多晶体的塑性变形

二、多晶体的塑性变形

实际金属均为多晶体，其塑性变形也主要是通过滑移和孪生的方式进行的。但多晶体是由许多形状、大小、取向都不同的晶粒所组成，晶粒之间以晶界相连，晶界处的原子排列又不规则，往往还有杂质原子夹杂其中，这些都使多晶体的塑性变形更为复杂。

(一)多晶体的塑性变形过程

多晶体中由于各个晶粒的空间位向不同，则各滑移系的取向也不同，故在外力作用下，各滑移系上的分切应力值相差很大。因此，多晶体的塑性变形就不可能在全部晶粒内同时均匀地进行，而是在那些位向最有利的晶粒内部，沿分切应力最大的滑移系首先开始变形。在这些晶粒中，位错将沿着最有利的滑移系发生移动，移动到晶界或晶界附近即行停止，一般不能直接穿越晶界。因为晶界上原子排列较紊乱，聚集着较多杂质原子，所以变形抗力很大，而且晶界另一边的晶粒又具有新的位向，其滑移系的空间方位与此晶粒不同，也会使位错的运动受阻。随着变形过程的进行，在晶粒附近集聚的位错越来越多，所造成的应力集中也越来越大，再加上外力的持续作用，最后终于达到使邻近晶粒中的位错也能够动作的程度，变形便由一批晶粒传递到另一批晶粒，进而传播至整个晶体。由于各晶粒的相互协调性，邻近晶粒的变形并不一定总是沿着具有最大切应力的滑移系进行，而有可能沿着切应力虽小但能与先变形晶粒相适应的滑移系滑移。

(二)晶粒大小对塑性变形的影响

通过多晶体的塑性变形过程可以看出，由于晶界的存在，使变形晶粒中的位错运动在晶界处受阻;另一方面，由于各晶粒间存在位相差，多个晶粒进行滑移时必然发生各滑移面相交，因而使得不同滑移面上运动着的位错相遇而发生交割，致使位错运动困难。这两者都使多晶体滑移时必须克服较大的阻力，因而大大提高了多晶体材料的强度。显然，金属的晶粒越细小，晶界越多，每个晶粒周围具有不同取向的晶粒数目也越多，金属对塑性变形的抗力也就越高。

细晶粒金属不仅强度高，而且塑性、韧性也好。这是因为金属的晶粒越细小，其在一定体积内的晶粒数目也就越多，则在同样变形量的条件下，变形可分散在更多的晶粒内进行，每个晶粒内的变形就比较均匀，因而不至于产生应力过分集中的现象。此外，晶粒越细，晶界的曲折越多，更不利于裂纹的传播，从而使其在断裂前可以承受较大的塑性变形，即表现出较高的塑性和韧性。因此，生产上常通过细化晶粒的方法来提高金属的强度，这种方法称为细晶强化。

但是，实际使用的金属材料要综合考虑到各种具体要求，并不是晶粒越小越好，而是有一定的尺寸要求。例如，供深冲用的黄铜，若晶粒太细，则加工硬化率太大，容易引起破裂。因此，随着冲压加工变形度的增加，晶粒度应适当加大。

(三)多晶体变形的不均匀性

由上述分析可知，在多晶体金属中，由于晶界的存在和晶粒位向的不同，使得各个晶粒处于不同的应力状态，即使在单向拉伸的情况下，其变形过程也比较复杂。一般情况下，必然产生有的晶粒变形大，有的变形小的现象，在变形过程中有的晶粒已开始塑性变形，而有的则尚处于弹性变形阶段。因此，多晶体各晶粒在塑性变形过程中既要相互协调，又会彼此制约，因而导致各个晶粒变形的程度不均。例如，图5-9所示中A、B两晶粒处于较有利于滑移的位向，假定在外力F的作用下，它们首先发生滑移，但此时由于C晶粒及其周围的其他晶粒仍处在弹性变形状态，因而它们将阻碍A、B两晶粒的变形。反过来，当A、B两晶粒变形至一定程度时，由于造成足够大的应力集中，又会促使C晶粒及其周围原来处于不利位向的其他晶粒发生滑移。这就表明，多晶体的塑性变形是逐步扩展和不均匀的，这种变形的不均匀会使晶体内部产生微观内应力。

图5-9　多晶体塑性变形示意图