实际金属绝大多数为多晶体。对多晶体(常用工程材料)而言,塑性变形比单晶体要复杂得多。晶粒内部的变形方式与单晶体相同,有滑移和孪生两种方式。由于晶界的存在,第一,滑移不易从一个晶粒传递到相邻的另一个晶粒,表现出阻碍作用,因而需要更大的外力(表现为强度增加);第二,晶界两侧晶粒的位向可能不同,它们内部滑移系有的可能开动,有的不能开动,有的受拉,有的受压甚至受扭,使滑移不能协调而变形困难(表现为强度增加);第三,多晶体内满足滑移系可以开动条件的晶粒数量较多,使变形分散在较多的晶粒内,不易产生应力集中,结果允许承受较大的塑性变形(表现为塑性良好)。
①晶界在变形中的作用
图3-4所示为一根只由两个晶粒组成的试样在拉伸变形时的情况。
图3-4 仅有两个晶粒的试样在拉伸时的变形
其变形特点是:远离晶界的地方,变形很明显;而靠近晶界处,则变形很小,出现所谓的“竹节”现象(两端变形也很小,是受夹头的影响)。多晶体的拉伸曲线也比单晶体的要高,如图3-5所示。由此可见,晶界对塑性变形有较大的阻碍作用。
图3-5 单晶体纯铝与多晶体纯铝的拉伸曲线
由于晶界附近晶体晶格位向的过渡区域原子排列杂乱,是缺陷和杂质集中的地方,因此在该处滑移时,位错运动受到的阻力较大,难以发生变形。此外,由于多晶体中各晶粒位向不同,当任一晶粒滑移时,都将受到它周围不同位向晶粒的约束和阻碍,因此各晶粒必须相互协调、相互适应才能发生变形。
②晶粒对变形的影响
金属的晶粒愈细,单个晶粒周围不同取向的晶粒便愈多,晶界总面积愈大,对塑性变形的抗力也就愈大,从而金属的强度就愈高。细晶粒金属不仅强度较高,而且塑性和韧性也好。因为晶粒愈细,金属单位体积内的晶粒数便愈多,同样的变形量下,变形可分散在更多的晶粒内进行,所以在断裂之前就能承受较大的变形量。此外,晶粒变细,晶粒内部和晶界附近的变形量差减小,晶粒的变形较为均匀,减小了应力集中,从而推迟了裂纹的形成和发展,表现出良好的塑性和韧性。因此,在工业生产中通常总是设法获得细小而均匀的晶粒组织,使材料具有较好的综合力学性能。