1.2.1 单晶体的塑性变形机构

(1)单晶体滑移

滑移是指晶体在外力的作用下, 其中一部分沿着一定晶面和这个晶面上的一定晶向, 对其另一部分产生的相对移动。此晶面称为滑移面, 此晶向称为滑移方向。滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍, 滑移后晶体的各部分位相仍然一致。滑移结果, 使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置, 晶体产生宏观的塑性变形, (图1-6)。

图1-6 晶体滑移示意图

将单晶体或多晶体金属的磨光试样进行拉伸试验时, 当变形程度不大, 可以清楚地发现, 试样表面有许多平行而交叉的条纹网格, 这些条纹与拉力的作用方向呈45°角, 这就是晶体的滑移现象。若将滑移条纹放大观察, 可以看到: 每根条纹是由许多细小的滑移线所组成, 称之为滑移带。用电子显微镜观察滑移带, 可以进一步看到: 滑移带实际上是由一群滑移层所形成的滑移线组成的。(图1-7)

图1-7 晶体中的滑移带、 滑移线、 滑移层示意图

1)滑移面和滑移方向 

通常, 在各种晶体点阵中, 滑移不是沿着任意晶面和晶向, 而总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生的。这是因为原子密度最大的晶面或晶向, 其原子间距小, 原子间的结合力强, 同时在最密晶面之间及最密晶向之间的原子间距最大, 因而晶格原子结合力最弱, 所以在最小的切应力作用下便能引起它们之间的相对滑动。

如表1-1所示, 在面心立方晶格的金属中, 如铜、 铝等, 其滑移面是 (111)面, 滑移方向是[110], (图1-8a)体心立方晶格的金属如α-铁、 铬等, 其滑移面是 (101)面, 滑移方向是[111](图1-8b); 密排六方晶格的金属, 如镁、 锌等, 其滑移面是 (0001)面, 滑移方向是[1120](图1-8c)。滑移面与滑移方向的组合, 称为滑移系。例如面心立方晶格金属有四个 (111)面, 而每个面上有三个[101]方向, 所以面心立方晶格金属在外力作用下, 可能有的滑移系是4×3=12, 有12个滑移系; 体心立方晶格金属的滑移系是6×2=12, 有12个滑移系; 密排六方晶格金属的滑移系是1×3=3, 有3个滑移系。

表1-1 金属的主要滑移面、 滑移方向和滑移系

图1-8 晶体的滑移面

对金属来说, 其滑移系越多, 则在一定的条件下受力后产生滑移的可能性越大, 变形越均匀, 它可能承受的变形程度也越大, 即意味着塑性越好, 特别是其中滑移方向的数目比滑移面数目的作用更大, 从表1-1可见, 具有体心立方晶格的铁与具有面心立方晶格的铜及铝, 虽然它们都具有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, 故其塑性又远比具有体心立方晶格的金属差。