第二节 单晶体的塑性变形 一、滑移现象 表面抛光的单晶体，变形后在光学显微镜下观察： 抛光表面有许多平行线条——滑移带； 第二节 单晶体的塑性变形 一、滑移现象 表面抛光的单晶体，变形后在光学显微镜下观察： 抛光表面有许多平行线条——滑移带； 在电子显微镜下观察： 每条滑移带由更细的滑移线群组成。 晶体外表面的滑移痕迹 12× 示意图 滑移带（铜） 500×

滑移带和滑移线 滑移带和滑移线的结构示意图

滑移线的实质： 晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面发生平 移滑动后，在晶体表面留下的台阶。 证据： X射线衍射分析表明，变形后晶体结构类型并 未改变，滑移线两侧的晶体取向也未改变。 而且，晶体滑移是不均匀的，滑移集中在某些 晶面上，而相邻两条滑移线之间的晶体并未滑移。

二、滑移系 滑移系：一个滑移面和该面上的一个滑移方 向组成 一个滑移系。 滑移面：通常是原子排列最密集的晶面。 (∵相邻晶面的面间距最大，结合力弱） 滑移方向：也是原子排列最密集的晶向。 (∵原子间距最小，滑移距离最短，阻力最 小)。 在其他条件相同时，滑移系越多，滑移过程 可能采取的空间取向越多，塑性越好。

典型金属的滑移系 F.C.C：{111}晶面，<110>晶向，共4×3=12个； B.C.C：{110}晶面，<111>晶向，共6×2=12个； H.C.P：{0001}晶面，<1120>晶向，共1×3=3个； 金属三种常见晶格的滑移系

滑移系与金属塑性的关系：滑移系数目 越多，金属塑性越好。滑移方向的作用要比 滑移面的作用大。 体心立方虽有48个滑移系，但滑移方向 数少，且滑移面的密排程度也较低。 ∴面心立方金属的塑性最好，密排六方金 属的塑性最差。

例题 [011]方向上原子间距较（112）方向小。

三、滑移在切应力作用下发生 正应力：晶格先产生弹性变形，随后被拉断； 在正应力作用下的变形 在切应力作用下的变形 正应力：晶格先产生弹性变形，随后被拉断； 切应力：晶格先产生剪切弹性变形，当切应力超 过剪切强度时，晶面两侧的晶体发生相对滑移， 在新位置上重新处于稳定状态。

四、滑移的临界分切应力 临界分切应力：滑移开始时，在滑移面上沿滑移 方向的分切应力。 滑移面上的分切应力： 滑移开始时， 宏观上金属开始屈服， 则： τk=σs cosλcosφ m=cosλcosφ—取向因子 (施密特因子) 计算分切应力的分析图 P

临界分切应力的大小，主要取决于金 属的本性，与外力无关。 条件一定，晶体的临界分切应力有确 定值。 但它是一个组织敏感参数，金属的纯 度、变形速度和温度、金属的加工和热 处理状态都对它有很大影响。

取向因子 对任何φ角，若滑移方向位 于外力P与滑移面法向所组成的 平面上，即φ+ λ=90°，则沿 此方向的τ值较其它λ时大，此 时： cosλcosφ = cos(90°-φ)cosφ =1/2 sin2φ， 故： 软取向：当φ=45°时， m=1/2，为最大值，则σs 最 小，最有利于滑移； 硬取向：φ=90°或 φ=0° 时，σs→∞，即外力与滑移面 平行或垂直，晶体无法滑移。 镁晶体拉伸的屈服应力与晶体取向的关系

例题6.2.2 （2）滑移方向[110]和[001]方向点积为零，两晶向垂直，cosλ=0， σs→∞，即作用力方向为[001]时，在[110]方向不会产生滑移。

五、滑移时晶面的转动 晶体在滑移时，除 了在滑移面上进行相 对位移外，晶体还将 发生转动。 滑移前：外力作用 在o—o轴线上， 滑移后：外力分别 作用在o’、o’’上，构 成一对力偶，使晶体 发生转动。 晶体转动示意图

结果： 拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴； 压缩时，使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。 晶体在压缩时的晶面转动 单晶体拉伸时的晶面转动 结果： 拉伸时，使滑移面和滑移方向逐渐趋于平行于拉伸轴； 压缩时，使滑移面逐渐趋于与压力轴线垂直。

几何硬化与几何软化 几何硬化：原来处于软取向的滑移系，在 拉伸时随着晶面的转动，φ越来越远离45°， 使滑移变得越来越困难的现象； 几何软化：原来处于硬取向的滑移系，经 滑移和转动后，φ越来越接近45°，使滑移越 来越容易进行的现象。

六、多滑移与交滑移 单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向时，进行的滑移. 多滑移：滑移在两组或多组滑移系上同时或交替进行的滑移. 单滑移：只有一组滑移系处于最有利的取向时，进行的滑移. 多滑移：滑移在两组或多组滑移系上同时或交替进行的滑移. 若有几组滑移系相对于外力轴的取向相同，分切应力同时达到临界值——同时滑移； 或由于滑移时晶体的转动，使另一组滑移系的分切应力也达到临界值，——交替滑移。 发生多滑移时，会出现几组交叉的滑移带。 铝中的滑移带

面心立方晶体中的多滑移 滑移系{111}<110>，4个{111}面构成一个八面体， 当拉力轴为[001]时，八面体上有八个滑移系具有相同的 取向因子，当τ=τc时可以同时开动。 对所有{111}平面，φ角都为54.7°；λ角对[101] 、[- 101] 、[011] 、[0-11] 均为45°；λ角对[110] 、[-110] 均为90°。 [110]：左面心→前面心(原点过底心) [-110]：前面心→右面心（底面与[110]垂直） [101]：右面心→上面心 [-101]：前面心→上面心 [011]：左面心→上面心 [0-11]：后面心→上面心

多滑移时，会产生位错的交割与反 应，使滑移变得困难，即产生较强的加 工硬化。

交滑移 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移的现象。 发生交滑移时，会出现曲折或波纹状的滑移带。 波纹状滑移带 250× 交滑移 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移的现象。 发生交滑移时，会出现曲折或波纹状的滑移带。

多滑移与交滑移的区别： 多滑移可以在多个滑移面和多个滑移 方向上同时进行或交替进行； 而交滑移则只能在多个滑移面上沿一个滑移方向交替进行。

层错能与交滑移的关系 只有螺位错才能发生交滑移，而且交滑移必 须是纯螺位错。 但当螺位错分解为扩展位错时，分解成的两 个不全位错都不是纯螺位错，扩展位错只能沿其 层错面移动，难产生交滑移。 增大外力可使扩展位错束集为一个全螺位错， 此位错可交滑移至另一滑移面，然后在该滑移面 上扩展开来。 层错能高的材料，扩展位错宽度小，易束集， 交滑移易于进行。

扩展位错的交滑移过程

例6.2.3

{110}晶面上的<111>晶向： 则可能的交滑移系为：

七、滑移的位错机制 实测临界分切应力： Al {111}<110>:0.79MPa,Cu{111}<110>:0.89MPa Fe {110} <111>:27.44MPa, Nb {110} <111>:33.8MPa 按刚性滑动的理论计算值： Al ：3830 MPa ， Fe ：10960 Mpa。 在切应力作用下原子层刚性滑移示意图

原因： 滑移是位错在滑移面上运动的结果。 一个位错移出晶体，产生一个柏氏矢量的台 阶，大量位错滑过晶体，在表面形成滑移线。 滑移是位错在滑移面上运动的结果。 一个位错移出晶体，产生一个柏氏矢量的台 阶，大量位错滑过晶体，在表面形成滑移线。 通过位错运动造成滑移的示意图

八、位错运动所受的力 晶体的滑移必须在一定的外力作用下才能发 生，表明位错的运动受到阻力。 对纯金属，阻力主要有：点阵阻力，位错与 位错交互作用产生的阻力，位错与其他晶体缺陷 交互作用产生的阻力等。 这些阻力决定金属滑移的临界分切应力,即决 定了晶体的屈服强度。 凡是增大位错运动阻力的因素，都提高金属 滑移的临界分切应力，即提高金属的屈服强度。

位错运动的点阵阻力 由于点阵结构的周期性，当位错沿滑移面运动 时，位错中心的能量也要发生周期性的变化。 位错在平衡位置时，能量较低。 在平衡位置之间，能量较高，造成位错运动的 阻力——点阵阻力。 因此位错运动需要一个力来克服此点阵阻力、 越过势垒。 派尔斯(R.Peierls)、纳巴罗(F.R.N.Nabarro)估 算了这一阻力——派-纳（P-N）力。 派-纳力与晶体结构和原子间作用力有关。

W=a/1-ν，位错宽度； a--滑移面的晶面间距； b--滑移方向上的原子间距； W越大，τp 越小，屈服应力低。 a值大， τp 小，故滑移面应是晶面间距最大， 即原子最密集的晶面； b越小， τp 越小，故滑移方向应是原子最密集 的晶向。

fcc，W大，屈服应力低； bcc，W小，屈服应力较高； 共价晶体和离子晶体，W极窄，硬 而脆。

例6.2.5

九、孪生 孪生是金属塑性变形另一种常见的方式。 在孪生过程中形成变形孪晶(形变孪晶，机械孪 晶，在光镜下呈带状或透镜状) 。 锌中的变形孪晶

1、孪生变形现象 孪生变形：在切应力作用下，晶体内部发生的均匀切变 的变形过程. 切变结果：使均匀切变区的取向发生改变，与未切变区 构成镜面对称，形成孪晶。 孪晶界：均匀切变区与未切变区的分解面(即二者的镜面 对称面). 孪生面：发生均匀切变的晶面。 孪生方向：孪生面切动的方向。 面心立方：孪生面{111}，孪生方向<112>晶向。 体心立方：孪生面{112}，孪生方向<111>晶向。

2、孪生时原子的移动 每层(111)面相对位移了1/3d112的距离。孪生时每层晶面的位移是由一个不全位错的移动造成。 AB、GH 孪晶面。 A’与C位 移后的点对 称； E位移后 与A’下方一 点对称。

3、孪生变形的特点 孪生使一部分晶体发生了均匀的切变。 孪生变形后，晶体变形部分与未变形部分构 成镜面对称的位向关系。 孪生与滑移时晶体取向示意图 (a)未变形；(b)滑移；(c)孪生

3、孪生变形的特点(续1) 应力-应变曲线上有突然 下降, 出现锯齿形。孪晶形 核所需应力远高于扩展所 需的应力。 孪生对塑性变形的贡献 比滑移小的多。但它形成 的孪晶改变了晶体的位 向，使滑移系处于更有利 于滑移的位置，使晶体能 进一步借滑移继续变形。

3、孪生变形的特点(续2) 孪生变形形核虽难，但长大速度极快。 孪生变形局部切变可达较大数量，变形试样的抛光表 面可看到明显的浮凸，重新抛光，在偏光或浸蚀后仍能 看到孪晶。 孪生变形比滑移临界分切应力高得多，因此孪生常萌 发于滑移受阻引起的局部应力集中区。 如：H.C.P的Mg、Zn常以孪生方式变形； B.C.C的α-Fe在冲击载荷或低温下也借助孪生变形； F.C.C金属一般不发生孪生，但在极低温度或受高速 冲击时，也以孪生方式变形。