2)临界切应力及其影响因素

金属晶体内存在着滑移系, 仅说明金属有产生滑移的可能性。若使晶体产生滑移, 还必须有外力的作用。晶体在外力作用下, 产生滑移的力是作用在滑移面上沿着滑移方向的切应力。当此切应力数值的大小达到一定值的时候, 晶体才能在这个滑移系统上进行滑移。能够引起滑移的切应力称为临界切应力, 以τk表示。

临界切应力是标志晶体特性的一个物理量, 它和滑移面与外力间的夹角无关。无论拉伸轴与滑移面成何角度, 反映金属材料性质的临界切应力τk几乎是一样的。但金属本身的化学成分、 杂质含量以及变形温度、 预先塑性变形程度等因素对临界切应力均有影响, 其一般规律是:

①当化学成分中两组元在固态互溶的合金中, 溶质元素量增加时, 合金的临界切应力增大。金属中含有杂质, 会使临界切应力增大, 且含量越高越明显。这是因为杂质的存在使晶体的点阵产生畸变, 杂质原子与金属原子尺寸的差别越大, 引起的晶体点阵畸变就越强烈。

②温度升高, 临界切应力降低。因为温度升高后, 原子的活动能力增大, 使结合力下降。

③预先的塑性变形会使临界切应力增加。一般认为这是由于变形引起点阵畸变造成的。

④变形温度越低, 变形量越大, 临界切应力升高的越多。其它条件相同时, 对单晶体来说参与滑移的系统越多, 硬化越大, 临界切应力增加的越显著。

因为滑移面和滑移方向与外力成45°角时, 屈服应力σs值最小, 即造成晶体内部滑移面上滑移方向内的切应力达到临界值τk所需的外力也最小, 所以把这样的方位称为最佳取向或软取向, 反之称为硬取向。

(2)单晶体滑移时的转动

单晶体在外力作用下即使单纯以滑移方式进行变形, 情况也很复杂, 伴随着滑移的重要现象之一就是晶体的转动。晶体的转动和受力方式有密切的关系。在拉伸时, 如果拉伸机夹头可自由移动, 而使滑移面和滑移方向的取向能保持不变, 则拉伸轴的取向要发生不断的变化; 如果夹头固定不动, 保持拉伸轴方向不变, 则晶体的取向就需要发生变化, 使滑移方向和拉伸轴间的夹角不断变小, 因而晶体的取向是旋转的, 这样旋转的结果使滑移方向和拉伸轴向一致(图1-9)。 对单晶体压缩时, 结晶面的转动情况与此相似, 但是其转动的方向与拉伸时相反, 即滑移面转向与作用力轴线相垂直的方向(图1-10)。

图1-9 单晶体的拉伸

图1-10 单晶体的压缩

(3)复杂滑移

上述的滑移过程是最简单的滑移, 又称为平移滑移, 简单滑移是沿着一定的结晶平面和结晶方向进行的滑移, 仅存在于塑性变形的初始阶段。但实际过程并非如此简单, 多为复杂滑移过程。复杂滑移, 是继平移滑移以后出现, 或是平移滑移受到阻碍以后而出现的一种复合型式, 如对滑移系多的立方晶格, 开始时是那些处于软取向的滑移系首先开始滑移。但随着滑移的进行因滑移面的旋转而使滑移阻力增加, 这样, 原来处于软取向的逐渐变为硬取向, 而原来处于硬取向的、 不利于开始滑移的晶粒, 可因晶粒的旋转而变为软取向并开始滑移。于是可能产生交叉式的双滑移(交滑移), 晶体的弯折, 滑移带的弯曲等多种形式的复杂滑移过程。

随着变形程度的增加, 简单滑移转为复杂滑移。复杂滑移的特点是, 在滑移带内, 产生显微晶块的转动, 它引起滑移带内点阵的不对称转向、 滑移带的弯曲、 滑移带内完整性的破坏以及可能出现的双滑移等。

双滑移可以在立方晶格金属, 如铝的塑性变形中观察到。单晶铝的滑移面和滑移方向组成的滑移系共有12个。滑移总是首先在相对作用力方向最为有利的系统上开始, 因为在此系统上, 切应力最先达到临界值, 由于在变形中滑移阻力的不断增加或方位的变化, 使滑移进行到某种程度后, 可能在另一滑移系统上, 切应力也达到了临界切应力, 并产生了滑移。这时新的滑移面将切割旧的滑移面。滑移面的这种切割, 将引起金属变形抗力的剧烈升高。

由此可知, 所谓双滑移就是指从某一变形程度开始, 同时有两个滑移系统进行工作。这并不意味着它们的作用是同步的, 假如是同步的话, 则变形物体应该很快的被破坏。事实上并不是这样, 因此, 可以设想, 两个滑移系统是先后进行的 (图1-11)。双滑移总是导致滑移带完整性的破坏。应该指出: 双滑移是指在滑移面和滑移方向各不相同的两个滑移系统上进行的滑移。

与双滑移相似, 晶体在滑移过程中, 如果滑移在多个滑移系统上同时进行时, 则称此滑移为多滑移。