单晶体塑性变形的机制与特性分析

单晶体塑性变形的机制与特性分析

单晶体的塑性变形是材料科学中的一个重要研究领域，它涉及到晶体在应力作用下的形变机制。本文将详细介绍单晶体塑性变形的主要方式，包括滑移、孪生和扭折等，以及它们的特点和相互关系。

单晶体的塑性变形

1. 基本概念

常温或低温下，单晶体塑性变形（plastic deformation）方式主要有：

1. 滑移（slip）
2. 孪生（twining）
3. 扭折（link）

扩散性变形及晶界滑动和移动等方式主要见于高温形变（蠕变）。

2. 应力应变曲线

（1）拉伸曲线

（2）压缩曲线

3. 单晶体的塑性变形

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。

（1）滑移的特点：

• PART-1 滑移后，晶体的点阵类型不变；
• PART-2 晶体内部各部分位向不变；
• PART-3 滑移量是滑移方向上原子间距的整数倍；
• PART-4 滑移后，在晶体表面出现一系列台阶。

滑移带形成示意图

滑移发生的晶面称为滑移面（slip plane），通常为晶体的最密排晶面；滑移滑动的方向称为滑移方向（slip direction），通常也为晶体的最密排方向；一种滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个可以滑移的方式称为“滑移系” （slip system）。可用{hkl}来表示。

（2）常见金属滑移系

滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。这是因为原子密度最大的晶面其晶面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；至于滑移方向为原子密度最大的方向是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错b最小。

每个滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的一个空间取向，在其他条件相同时，晶体中的滑移系越多，滑移过程中可采取的空间取向便越多，滑移便容易进行，它的塑性便越好。

（3）滑移的临界分切应力

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τc表示。

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N与F夹角为φ，滑移方向与F的夹角为λ，滑移面面积：

外力在滑移面上沿滑移方向的切向分力为：

外力在滑移方向上的分切应力：

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＝τc，所以τc＝σScosλcosφ。cosλcosφ称为取向因子或施密特因子。

施密特定律：滑移系开动所需要的最小分切应力是与外力取向无关的常数。

单向拉伸：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，此时的位向称为硬取向；当滑移方向位于外力与滑移面法线所组成的平面，且φ=45°时，取向因子最大，σS最小，容易滑移，此时的位向称为软取向。

（4）滑移时晶面的转动

单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，还伴随着晶面的转动，本来变形的滑移的为下图中b形式。由于夹头的限制使得不能发生错动，就造成如图c的转动。

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。

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。

（5）多系滑移

晶体的滑移在两组或者更多的滑移面上同时进行或交替地进行，从而产生多系滑移。

交滑移：晶体在两个或多个不同滑移面上沿着某个共同的滑移方向进行的滑移。

螺位错的交滑移：螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程；
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。

滑移的表面痕迹：
a.单滑移：单一方向的滑移带；
b.多滑移：相互交叉的滑移带；
c.交滑移：波纹状的滑移带。

（6）滑移的位错机制

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。

①晶体滑移是借助位错在滑移面上运动来逐步进行的。
②位错运动首先要克服（派-纳）P-N力。
③位错运动还需克服位错之间的交互作用，割阶和扭折对位错的钉扎作用，点缺陷的气团钉扎。

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。

（1）孪生的特点：

①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孪生是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。

（2）孪晶的形成

在晶体中形成孪晶的主要方式有三种：其一是通过机械变形而产生的孪晶，也称变形孪晶或机械孪晶。它的特征通常呈透镜状或片状；其二为生长孪晶，它包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固）或固体中长时形成的孪晶；其三是变形金属在其再结晶退火中形成的孪晶，也称退火孪晶，它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒，是在再结晶过程总通过堆垛层错的生长形成的。它实际上也应属于生长孪晶，是从固体中生长过程中形成。

变形孪晶的生长同样可分为形核和长大两个阶段。晶体变形时先是以极快的速度爆发出薄片孪晶，常称之为形核，然后通过孪晶界扩展来使孪晶增宽。

（3）对称性低滑移系少的密排六方金属如Cd、Zn、Mg等往往容易出现孪生变形。

bcc结构金属及高层错能的fcc结构金属，如Cu（gSEF80mJ×m-2）、Al（gSEF170mJ×m-2）等形变的主要机制是滑移，在低的形变温度或高的形变速率下才可能发生孪生。低层错能（gSEF~20mJm-2）的fcc金属和合金如银、黄铜、奥氏体不锈钢等形变时很易发生孪生。

（4）滑移与孪生的区别：

（5）扭折

对那些既不能进行滑移也不能进行孪生的地方，为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，见图5.20。

扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，使晶体不致断裂。扭折后，晶体取向与原取向不再相同，有可能使该区域内的滑移系处于有利取向，而发生滑移。