金属的塑性变形

教学情境一　金属的塑性变形

学习与训练子目标

掌握塑性变形的主要方式及特点

知识点一　单晶体金属的塑性变形

实验表明，晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形。在室温下，单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生两种方式进行的。

一、滑移

滑移是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面或晶向相对于另一部分发生相对移动的现象，如图3-1所示。滑移是金属塑性变形的最主要方式。

图3-1　晶体在切应力作用下的滑移示意图

表3-1为3种常见金属晶格的主要滑移面和滑移方向。

表3-1　3种典型金属晶格的滑移系

晶体中能够发生滑移的晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。单晶体的滑移面和滑移方向都是原子密度最大的晶面和晶向。因为这些晶面或晶向之间的原子间距最大，原子间结合力最小，即滑移的阻力最小，所以在切应力作用下容易滑移。一个滑移面与其上的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，金属的塑性越好。

在滑移系数目相同的情况下，滑移方向的数目比滑移面数目的作用更大。例如体心立方晶格的铁与面心立方晶格的铜都有12个滑移系，但铁的塑性不如铜。

实际金属是含有位错的晶体，晶体的滑移变形是位错在切应力作用下沿滑移面运动的结果，如图3-2所示。

图3-2　晶体中通过位错产生滑移变形的过程

二、孪生

孪生是单晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生了一定角度的转动的现象，如图3-3所示。孪生是单晶体的另一种塑性变形方式。

晶体发生孪生的部分称为孪生带或孪晶，发生孪生时所沿的晶面称为孪面。单晶体发生孪生后，以孪生面为对称面，两侧晶体呈镜面对称。

孪生的特点如下：

（1）孪生也是在切应力作用下产生的塑性变形，但产生孪生所需的切应力比滑移时大得多，故单晶体塑性变形时，滑移比孪生容易。

（2）孪生使晶体的一部分发生晶格位向的改变。

（3）孪生时，孪生带中相邻原子面的相对位移只有一个原子间距的几分之一。

（4）孪生的变形速度极快，接近声速。

滑移系使较多的金属容易产生滑移变形。而一些具有密排六方晶格的金属，如锌、镁等的滑移系较少，故多以孪生方式变形。

图3-3　孪生示意图

知识点二　多晶体金属的塑性变形

多晶体金属的塑性变形与单晶体比较并无本质上的差别，即每个晶粒的塑性变形仍以滑移或孪生方式进行。但由于晶界的存在和每个晶粒中的晶格位向不同，故在多晶体中的塑性变形过程要比单晶体中复杂得多。

一、晶界及晶粒位向的影响

图3-4　双晶粒试样的拉伸变形

晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。图3-4所示为双晶粒试样受拉伸时的变形情况。由图可见，试样在晶界附近不易变形，出现了所谓“竹节”现象。

晶界是相邻晶粒的过渡层，不但原子排列紊乱、晶格畸变，而且也是杂质和各种缺陷集中的地带。所以位错移动到晶界附近受阻而停止前进，并使位错在晶界前堆积起来，滑移线也大多中止于晶界处。显然晶界越多，多晶体的塑性变形抗力越大。多晶体中，各个晶粒的位向不同。在外力作用下，有的晶粒处于有利于滑移的位置，有的晶粒处于不利位置。当有利于滑移的晶粒要进行滑移时，受到周围位向不同的其他晶粒的约束和阻碍，而使变形抗力增大。

二、晶粒大小的影响

金属的晶粒越细，其强度和硬度也越高。因为在相同的体积内，晶粒越细小，晶界的总面积就越大，同时每个晶粒周围的不同方位的晶粒数也越多，对塑性变形的抗力也就越高。

金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。因为晶粒越细小，在相同体积内的晶粒数量就越多。在外力作用下参与塑性变形的晶粒数目也越多，塑性变形分布于更多的晶粒内，所以变形均匀，不会造成局部应力集中而引起裂纹，仅使金属产生塑性变形而不破坏。在金属的强度和塑性同时增大的情况下，冲击韧性也会随之增高，因为要使金属断裂要消耗很大的能量。

通过使金属晶粒细化的方法可以提高金属的强度、硬度、塑性和韧性等。因此，晶粒细化是强化金属的重要手段。

三、多晶体塑性变形过程

在多晶体金属中，由于每个晶粒的晶格位向都不同，其滑移面和滑移方向的分布便不同。因此，在外力的作用下，每个晶粒中不同滑移面和滑移方向上所受到的切应力便不同。而切应力是在与外力成45°的方向上为最大，在与外力相平行或垂直的方向上为最小。因此，凡滑移面和滑移方向位于或接近于与外力成45°方位的晶粒必将首先发生滑移变形，通常称这些位向的晶粒为处于“软位向” ，所以容易发生滑移。而滑移面和滑移方向处于或接近于与外力相平行或垂直的晶粒则称它们是处于“硬位向” ，因为在这些晶粒中所受到的切应力将最小，最难发生滑移。

当首批处于软位向的晶粒发生滑移时，由于晶界的影响及其周围处于较硬位向的晶粒尚不能发生滑移，只能以弹性变形相适应，从而便会在首批晶粒的晶界附近造成位错的堆积。随着外力的增大至应力集中达到一定程度，变形才会越过晶界，传递到另一批晶粒中。另外，随着滑移的发生，首批晶粒的位向同时也在发生转动，这也会使这些晶粒从软位向逐步转到硬位向，不能再继续发生滑移，而促使另一批晶粒开始滑移变形。所以，多晶体的塑性变形总是一批批逐步地发生，从少量晶粒开始逐步扩大到大量的晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀的变形。

思考与训练

复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

一、单晶体金属的塑性变形

1.单晶体金属的塑性变形方式为＿＿。

A.滑移　　 B.孪生　　C.滑移或孪生　　 D.都不对2.滑移和孪晶是＿＿的基本形式。

A.塑性变形 　　　　　　　　B.弹性变形

C.塑性变形或弹性变形　　　 D.都不对

3.单晶体金属的塑性变形是在＿＿作用下的结果。

A.剪应力 　　　B.正应力 　　C.扭转应力 　　D.以上均是

二、滑移

1.滑移是在＿＿作用下，晶体一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生平行移动。

A.正应力　　　 B.切应力　　　 C.弯曲应力　　　 D.扭转应力

2.塑性变形若以滑移方式产生，则在晶体内原子间一定发生的是＿＿。

A.平行移动 　　　　　　　　　 B.转动

C.平行移动和转动 　　　　　 D.都不对

3.产生滑移的晶面称之为＿＿。

A.滑移面 　　B.滑移方向　　 C.滑移带　　 D.滑移线

4.产生滑移的晶向称之为＿＿。

A.滑移面　　　 B.滑移方向　　 C.滑移带 　　D.滑移线

5.滑移系是＿＿。

A.滑移方向数 × 滑移带数　　　 B.滑移面数 × 滑移线数

C.滑移面数 × 滑移方向数 　　　D.滑移带数 × 滑移线数

6.滑移系相同，滑移方向不同时，塑性。

A.相同 B.不相同 C.不一定 D.无关

7.滑移系相同，滑移方向不同时，滑移方向数越＿＿，塑性越＿＿。

A.大/好　　 B.小/好 　　C.A或B　　 D.无关

8.单晶体的滑移发生在＿＿。

A.原子排列密度最大的方向上 　　　　　B.原子排列密度最大的面上

C.原子排列密度最大的方向和面上 　　　D.不一定

9.实际晶体材料强度远低于理论值的原因是晶体中存在＿＿。

A.晶界　　 B.溶质　　 C.位错 　　D.第二相

三、孪生

1.孪晶是在＿＿的作用下，晶体一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分发生转动。

A.正应力 　　　B.切应力　　 C.弯曲应力 　　　D.扭转应力

2.塑性变形若以孪晶方式产生，则在晶体内原子间一定发生的是＿＿。

A.平行移动　　 B.转动 　　C.平行移动和转动　　 D.都不对

3.单晶体塑性变形时，滑移比孪生＿＿。

A.容易 　　B.困难 　　C.同样　　 D.不一定

四、多晶体金属的塑性变形

1.多晶体金属的塑性变形方式为＿＿。

A.滑移 　　B.孪生　　 C.滑移或孪生 　　D.都不对

2.实际金属晶体的塑性变形方式为＿＿。

A.滑移　　 B.孪生 　　C.蠕变　　 D.滑移和孪生

3.实际金属晶体与单金属晶体的塑性变形相比，将受到＿＿的影响。

A.晶界　　 B.晶粒位向 　　C.晶粒度　　 D.以上均是

4.实际金属晶体的晶粒越细，则＿＿。

A.强度、硬度高 　　B.焊接性好 　　C.强度、硬度低 　　D.焊接性差

5.金属的塑性变形主要是通过＿＿进行的。

A.晶粒的相对滑动 　　　　 B.晶格的扭折

C.位错的滑移 　　　　　D.位错类型的改变

五、多晶体塑性变形的过程

1.实际金属晶体塑性变形的特点是＿＿。

A.一个个进行　　 B.一批批进行　　 C.同时进行　　 D.不一定

2.实际金属晶体首先发生滑移的一定是＿＿晶粒。

A.硬位向　　　　　　　　　　　 B.软位向

C.硬位向、软位向均可 　　　　D.硬位向、软位向均不可以