塑性应力应变图

在介绍拉伸试验时，已经提到拉伸试样在外力作用下，随着应力的增加，可先后发生弹性变形、塑性变形，直至断裂。弹性变形的实质是在外力作用下，金属内部的晶格发生了有限的伸长或弯曲，但未超过原子之间的结合力，故外力去除后，其变形便可完全恢复。

当应力大于弹性极限时，钢不但发生弹性变形，而且发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到完全恢复，而且有残余变形或永久变形，这种不能恢复的变形称为塑性变形。塑性变形的实质是金属内部晶粒发生了压扁或拉长的不可恢复的变形。下面对塑性变形的微观机制作较详细的讨论。

2．4．1 单晶体的塑性变形

为了便于了解实际金属多晶体的塑性变形过程，先来分析金属单晶体是怎样发生变形的。单晶体塑性变形的方式主要有滑移和孪生。

（1）滑移

滑移是金属塑性变形最常见的方式。如图2．7所示，在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（称为滑移面）和晶向（称为滑移方向）移动了原子间距的整数倍，称为滑移。抛光后的金属试样经拉伸变形后，在金相显微镜下可观察到表面有许多相互平行的细线，称之为滑移带（见图2．8）。高倍电子显微镜观察发现，每条滑移带又是由许多平行而密集的滑移线所组成，这些滑移线实际上是在塑性变形后在晶体表面产生的一个个小台阶（见图2．9），其高度约为1000个原子间距，滑移线间的距离约为100个原子间距。

图2．7 单晶体变形过程

图2．8 纯铁晶粒表面的滑移带

图2．9 滑移线和滑移带示意图

1）滑移系

一般来说，滑移并非在任意晶面和晶向上发生，而总是沿着该晶体中原子排列最紧密的晶面和晶向发生。如图2．10所示的晶格，AA晶面的原子排列最紧密，但晶面间距却最大，因而晶面之间的结合力也最弱，故AA面最易成为滑移面。反之，原子密度小的BB面，由于晶面间距小，晶面之间的结合力强，故难以滑移。同理可以解释沿原子排列最紧密的晶向滑移阻力最小，容易成为滑移方向。

通常每一种晶格都有可能有几个滑移面，每一个滑移面上有可能同时存在几个滑移方向。一个滑移面和其上一个滑移方向构成一个滑移系。3种常见金属晶格的主要滑移系见表2．4。

图2．10 滑移面示意图

对金属的塑性变形来说，金属晶体中的滑移系越多，则滑移时可能采取的空间位向越多，其塑性就越好。滑移方向对塑性变形的作用大于滑移面的作用，在滑移系相同时，滑移方向越多的金属，其塑性就越好。因此，在常见的金属中，铝、铜等面心立方金属的塑性最好，铁、钼等体心立方金属次之，而锌等密排六方金属的塑性最差。因此对钢进行压力加工时，要加热到高温，其目的之一是使体心立方晶格转变为面心立方晶格，提高钢的塑性。

表2．4 3种典型金属晶格的滑移系

2）引起滑移的临界切应力

外加应力在滑移系中可分解为切应力和正应力。单晶体开始滑移时，外力在滑移面上的切应力沿滑移方向上的分量必须达到一定值，此值称为临界切应力，通常以K表示。K的数值大小主要取决于金属的本性，通常与外力的大小方向无关，但受金属的纯度、变形温度与变形速度等影响。当晶体中一个滑移系的分切应力大于K时，晶体就在这个滑移系上开始滑移，这时所对应的外加应力就是屈服点σs。

外力在滑移面上的正应力不能引起晶体滑移，但能使滑移面发生转动。拉伸时使滑移面朝与外力平行方向转动；压缩时使滑移面朝与外力垂直方向转动。

3）滑移的实质

对于滑移的实质，最初曾设想滑移过程是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性移动，即滑移面上一层原子相对于另一层原子同时移动。但由此计算出的滑移所需的临界切应力K与实际测出的结果相差很大。如铜的理论计算值K＝1540MPa，而实际值K＝1．0MPa，如此巨大的差异证明滑移绝非晶体的整体刚性移动。经研究证明，滑移实际上是位错在切应力作用下运动的结果。如图2．11所示示意图表示了在切应力作用下，一个刃型位错的运动造成滑移的情况。可见在切应力作用下，一个刃型位错一步一个原子间距的运动，最终造成一个原子间距的滑移量。多个位错运动的结果造成晶体的塑性变形。当晶体通过位错的移动而产生滑移时，并不需要整个滑移面上的全部原子同时移动，而只是位错中心附近的少数原子发生微小的移动，其移动的距离远小于一个原子间距，如图2．12所示。因此，位错的运动只需加一个很小的切应力就可实现。这就是实际晶体比理想晶体容易滑移的原因。

图2．11 通过位错移动而造成滑移的示意图

图2．12 位错运动的原子位

（2）孪生

孪生是指晶体在切应力下，其一部分相对另一部分发生以某晶面为面对称的沿一定方向的共格切变，如图2．13所示。此面对称的晶面称为孪晶面（通常是两个孪晶面伴生），切变的方向称为孪生方向。在两个孪晶面之间的晶体部分称为孪晶带。孪生时，仅是孪晶带中的原子发生不同分数倍原子间距的位移，并使这部分的晶体位向发生一定角度的改变。但是，与未发生孪生的晶体部分保持面对称。孪晶面上的原子为两种不同位向的两部分晶体的晶格所共用（即共格）。孪生变形的试样经抛光后能在显微镜下观察到呈凸透镜状的孪晶带，如图2．14所示。

图2．13 孪生变形示意图

图2．14 锌中的孪晶带

由于孪生变形较滑移变形一次移动的原子较多，故孪生变形较滑移变形需要的临界切应力大。例如镁的孪生临界切应力为5～35MPa，而滑移临界切应力仅为0．5MPa。因此，只有在滑移变形难以进行时，才产生孪生变形。具有面心立方与体心立方晶格的金属很少进行孪生变形。只有在低温或冲击载荷下才发生孪生。而密排六方格晶格的金属则比较容易发生孪生变形。

2．4．2 多晶体的塑性变形

实际金属大多是多晶体，其中每一个晶粒范围内的塑性变形基本上与单晶体的塑性变形相似。但由于多晶体中晶粒位向各异，并有晶界存在，使得各个晶粒的塑性变形互相受到阻碍与制约。因此，多晶体的塑性变形要比单晶体的塑性变形复杂得多。

（1）晶界和晶粒位向的影响

晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。其原因是由于晶界处原子排列紊乱，并常有杂质集中在此，造成晶格畸变。因而当位错运动到晶界附近便会受到阻碍而停止前进，堆积在晶界前面。若要使位错穿过晶界就需要更大的外力，即变形抗力增大。此外，由于多晶体中各晶粒位向不同，当任一晶粒滑移时，都将受到它周围不同位向晶粒的约束和阻碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形，即进一步增加变形抗力。因此，多晶体中的晶界和晶粒间的位向差都起到提高强度的作用（见图2．15）。金属的晶粒越细，晶界总面积便越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便越多，对塑性变形的抗力也就越大，从而金属的强度越高。

图2．15 纯锌的拉伸曲线

此外，晶粒越细，金属的塑性与韧性也越高。因为晶粒越细，金属单位体积内的晶粒数便越多，同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，就能在断裂之前承受较大的变形量。此外，晶粒越细，晶界阻碍裂纹扩展的作用也越强，表现出较好的韧性。因此，在工业生产中通常总是设法获得细小而均匀的晶粒组织，使材料具有较好的综合力学性能。

（2）多晶体的塑性变形过程

在多晶体中，由于各个晶粒的位向不同，因而其滑移面和滑移方向不一致，则在外力作用下各晶粒中不同的滑移面和滑移方向上所受到的分切应力也不相同。多晶体中的各个晶粒不是同时发生塑性变形，只有那些位向处于有利于变形的晶粒，随着外力的不断增加，其滑移方向上的分切应力首先达到临界分切应力时，开始塑性变形。而此时周围位向不利于滑移的晶粒，还不能发生滑移，只能以弹性变形相适应。加上晶界对位错运动的阻碍，从而便会在首批滑移晶粒的晶界附近造成位错堆积。随着外力的增大，应力集中达到一定的程度，使相邻晶粒的某些滑移方向上的分切应力达到临界分切应力值，变形才能越过晶界，传递到另一批晶粒中。此过程不断继续下去，塑性变形就进一步发展。多晶体的塑形变形，就是这样一批一批的晶粒逐步滑移。从少量晶粒开始，逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀逐步发展到较为均匀的变形。