滑移和孪生改变晶体结构吗

一、单晶体的塑性变形

(一)滑移

1．滑移带和滑移线

若将表面抛光的金属单晶体试样进行拉伸，当试样发生塑性变形时，可发现试样表面光洁度下降。在金相显微镜下观察发生适量塑性变形的试样表面，则可以看到许多相互平行的线条，通常把这些线条称为滑移带。如用分辨率更高的电子显微镜观察，发现每条滑移带是由许多相互平行的滑移线所组成的，如图5-1所示。这些在电镜下观察到的滑移线实际上是发生塑性变形后在晶体表面产生的一个个小的滑移台阶，如图5-2所示。

图5-1　铝合金在室温变形30%后的电镜照片

图5-2　滑移带和滑移线示意图

若对变形后的晶体作X射线结构分析，发现滑移后金属的晶体结构并没有发生变化，且滑移带两侧的晶体取向仍然一致亦未发生变化。由此可以推想，晶体的塑性变形是晶体内部一部分相对另一部分沿某些晶面(晶体中一系列原子组成的平面)和一定的晶向(晶体中任意原子的连线方向)发生滑动的结果，这种变形的方式称之为滑移。随着变形的进行，当滑移晶面移出晶体表面时，在滑移晶面与晶体表面相交处，便形成了滑移台阶。一个滑移台阶就是一条滑移线，每一条滑移线所对应的台阶高度，则标志某一滑移面的滑移量。由于滑移是不可恢复的，这些台阶的累积效应就表现为宏观的塑性变形。

2．滑移的临界切应力

塑性变形时，晶体内部能够产生相对滑动的那些晶面称为滑移面，滑移面上的滑动方向称为滑移方向。一个滑移面和此面上的一个滑移方向共同组成一个滑移系。每一个滑移系表示金属晶体在产生滑移时滑移动作可能采取的一个空间位向。只有滑移面上沿滑移方向的分切应力才能引起滑移。使晶体开始滑移的切应力，称为临界切应力。

晶体塑性变形时，并不是任意晶面和此面上的任意方向都能够成为滑移面和滑移方向。一般来说，滑移面总是原子排列最紧密的晶面，而滑移方向也总是原子排列最紧密的晶向。这是因为晶体中原子密度最大的晶面，原子的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，所以其面与面之间的结合力最弱，这些面之间最容易滑动。同理，沿滑移面上原子排列密度最大的晶向滑动时，阻力也最小。但实际滑移时，并不是所有的滑移系同时可以产生移动，而是那些位向最有利的滑移系首先开始移动。

图5-3　单晶体滑移的应力分析

以拉伸为例，如图5-3所示。若横截面面积为A的单晶体在外力F的作用下产生滑移，并设力与滑移面法线及滑移方向的夹角分别为φ和λ，则F在滑移面上沿滑移方向的切向分力为F_τ，F_τ=Fcosλ。

设滑移面的面积为A₁，则F在滑移方向上的分切应力:

当=σ_s(屈服点)时，晶体开始塑性变形，此时滑移方向上的切应力即为临界切应力，用τ_K表示。

试验指出，对于一定的金属，当外界条件确定时，其τ_K恒定。因此，当滑移面与外力平行(即φ=90°)或垂直(即λ=90°)时，σ_s=∞，晶体不可能滑移。这种位向称为硬位向。而当滑移面、滑移方向都与外力呈45°时，σ_s最小，最容易滑移。这种位向称为软位向。

3．滑移时晶体的转动

如果金属是在单纯的切应力作用下滑移，则不会引起晶体取向的改变。但当一任意力F作用于晶体时，总可以将其分解为沿滑移方向的分切应力和垂直于滑移面的分正应力。在此正应力作用下，晶体在发生滑移的同时，还将发生滑移面和滑移方向的转动。图5-4为拉伸时晶体转动的示意图，晶体受拉滑移时，如不受夹头的限制，则晶体轴线将偏移(如图5-4(b)所示)，但实际上试样由于受夹头的限制，拉力轴线的方向不能改变，这样晶体的取向就不得不不断地调整变化，即试样中部的滑移面朝着与拉力轴线平行的方向发生转动，使φ角增大，结果造成了晶体位向的改变(如图5-4(c)所示)。力学分析可知，与拉力呈45°的截面上的分切应力最大，晶体中处于此位向的滑移系最容易滑移。但由于滑移过程中晶体的转动，使原来处于有利位向的滑移系在变形的同时逐渐转动到不利于滑移的位向而停止滑移，同时也使原来处于不利位向的滑移系逐渐转动到有利于滑移的位向而开始滑移。这样，不同位向的滑移系交替不断地进行滑移，使晶体发生均匀地变形。但拉伸时，由于晶体两端有夹头固定，实际只有试样中段的晶体才能产生转动，所以靠近试样两端部分的晶体因受夹头限制变形并不均匀。

图5-4　拉伸时晶体转动示意图

4．滑移的实质——位错运动

从原子移动的观点来看，滑移究竟是怎样进行的呢?最初曾设想滑移过程是晶体的一部分相对于另一部分作整体的刚性滑移，并由此可计算出滑移所需的最小切应力——临界切应力τ_K。但理论计算值与实际测出的结果却相差太大，例如铜，理论计算值τ_K≈1500MPa，而实际测出的τ_K≈0．98MPa，两者相差竟约1500倍。后通过大量深入地研究，人们逐渐认识到，由于晶体中存在着位错，所以滑移并不是晶体一部分相对于另一部分同时作整体的刚性的滑动，而是位错在切应力作用下沿滑移面逐步移动的结果。图5-5示意地表示了位错的这一移动过程，当一个位错移动到晶体表面时，便形成了一个原子间距的滑移台阶，同一滑移面上若有大量的位错移出，则在晶体表面便形成一条滑移线。在薄膜透射电镜下，可以直接观察到滑移面上近晶界处堆积的位错。

图5-5　滑移时刃型位错的运动示意图

为什么位错的存在会使滑移易于进行(即滑移所需要的临界切应力τ_K要小得多)呢?这是因为当晶体通过位错的移动而产生滑移时，实际上并不需要整个滑移面上所有的原子一起移动，而只是通过位错中心附近极少数原子移动(移动的距离远小于一个原子间距)，实现位错换位而使滑移得以进行。由此可见，通过位错的逐步移动而产生滑移，比滑移面上所有原子整体同步移动所需的临界切应力要小得多，这就是“位错的易动性”。晶体的滑移，实际上就是源源不断的位错沿着滑移面不断运动的结果。

(二)孪生

晶体另一种塑性变形的形式是孪生。孪生变形实际上是晶体的一部分沿着一定的晶面(孪晶面)和晶向(孪生方向)作均匀的剪切变形。图5-6所示为单晶体滑移变形后与孪生变形后外观特点比较示意图。图5-7表示孪生变形时晶体内部原子的位移情况。

图5-6　晶体两种变形方式比较

在切变区域内，与孪生面平行的每层原子的切变量与它距孪生面的距离成正比，每个相邻原子间的相对位移并不是原子间距的整数倍，而是一个原子间距的几分之一(如1/3、1/2)，这样许多层晶面积累起来的位移便可形成比原子间距大许多倍的切变。这种切变不会改变金属的晶体结构，但可使变形部分晶体的位向发生变化，并与未变形部分的晶体以孪晶界为分界面(孪晶面)呈镜面对称，如图5-7所示。晶体位向对称的两部分晶体称为孪晶，形成孪晶的变形过程称为孪生。产生变形的那部分晶体称为孪晶带。由于孪晶部分的晶体位向与未变形部分不同，因此试样经磨光、抛光、浸蚀以后，在金相显微镜下极易观察，其形态呈条带状，有时呈透镜状，如图5-8所示。

图5-7　晶体孪生变形过程示意图

图5-8　金属锌中的变形孪晶(200×)

孪生与滑移相似，只有当外力在孪生方向上的分切应力达到临界分切应力值时，才开始孪生变形。由于孪生的临界分切应力要比滑移时的临界分切应力大得多，所以只有当晶体中滑移过程很难进行时，才发生孪生变形。如密排六方结构的Zn、Mg等金属，由于晶格的对称性差，滑移系少，在晶体的取向不利于滑移时，常以孪生的方式进行塑性变形。

孪生变形是孪晶区域众多原子协同动作的结果，所以孪生变形的速度极快，接近声速，常引起冲击波，发出声响。

孪生所产生的变形量较小，－般不超过总变形量的10%，故其对塑性变形的贡献不大。但孪生后变形部分的晶体处于新的位向，可使原来处于不利取向的滑移系转为新的有利取向，这样就激发了晶体的进一步滑移，提高了金属的塑性变形能力。这一点对于滑移系较少的金属具有特殊意义，例如密排六方金属，当晶体相对于外力的取向不利于滑移时，如果发生孪生，那么孪生后的晶体取向大多会变得有利于滑移，这样滑移和孪生交替进行，便可获得较大的变形量。所以孪生对密排六方金属塑性变形的贡献，是不容忽视的。