金属的变形方式主要是滑移。滑移指受外力作用时晶体沿特定的晶面和晶向发生相对移动的变形方式。一般而言,滑移面是原子较密排的面,滑移方向是原子较密排的方向,这样 的晶面和晶向,滑移时阻力最小。而材料发生解理断裂时,解理面是原子间距最大的面,这样的晶面原子结合力较弱。晶体内,一个滑移面加上与之对应的滑移方向就是滑移系,三中典型金属晶格滑移系见图1。
图1滑移所需的临界分切应力——schmid定律。
为了说明临界分切应力的概念,先要从单晶体的滑移说起。合金一般是多晶体,是由许多单晶体随机组合而成。
单晶体受到拉伸应力,当外力达到屈服值,滑移系就会启动。单晶体滑移程度,取决于外加载荷在滑移面上产生的分切应力的大小、方向和晶体结构。
单晶体刚开始发生滑移的分切应力,称为临界分切应力(CRSS)。这是滑移系启动所需要的最小分切应力,一般用τCRSS
滑移系启动的临界分切应力实际上是与外力取向无关,是一个常数。当材料成分、晶体结构和温度确定后,这个常数就是确定值。这个规律称为“临界分切应力定律”,或者“Schmid”定律。
图1
公式是如何得来的?下面简要介绍一下。
如图1,设截面积为A的圆柱形单晶体受外力P的拉伸作用,晶体的一个滑移面与外嫁载荷的夹角为λ,滑移面的法向与外加载荷的夹角为Φ,则滑移面上的分切载荷为Pcosλ,椭圆形滑移面面积为A/cosΦ,所以滑移面上的分切应力为:
τ=Pcosλ/(A/cosΦ)=(P/A)cosλcosΦ=σcosλcosΦ
σ是外界施加的拉应力,cosλcosΦ就是外加应力相对于晶体的滑移系的取向因子,也称为“Schmid”因子。
τ=τCRSS,也就是达到临界分切应力时,σ=σs
τCRSS=σscosλcosΦ,也就是σs=τCRSS/cosλcosΦ
显然,当λ=Φ=45°时,cosλcosΦ取最大值,滑移系启动的应力值最小,屈服强度最低。这个方向最有利于滑移,称为软取向。
Schmid因子越大,屈服强度就越高,取向就越硬。