(3)滑移是位错运动的结果 早先,人们设想滑移是晶体作整体相对滑移图3-4),即称为刚性滑移。按照这种设 想,晶体受到切应力时先产生弹性变形,变形达到一定值之后,滑移面上的每个原子都同时 移到与其相邻的另一个平衡位置上 图3-4昌体沿滑移面的整体滑移 然而,根据这种刚性滑移的力学模型计算出来的晶体开始滑移所需要的最小切应力值要 比实验获得的应力值大几百倍到几千倍。例如铜,按刚性滑移计算出的临界切应力值为1540 MPa,而实际测得的临界切应力值仅为1,0MPa。可见上述设想是不正确的。 近几十年来的大量研究和实验已经证明,滑移变形是通过位错运动来实现的滑移的过程 就是位错运动的过程。按照位错运动模型计算滑移的临界切应力值,与实测值相符。图3-5 所示为位运动产生滑移的过程。由图可见,晶体中存在一个形成刃型位错的多余晶面,这个 多余晶面在切应力的作用下,沿着力的方向一格一格地移动,当其移出晶体边缘时,晶体的上 下两部分就相对地移动了一个原子间距。由于位移意较小,只要很小的临界切应力,就能使位 错产生移动。位错在切应力作用下容易移动的这种性质,称为位错的易动性在实际金属晶体 中,都存在着大量的位错。因此,实际使晶体滑移所需要的临界切应力,远小于晶体作刚性滑 移所需要的临界切应力。 图3-通过错多动造成滑移交形的示意图 (4)滑移的同时伴有晶体的转动 单晶体受力时,在沿移面上产生的应力可分为两种(图3-6a):一种是平行于滑移画的切 应力,它使晶格造成弹性歪扭之后进一步产生滑移另一种是垂直于滑移面的正应力,它除 能使晶体产生弹性变形或拉断外,还由于正应力的力偶作用,使晶体发生转动(图3-6b),通过 大量晶面的滑移和转动,使晶体拉长变细
移方向 滑移面 图3-0单晶体拉伸变形过程 (二)孪生(孪晶)变形 孪生变形是在切应力作用下,晶格的一部 分桕对于晶格的另一部分,沿两个平行品面(孪 生面)和晶向(孪生方向)产生的变形,如图3-7 所示。变形的结果使已变形部分晶体的位向发 生了变化,并以孪品面为对称面与未变形部分 晶体呈镜面对称。对称的两部分晶体称为孪b 晶,发生变形部分的晶体称为孪晶带。 实验结果表明,开始产生李生变形的切应 力比开始滑移时的切应力大得多,因此,只有当 晶体滑移很难进行时,才发生孪生变形。 3-7李生变形示意图 二、多晶体金属的塑性变形 多晶体中每个晶粒的塑性变形与单晶体相同,仍以滑移等方式进行。但是由于多晶体各 个晶粒的品格位向不同,并且存在着晶界,使得各个晶粒的变形互相受到制约与阻碍。因此, 多晶体的变形比单晶体复杂。 (一)晶界的影响 实验表明,多晶体金属的塑性变形抗力要比同种单晶体金属高得多。图3-8所示为锌的 多晶体和单晶体的拉伸曲线。为什么产生这种现象呢?先观察如图3-9所示只有两个品粒的 拉伸试样,试样经适度的拉伸后(图3-9b),可以明显地看出其变形特点为:在远离晶界处试 样被拉长,变形显著,丽靠近晶界处则变形很少,出现了“竹节现象”。竹节现象的产生是因为 晶界阻碍了滑移,增加了变形抗力,使其难以变形。这是因为晶界是相邻两晶粒的过菠层,其 原子排列是极不规则的,杂质也较集中。因此,滑移变形时,当位错运行到晶界处就会受到阻 碍而停止,使其在晶界处堆积纠起来。要克服这种阻碍面越过晶界,则需要增加切应力;相 邻晶粒之间的位向差愈大,晶界处的原子排列愈不规则所需的切应力就愈大;多晶体的晶粒 意细,则晶界意多,对滑移的阻碍作用愈强继续产生滑移所需要的切应力自然也愈大
6(%) b)变形后 图3-8锌的拉仲曲线 图3-9由两个晶粒所做成的试样在拉伸时的变形 晶界的这种特性最示了多晶体比单晶体金属变形抗力高得多的实质,也说明了细晶粒比 粗晶粒金属强度高的根本原因 (二)晶格位向的影响 实验和理论计算均证明,晶体受力时,与外力成45°夹角方向上的分切应力最大,与外力 平行或垂直方向上的分切应力最小。因此,多晶体金属中滑移面和滑移方向与最大分切应力 方向一致的晶粒,必然最易发生滑移;反之,滑移面和滑移方向处于最小分切应力方向上的 品粒,必然最难滑移。通常把前者称为处于“软位向”晶粒,把后者称为处于“硬位向”晶 当受到外力作用时,处于软位向的晶粒首先发生滑移。此时,处于 硬位向的晶粒因分切应力尚小,还不能滑移,这就阻碍了软位向晶粒的 滑移变形。起先,软、硬位向晶粒之间依靠弹性变形来协调,随后由于 软位向晶粒的切应力和变形量不断增加,于是变形就越过晶界传递到 硬位向品粒,使硬位向晶粒转动并开始滑移。由于滑移变形伴随晶粒的 转动,所以首批滑移的软位向晶粒会逐步转变成硬位向,难以继续滑 移变形。而原先处于哽位向的晶粒,则在软位向晶粒的影响下逐步转 变成了软位向。因此,多晶体金属的滑移变形总是在不同晶粒中逐渐 进行的。图3-10中所示的A、BC、示意地表示了不同位向的晶粒分 批滑移的次序 金属的晶粒愈细不仅强度愈高,而且塑性与韧性也较高,因为晶图310多晶体金 粒愈细,同样的变形量可分散在更多的晶粒中发生,能产生较均匀的变不均匀塑性变形过程 形,减少了局部的应力集中。 的示意图 理论值 三、位错密度与金属强度的关系 如前所述,金属的塑性变形主要是借助于 金属 位错在晶体中的运动来实现的。晶体中如无位 错,就不存在位错运动,那么塑性变形就成为 刚性滑移,其变形抗力将比实测值大几个数量 退火态 级。另一方面,在分析晶界特性时知道,位错在 品界处的大量堆积阻碍了它的运动,增加了滑 锘密度p 移抗力,提高了金属强度。这种初看起来似乎 图3-11金属的强度与其中位错之间的关系矛盾的现象,其实正揭示了位错密度与强度的 32·
辩证关系。 多年来的大量研究证明,位错密度与金属强度之间存在着如图3-11所示的关系。由图可 见,位错密度约在10~10cm-之间时,金属的变形抗力最小,最易滑移,即金属的强度最 低这样的位错密度,相当于金属退火状态的位错密度。在这个基础上,提高或降低位错密度 都能增加变形抗力,提高金属强度。这就揭示了另一种很有前途的提高金属强度的途径,即制 造低位错密度金属。这是近20年来提出的新课题。由于制造低位错密度金属的技术复杂,目前 还只能制得极细的低位错密度的金属细丝,将其编织成较大尺寸的材料或混在其它材料中组 成复合材料应用。但随着科技的发展,一旦制得大尺寸的低位错密度金属,其前途是天量的。 第二节塑性变形对金属组织和性能的影响 、塑性变形对金属组织的影响 塑性变形对金属的显微组织、亚结构等都有影响,主要表现如下 变形35% 图3-12冷轧黄铜《含32%Zn)的显微组织
一)显微组织的变化 在塑性变形过程中,随着外形的变化,金属内部的晶粒形状也发生相应的变化。原来的 等轴晶粒沿变形方向被压扁或拉长,变形量愈大,品粒变形愈显著。当变形很大时,各晶粒的 晶界变得模糊不清。图3-12所示为不同变形度的冷轧黄铜的显微组织。这种显微组织是从 光学显微镜中拍摄的。若将上述试件置于电子显徵镜中观察,就会发现图3-13a)中观察到的 互相平行的线条,实际上是许多条滑移线所组成的滑移带。图3-13b)为滑移带的示意图。 20004 200A a)电镜照片(黄铜,9800) b)示意图 图3-13滑移线及滑移带 (二)亚结构 随着变形量的进一步增加,使原来晶粒破碎成位向差一般不超过1~2度的小晶块,即变 成为亚晶粒。变形量愈大,亚晶粒愈细。此时,每个晶粒是由亚晶粒所组成的,所以称为“亚结 构”。图3-14为亚结构示意图。其特点是亚晶界上集中了大量位错,所以用位错的形式来表 前已指出,金属塑性变形的过程就是位错运动的过程。位错在运动过程中不仅不会减少 和消失,而且会不断增加,位错的这种性质称为“位错增殖”。因此,亚结构形成后,由于产生 品格较完整的小块 a)有织构 ,严重畸变区 b)无织构 图3-14形变亚结构示意图 图3-15形变织构示意图 34