滑移与孪生区别

工程材料主讲教师:王亚男2020/1/172第4章金属的塑性变形与再结晶4.1单晶体的塑性变形4.2多晶体的塑性变形4.3合金的塑性变形4.4塑性变形对金属组织与性能的影响4.5回复与再结晶4.6金属的热加工小结思考题2020/1/1734.1单晶体金属的塑性变形1.滑移在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定晶面（滑移面）和一定晶向（滑移方向）相对另一部分发生相对位移的现象。在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移、孪生等方式进行。2020/1/174外力作用下晶体滑移示意图（微观）ττ滑移变形的特点：2020/1/175（1）滑移只能在切应力的作用下发生不是有切应力作用就能产生滑移，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到一定值时，才能发生滑移。能引起滑移的最小分切应力称为临界分切应力，用τk表示。以单晶体拉伸为例，求τk＝？面法向滑移方向FфλFAA/cosφ计算分切应力分析图设单晶体中只有一组滑移面,试样横截面积为A,轴心拉力为F,滑移面的法线与F夹角为φ,滑移方向与F的夹角为λ,滑移面面积A’＝A/cosφ.2020/1/176外力在滑移面上沿滑移方向的切向分力为：Fτ＝Fcosλ外力在滑移方向上的分切应力：τ=Fτ/Aˊ=Fcosλ/(A/cosφ)=Fcosλcosφ/AF/A＝σ，当滑移系中的分切应力达到其临界分切应力值而开始滑移时，σ＝σS，此时τ＝τk，所以τk＝σScosλcosφcosλcosφ称为取向因子。2020/1/177见图镁单晶拉伸时屈服应力与晶体取向的关系。由图可见：当外力与滑移面平行（φ＝90°）或垂直（λ＝90°）时，取向因子最小，σS为无限大，不可能产生滑移，此时的位向称为硬位向；当外力与滑移面和滑移方向的夹角都接近45°时，取向因子最大，σS最小，容易产生滑移，此时的位向称为软位向。2020/1/179（2）滑移沿密排面和密排方向发生见图4-3，密排面间距最大，结合力最弱，滑移需切应力最小。密排面为滑移面，密排方向为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来称为一个滑移系。可用{hkl}uvw来表示。[11][11](110)11[01][10](111)11BCC{110}×6111×2滑移系数＝6×2＝12FCC{111}×4110×3滑移系数＝4×3＝121[10]2020/1/1710判断下列晶面及晶向是否构成滑移系？并说明原因。BCC中(110)[111]、。FCC中(111)[110]、。FCCBCC2020/1/1711实验表明：滑移系越多，滑移越容易，塑性越好。BCC与FCC的滑移系数相同，但滑移方向对塑性变形的作用比滑移面大，所以FCC的塑性比BCC的塑性好。如Cu的塑性比α-Fe好。可知，构成滑移系必须满足两条：1)必须是密排面和密排方向；2)向一定在面上。2020/1/17122020/1/1713（3）滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍，滑移后，在晶体表面形成台阶，见图4-4。滑移线（小台阶）滑移量滑移块滑移带（一组小台阶）2020/1/1714由于晶体的转动，使原来有利于滑移的晶面滑移到一定程度后，变成不利于滑移的晶面；而原来不利于滑移的晶面，则可能转到有利于滑移的方向上，参与滑移。所以，滑移可在不同的滑移系上交替进行，其结果造成晶体的均匀变形。（4）滑移时伴随着晶体的转动单晶体滑移时，转动有两种：一是滑移面向外力轴方向转动，二是滑移方向向最大切应力方向转动，见图1和图2。拉伸时，晶体转动力求使滑移系转到与力轴平行的方向；压缩时，晶体转动力求使滑移系转到与力轴垂直的方向。2020/1/1717（5）滑移是通过位错运动实现的晶体滑移并不是晶体的一部分相对于另一部分沿着滑移面作刚性整体位移，而是借助位错在滑移面上的运动来逐步进行的。当移动到晶体外表面时，晶体沿其滑移面产生了位移量为一个b的滑移。2020/1/1718滑移的位错机制2020/1/1719ταατττ完整晶体2.孪生在切应力作用下，晶体的一部分以一定的晶面(孪生面)为对称面和一定的晶向(孪生方向)与另一部分发生相对切变的现象。孪生2020/1/17201)点阵类型不变但晶体位向发生变化，呈镜面对称；2)孪生是一种均匀切变，每层原子面的位移量与该原子面到孪生面的距离成正比，其相邻原子面的相对位移量相等，且小于一个原子间距，即孪生时切变量是原子间距的分数倍；3)孪生变形速度很快，接近声速。晶体位向位移量切应力塑变量变形速度滑移不变整数倍小大慢孪生改变分数倍大小快滑移与孪生的区别：孪生的特点：2020/1/17212.晶粒在变形中的作用多晶体的屈服强度σS与晶粒平均直径d的关系可用著名的霍尔－佩奇（Hall-Petch）公式表示：σs＝σo＋Kd-1/2式中，σo反映晶内对变形的阻力，相当于单晶体的屈服强度；K反映晶界对变形的影响系数，与晶界结构有关。1.晶界在变形中的作用主要作用是提高变形抗力。见图4-12竹节状变形。4.2多晶体金属的塑性变形2020/1/1722•由此可知：σS∝d-1/2即d↓，σS↑，细晶强化。•实验表明：晶粒越细，不仅强度高，而且塑韧性也好。强度高，是因为晶粒细，单位面积上的晶粒数多，晶界的总面积大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数多，对塑性变形的抗力大；塑韧性好，是因为晶粒细，单位体积中的晶粒数越多，变形可在更多的晶粒中发生，且比较均匀，减少了应力集中，使金属发生很大的塑性变形也不断裂。2020/1/1723多晶体是由单晶体组成的，在同样的外力作用下，不同晶粒滑移系上的切应力不一样，处于软位向的首先开始滑移，如：A晶粒，它周围的晶粒B、C处于硬位向，未发生塑性变形，只能以弹性变形来协调已变形晶粒A，因而限制了A晶粒的继续发展。3.多晶体金属的塑性变形过程2020/1/1724当外力进一步增加时，位错在A晶粒晶界附近堆积，这样就产生了应力集中，达到一定程度时，变形就会越过晶界，传到它附近的晶粒B、C中，A晶粒也可能发生转动，转到硬位向，不再继续变形，另一批B、C晶粒开始发生变形。2020/1/1725总之，多晶体塑性变形总是一批一批晶粒逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。特点：①各晶粒变形具有不同时性；②各晶粒变形具有相互协调性。2020/1/17261.单相固溶体合金的塑性变形溶质原子对合金塑性变形的影响主要表现在固溶强化作用上。固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力提高。4.3合金的塑性变形合金是在纯金属的基础上又加入其它元素，使相结构发生了变化，也改变了基体金属的变形抗力，使强度、硬度提高，塑性、韧性降低。2020/1/17272.多相合金的塑性变形多相合金与单相固溶体合金的不同之处是除基体相外，还有第二相存在，第二相的数量、尺寸、形状和分布不同，使多相合金的塑性变形更加复杂。(1)脆的第二相呈不连续的网状分布在晶界上，使塑性、韧性大大降低。(2)第二相在晶粒内部呈片层状分布，使其强度、硬度比基体金属要高得多，使塑性、韧性下降。2020/1/1728(3)第二相在晶粒内呈弥散点状分布，使硬度和强度大大提高，对塑性、韧性影响不大，这是最有利的分布，这种由于第二相呈点状弥散分布在基体内，使其强度、硬度明显升高的现象叫弥散强化。第二相粒子的强化作用是通过其对位错运动的阻碍作用而表现出来的。2020/1/17294.4塑性变形对金属组织与性能的影响1.显微组织的变化随着变形量的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长，出现各向异性。(见图4-13a-c)2.亚结构的变化经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，形成位错缠结，进一步增加变形量时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组态变成胞状亚结构(见图4-13d)，随着变形量的增加，变形胞的数量增多，尺寸减小。2020/1/17303.形变织构由于变形而使晶粒具有择优取向的组织，称为形变织构。有两种类型：拔丝时形成的织构称为丝织构，其主要特征为各晶粒的某一晶向趋于平行于拉拔方向。轧板时形成的织构称为板织构，其主要特征为各晶粒的某一晶面和晶向分别趋于平行轧制面和轧制方向。形成织构引起各向异性。织构有有利的一面，也有有害的一面。如生产上可利用织构提高硅钢片某一方向的导磁率；在冲压薄板件时，它会带来不均匀的塑性变形，而产生“制耳”现象(见图4-15)，这是不希望产生的。2020/1/17324.性能的变化产生加工硬化即金属材料经冷加工变形后，强度、硬度显著提高，而塑性、韧性下降的现象。产生原因：变形量不大时，晶界附近产生位错堆积；随变形量增加，位错之间产生交互作用，出现缠结现象，使晶粒破碎成为亚晶粒；变形越大，晶粒越碎，亚晶界增多，位错密度增大，变形抗力增大，表现出：强度、硬度升高，塑性、韧性降低，即产生了加工硬化。2020/1/1733加工硬化是强化材料的一种主要手段。如拖拉机的履带，铁路的道叉等都是利用加工硬化来提高硬度及耐磨性的。但有时也会使进一步加工带来困难。如钢板冷轧、钢丝冷拔等过程中，需要安排中间退火工艺，消除加工硬化。其它性能也有变化，如电阻率增高，电阻温度系数下降，磁导率下降，腐蚀速度加快等。2020/1/17345.残余应力残余应力是一种内应力，在工件中处于自相平衡状态，其产生是由于工件内部各区域变形不均匀及相互间的牵制作用所致。P68（1）宏观残余应力：是工件不同部分的宏观变形不均引起的。（2）微观残余应力：是晶粒或亚晶粒之间的变形不均产生的。（3）点阵畸变应力：是工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。内应力的产生，使材料变脆，耐蚀性降低。2020/1/17354.5回复与再结晶金属和合金经塑性变形后，由于空位、位错等结构缺陷密度的增加，以及畸变能的升高将使其处于热力学不稳定的高自由能状态，具有自发恢复到变形前低自由能状态的趋势，但在室温下，因温度低，原子活动能力小，恢复很慢，一旦受热，温度较高时，原子扩散能力提高，组织、性能会发生一系列变化。2020/1/17364.5.1冷变形金属在加热时组织和性能的变化分为三个阶段:回复：指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段。在此阶段，组织：由于不发生大角度晶界的迁移，晶粒的形状和大小与变形态相同，仍为纤维状或扁平状。性能：强度与塑性变化很小，内应力、电阻明显下降。R2020/1/1737再结晶：指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程。在此阶段，组织：首先在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心，然后逐渐消耗周围的变形基体而长大，直到变形组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。性能：强度与硬度明显下降，塑性提高，消除了加工硬化，使性能恢复到变形前的程度。2020/1/17382020/1/1739晶粒长大：指再结晶结束之后晶粒的继续长大。在此阶段，在晶界表面能的驱动下，新晶粒相互吞食而长大，最后得到较稳定尺寸的晶粒。回复、再结晶过程的组织变化见图4-17。P692020/1/17404.5.2再结晶温度及其影响因素再结晶温度:冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度。对纯金属：T再≈0.4T熔（K）K＝℃＋273一般再结晶退火温度比T再要高出100～200℃，目的：消除加工硬化现象。如：Fe：T熔＝1538℃T再＝0.4(1538＋273)－273＝451.4℃2020/1/1741T再变形度％影响再结晶温度的因素有：(1)变形程度：随冷变形程度增加，储能增多，再结晶的驱动力增大，再结晶容易发生，再结晶温度低。当变形量达到一定程度，T再趋于一定值，见图4-18。2020/1/1742(2)微量溶质原子：微量溶质原子可显著提高T再，原因是溶质原子与位错和晶界间存在着交互作用，使溶质原子在位错及晶界处偏聚，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起阻碍作用，不利于再结晶的形核和长大，阻碍再结晶过程，因而使T再提高。(5)再结晶退火工艺参数：加热速度过慢或极快，均使T再升高（过慢有足够的时间回复，点