位错理论及其在塑性变形中的应用

基于X射线衍射、晶体生长等试验结果和对材料抗剪强度实际值与理论值的差异分析，1934年泰勒（G.I.Taylor）、奥罗万（E.Orowan）和波朗伊（M.Polanyi）三人几乎同时提出了晶体中位错的概念。认为晶体中的原子排列具有不完整性，即存在着尺度在两个方向上较小而在另一个方向上较大的线型区域，且该区域内的原子排列严重不规则，即存在线缺陷。在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行，此外，还有孪生和扭折等方式。

1.位错理论

刃形位错和螺形位错是两种最简单的位错组态，如图2-14所示。设想晶体内有一个原子平面中断在晶体内部，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃形位错。而螺形位错则是原子面沿一根轴线（近似和原子面垂直）盘旋上升。每绕轴线一周，原子面上升一个原子间距，在中央轴线处即为一螺形位错。图2-15a、b分别示出了简单立方晶体中沿x轴的刃形位错和螺形位错周围原子排列的情况。由图可见，在距离位错线较远的区域，除了弹性畸变外，原子的排列接近于完整的晶体；但是在位错线的近旁，则产生了严重的原子错排情况。

图2-14 晶体中刃形位错和螺形位错

a）含有刃形位错的晶体 b）含有螺形位错的晶体

图2-15 刃形位错和螺形位错的原子组态

a）含有刃形位错的晶体 b）含有螺形位错的晶体

位错线可以理解为晶体中已经滑移区域与没有滑移区域的分界线。刃形位错的滑移矢量与位错线垂直，螺形位错的滑移矢量与位错线平行。在一般情况下，位错线不是直线，与滑移矢量之间的夹角可以是0°～90°的任意角。图2-16所示为混合型位错，图2-17所示为混合型位错的原子排列。

位错运动包括刃形位错的运动、螺形位错的运动、混合型位错的运动。

位错线与滑移矢量确定的平面即为滑移面。刃形位错的滑移面是确定的；螺形位错的滑移面不确定，任一包含位错线的平面都可以作为螺形位错的滑移面。位错线在滑移面内的运动相当于晶体中滑移的逐步发展，晶体的塑性变形可以通过位错运动实现。图2-18所示为正刃形位错（附加的半原子面在上部）在切应力作用下的滑移。图2-19示出了螺形位错在切应力作用下的滑移。试验已经证明，晶体的滑移是逐步实现的。

图2-16 混合型位错

图2-17 混合型位错的原子排列

刃形位错除了可以滑移（沿滑移面运动）外，还可以垂直于滑移面运动，称为攀移。攀移相当于附加半原子面的伸张或收缩，通常依靠原子的扩散过程才能实现，因此比滑移困难得多，只有在较高温度下才能实现。螺形位错没有附加的半原子面，因此不能直接攀移。

图2-18 正刃形位错的滑移

2.塑性变形的位错滑移机制(www.xing528.com)

单晶体在拉伸条件下，表面总是出现许多带纹（实际为台阶）。试验证明，被拉长晶体表面的带纹就是做平动滑移的面在表面上造成的台阶痕迹，称为滑移带（有时也称为滑移线）。如果晶体表面是平面，则滑移带一般呈直线状。在电子显微镜下观察时发现每个滑移带实际上是由一群靠得很紧的细线所构成的。对于不同的晶体和不同的条件，滑移线间距s和滑移量d的数值变化很大，但每条滑移线都是由该线附近的原子面相对滑移了一个很大距离（几百至几千个原子间距）而形成的。另外从滑移线的分布可见形变是不均匀的，滑移集中在某些晶面上，滑移带之间的晶面就没有发生滑移。如果在一个磨光的晶体上观察形变过程中滑移带的发展，那么首先是出现曲线，后来才发展成带。许多试验证实，滑移不仅是原子逐步滑移的过程，即位错运动的结果，而且滑移集中在某些面上，滑移量d（即台阶高度）可达几百纳米。这必须有成百上千个位错在同一面上滑出晶体，而晶体内的位错并没有减少反而增加（试验检测结果）。位错增殖的弗-瑞机制及双交滑移机制很好地说明了这一现象。

滑移通常是沿一定的结晶面和结晶方向发生的，而不受外加负载的影响，仅与晶体结构有关。这一定的结晶面和结晶方向称为滑移面和滑移方向，也是晶体的两个滑移要素。晶体中能量最低（也是最稳定）的位错是具有最短柏氏矢量的位错，这种位错扫出晶体造成的滑移方向自然就是原子最密排的方向。

晶体中各晶面上的派纳力会随着温度和成分发生变化，位错滑移总是在派纳力最小的晶面上发生。位错滑移面随着晶体温度和成分发生变化。但在一般情况下，原子密排面的间距最大，位错沿着密排面运动所受到的派纳阻力最小，滑移常发生在原子排列最密的面上。滑移方向是唯一的，即原子排列最密的方向。

位错滑移存在单系滑移、多系滑移、螺形位错交滑移，此外位错运动还包括刃形位错攀移。

3.塑性变形的孪生机制

孪生是塑性变形的另一种重要形式，它常作为滑移不易进行时的补充。

图2-19 螺形位错的滑移

（1）孪生变形过程 当面心立方晶体在切应力作用下发生孪生变形时，晶体内局部区域的各个（111）晶面产生彼此相对移动的均匀切变。这样的切变并未使晶体的点阵类型发生变化，但它却使均匀切变区中的晶体取向发生变更，变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向，这一变形过程称为孪生。变形与未变形两部分晶体合称为孪晶，均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界，发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面（面心立方晶体即为（111）面），孪晶面的移动方向（面心立方晶体即为[1，1，-2]方向）称为孪生方向。

（2）孪生的特点

1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移大得多。

2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离，且每一层原子相对于孪生面的切变量跟它与孪生面的距离成正比。

3）孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。

（3）孪晶的形成 按形成方式晶体中的孪晶主要分为三种：一是通过机械变形产生的孪晶，也称为变形孪晶或机械孪晶，它通常呈透镜状或片状；二是生长孪晶，它包括晶体自气态（如气相沉积）、液态（液相凝固）或固体中长大时形成的孪晶；三是变形金属在其再结晶退火过程中形成的孪晶，也称为退火孪晶，它往往以相互平行的孪晶面为界横贯整个晶粒，是在再结晶过程中通过堆垛层错的生长形成的，它实际上也应属于生长孪晶，是在固体生长过程中形成的。

通常，对称性低、滑移系少的密排六方金属如Cd、Zn、Mg等往往容易出现孪生变形。

（4）孪生的位错机制 孪生变形时，整个孪晶区发生均匀切变，其各层晶面的相对位移是借助一个不全位错（肖克莱不全位错）运动而实现的。

4.塑性变形的扭折机制

由于各种原因，晶体中不同部位的受力情况和变形方式可能有很大的差异，对于那些既不能进行滑移也不能进行孪生的区域，晶体将通过其他方式进行塑性变形。

为了使晶体的形状与外力相适应，当外力超过某一临界值时晶体将会产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折，变形区域则称为扭折带。扭折变形与孪生不同，它使扭折区晶体的取向发生了不对称的变化。扭折是一种协调性变形，它能引起应力松弛，保证晶体不致断裂。