晶體塑性變形的位錯機制

關(guān)于晶體塑性變形的位錯機制一、單晶體塑性變形的位錯機制（滑移的位錯機制）1.1由于晶體中存在著位錯，晶體的滑移不是晶體的一部分相對另一部分的移動，而是位錯在切應(yīng)力作用下沿滑移面逐步移動的結(jié)果。當(dāng)一條位錯線移動到晶體表面時，會使晶體在表面上留下一個原子間距的滑移臺階，其大小等于柏矢量b.第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天若有大量的位錯重復(fù)按此方式滑過晶體，就會在晶體表面形成顯微鏡下能夠觀測到的滑移痕跡，這就是滑移線的實質(zhì)。晶體在滑移時并不是滑移面上的所有原子一起運動而是位錯中心的原子逐一遞進，有一個平衡位置移動到另一個平衡位置。第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

實線PQ表示位錯開始位置，而P′Q′表示位錯移動了一個原子間距，而位錯中心附近的少數(shù)原子只做遠(yuǎn)小于一個原子間距的彈性偏移，而晶體其他區(qū)域的原子仍處于正常位置，即位錯僅需要一個很小的切應(yīng)力即可實現(xiàn)，這就是實際滑移的切應(yīng)力小于理論切應(yīng)力τ的原因。

第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.2位錯的增殖

隨著塑性變形過程的進行，晶體中的位錯數(shù)目會越來越多，因為晶體中存在著在晶體塑性變形過程中不斷增殖位錯的位錯源。常見的一種位錯增殖機制是弗蘭克—瑞德拉位錯源機制。第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天1.3位錯的交割與塞積

晶體的滑移實際上是源源不斷的位錯沿滑移面的運動，在滑移時由于各滑移面相交，因而不同滑移面上運動著的位錯必然會相遇，發(fā)生相互交割。此外在滑移面上運動著的位錯還要與晶體中原有的以不同角度穿過滑移面的位錯相互交割。第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天在上圖中可以看到在豎直平面上刃型位錯XY的柏氏矢量，水平面上的刃型位錯AB的柏氏矢量。兩個柏氏矢量相互垂直，若XY向下運動與AB發(fā)生交割，XY掃過的區(qū)域，其滑移所在的豎直面兩側(cè)的晶體將發(fā)生距離為的相對位移，因此交割后，在位錯線AB上產(chǎn)生PP′的臺階，顯然PP′的大小和方向取決于。由于位錯的柏氏矢量的守恒性PP′的柏氏矢量仍為垂直于PP′，因而仍是刃型位錯，并不在原位錯線的滑移面上，故為割階，而位錯XY由于平行與AB的柏氏矢量交割后不會再XY上形成割階。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

此外，還有忍型位錯與螺型位錯、螺型位錯與螺型位錯的交割，其結(jié)果都是形成割階。這一方面增加了位錯線的長度，另一方面導(dǎo)致帶割階的位錯運動困難，從而成為后續(xù)位錯運動的障礙。這就是多滑移加工硬化效果較大的原因。

在切應(yīng)力作用下，弗蘭克—瑞德拉位錯源所產(chǎn)生的大量的位錯沿滑移面運動過程中，如遇到障礙物（固定位錯、雜質(zhì)粒子、晶界等）領(lǐng)先的位錯在障礙前被阻止，后續(xù)位錯被堵塞起來，結(jié)果形成位錯的平面塞積群，并在障礙物前形成高度的應(yīng)力集中，這就是位錯的塞積。70.5°位錯塞積最大應(yīng)力面第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天二、多晶體塑性變形的位錯機制

多晶體的塑性變形主要受兩個方面的影響，一方面由于晶界的存在使變形晶粒中的位錯在晶界處受阻（即形成位錯的塞積），每一個晶粒中的滑移帶也都終止在晶界附近；另一方面由于各晶粒間存在位向差，為了協(xié)調(diào)變形要求每一個晶粒必須進行多滑移，而多滑移必然發(fā)生位錯的相互交割，這兩方面將大大提高金屬材料的強度。顯然晶界越多，即晶粒越細(xì)小，則強化效果越顯著，而這種用細(xì)化晶粒而增加晶界來提高金屬強度的方法就成為細(xì)晶強化。第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

多晶體塑性變形的特點：

1.各晶粒塑性變形的不同時性；

2.各晶粒在變形時的相互協(xié)調(diào)性；

3.塑性變形的不均勻性。這是因為多晶體塑性變形要受到晶界的阻礙和位向不同晶粒的影響；任何一個晶粒的塑性變形都不是處于獨立的自由變形狀態(tài)，需要周圍的晶粒同時發(fā)生相應(yīng)的變形來配合，以保持晶粒間的結(jié)合和整個物體的連續(xù)性。多晶體中各晶粒的位向是不同的，各個滑移的方向也是不同的，在外加拉伸應(yīng)力的作用下，各滑移系上的分切應(yīng)力很大。第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)位向最有利的晶粒發(fā)生塑性變形時，這就意味著在它的滑移面上的位錯源開動，位錯不斷地在滑移面上向前運動，但周圍晶粒的位向不同，滑移系也不同，運動著的位錯不能越過晶界，滑移系就不可能發(fā)展到另一個晶粒中。位錯就會在晶界處形成平面塞積群，這樣就會造成很大的應(yīng)力集中。在外加應(yīng)力及已滑移晶粒內(nèi)位錯平面塞積群所造成的應(yīng)力集中作用下就會有越來越多的晶粒發(fā)生塑性變形。例如下圖是雙晶粒的拉伸變形，由于在晶界附近的滑移受阻，變形量較小，而晶粒內(nèi)部的塑性變形較大，整個晶體的變形是不均勻的。所以呈現(xiàn)出竹節(jié)狀。第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天下圖是由于位錯塞積而在晶界處產(chǎn)生的竹節(jié)效應(yīng)Ni3Al+0.1%B合金拉伸時滑移帶終止于晶界第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天三、合金的塑性變形

根據(jù)合金的組織可以將合金分為兩類，一是具有以基體金屬為基的單相固溶體組織，稱為單相固溶體；二是加入的合金元素量超過了它在基體金屬中的飽和溶解度，在顯微組織中除了以基體組織為基的固溶體外，還出現(xiàn)了第二相（各組元形成的化合物或以合金元素為基形成的另一固溶體）構(gòu)成了多相合金。第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.1單相固溶體合金的塑性變形

由于單相固溶體合金的顯微組織與多晶體純金屬相似，其塑性變形也基本相似，但由于固溶體中存在著溶質(zhì)原子，使得合金強度、硬度提高；塑性、韌性有所下降。這是因為合金中產(chǎn)生了固溶強化。合金產(chǎn)生固溶強化的原因，一是固溶體溶質(zhì)與溶劑原子半徑差所引起的彈性畸變與位錯之間產(chǎn)生的彈性交互作用對滑移面上運動著的位錯有阻礙作用；二是在位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子對位錯的釘扎作用。第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

例如正刃型位錯的上半部分晶格受到擠壓而處于壓應(yīng)力狀態(tài)，位錯線的下半部分被拉開而處于拉應(yīng)力狀態(tài)，比溶劑原子大的置換原子及間隙原子往往會擴散至位錯線下方受拉應(yīng)力的部位，比溶劑原子小的置換原子擴散至上方受拉應(yīng)力的部位，這樣偏置于位錯周圍的溶質(zhì)原子好像形成了一個溶質(zhì)原子“氣團”，稱為“柯氏氣團”。第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

柯氏氣團的形成減少了晶格畸變，降低了溶質(zhì)原子與位錯的彈性交互作用能，使位錯處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而減少了可動位錯的數(shù)目，這就是釘扎作用。若要使位錯線運動，脫離開氣團的釘扎，就需要更大的外力，從而增加了固溶體合金抵抗塑性變形的能力。第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3.2多相合金塑性變形與位錯機制

多相合金的組織主要分為兩類：一兩相的晶粒尺寸相近，兩相的塑性也相近；二是有塑性較好的固溶體基體及其上分布的硬脆第二相組成，這類合金除具有固溶體強化效果外，還有因第二相的存在而引起的第二相強化。位錯對多相合金塑性的影響主要體現(xiàn)在合金中的硬脆相在塑性相中呈顆粒狀分布的合金中。一般來說，顆粒狀的硬脆相對塑性的危害比針狀和片狀要小。第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

倘若第二相的彌散粒子均勻分布在塑性基體上，則可顯著提高強度，這種強化的原因是由于彌散細(xì)小的第二相粒子與位錯的交互作用阻礙了位錯的運動，從而提高了金屬的塑性變形抗力。根據(jù)兩者相互作用的方式，主要有兩種強化機制。

1.位錯繞過第二相粒子在滑移面上運動著的位錯遇到堅硬不變形的并且比較粗大的第二相粒子時，將受到粒子的阻礙而彎曲，隨外加應(yīng)力的增加，位錯線受阻部分彎曲加劇，以至圍繞粒子的位錯線在左右兩邊相遇時正負(fù)位錯彼此抵消，形成包圍著粒子的位錯環(huán)而留下，其余部分位錯線繼續(xù)前進。第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天位錯繞過第二相的運動機制示意圖粒子位錯線λ位錯環(huán)位錯環(huán)abcd第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天Ni合金中位錯繞過Ni3Al相的電鏡照片第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

位錯繞過間距為λ的第二相粒子時，所需要的切應(yīng)力為：τ=Gb/λ,

其中G為切變模量，b為柏氏矢量，λ為兩粒子間距由上式可以看出λ越小強化作用越大。第二相粒子是可借助粉末冶金的方法加入機體而起強化作用的，這種強化機制成為彌散強化。當(dāng)過飽和固溶體進行時效處理時，可以得到與基體非共格的析出相，此時位錯也是以繞過機制通過障礙的，這也稱為彌散強化。第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2.位錯切過第二相粒子

若第二相粒子為硬度不是太高，尺寸也不很大的可變形的第二相粒子時或是過飽和固溶體時效處理初期產(chǎn)生的共格析出相，則運動著的位錯與其相遇時將切過粒子與基體一起變形。位錯切過第二相粒子時必須做而外的功，消耗足夠大的能量，從而提高合金的強度，這被稱作是沉淀強化。第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天適用于第二相粒