金属材料塑性变形晶体学

第1章塑性变形的金属学基础 大多数工程用多晶体金属材料需经历变形加工。在足够高的外载荷作用下，金属会改变其外部形状，且当外载荷被去除后金属无法再恢复其原始的外部形状，即其外部形状的改变被永久性地保留下来，这种变形显然不属于弹性变形，称为塑性变形。良好的塑性是金属材料区别于非金属材料的核心特征之一。塑性变形加工往往也是金属材料制备过程中难以避免的技术环节。塑性变形不仅改变了金属的外部形状，而且其内部的微观组织和相应力学性能也会发生复杂的变化。由此可见，塑性变形过程是调整金属材料内部组织结构和服役性能的重要工艺过程。绝大多数金属材料都具备特定的晶体结构，为便于阐述金属塑性变形的基本晶体学原理，需先简述相应的金属学基础。 1.1晶体学塑性变形系 1.1.1金属晶体塑性变形的微观行为 如图1.1(a)所示，设完整金属晶体中有某组规则排列的水平原子面，面上原子垂直向上的排列位置完全一致，且面间距为a；在外部切应力的作用下，一晶面及其上面的原子在发生相对滑动的过程中需要同时克服两原子面间所有原子之间的键合力而做功[图1.1(b)]。当原子面上的原子滑动一个原子间距b后，原子面又会到达新的平衡位置，使原子规则排列的初始晶体结构得以保持[图1.1(c)]。继续滑动时，上述过程会不断重复发生。图1.1(b)显示滑动半个原子间距b/2时原子面处于亚稳平衡位置，此时初始晶体结构遭受了局部扰动，因而结构变得不稳定。 图1.1金属晶体原子面相对滑动过程示意图 原子面可以继续滑动到图1.1(c)的平衡位置，也可以反向滑动回到图1.1(a)的平衡位置。图1.1(c)所示滑动后实现的平衡状态虽然以造成切应变的形式永久性改变了滑动区的几何外形，但并未改变原来的晶体结构。 在外部切应力的作用下也会发生大量金属原子的集体性切变运动。设完整金属晶体中有某组规则排列的原子面，如图1.2中虚线所示。虚线面右上侧所有原子各自沿与虚线面平行的面做集体切变运动，即运动的原子从原来的白圈位置移动到了灰圈的位置。在平行于虚线面的相邻灰色原子面之间，每个原子的相对移动矢量相同，切变运动导致了运动原子区域产生切应变。切变运动完成后永久性改变了运动区域的几何外形，但并未改变原来的晶体结构；灰原子区的晶体结构与未发生切变运动的黑原子区完全一致，只是相对于黑原子所代表的初始状态发生了转角为的旋转(图1.2)，使原A、B方向转到A'、B'；此时灰原子区与黑原子区沿虚线面呈镜面对称，形似孪生；灰原子为切变区，黑原子为未发生切变区。形成镜面对称的两部分晶体也称为孪晶，分割两部分晶体的对称镜面称为孪晶界面，或孪晶界。 图1.2金属晶体中切应力导致部分原子的切变运动示意图 在外力作用下，金属永久改变其几何外形的现象称为塑性变形。图1.1和图1.2展示的是金属塑性变形的典型微观行为，前者借助金属中位错的滑移实现，后者则称为机械孪生。金属发生塑性变形前后，其几何形状虽然发生了变化，但其基本的晶体结构却保持不变。金属晶体中实现塑性变形的晶体学微观机制主要涉及位错的滑移及机械孪生，具体实现变形的滑移系和孪生系可统称为晶体学塑性变形系，简称塑性变形系。 1.1.2金属晶体中的位错 在常规的金属晶体结构中不可避免地存在不同数量的位错，属于线型一维尺度的晶体缺陷。图1.3为用透射电子显微镜观察到的高纯铝薄膜中的线型位错影像[1]，可以观察到一些位错线互相交割、连接。 图1.3透射电子显微镜下的高纯铝中的线型位错 在位错周围有一个畸变区，且只在一维方向上有很大的尺度，与其垂直的其他两维尺度则非常小，通常只涉及几个原子的距离。位错很大尺度的方向被视为位错线的方向，用矢量l表示，称为位错线方向矢量。位错线不会在晶体内部有端点，它或者形成某种形式的封闭位错线，或者结束于晶体表面或内部界面。当金属晶体中存在位错时，晶体的滑移并非通过滑动面上下两部分晶体同时地、整体地刚性滑动，而是通过在切应力作用下借助原子排列局部不规则的位错在滑动面上逐步迁移来实现(图1.4)[2]，称为滑移，提供给位错实施滑移的面称为滑移面，用单位矢量n表示其法向矢量；滑移面通常是晶体的*密排面。位错滑移时滑移面上下两层相邻原子面间的原子键合不是同时被整体破坏，而是一列一列地按顺序依次被破坏，因此滑移所需的切应力也就大大降低。 图1.4位错的滑移过程示意图 位错主要分为两种基本形式：一种是刃位错，另一种是螺位错，分别如图1.5(a)、(b)所示[3]。其中刃位错附近，垂直于如图1.4所示滑移面的原子面在滑移面上、下的数目不相同，一侧多出了一个原子面，称为多余半原子面；螺位错中则没有这个面。如果人为定义出位错线单位矢量的正向，在距离位错线足够远并达到几乎完整晶体的地方绕位错线方向以原子的完整间距为步长做右旋闭合回路[图1.5(a)和(b)]，称为柏氏回路；然后在完整晶体中以原子的完整间距为步长做相同的回路后，它必然是不闭合的[图1.5(c)]。这个不闭合回路的终点(回路箭头)指向起点(小圆圈)的矢量称为柏氏矢量，其长度为b，用矢量B表示，通常沿晶体的*密排方向；柏氏矢量的单位矢量用滑移矢量b表示，其长度为1。柏氏矢量反映了晶体结构中位错线周围的畸变情况。图1.5(c)分别对照图1.5(a)和(b)，利用柏氏回路确定出了刃位错和螺位错的柏氏矢量。不同类型位错的特征可以通过滑移矢量b和位错线方向矢量表达出来。刃位错的矢量b和矢量l互相垂直，螺位错的矢量b和矢量互相平行。其他形式的位错大多可分解出刃位错分量和螺位错分量。由刃位错分量与螺位错分量叠加而成的位错称为混型位错，混型位错的矢量b和矢量互相既不垂直，也不平行[图1.5(d)]。 图1.5晶体中的位错(灰色区域为滑移面) 一根位错线可以在晶体中以弯曲的形式延伸分布，只要不与其他位错线交割，就有唯*的柏氏矢量B和滑移矢量b[图1.5(d)]。因此，随着位错线的弯曲变化，位错的刃型、螺型特征也会发生改变。当晶体中出现几根位错线合并成一根位错线或一根位错线分解成几根位错线的现象时，合一的位错线柏氏矢量是这几根位错线尚未合一时的柏氏矢量之和。柏氏矢量表征了位错所引起的错排原子间相对位移的方向及位移总量的大小。推动位错滑移的正、负切应力可以使位错分别向正、反两个相反的方向滑移。一根位错线在其滑移面上沿柏氏矢量方向滑移，则滑移面法向矢量n和滑移矢量b就构成了一个滑移系。由图1.5可知，无论位错线的方向矢量l朝向如何，也无论位错线的迁移方向如何，滑移过程所造成晶体滑移面上下实际的相对移动方向始终是柏氏矢量方向。 图1.6(a)给出钴单晶体室温变形后用扫描电子显微镜在其表面观察到的滑移现象。在切应力作用下单晶钴内一个滑移系开动后，在该滑移系的滑移面上可以有多个滑移系依次开动并顺序迁移扫过滑移面，当滑移系迁移出晶体后会在晶体表面留下线型痕迹，称为滑移线；紧邻该滑移面并与其平行的滑移面上也会有多个滑移系扫过，并溢出晶体表面；多个密集靠近的滑移线形成的区域称为滑移带[图1.6(b)][4]。类似的互相平行的许多滑移带会不均匀地出现在变形金属晶体内。设一个滑移带内多个滑移系扫过后在柏氏矢量方向上累积的总滑移量平均为Δs，滑移带的平均间距为，则滑移系开动造成金属晶体的切应变约为：(1.1) 图1.6室温变形钴单晶体表面滑移 1.1.3金属晶体中的机械孪生与孪晶 在切应力作用下，晶体材料可能会借助机械孪生机制实现塑性变形(图1.7)。图1.7给出了在纯锌和纯铁塑性变形过程中观察到机械孪生造成的组织形貌[5]。图1.8是在铜中观察到的孪晶界高分辨电子显微镜照片，在不同类型金属晶体结构中也会有孪晶和孪晶界出现[4]。 在切应力作用下发生机械孪生时，晶体中特定晶面一侧的原子沿该晶面的一特定方向发生切变运动，称为切变晶体，而晶面另一侧的原子保持不动，称为母晶体。该特定晶面称为孪生面，用表示，其法向单位矢量为。机械孪生完成前后孪生面上的原子位置没有发生任何变化，因此面称为**不畸变面。孪生面上原子切变运动的方向称为孪生方向，用表示[6]，其单位方向矢量为[图1.9(a)]。机械孪生完成后晶体仍保持原结构不变，孪生面两侧的原子呈镜面对称。一个孪生面与其上的孪生方向构成一个机械孪生系，简称孪生系；与滑移面及滑移方向组成滑移系的方式类似。 图1.7塑性变形机械孪生组织 图1.8在铜中观察到的水平孪晶界及上下呈镜面对称的孪晶 如图1.9(b)所示，在机械孪生发生前，即将做切变运动的那些区域中还存在一个面；切变运动完成后面到达了新位置。机械孪生过程中做切变运动的原子之间的位置会发生规律性的变化，但面上原子之间的相对位置没有发生任何变化，因此面称为第二不畸变面。不同金属的面、面和方向都是已知的。令为面和面的夹角，则机械孪生造成的切应变为(一些文献中也用S表示)