雖然有些材料在性質(zhì)上是彈性的,因?yàn)橹钡綌嗔眩�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(dòng)。塑性變形涉及原子面在晶態(tài)固體中以特定的方式相對(duì)滑動(dòng)。

眾所周知，位錯(cuò)可以在外加作用力下運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)的累積運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致宏觀塑性變形。在微觀層面上，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)涉及原子間鍵合的斷裂。

黑色線為真實(shí)的位錯(cuò)線

為了使塑性變形更易于進(jìn)行，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的必要性可以從固體的理論強(qiáng)度和真實(shí)強(qiáng)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(cuò)——在晶態(tài)固體塑性變形中扮演了重要角色。

它們?cè)谒苄宰冃沃械闹匾�性與它們?cè)谔囟ㄆ矫婧吞囟ň�向上的運(yùn)動(dòng)特性相關(guān)，刃型位錯(cuò)通過滑移和攀移運(yùn)動(dòng)，而螺位錯(cuò)通過滑移和交滑移運(yùn)動(dòng)。

 

塑性變形的啟動(dòng)與在真實(shí)晶體中現(xiàn)有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而在完美晶體中它可歸因于位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)。大多實(shí)際晶體中因?yàn)檫@樣或那樣的原因存在位錯(cuò)。

在運(yùn)動(dòng)過程中，位錯(cuò)趨向于彼此相互作用。位錯(cuò)間的相互作用是非常復(fù)雜的，在許多滑移面上位錯(cuò)沿著不同方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)它們?cè)谙嗤�的平面上，它們符�?hào)相同則彼此相互排斥；如果它們的符號(hào)相反則湮滅。

總體上，當(dāng)位錯(cuò)相互接近，它們的應(yīng)變場(chǎng)疊加數(shù)值更大，它們相互排斥，因?yàn)橄嗷ソ咏�增加�?shì)能，使一個(gè)區(qū)域的材料產(chǎn)生應(yīng)變需要更高能量。

當(dāng)不同位錯(cuò)處于相近但存在一定間隔的滑移面上，完全湮滅將不會(huì)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(cuò)在相互不平等平面上交互運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要后果是，它們彼此相互作用或抑制彼此的運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)位錯(cuò)的交割導(dǎo)致位錯(cuò)線的突然斷裂。這些破壞可能有兩類：

(a) 割階是位錯(cuò)斷裂使之脫離滑移面

(b) 扭折是位錯(cuò)線的斷裂但仍滯留在滑移面內(nèi)

其它阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際后果是位錯(cuò)依舊會(huì)運(yùn)動(dòng)，但需要在更高的應(yīng)力下運(yùn)動(dòng)，并且在許多情況將導(dǎo)致更多位錯(cuò)的產(chǎn)生。

位錯(cuò)可以從現(xiàn)有位錯(cuò)以及缺陷、晶界和表面不規(guī)則處產(chǎn)生。因此，位錯(cuò)的數(shù)量在塑性變形的過程中會(huì)顯著增長(zhǎng)。

由于更進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)需要提升應(yīng)力，材料可以說是被強(qiáng)化了，也就是，材料可以通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)化。

塑性變形，涉及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。塑性變形的機(jī)制主要有兩種，為滑移和孿生。

圖：位錯(cuò)的滑移

在金屬中滑移是主要的塑性變形機(jī)制。它涉及大塊晶體在一個(gè)其它的特定的晶面上的滑動(dòng)，稱為面滑移。當(dāng)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(gè)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(gè)臺(tái)階，但晶體的取向仍舊相同。在顯微鏡下觀察臺(tái)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?dú)w因于實(shí)際局限性，單晶變形后仍舊均勻。總體上，滑移面是原子密度最大面，并且滑移方向是滑移面內(nèi)的密排方向。

事實(shí)證明，原子最大密排面是最廣泛的間距平面，而密排方向擁有最小移動(dòng)距離。滑移面和滑移方向可以組合成一個(gè)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(gè)單晶中，塑性變形通過滑移來完成，有時(shí)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(dòng)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(gè)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(dāng)λ = ø =45 ْ時(shí)，剪應(yīng)力最大。如果兩個(gè)角度中的任何一個(gè)等于90 ْ，那剪應(yīng)力分量為零，因此將不會(huì)發(fā)生滑移。

 

如果存在一種情況，兩個(gè)角度中的一個(gè)接近90 ْ，晶體會(huì)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(shí)例。因?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用材料要比模型材料復(fù)雜得多。

 

幾乎所有工程合金都是多晶體。一個(gè)多晶體樣品的總體變形通常對(duì)應(yīng)單個(gè)晶體的相對(duì)扭曲，這一過程是通過滑移來實(shí)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(dòng)滑移，不然就不會(huì)發(fā)生屈服。

 

因此，在一個(gè)多晶體的集合體中，單個(gè)晶粒會(huì)彼此制約對(duì)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(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和再排列。由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(cuò)在更高的應(yīng)力下釘扎或移動(dòng)。在變形過程中，機(jī)械完整性和一致性沿著晶界保持。

 

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

 

根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則，對(duì)于一個(gè)多晶體來說，最少要五個(gè)獨(dú)立的滑移系可以開動(dòng)，才能顯示出塑性并且保持晶界的完整性。

 

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

 

那些沒有五個(gè)獨(dú)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(zhǎng)是可見的，可能是由于孿生或者是一個(gè)擇優(yōu)取向。

 

塑性變形的第二種重要機(jī)制是孿生。它導(dǎo)致當(dāng)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(duì)稱的方式進(jìn)行。

 

晶體孿生的部分是母晶體的鏡像。對(duì)稱面被稱為孿晶面。在孿生區(qū)的每一個(gè)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(jí)別上，因此導(dǎo)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(jìn)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?yàn)樗�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(duì)試樣的表面拋光除去。因?yàn)榛�移從本質(zhì)上并未改變晶體取向。

 

對(duì)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(dǎo)致孿生這也未可知。

圖：不同的塑性變形機(jī)制示意圖

孿生通常發(fā)生在滑移受限的情況，因?yàn)榘l(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(dāng)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(shí)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(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易。金屬的強(qiáng)化需要阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙可以采用很多方式，那就是所謂的金屬強(qiáng)化機(jī)制。

圖：塑性變形機(jī)制 

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

 

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