贡献者: ACertainUser
正如我们拉伸一根弹簧,弹簧会变形一样;当我们拉伸一根金属棒时,金属棒也会变形。只不过由于金属棒的 “弹性系数” 很大,以正常人的手劲一般拉不出看得见的变形。
根据变形的性质,变形一般分为两类:弹性变形与塑性变形。顾名思义,弹性变形后,撤去外力后金属的形状能恢复原样;而塑性变形后,即使撤去外力,金属的形状也不能恢复。塑性变形只在外力大到超过一定境界时才发生。
弹性变形与塑性变形不是非此即彼,而可以相辅相成。一次变形可能既包括弹性变形也包括塑性变形。
那么,为什么会有两种类型的变形呢?这就涉及到变形的微观原理了。大体而言,弹性变形时原子间的 “键” 被拉伸,但原子并没有运动到新的位置。因此撤去外力后原子可以回到原位,体现为形状恢复原样;
而塑性变形后,原子间原本的键已经被破坏、原子运动到了新的位置,并形成了新的键。因此撤去外力后原子不能回到原位,体现为形状永久改变。
现在,我们来更具体地思考一下,塑性变形时金属经历了什么。假设你有一块完整的晶体,现在你要施加外力使其塑性变形。看起来,为了使原子运动到新位置,你得大力出奇迹、破坏一整面原子间的键。
毫无疑问,这需要非常大的能量(与手劲)!可事实上,现实中的金属强度远低于此(大概是按照这种理论计算的 1/100 至 1/1000)。怎么回事呢?
或许你还记得位错的概念。位错理论的提出正是为了解释金属的塑性变形。假定金属中存在一个位错,这时,奇迹发生了:由于位错的存在,现在上下部分相对运动时,只需断一列的键而不是一面的键!这大大降低了原子运动的难度。当位错运动离开晶体时,就会在晶体边缘留下一个台阶。
这有点像蠕动的毛毛虫,或者地板上鼓起包的地毯。直接推动铺平了的地毯很难,但推动地毯上鼓起的凸包就容易地多。
这就是滑移机制,金属塑性形变的主要机制之一。当然,这并不是故事的全部,而且本文只探讨了最理想的情况,例如假定金属中的原子排列方向是完全一致的,即整个金属中只有一个硕大的晶粒。
那么,位错能够在任意的面或方向上运动吗?答案显然又是。。。否定的。一般而言,位错只在它偏好的运动方向与运动面上滑移。这里的 “面” 不是专指具体的某一个面,而指的是一系列法向量特定的相互平行的面。
那么,位错偏好哪一些滑移面或滑移方向呢?一般而言,位错偏好的滑移面是晶体的密排面,而滑移方向是晶体的密排方向(密排面可以理解为晶体中原子堆积得最密的面)。可见,可能的滑移系与晶胞的种类有关2。由于一种晶体中密排面、方向不止一种,因此滑移系也不止一种。
实际上也可以观察到,单晶金属变形时,往往沿着特定方向形成台阶状结构。这些台阶状结构(图中所示 “滑移带”)就是一系列位错滑移后留下的小台阶之和。
即使位错大幅降低了滑移的难度,也得有足够大的外力才能驱动位错运动;更准确的说,是位错滑移方向上的力得足够大。满足这一条件的最小分力被称为临界分切应力。
其中,$(\cos \lambda \cos \phi)$ 被称为取向因子,与外力的作用方向、晶体中原子的排列方向、位错运动的滑移系等有关。可见,外力的最小大小与取向因子紧密关联,这强烈明示了晶体材料的各向异性,即沿不同的方向,晶体的性质不同。5
1. ^ 本文参考了刘智恩的材料科学基础(图 11 )与 Callister 的 Material Science and Engineering An Introduction(图 6 , 图 8 , 图 11 , 图 12 ). 部分文本、图片来自网络。本文适用于 CC-BY-SA。
2. ^ 滑移系还与温度有关,有些额外的滑移系将在高温下被激活。因此高温时,晶体的变形能力更好。
3. ^ $\lambda$ 与 $\phi$ 之和不一定为 $90^\circ$,他们是相对独立的变量:)
4. ^ 在材料科学中,往往更关注应力,即 “一点处的力的大小”,类似于压强的概念,因此要除以力作用面的面积。正应力(垂直于截面)常记为 $\sigma= \frac{\mathrm{d}{F}}{\mathrm{d}{A}} $,切应力(平行于截面)记为 $\tau= \frac{\mathrm{d}{F}}{\mathrm{d}{A}} $。对于均匀拉伸,可以认为拉力在截面是均匀分布的,因此 $\sigma=\frac{F}{A}$。霍金曾经说过,文章每多一个公式,就少一半读者,但我没霍金那么厉害,我只能迫不得已地在这里放一个公式(
5. ^ 由于现实材料多为多晶材料,原子排列方式不完全一致,因此各向异性性质被削弱。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
友情链接: 超理论坛 | ©小时科技 保留一切权利