滑移(slip)

在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的結(jié)晶學(xué)平面上的一定結(jié)晶學(xué)方向相對于晶體的另一部分進(jìn)行移動，使晶面上的原子從一個(gè)穩(wěn)定平衡位置移至另一個(gè)平衡位置的過程晶體的滑移過程如圖1所示滑移是金屬晶體塑性變形的主要方式在滑移過程中，晶體的位向不發(fā)生改變，已滑移和未滑移部分仍保持位向的一致；每次滑移量均為晶體在滑移方向上原子間距的整倍數(shù)，這個(gè)滑移量在應(yīng)力去除后不能恢復(fù)。大量滑移的累積，構(gòu)成晶體宏觀的塑性變形晶體的滑移分單晶體滑移與多晶體滑移。

       單晶體滑移

單晶試棒經(jīng)拉伸變形后如圖2所示，試棒除變長外，在其拋光表面上可看到許多與拉仲方向呈45^。角的平行線條，這些線條稱為滑移帶在電子顯微鏡下觀察，看出每個(gè)滑移帶是由許多密集在一起的滑移線群組成的滑移線間距d約lOO個(gè)原子間距，而每條滑移線的滑移量s約為1000個(gè)原子的問距滑移線或滑移帶之間的晶體層片則未發(fā)生變形，彼此間僅作了相對位移，如圖3所示。

產(chǎn)生滑移的晶面和晶向分別稱為滑移面和滑移方向。滑移面經(jīng)常是原子最密排的面，滑移方向總是原子排列最密的方向一個(gè)滑移面和該面上一個(gè)可能的滑移方向合稱為一個(gè)滑移系。統(tǒng)面心立方晶系金屬有四個(gè)等效的{111}面，每個(gè)滑移面含三個(gè)不同的，可能滑移的方向〈1lO〉，所以有12個(gè)滑移系統(tǒng)，以(hkl)[UVW]-表示；密排六方晶系的金屬含有(0001)[1120]三個(gè)滑移系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)一定外力作用于晶體時(shí)，不是晶體中所有滑移系統(tǒng)都能開動，只有當(dāng)外力在某個(gè)或某幾個(gè)滑移系的分切應(yīng)力τ達(dá)到一定數(shù)值τ_c后，這些滑移系才能開動。足以開動晶體滑移的最小分切應(yīng)力τ_c，稱為I臨界分切應(yīng)力。根據(jù)拉伸屈服應(yīng)力和滑移系統(tǒng)相對于單晶體拉伸軸方位，可以測定臨界分切應(yīng)力值。對于常見的純金屬，它們大約為10^-4---10^-5G。晶體成分、溫度和變形速度對臨界分切應(yīng)力有很大的影響。

面心立方晶系的晶體有12個(gè)滑移系統(tǒng)，它們的臨界分切應(yīng)力相同。因此，哪個(gè)分切應(yīng)力最先達(dá)到臨界值的滑移系統(tǒng)，滑移就首先在那個(gè)滑移系統(tǒng)上進(jìn)行；但隨著滑移過程的進(jìn)行，晶體會受到附加力矩的作用，以致發(fā)生已滑移系統(tǒng)向施力軸方向的轉(zhuǎn)動，使某些未滑移系統(tǒng)上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值，于是更多的滑移系統(tǒng)也參與滑移。這樣，就會發(fā)生雙滑移、三滑移、四滑移等等，總稱多滑移。晶體在雙滑移過程中，位向保持不變，這樣的兩個(gè)滑移系統(tǒng)稱為共軛滑移系統(tǒng)，也稱第一個(gè)滑移系統(tǒng)為主滑移系，第二個(gè)滑移系統(tǒng)為共軛滑移系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋁、銅等純金屬的雙滑移是同時(shí)進(jìn)行的，而某些合金如a黃銅滑移則是交替進(jìn)行的。此外，對于一個(gè)與主滑移系統(tǒng)有相同的滑移方向、不同的滑移面的系統(tǒng)，如(111){101}稱為交滑移系統(tǒng)。

純金屬晶體產(chǎn)生滑移時(shí)的臨界分切應(yīng)力值一般為1×10^-2--10²MPa。按完整晶體模型用靜電理論計(jì)算所得τ_c值比實(shí)驗(yàn)值大幾十甚至幾百倍，這個(gè)矛盾揭示了晶體內(nèi)部存在缺陷，促成了位錯(cuò)理論的出現(xiàn)與發(fā)展現(xiàn)已確認(rèn)，晶體能在較低切應(yīng)力作用下開始滑移是因?yàn)榫w的實(shí)際滑移過程并非滑移面兩邊所有原子同時(shí)移動，而是在局部地區(qū)(一部分原子群處)首先移動，然后掃過整個(gè)滑移面局部區(qū)域能首先移動，是該區(qū)存在著某種缺陷而引起了應(yīng)力集中所致這樣，雖整個(gè)滑移面上作用的應(yīng)力比較低，但這種局部區(qū)域所承受的應(yīng)力已達(dá)到足以引起滑移的數(shù)值這種晶體缺陷稱為位錯(cuò)。位錯(cuò)是晶體中一條管狀區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)原子排列不規(guī)則，即形成了缺陷。由于此種“管道”直徑很小(只有幾個(gè)原子間距)，可將它看成一條線，故位錯(cuò)是一種線缺陷。假定滑移先從晶體局部地區(qū)開始在該局部區(qū)域滑移面兩邊的原子已發(fā)生了相對位移，而在位移線未掃過的地區(qū)滑移面兩邊原子尚未發(fā)生相對位移，因此，定義位錯(cuò)是晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線。

位錯(cuò)有刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)兩種基本型式。刃型位錯(cuò)可看作是在理想完整晶體中某個(gè)部分插入了半個(gè)原子平面，而位錯(cuò)線是半原子平面的邊緣；由于它像刀刃，故稱刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)分為兩種：當(dāng)插入的半原子面位于滑移面上方時(shí)稱正刃型位錯(cuò)，一般用符號“丄”表示；當(dāng)插入的半原子面處于滑移面下方時(shí)稱負(fù)刃型位錯(cuò)，用“T”表示刃型位錯(cuò)的特征是位錯(cuò)線與晶體的滑移方向相垂直刃型位錯(cuò)模型及位錯(cuò)線附近原子組態(tài)如圖4a_`4c所示。

圖4b示晶體的上下兩半的一部分沿相反方向移動了半個(gè)原子間距，已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界也形成一條位錯(cuò)線，其周圍滑移面上下的原子發(fā)生了明顯的錯(cuò)排(見圖4d)。這種原子錯(cuò)排的特點(diǎn)是垂直于位錯(cuò)線的原子平面變成了螺旋面，這種型式的位錯(cuò)則稱為螺型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)也分為兩種：當(dāng)螺旋線的回轉(zhuǎn)方向和前進(jìn)方向符合右手螺型規(guī)則時(shí)稱為右旋型位錯(cuò)，或右旋位錯(cuò)；當(dāng)螺旋線回轉(zhuǎn)方向和前進(jìn)方向符合左手螺旋規(guī)則時(shí)，則稱為左旋位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)的特征是位錯(cuò)線和晶體滑移方向平行。

由于位錯(cuò)線附近原子偏離了穩(wěn)定平衡位置而且承受了很高的畸變能，故阻止位錯(cuò)運(yùn)動的力和的促使位錯(cuò)運(yùn)動的結(jié)晶力是趨于平衡的，這樣，滑移所需啟動力要小得多另外，完成一個(gè)原子間距的滑移量，僅需位錯(cuò)線或位錯(cuò)附近的原子移動很小的距離(圖5)。

表示位錯(cuò)線附近品格畸變大小及晶體中已滑移區(qū)滑移方向的向量稱伯格斯(Burgers)矢量(簡稱伯氏矢量)，一般用字母b表示。伯氏矢量b數(shù)值為一個(gè)點(diǎn)陣間距時(shí)，定義為單位位錯(cuò)強(qiáng)度；b幾個(gè)點(diǎn)陣間距時(shí)，是高強(qiáng)度位錯(cuò)，b值為分?jǐn)?shù)時(shí)為部分位錯(cuò)或不全位錯(cuò)。

按伯氏矢量與位錯(cuò)線的相對位置可表示出位錯(cuò)的類型：當(dāng)伯氏矢量和位錯(cuò)線垂直時(shí)為刃型位錯(cuò)；當(dāng)伯氏矢量和位錯(cuò)線平行時(shí)是螺型位錯(cuò)；當(dāng)伯氏矢量和位錯(cuò)線成任意角度時(shí)為混合位錯(cuò)，這時(shí)按矢量分解法則，該矢量可畫成一個(gè)垂直分矢量和一個(gè)平行分矢量；可見混合位錯(cuò)是由一個(gè)刃型分量和一個(gè)螺型分量所組成。

  一個(gè)位錯(cuò)掃過滑移面后，在晶體表面形成高度為b的臺階。通過同一滑移面上成千上萬根滑移線相繼移出晶體表面，便形成顯微可見的滑移臺階(見圖3)。

刃型位錯(cuò)還可能通過攀移過程而沿垂直于它的滑移面運(yùn)動。因?yàn)榕室剖菙U(kuò)散型過程，所以實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)的攀移必須滿足兩個(gè)條件：晶體中存在空位并且溫度足夠高。

在充分退火的金屬中，位錯(cuò)密度ρ約為1×10⁶---108/cm²變形后，位錯(cuò)密度可增加到1×10¹¹---10¹²/cm²，這是由于塑性變形過程中位錯(cuò)能不斷地增殖如圖6a示，晶體中如果一根位錯(cuò)線DD’被障礙物固定，受應(yīng)力τ作用后，位錯(cuò)線沿滑移面(紙面)要向前運(yùn)動只能從兩點(diǎn)間弓出形成圖6b示弧形，弧的曲率半徑隨應(yīng)力的增加而減小。當(dāng)驅(qū)動力增大到使位錯(cuò)線的曲率半徑小于阻礙物間距的一半后，位錯(cuò)即不穩(wěn)定了，繼續(xù)運(yùn)動將使位錯(cuò)線的曲率半徑反而增大(圖6c、d)，形成一個(gè)擴(kuò)張的環(huán)并返回到自身背后，最后分離出一個(gè)封閉的環(huán)狀位錯(cuò)和出現(xiàn)一條新的位錯(cuò)線(圖6d、6e)這個(gè)過程可無限地反復(fù)進(jìn)行，直到又遇到障礙物而產(chǎn)生一個(gè)足以停止其運(yùn)動的反應(yīng)力這是弗蘭克一瑞德(Frank—Read)位錯(cuò)增殖機(jī)制由于滑移中位錯(cuò)不斷增殖，金屬經(jīng)受冷變形后晶體中位錯(cuò)密度增高。

多晶體滑移

多晶體是由許多位向、形狀和大小不同的晶粒(相當(dāng)于單個(gè)晶體)組合而成的集合體。一般而言，室溫時(shí)多晶體內(nèi)每個(gè)晶粒的基本變形方式仍然與單晶體相同，但由于各個(gè)晶粒之間存在著晶界，而且相鄰晶粒的取向互不相同，因此多晶體的塑性變形除了與單晶體有共性外，又有它的特殊性。理論分析指出，為了使多晶體通過滑移產(chǎn)生連續(xù)性不受破壞的變形，每個(gè)晶粒中至少要有5個(gè)獨(dú)立的滑移系統(tǒng)動作。實(shí)驗(yàn)證明，即使在應(yīng)變很小的情況下，各個(gè)晶粒也明顯地在幾個(gè)滑移系統(tǒng)上滑移，特別是在靠近晶界的區(qū)域。晶界對滑移有阻滯效應(yīng)(簡稱晶界阻滯效應(yīng))，在多晶體金屬中，90％以上的晶界為大角晶界，點(diǎn)陣畸變嚴(yán)重，兩側(cè)晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致。因此，滑移要從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到下一個(gè)晶粒是極其困難的。多晶體試棒經(jīng)過拉伸后，每一個(gè)晶粒中的滑移帶都終止在晶界附近，使位錯(cuò)塞積于晶界上，阻礙晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)源產(chǎn)生新的位錯(cuò)而使金屬明顯硬化。所以多晶材料的加工硬化速率比單晶體的大許多倍。