2017/08/21
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浅谈金属塑性变形中的滑移与孪生
当作用在材料上应力超过弹性极限，也就是超过屈服点时，就会发生塑性变形。由此产生的塑性变形是永久的，不能通过简单消除引起变形的应力来恢复。应用于材料屈服的能量消耗主要用于产生材料的位错滑移和/或孪生。这里需要注意一点，材料的位错滑移和孪生有时候同时进行，在材料加工的情况下，重要的是要理解所涉及的塑性变形。
大型锻件，高温塑性变形
两个主要塑性变形机制，即滑移和孪生。滑移是金属塑性变形的主要机制。它包括沿一定的晶面滑移，称为滑移面。它类似于一副牌，当一张牌从一端被推动时。当剪切应力超过临界值时就会发生滑移。
刃型位错运动
以滑移的方式发生塑性变形，通常沿着紧密堆积的晶格平面上进行，位错运动的能量需求被最小化。晶体内部的滑移一直进行到位错线到达晶体的末端，从而产生一个可见的台阶，称为滑移带。滑动是渐进的，一步一步地进行，这样晶体结构一直保持不变。对于大多数金属，密排面是（111）；因此，滑移带通常发生在应力轴线45度方向。一般滑移面是原子密度最大的平面，滑移方向是滑移面内的密排方向。
体心立方金属晶格中的密排面
在孪生的情况下，晶格结构确实发生了变化。孪生是一种扭曲的晶格在孪晶界创建镜像的晶体结构。在孪生过程中，原子只移动了原子间距的一小部分；由于许多原子的同时翻转，晶格中的宏观变化可以观察到，有时甚至可以听到！
发生孪生的部分晶体是母晶体的镜像，对称平面称为孪晶界，孪生变形的重要作用在于它使平面方向的变化，可以使滑移进一步进行。
铜中的孪晶
金属强化机理，对于单相金属：晶粒细化、固溶合金化、应变硬化。多相金属材料：沉淀硬化、弥散硬化、纤维加固、马氏体强化。
应变硬化或加工硬化：在韧性金属越来越困难时，塑性变形称为应变硬化或加工硬化。应变硬化强度可以通过应变硬化指数定义，它是一个提高金属应变硬化能力的方法。对于一定量的塑性应变，n值越高，应变硬化就越大。升高的温度降低了应变硬化的速率，因此通常在低于材料熔点的温度下进行处理。因此，这种加工方法也称为冷加工。
典型金属材料的拉伸曲线
应变硬化材料的结果是提高了强度和硬度，但材料的延展性会降低。在制造过程中应变硬化主要用于提高金属的机械性能。除了机械性能外，材料的物理性能在冷加工过程中也会发生变化。通常有轻微的密度下降，导电率明显下降，热膨胀系数小，化学反应性增加（耐腐蚀性降低）。
固溶强化：杂质原子在单相材料中产生晶格应变，可以钉扎位错。这种强化的有效性取决于两个因素：溶质的体积差和体积分数。
溶质原子以多种方式与位错相互作用：弹性交互作用、模量交互作用、堆垛层错交互作用、电子交互作用、短程有序交互作用、长程有序交互作用。弹性，模量，和长程有序相互作用是长程的，对温度比较敏感，一直持续到0.6Tm。
弥散强化：在弥散强化中，硬质颗粒与基体粉末混合，用粉末冶金技术进行固结和加工。第二阶段在基体中的溶解性很小，即使在高温下也是如此。位错通过嵌入外来粒子的基体运动，既可以穿过粒子，也可以绕着粒子弯曲。对于小的颗粒来说切割粒子是比较容易的，这些小的粒子可以被看作是固溶原子。有效强化是在弯曲过程中实现的。
纤维强化：第二相材料也可以以纤维的形式引入基体并使基体获得强化。前提是作为纤维的引入物必须具有高强度和/或高的比强度。纤维通常具有高强度和高模量，而基体必须具有韧性以及与纤维之间的非反应性。纤维可以长的连续的也可以是不连、聚合物。纤维增强材料是一类重要的复合材料。
碳纤维增强铝合金作车身
超塑性：超塑性是变形晶体固体材料在张力作用下产生巨大的应变，有时甚至超过1000%。这种现象得益于材料抵抗局部变形的能力，就像热玻璃一样。材料的超塑性能，可用于形成的形状非常接近最终尺寸的复杂构件。
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