生一列空位或间隙原子。位错在相互不平等平面上交互运动的一个重要后果是，它们彼此相互作用或抑制彼此的运动。两个位错的交割导致位错线的突然断裂。这些破坏可能有两类：(a)割阶是位错断裂使之脱离滑移面(b)扭折是位错线的断裂但仍滞留在滑移面内其它阻碍位错运动包括间隙和置换原子、外来粒子、晶界、外表面以及相变产生的结构变化。阻碍位错运动的实际后果是位错依旧会运动，但需要在更高的应力下运动，并且在许多情况将导致更多位错的产生。位错可以从现有位错以及缺陷、晶界和表面不规则处产生。因此，位错的数量在塑性变形的过程中会显著增长。由于更进一步运动需要提升应力，

5、材料可以说是被强化了，也就是，材料可以通过位错运动进行强化。塑性变形，涉及位错运动。塑性变形的机制主要有两种，为滑移和挛生。图：位错的滑移在金属中滑移是主要的塑性变形机制。它涉及大块晶体在一个其它的特定的晶面上的滑动，称为面滑移。当剪应力超过临界应力滑移发生。在滑移过程中每一个原子通常在相同的内部原子距离沿着滑移面产牛一个台阶，但晶体的取向仍旧相同。在显微镜下观察台阶像直线被称为滑移线。滑移最容易在特定的晶面和特定的方向上发生，被称为滑移方向。这主要归因于实际局限性，单晶变形后仍旧均匀。总体上,滑移面是原子密度最大面，并且滑移方向是滑移面内的密排方向。事实证明，原

6、子最大密排面是最广泛的间距平面，而密排方向拥有最小移动距离。滑移面和滑移方向可以组合成一个滑移系。常见的滑移系由表1给岀。表1:常见面心立方，体心立方和密排六方金属的滑移系在一个单晶中，塑性变形通过滑移来完成，有时也通过挛生。滑移的程度取决于许多因素，包括外载荷和以及由它产生的相应剪应力，晶体的几何结构，以及主动滑移面方向上产生的剪应力。Schmid最早提出单晶在不同取向上，但即使相同材料需要不同的应力去产生滑移。不同的因子依赖性已经采用了一个参数一一临界分剪切应力,Tr,如下：式中，P——外加载荷；A——加载面积；入——滑移方向和拉伸轴之间的夹角；0——滑移面法

7、向和拉伸轴之间的夹角，m—一Schmid因子。当入=0=45抑寸，剪应力最大。如果两个角度中的任何一个等于906,那剪应力分量为零，因此将不会发牛滑移。如果存在一种情况，两个角度中的一个接近906,晶体会趋向于发生断裂而不是滑移。单晶金属和合金主要用于研究很少的工程应用实例。因为实际工程应用材料要比模型材料复杂得多。几乎所有工程合金都是多晶体。一个多晶体样品的总体变形通常对应单个晶体的相对扭曲，这一过程是通过滑移来实现的。虽然一些晶粒可能喜欢在一些特定的方向上滑移，除非相邻的晶粒在不利于滑移的方向上开动滑移，不然就不会发生屈服。因此，在一个多晶体的集合体中，单个晶

8、粒会彼此制