6.1.1 单晶体的塑性变形
为便于了解实际金属多晶体的塑性变形过程，我们先来分析一下金属单晶体是怎样发生塑性变形的。
单晶体的塑性变形方式主要有：滑移与孪生，但大多数情况下都是以移方式进行的。
1．滑移
（1）滑移：晶体在外力的作用下，其中一部分相对于另一部分沿一定的晶面和该晶面上的一定晶向而产生的相对滑动。
当金属晶体受到外力F作用时，不论外力的方向、大小与作用方式如何，均可将总的应力σF分解成垂直于某一滑移面的正应力σ和平行于此面的切应力τ。
在正应力σF作用下，试样发生弹性伸长，并在σF足够大时发生断裂（如图6-1（a））；切应力τ能使试样发生弹性歪扭，如图6-1（b）所示。当切应力增大到一定值时，则一定晶面两侧的两部分晶体产生相对的滑动，如图6-1（c）所示，滑动的距离超过一个原子间距（图中表示滑移了一个原子间距）。这时如果去除外力，晶格的弹性歪扭随之消失，而滑移到新位置的原子已不能回到原来的位置，在新的位置上重新处于平衡状态，于是晶体就产生微量的塑性变形，如图6-1（d）所示。许多晶面滑移的总和，就产生了宏观的塑性变形。
图6-1 晶体在切应力作用下的变形
（2）滑移面和滑移方向：晶体的滑移通常是沿着一定的晶面和晶向发生的，此晶面称为滑移面，此晶向称为滑移方向。
（3）滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
（4）滑移变形的四个要点：
①滑移只能在切应力的作用下发生。
②滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
金属的滑移为什么沿原子排列密度最大的晶面和晶向发生？因为原子排列密度最大的晶面面间距最大，面与面之间的结合力最弱，切变阻力最小，因此，最容易沿这些晶面发生滑移。而在原子排列密度最大的晶向上原子间距最小，位错的柏氏矢量最小，滑移阻力最小，原子移动距离短（如图6-2所示）。
图6-2 晶面原子排列示意图
在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是（110）晶面，原子密度最大的晶向是<111>晶向，体心立方晶格中共有6种不同位向的{110}晶面，即共有6种滑移面，每种滑移面上各有两个<111>滑移方向，故体心立方晶格共有6×2=12个滑移系。表6-1给出了三种典型金属晶格的滑移系。从表可见面心立方晶格的滑移系也为12，而密排六方晶格的滑移系为3。
表6-1 三种典型金属晶格的滑移系
滑移系愈多，金属发生滑移的可能性便愈大，金属的塑性便愈好，特别是滑移方向的数目比滑移面数目的作用更大。
因此，具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝，虽然都具有12个滑移系，但铁的塑性不如铜及铝。而具有密排六方晶格的镁及锌等，因其滑移系仅有3个，故其塑性远较具有体心立方晶格和面心立方晶格的金属差。
③滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整倍数，滑移的结果会在晶体的表面上造成台阶。但这种台阶一般在显微镜下是看不到的，因为在制备试样时已经把它磨掉。
若将试样先抛光而后变形，再在显微镜下观察时，则可在试祥的表面上看到一条条的变形痕迹，这些变形痕迹称为滑移带（如图6-3（a）、（b）所示）。若在电子显微镜下观察，便会发现任一条滑移带实际上就是由若干条反映着这种台阶的“滑移线”所构成，（如图6-3（c）所示）。
④滑移必然伴随有晶体的转动。当外力作用于单晶体试样上时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移；而与正应力则组成一个力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。
要特别强调指出的是：根据如上所述，若把滑移看成是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移，那就错了。因为如果滑移真的是这样进行的话，那么通过滑移面上两层原子之间的结合力计算，可知各种金属单晶体滑移的临界切应力，即要发生滑移所需的最小切应力，其数值要比实际测定值大得多。例如对铜，按此计算出的临界切应力为1540MN/m2，而其实际测定值仅为1.0MN／m2。
图6-3 铜中的滑移带
各种金属的这种理论计算值与实际测定值之差均达3～4个数量级。为什么？原因是实际金属晶体中存在有大量的位错，滑移就是通过晶体中的位错在切应力作用下逐步来实现的。通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它所需的临界切应力便远远小于刚性滑移。如图6-4所示即为一个刃型位错在切应力的作用下在滑移面上的运动过程，通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动便造成一个原子间距的滑移。
图6-4 晶体中通过位错运动而造成滑移的示
对应于位错运动，在滑移面上下原子位移的情况如图6-5所示，在滑移的过程中，只需位错中心上面的两列原子（实际为两个半原子面）向右作微量的位移，位错中心下面的一列原子向左作微量的位移，位错中心便会发生一个原子间距的右移。由此可见，通过位错运动方式的滑移，并不需要整个晶体上半部的原子相对于其下半部一起位移，而仅需位错中心附近的极少量的原子作微量的位移即可，所以它需要的临界切应力远远小于刚性滑移。这就如同我们要整体拖动一块地毯需花很大的力气，但如果我们先把地毯打一个折皱，然后在逐步推移折皱，也可以使地毯移动一定距离，这是一个道理。
2．孪生
图6-5 位错运动中的原子位移
孪晶是指界面两侧原子排列形成镜面对称的一对晶体。孪生是在切应力作用下形成孪晶的过程，是塑性变形的另一种方式。如图6-6所示，孪生变形时晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（孪生面）产生一定角度的均匀切变（即转动）。通过孪生，孪生面两边的两部分晶体形成镜面对称关系。发生孪生的部分（即切变部分）叫做“孪晶带”，简称“孪晶”。
图6-6 孪生
滑移前后晶体内部晶面、晶向的方向并不发生变化；而孪生时发生均匀切变的一部分晶体晶格位向发生改变，并与未变形部分形成镜面对称关系。
滑移变形时，晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方向位移的距离为原子间距的整数倍；而孪生时，在孪晶中每层原子沿孪生方向的相对位移则都是原子间距的一个真分数。
孪生所需的临界切应力比滑移大得多，且变形速度极快。故孪生变形仅在滑移系较少的密排六方晶格金属（如Mg、Zn、Cd等）中易于发生，在体心立方晶格金属（如α–Fe等）中则仅在室温以下或受冲击应力时才发生，而在易于滑移的面心立方晶格金属（如Al及Cu等）中，则一般不发生孪生变形。
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