位錯運動與金屬塑性變形機制

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1、2016-12-03編輯：無憂本期導讀：本期著重講解金屬材料的塑性變形機制。在現(xiàn)實生產(chǎn)中無論是對金屬材料進行塑性加工還是對金屬材料進行強化處理，使之獲得更好的力學性能，都需要了解金屬的塑性變形機制，滑移和李生是金屬最重要的兩種變形機制。本期內容專業(yè)性較強，望感興趣的讀者認真揣摩。希望對您理解金屬的塑性變形有幫助。雖然有些材料在性質上是彈性的，因為直到斷裂，它們都未發(fā)生屈服，但是也有許多工程材料像金屬和熱塑性聚合物可以經(jīng)受較大的永久變形。材料的這種性質使其具有了變形的能力。然而，它也使這些工程材料的應用受到了某種限制。永久變形通常可歸因于剪切過程。在這一過程中原子間

2、或分子間作用力以及結構扮演了重要角色，盡管前者并不那么重要相比他們的彈性行為。永久變形大致可以分為兩類：塑性變形和粘性流動。塑性變形涉及原子面在晶態(tài)固體中以特定的方式相對滑動。眾所周知，位錯可以在外加作用力下運動。位錯的累積運動導致宏觀塑性變形。在微觀層面上，位錯運動涉及原子間鍵合的斷裂。黑色線為真實的位錯線為了使塑性變形更易于進行，位錯運動的必要性可以從固體的理論強度和真實強度間的差異得到良好的解釋。可以總結岀，一維晶休缺陷一一位錯一一在晶態(tài)固體塑性變形中扮演了重要角色。它們在塑性變形中的重要性與它們在特定平面和特定晶向上的運動特性相關，刃型位錯通過滑移和攀移運

3、動，而螺位錯通過滑移和交滑移運動。來源：網(wǎng)絡：真實材料中的位錯塑性變形的啟動與在真實晶體中現(xiàn)有位錯的運動有關，而在完美晶體中它可歸因于位錯的產(chǎn)生和運動。大多實際晶體中因為這樣或那樣的原因存在位錯。在運動過程中，位錯趨向于彼此相互作用。位錯間的相互作用是非常復雜的，在許多滑移面上位錯沿著不同方向運動。當它們在相同的平面上，它們符號相同則彼此相互排斥；如果它們的符號相反則湮滅?？傮w上，當位錯相互接近，它們的應變場疊加數(shù)值更大，它們相互排斥，因為相互接近增加勢能，使一個區(qū)域的材料產(chǎn)生應變需要更高能量。當不同位錯處于相近但存在一定間隔的滑移面上，完全湮滅將不會發(fā)生。在這種

4、情況下，它們相互結合產(chǎn)生一列空位或間隙原子。位錯在相互不平等平面上交互運動的一個重要后果是，它們彼此相互作用或抑制彼此的運動。兩個位錯的交割導致位錯線的突然斷裂。這些破壞可能有兩類：(a)割階是位錯斷裂使之脫離滑移面(b)扭折是位錯線的斷裂但仍滯留在滑移面內其它阻礙位錯運動包括間隙和置換原子、外來粒子、晶界、外表面以及相變產(chǎn)生的結構變化。阻礙位錯運動的實際后果是位錯依舊會運動，但需要在更高的應力下運動，并且在許多情況將導致更多位錯的產(chǎn)生。位錯可以從現(xiàn)有位錯以及缺陷、晶界和表面不規(guī)則處產(chǎn)生。因此，位錯的數(shù)量在塑性變形的過程中會顯著增長。由于更進一步運動需要提升應力，

5、材料可以說是被強化了，也就是，材料可以通過位錯運動進行強化。塑性變形，涉及位錯運動。塑性變形的機制主要有兩種，為滑移和攣生。圖：位錯的滑移在金屬中滑移是主要的塑性變形機制。它涉及大塊晶體在一個其它的特定的晶面上的滑動，稱為面滑移。當剪應力超過臨界應力滑移發(fā)生。在滑移過程中每一個原子通常在相同的內部原子距離沿著滑移面產(chǎn)牛一個臺階，但晶體的取向仍舊相同。在顯微鏡下觀察臺階像直線被稱為滑移線?；谱钊菀自谔囟ǖ木婧吞囟ǖ姆较蛏习l(fā)生，被稱為滑移方向。這主要歸因于實際局限性，單晶變形后仍舊均勻?？傮w上,滑移面是原子密度最大面，并且滑移方向是滑移面內的密排方向。事實證明，原

6、子最大密排面是最廣泛的間距平面，而密排方向擁有最小移動距離?；泼婧突品较蚩梢越M合成一個滑移系。常見的滑移系由表1給岀。表1:常見面心立方，體心立方和密排六方金屬的滑移系在一個單晶中，塑性變形通過滑移來完成，有時也通過攣生?；频某潭热Q于許多因素，包括外載荷和以及由它產(chǎn)生的相應剪應力，晶體的幾何結構，以及主動滑移面方向上產(chǎn)生的剪應力。Schmid最早提出單晶在不同取向上，但即使相同材料需要不同的應力去產(chǎn)生滑移。不同的因子依賴性已經(jīng)采用了一個參數(shù)一一臨界分剪切應力,Tr,如下：式中，P——外加載荷；A——加載面積；入——滑移方向和拉伸軸之間的夾角；0——滑移面法

7、向和拉伸軸之間的夾角，m—一Schmid因子。當入=0=45抑寸，剪應力最大。如果兩個角度中的任何一個等于906,那剪應力分量為零，因此將不會發(fā)牛滑移。如果存在一種情況，兩個角度中的一個接近906,晶體會趨向于發(fā)生斷裂而不是滑移。單晶金屬和合金主要用于研究很少的工程應用實例。因為實際工程應用材料要比模型材料復雜得多。幾乎所有工程合金都是多晶體。一個多晶體樣品的總體變形通常對應單個晶體的相對扭曲，這一過程是通過滑移來實現(xiàn)的。雖然一些晶?？赡芟矚g在一些特定的方向上滑移，除非相鄰的晶粒在不利于滑移的方向上開動滑移，不然就不會發(fā)生屈服。因此，在一個多晶體的集合體中，單個晶

8、粒會彼此制