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1、第三章 位错强化机制,本章的核心问题是：,目录,第一节 金属单晶体变形的一般特点第二节 位错增值机制第三节 位错强化的数学表达式第四节 应变速率与位错运动速率之间关系第五节 应变强化的应用及特点第六节 孪生的位错机制,第一节 金属单晶体变形的一般特点,一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征,1、FCC,（1）滑移系较多：有12个滑移系111；,（2） ；,塑性好！,蠕变速率降低（适合于作为高温材料）。,刃型位错难于攀移,（易于产生加工硬化）；,螺型位错难于交滑移,2、BCC,（1）滑移系较多：有24个滑移系110，112,（2）,有冷脆现象；,塑性好！,蠕变速率降高（不适合于作
2、为高温材料）。,刃型位错易于攀移,（难于产生加工硬化）；,螺型位错易于交滑移,塑性不如FCC好！,（3）,一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征,3、HCP,塑性差（如Zn、Cd）；,（1）c/a1.633时,1）只有基面滑移，滑移系少：,（易于产生加工硬化）；,塑性好（如Ti、Zr）；,（2）c/a1.633时,1）滑移系增多：,（易于产生交滑移）。,一、FCC、BCC和HCP晶体中位错运动及塑性变形特征,二、金属单晶体的加工硬化行为,1、易滑移阶段,2、线性硬化阶段,3、抛物线滑移阶段,单系滑移的结果,双滑移的结果,交滑移的结果,现象：,第二节 位错增值机制,一、位错增殖的
3、概念,那么，随着 的增大，位错密度 是增大还是减小？,本节的内容就是要回答：为什么 ？,是什么？,是应变，代表着晶体的变形量。,塑性变形是如何实现的？,位错滑移；,增大。,为什么会增大？,不同位错源释放出位错之间交互作用：,阻碍位错运动。,二、位错源的种类及增殖机制,1、FrankRead源,核心是：一段两端固定的位错线，在外力作用下会不断释放出位错圈。,当外加切应力足够大时，会形成两个蜷线位错,蜷线合并，释放出位错圈,（2）所需的临界切应力有多大？,（1）作用在位错线上的力总是垂直于位错线,当 时，位错就增值。,关键是克服线张力造成大阻力：,临界状态时：,硅晶体中的Frank-Read源（位
4、错图修饰技术进行加工）Dash, 1957, Dislocation Mechanical Properties of Crystals, Wiley,二、位错源的种类及增殖机制,（1）对于单晶体变形的几个阶段：,（2）晶体塑性变形过程,（3） 与 的关系,交滑移阶段：,易滑移阶段：,双滑移阶段：,只有位错源释放出了更多的位错，使 ，但 幅度不大；,两个滑移系中的位错源开动，位错形成塞积或缠结 ；,增大到可以使螺型位错产生交滑移时， 很小， 也很小。,1、FrankRead源,FrankRead源开动:,位错塞积:,滑移面上的FrankRead源开动,应变并不是由位错密度决定的。,是由位错运动
5、决定的。,二、位错源的种类及增殖机制,（1）双交滑移机制（以面心立方为例）,即，经过两次交滑移，形成了位错源。,（d）面上有一螺型位错受阻；,受阻部分交滑移到（c）面上，形成割阶；,脱离障碍的位错又滑移到（d）面上；,割阶成为束缚点，形成FranrRead源。,2、其它增殖机制,（2）极轴机制,二、位错源的种类及增殖机制,极轴位错：右螺的林位错 ；,扫动位错：可动的位错 ;,极轴位错垂直于扫动位错所在的平面。,扫动位错与极轴位错相遇，交点为障碍；扫动位错绕极轴位错回转，扫动两臂分开；经过几次回转后，形成如图所示的组态：,扫动后的区域发生切变，形成孪晶、马氏体相变等转变。,在外力作用下：,2、其
6、它增殖机制,（3）双极轴机制,二、位错源的种类及增殖机制,扫动位错： ；,;,平行的滑移面上留下一串位错环。,不断上升；,双极轴：一对符号相反的螺型位错为林位错；,扫动结果：,滑移面以林位错垂直；,2、其它增殖机制,第三节 位错强化的数学表达式,这一节的核心问题就是如何估算流变应力。,一、流变应力的概念,流变应力是指金属晶体产生一定量塑性变形的所需要的力。,二、位错运动阻力的估算,1、位错运动阻力的来源,（1）P-N力：,（2）线张力引起的阻力,（5）位错锁的阻碍作用；,（定性表达）；,（3）位错长程弹性交互作用引起的阻力；,（4）位错交截形成割阶的阻碍作用；,二、位错运动阻力的估算,条件：有
7、两个竖直排列的同号刃型位错，间距为L； 有同类型的刃型位错欲从这两个位错中间穿过；,求：位错间弹性交互作用对位错运动的阻力有多大？,2、位错长程交互作用引起的阻力,解：,应用公式,（1）滑动位错从远处滑向位错对中间时：,x2y时作用力最大：,则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：,二、位错运动阻力的估算,2、位错长程交互作用引起的阻力,二、位错运动阻力的估算,（2）滑动位错从位错对中间滑向远处时：,x0.5y时作用力最大：,则两个同号位错对滑动位错的共同作用力为：,各种情况下总的作用力可以表达为：,2、位错长程交互作用引起的阻力,二、位错运动阻力的估算,3、形成割阶的阻力,求：割阶形成的阻力
8、多大？,条件：一个刃型位错通过两个林位错，形成两个割阶；,解：两个割阶的形成能为：,当运动位错通过林位错时，位错线在垂直方向上有d的位移，,即相当于,使位错线L移动了d的距离。,则外力所作的功为：,即：,二、位错运动阻力的估算,条件：BE2x；位错线每段长度均为L， ；,求：拆开会合位错所需外力有多大？,四段位错线相应移动了kdx。,其能量变化为：,外力所作的功为：,对于其它几种阻力，也可以近似得到这种形式的表达式，只是L的意义有所差异。,总的来说:,4、会合位错的阻碍作用,三、流变应力的表达式,所以，总体上可以把大量位错的阻力表达为：,这个公式非常重要，在讨论加工硬化行为时常用，必须熟悉。,
9、第四节 应变速率与位错运动速率之间关系, Orawan公式推导,一、Orawan公式,平均取向因子（Schmid因子）， ；,滑移方向与拉伸轴夹角。,滑移面与拉伸轴夹角；,位错运动的平均速率；,可动位错密度；,b 柏氏矢量；,应变速率；,其中，,二、Orawan公式的推导,首先取单元体，研究变形与位错密度的关系。,1、当位错移动单位长度时，平均塑性切应变为：,2、若一个位错移动的距离为x时， 则晶体顶部相对于底部的切应变为：,3、当位错线的密度为 时，即单元体内有 个位错。 且假设位错线与单元体平行，滑移面平行于单元体底面。 则 个位错平均移动距离为x时，引起的平均应变为：,4、如果位错滑移面
10、与单元体底面不平行， 则引入取向因子m：,5、在一般情况下，计算位错运动引起的切应变时，,应当引入平均取向因子；求出位错在x方向上的平均移动距离；,对时间取微分：,三、Orawan公式的重要性,2、在 一定时，可以用来讨论 与 之间的关系；,1、把宏观变形行为与微观位错特性联系起来；,具有明显屈服点的材料应具备以下三个条件：,变形开始前晶体中可动位错密度低；,随着塑性变形的发生，位错可迅速增殖；,具有相当低的n值。,三、Orawan公式的重要性,材料在塑性变形开始时，应力突然下降，然后随着塑性变形的进行，应力基本保持不变，这种现象被称作物理屈服。,（1）物理屈服现象,3、物理屈服现象的解释,（
11、2）实际屈服现象的获得,特定的拉身条件：,夹头的运动速度恒定，即试样总的变形速度不变；拉伸时试样的应力是靠弹性变形产生的；试样的变形是靠弹性变形和塑性变形共同产生的。,没有塑性变形，夹头均匀运动，弹性变形均匀增大，应力均匀升高；,弹性变形阶段：,塑性变形阶段：,弹性变形速度下降，应力增加缓慢：,（3）物理屈服的机制,三、Orawan公式的重要性,物理屈服开始时，应力下降的原因,在屈服伸长变形时，出现锯齿现象的原因,需要强调的是，n值必须较小。 只有n值较小时， 的增大需要 值迅速增大； 的减小可导致 值明显降低。,塑性变形开始后，位错源开动，位错迅速增值。 值增大， 值可以降低，因而外加应力可
12、以下降。 这就形成了屈服开始后应力陡降的现象。,塑性变形一旦开始，首先开动即存位错，位错密度不会增加， 只有增大位错运动速率方可使塑性应变速率增大。 由于初期变形时，可动位错很少，所以要求 很高，因而要求外力较大， 因为 ，所以需要较大外力，这就是屈服点。,根据Orawan公式：,3、物理屈服现象的解释,第五节 应变强化的应用及特点,一、应变强化举例,无扩散；切变共格；位向关系和惯习面；温度范围； 可逆转变。,1、马氏体组织,（1）板条马氏体（块状马氏体）：,（2）片状马氏体（针状马氏体）：,位错马氏体；,高密度位错微细孪晶组成；,马氏体转变的特点：,2、纯金属强化,先将共析成分的高碳钢经铅浴
13、处理得到细小的珠光体；变形时铁素体严重扭曲，结果其中位错密度相当高，从得到极高的强度。,3、冷拔钢丝（铅浴）,高碳钢冷拔钢丝：,处理工艺：,4、高锰钢（15Mn，抗磨钢）,水韧处理的概念,将钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物溶入奥氏体，然后水冷，获得单一的奥氏体组织的处理工艺。,使钢具有极强的加工硬化能力:,Mn为 相形成元素，通过水韧处理，可在室温下得到 相组织；,Mn可降低 相的层错能，通过大量变形可在 相中产生大量,在复合强化、第二相强化、细晶强化中起到了重要作用。,5、其它强化方法,加工硬化，越打越硬。,抗磨性从哪里来？,一、应变强化举例,强化效果明显；对材料冷变形很重要；使用温度不
14、能过高；使材料迅速脆化。,二、应变强化特点,第六节 孪生的位错机制,一、孪生与孪晶,1、定义,孪生：是指材料的一种塑性变形方式，,孪晶：材料中呈镜面对称的两部分晶体；,孪晶界：孪晶区与非孪晶区界面和孪晶面重合时，称为共格孪晶；,孪晶区与非孪晶区界面和孪晶面不重合时，称为非共格孪晶。,是一部分晶体发生均匀切变，使变形部分与未变形部分呈晶面对称；,第六节 孪生的位错机制,一、孪生与孪晶,第六节 孪生的位错机制,一、孪生与孪晶,（1）方向性：,孪生是晶体中一定晶面沿着一定方向移动而发生的。,即在每层密排面上有一个可滑移部分位错运动的结果。,孪生面,（2）位向关系固定：,孪生变形后，孪生部分与原晶体的
15、晶体位向关系不同，但关系固定；,（3）变形均匀：,滑移集中在一个平面上，而孪生是变形部分晶体上的均匀变形；,（4）孪生变形量小；,（5）形成条件：,在低温快速变形时易于发生孪生。,与层错的区别：,2、特点,第六节 孪生的位错机制,二、孪生机制,孪生可由部分位错沿着相互平行的一组滑移面运动形成：,极轴机制：,1、极轴位错是螺型位错（或者能分解形成垂直于孪生面的螺型位错）；,即极轴位错的柏氏矢量垂直于孪生面的矢量；,2、极轴位错的垂直分量正好等于孪生面间距；,3、扫动位错是孪生位错，能给出孪生切变。,第六节 孪生的位错机制,在BCC晶体中：,在（112）面上：,为不动位错；,为扫动位错；,变成螺型位错，可以交滑移到 面上；,二、孪生机制,第六节 孪生的位错机制,三、孪晶界的特点,1、可发射位错,非共格晶界的能量高，不稳定，易于发射位错，以降低能量。,BCC：,2、位错运动的障碍,可以从滑移位错与孪晶界的交互作用加以说明。,在BCC晶体中，全位错与共格晶界相遇时，会发生反应：,第六节 孪生的位错机制,三、孪晶界的特点,2、位错运动的障碍,对于180旋转孪晶有变换矩阵：,第六节 孪生的位错机制,由于此反应不能自动进行，所以孪晶界是位错运动的障碍：,促进微裂纹的形成。,易于形成位错塞积,位错反应为：,三、孪晶界的特点,2、位错运动的障碍,第六节 孪生的位错机制,
