雖然有些材料在性質(zhì)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(zhì)使其具有了變形的能力。然而，它也使這些工程材料的應(yīng)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或分子間作用力以及結(jié)構(gòu)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(jié)出，一維晶體缺陷——位錯——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(guān)，刃型位錯通過滑移和攀移運動，而螺位錯通過滑移和交滑移運動。

 

塑性變形的啟動與在真實晶體中現(xiàn)有位錯的運動有關(guān)，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。

總體上，當位錯相互接近，它們的應(yīng)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(yīng)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。在這種情況下，它們相互結(jié)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(nèi)

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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力，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，為滑移和孿生。

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(yīng)力超過臨界應(yīng)力滑移發(fā)生。

在滑移過程中每一個原子通常在相同的內(nèi)部原子距離沿著滑移面產(chǎn)生一個臺階，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。

滑移最容易在特定的晶面和特定的方向上發(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。總體上，滑移面是原子密度****面，并且滑移方向是滑移面內(nèi)的密排方向。

事實證明，原子****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。滑移面和滑移方向可以組合成一個滑移系。常見的滑移系由表1給出。

 

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，有時也通過孿生。

滑移的程度取決于許多因素，包括外載荷和以及由它產(chǎn)生的相應(yīng)剪應(yīng)力，晶體的幾何結(jié)構(gòu)，以及主動滑移面方向上產(chǎn)生的剪應(yīng)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(yīng)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)——臨界分剪切應(yīng)力,τR,如下：

式中，P——外加載荷；A——加載面積；λ——滑移方向和拉伸軸之間的夾角；ø——滑移面法向和拉伸軸之間的夾角，m——Schmid因子。

 

當λ = ø =45 ْ時，剪應(yīng)力****。如果兩個角度中的任何一個等于90 ْ，那剪應(yīng)力分量為零，因此將不會發(fā)生滑移。

 

如果存在一種情況，兩個角度中的一個接近90 ْ，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(yīng)用實例。因為實際工程應(yīng)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(yīng)單個晶體的相對扭曲，這一過程是通過滑移來實現(xiàn)的。

 

雖然一些晶粒可能喜歡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，單個晶粒會彼此制約對方的變形，并且這妨礙塑性變形在低應(yīng)力下發(fā)生。

 

那也就是說要產(chǎn)生塑性變形，多晶體金屬需要比單晶體更高的應(yīng)力，應(yīng)力依賴于晶體的取向。而大多數(shù)這種現(xiàn)象可歸因于幾何原因。

 

在多晶體中，滑移關(guān)系到位錯的產(chǎn)生、運動和再排列。由于位錯運動發(fā)生在不同晶面的不同方向上，它們彼此也可能相互影響。

 

這種相互作用可能造成位錯在更高的應(yīng)力下釘扎或移動。在變形過程中，機械完整性和一致性沿著晶界保持。

 

一旦屈服發(fā)生，當且僅當足夠的滑移系同時開動，為了容納晶界形狀的變化而保持晶界的完整性，就會發(fā)生連續(xù)的塑性變形。

 

根據(jù)Von Mises準則，對于一個多晶體來說，最少要五個獨立的滑移系可以開動，才能顯示出塑性并且保持晶界的完整性。

 

這種觀點的提出基于一個事實，一個任意的變形體的應(yīng)變張量具有6個分量，但由于體積不變的需要，所以只能是獨立的應(yīng)變分量。

 

那些沒有五個獨立滑移系的晶體，如果以多晶形式存在是沒有塑性的，盡管較小的塑性伸長是可見的，可能是由于孿生或者是一個擇優(yōu)取向。

 

塑性變形的第二種重要機制是孿生。它導致當晶體的一部分以一定的取向，這種取向與晶體的剩余未孿生的部分以一種特定的，對稱的方式進行。

 

晶體孿生的部分是母晶體的鏡像。對稱面被稱為孿晶面。在孿生區(qū)的每一個原子，通過均勻剪切一定距離，該距離與它到孿晶面距離成一定比例。

 

涉及孿生的晶格應(yīng)變是較小的，通常在原子間距離的級別上，因此導致很常小的塑性變形。

 

在塑性變形過程中孿生扮演了重要角色，它引起晶面取向的變化，以致于可以發(fā)生更進大的滑移。

 

如果表面拋光了，孿晶在刻蝕以后是可以看到的，因為它的取向與未孿生區(qū)的取向不同。這與滑移不同，滑移線可以通過對試樣的表面拋光除去。因為滑移從本質(zhì)上并未改變晶體取向。

 

對于每一種晶體結(jié)構(gòu)，孿生也發(fā)生在特定的晶面和特定的取向上。然而，如果存在分剪切應(yīng)力導致孿生這也未可知。

圖：不同的塑性變形機制示意圖

孿生通常發(fā)生在滑移受限的情況，因為發(fā)生孿生所需要的應(yīng)力通常比滑移要大得多。

 

因此，一些HCP金屬具有有限滑移系特別喜歡孿生。同樣，BCC金屬在較低溫度滑移也很困難，也容易在較低溫度發(fā)生孿生。

 

當然，孿生和滑移可能按順序發(fā)生或甚至在某些情況下同時發(fā)生。表2給出了一些金屬的孿生系。

表2：常見面心立方，體心立方和密排六方金屬的孿生系

一種金屬發(fā)生塑性變形的能力取決于外加應(yīng)力下位錯運動的難易。金屬的強化需要阻礙位錯運動。位錯運動的阻礙可以采用很多方式，那就是所謂的金屬強化機制。

圖：塑性變形機制 

單相金屬可以通過晶粒細化、固溶合金化以及應(yīng)變強化。多相金屬可以通過沉淀硬化、彌散強化、纖維強化和相變強化來實現(xiàn)強化。

 

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