高層大氣衛星探測

[拼音]：jingti de fanxing

[英文]：plasticity of crystals

晶體在受到足夠大的外力作用時，會發生永久性的形狀改變，即在外力撤去之後其形狀的改變可儲存下來，這種形變稱為範性（亦稱塑性）形變。晶體的範性指晶體在外力作用下可進行範性形變的性質。晶體的範性形變有兩種基本的方式：滑移和形變孿生。此外，在有些情況下晶體還可以通過扭折和旋轉滑移而變形。

滑移

一般而言，滑移是晶體的範性形變主要方式。滑移過程是，在一定的晶面的上、下兩側的晶體沿一定的晶向發生相對的平移。平移的量是晶體的布喇菲點陣中最短向量的整倍數。因此，在滑移過程中晶體的結構和位向均保持不變。圖1是滑移的木片或紙牌模型，它形象地表示了滑移過程的物理影象。這個模型與一些棒狀或絲狀晶體在拉伸中的真實滑移過程極為相似（圖2）。發生相對平移的晶面稱為滑移面，而平移的方向則稱為滑移方向。滑移面一般為原子排列最密或較密的晶面，而滑移方向則總是原子最密排的方向。哪些晶面作為實際的滑移面而出現，受形變溫度、速度，雜質的摻入，以及載入條件等因素的影響。

當作用在滑移面沿滑移方向的切應力分量達到某一臨界值（即臨界切應力）時，晶體即開始發生明顯（巨集觀上可測出）的範性形變，這種現象稱為晶體的屈服。屈服可以逐漸地發生，在應力-應變曲線上表現為從彈性到範性的連續的過渡。面心立方的金屬屬於這種情況。屈服行為也可以突然地發生，在應力-應變曲線上出現不連續的變化，有明顯的屈服點（屈服應力）。出現這種情況的有含填隙式雜質的體心立方金屬，以及共價鍵合和離子鍵合的晶體等。明顯屈服點的出現與雜質對位錯的釘扎和位錯速度對應力的強烈敏感性有關。

晶體在屈服以後，繼續變形所需的流變應力隨預先形變數的增加而增加。此即加工硬化現象，它是晶體範性研究的核心問題。對於高純度的單晶體（包括面心立方、體心立方、六角密排以及NaCl結構等），在一定溫度範圍內應力－應變（即加工硬化）曲線都可以分成三個階段（圖3）。大量研究工作表明，加工硬化曲線分成三個階段是頗為普遍的現象。在階段 Ⅰ中硬化曲線近似為直線，其硬化較小。因此這個階段亦稱易滑移階段。階段Ⅱ也是線性的，但其硬化係數(應力增量對應變增量的比值)較大。對於不同的晶體甚至合金，其數值均約等於切變模量G的1/300。在階段Ⅲ中，硬化係數開始下降，硬化曲線的形狀近似於拋物線，類似於多晶體的硬化曲線。

按照位錯理論，晶體的範性形變乃是位錯增殖和運動的結果。50年代以後由於位錯直接觀測技術的發展，關於存在於晶體中的位錯組態已有了相當詳盡的瞭解。以這些實驗為基礎，對於晶體的屈服和加工硬化現象已經建立了一些理論，基本上可以解釋觀測到的實驗現象，但是每一種理論都需要對位錯模型做一定的假設，而且有些問題的細節尚待深入探討。因此，從統一的觀點出發並對實踐有指導意義的理論有待發展。

形變孿生

範性形變的第二種基本方式也是一種切變過程。它與滑移的差別在於：在晶體發生形變的區域中，雖然仍保留原來的晶體結構，但其位向關係卻發生了變化。在常見的情況下，晶體中經形變孿生的部分相對於母體呈映象關係，鏡面即所謂孿生面。和滑移一樣，也可以定義孿生方向。在形變孿生過程中，也要求相鄰的晶面發生依次的相對平移，不過與滑移過程不同之點是，在這裡平移的量不是最近原子間距的整倍數，而是它的一個分數，現在已知，形變孿生的成核要求存在一定的應力集中，但其長大則不需要過大的應力。關於形變的這種方式，目前尚有許多疑點，諸如是否存在臨界切應力等。

工程材料均為多晶體，其內部甚至包括復相結構。晶粒間界(即晶界)對晶體的範性的影響是很複雜的。多晶體在一般溫度下，晶界是不變形的。晶界對滑移和形變孿生過程起阻礙作用。多晶體的加工硬化過程遠比單晶體為快。另外，滑移過程阻塞在晶界處可造成應力集中，這樣可導致微裂紋的形成和材料的脆斷。在高溫條件下，可出現相反的情況，沿晶界的粘滯性滑動可構成範性形變的主要部分。60年代以後發現，某些金屬、合金和陶瓷材料在一定條件下其範性應變可高達1000％。這種性質一般稱為超範性(超塑性)。實現超範性有以下幾個條件：

（1）細的晶粒，晶粒直徑約為1～10um。

（2）形變溫度大於 0.5Tm(Tm為熔點)。

（3）應變率敏感性因子m＞0.3。根據現在的理論，低應力下超範性的機制為由擴散過程控制的晶界滑動。

參考書目

A.塞格著，張巨集圖譯：《晶體的範性及其理論》，科學出版社，北京，1963。

馮端、王業寧，丘第榮編著:《金屬物理》，下冊，科學出版社，北京，1975。

P.B.Hirsch，ed.，The physics of Metals，Vol.2，Cambridge Univ. Press， Cambridge，1975.

Richard W.Hertzberg，Deformation and FRactureMechanics of Engineering Materials，John Wiley & Sons， New York，1976.