《材料成形理論基礎Ⅰ》課后題答案.pdf

第一章第一章 塑性成形時的應力分析與應變分析塑性成形時的應力分析與應變分析 思考和練習思考和練習 1 如何描述受力物體內一點的應力狀態(tài) 為什么 受力物體內一點的應力狀態(tài) 用過一點相互垂直的三個平面上的九個應力分量來描述 因為過該點其它截面的應力均可以用這九個應力分量來求出 2 已知受力物體內一點的應力狀態(tài)分別為 MPa ij 000 021 012 MPa ij 111 111 111 1 求外法線方向與三個坐標軸等傾斜截面上的應力分量 2 求該點的應力張量不變量 3 求該點的主應力 并畫出主應力簡圖 4 求主偏應力 并畫出主偏應力簡圖 5 求最大切應力 6 求等效應力 1 2 MPa N 2 MPa N 3 MPa N 0 N 2 0 3 4 321 III 0 0 3 321 III 3 0 1 3 321 MPaMPa 0 0 3 321 MPa 4 3 4 3 1 3 5 321 MPaMPaMPa 1 1 2 321 MPaMPaMPa 5 2 3 2 3 MPaMPa 6 3 7MPaMPa 3 已知受力物體內一點的應力狀態(tài)分別為 MPa ij 01515 15200 15010 MPa ij 1103080 30030 803050 試將其分解為應力偏張量及應力球張量 并計算應力偏張量的第二不變量 1000 0100 0010 101515 15100 1500 ijmij 550 2 I 3 16000 03 1600 003 160 3 1703080 303 16030 80303 10 ijmij 3 33700 2 I 4 為什么說應力張量的第一 第二和第三不變量 1 I 2 I 3 I與坐標的選擇無關 由于主應力數(shù)值與坐標的選擇無關 因此特征方程中的系數(shù)與坐標的選擇無關 5 等效應力具有哪些特點 1 等效應力是一個不變量 2 等效應力在數(shù)值上等于單向均勻拉伸 或壓縮 時的拉伸 或壓縮 應力 即 當0 32 時 1 3 等效應力不是作用在某特定平面上的應力 因此 不能在某一截面上表示出來 4 等效應力可以理解為一點應力狀態(tài)中應力偏張量的綜合作用 6 已知受力物體內的應力場為 3 1 2 6xcxy x 2 2 2 3 xyc y yxcyc xy 2 3 3 2 0 zxyzz 試求系數(shù) 321 ccc 321 321 ccc 7 真應變與工程應變有哪些特點 1 工程應變不能反映變形的實際情況 2 對數(shù)應變具有可加性 而工程應變不具有可 加性 3 對數(shù)應變?yōu)榭杀葢?工程應變?yōu)椴豢杀葢?4 工程應變計算簡單 8 主應變簡圖有幾種形式 為什么 主應變簡圖有三種形式 是由于體積不變條件決定的 9 證明體積不變條件可表示為0 zyx 由應變增量體積不變條件表達式除以時間增量 10 判斷下列應變場能否存在 1 2 xy x yx y 2 xy z 0 xy yz yz 2 2 1 22 2 1 yx zx 2 22 yxc x 2 cx y xy xy 2 0 zxyzz 1 不存在 2 當 c 1 時 存在 11 為什么說應變增量更能準確地反映受力物體的變形情況 變形過程終了時的全量應變不一定取決于當時的應力狀態(tài) 使得全量應變在塑性變形研究中 的作用受到了很大的限制 應變增量與瞬時的應力狀態(tài)相對應了 12 試述塑性加工時工具的工作速度 位移速度以及應變速率的區(qū)別與聯(lián)系 l u0 第二章第二章 塑性成形時的屈服準則與應力應變關系塑性成形時的屈服準則與應力應變關系 練習與思考題練習與思考題 1 試述屈服準則的幾何意義 在主應力空間中 屈雷斯加屈服準則為一與三個坐標軸等傾斜的六棱柱面 米塞斯屈服 準在主應力空間為一與三個坐標軸等傾斜的圓柱面 2 試述米塞斯屈服準則與屈雷斯加屈服準則的特點 a 屈雷斯加屈服準則 k s 2 米塞斯屈服準則 k s 3 b 與坐標的選擇無關 c 在屈雷斯加屈服準則中 沒有考慮中間主應力對材料屈服的影響 而米塞斯屈服準則 由于考慮了中間主應力對屈服的影響 d 靜水壓力對兩種屈服準則沒有影響 e 在主應力空間中 屈雷斯加屈服準則為一與三個坐標軸等傾斜的六棱柱面在 平面上 為一正六邊形 稱為屈雷斯加六邊形 米塞斯屈服準在主應力空間為一與三個坐標軸等傾斜 的圓柱面 在 平面上為一個圓 稱為米塞斯圓 f 應用上的限制 在主應力順序已知時 屈雷斯加屈服準則是主應力分量的線性函數(shù) 使用起來非常方便 在 工程設計中常常被采用 而米塞斯屈服準則顯得復雜 但是 當主應力順序未知時 屈雷斯 加屈服準則為六次方程 顯然比米塞斯屈服準則復雜得多 3 何謂 平面 為什么說在 平面上有六個對稱軸 過原點且與等傾斜軸垂直的平面 稱為 平面 由于假設材料的屈服與坐標的選擇無關 因此 可以得到三個對稱軸 由材料的拉壓性能相同 可以得到另外三個對稱軸 4 已知應力張量 C C ij 00 000 00 C為正的常數(shù) 試問當恰好發(fā)生屈服時 按米塞斯屈服準則和屈雷斯加屈服準則 C 按米塞斯屈服準則 s C 3 1 屈雷斯加屈服準則 s C 2 1 5 在棱邊為 1 1 1mm 立方體的一個面上施加710N 的壓縮載荷 正好使該立方體發(fā)生屈 服 如果在其它兩個面上分別作用有 10N 和 20N 的壓縮載荷時 則該平面上需要作用多大載 荷 才能使該立方體發(fā)生屈服 假設接觸面上的摩擦可以忽略 40N 或 10N 6 已知具有半球形端部的薄壁圓筒 如圖 1 所示 平均半徑為 r 壁厚為 t 受內壓力 p 作用 試求此時薄壁圓筒的屈服條件 按米塞斯屈服準則和屈雷斯加屈服準則 按米塞斯屈服準則 s t pr 2 3 按屈雷斯加屈服準則 s t pr 7 在 x y z 坐標系下 試推導出 yz 0 yzzx 條件下的米塞斯 Mises 屈服 準則的表達式 22 2 3 sxyyx 8 為什么說描述塑性范圍內的應力 應變關系比彈性范圍內的要復雜得多 由彈性應力應變關系可知 應力應變的關系是線性的 并可用虎克定律來描述 應變可 由應力唯一確定 但是 在塑性變形范圍內 應力與應變的關系是非線性的 應變不能由應 力唯一確定 而是與變形歷史有關 這是由于隨著變形的發(fā)生與發(fā)展 材料原有的組織和性 能也隨之發(fā)生變化 而且塑性變形是永久變形 每一微小階段的塑性變形所導致的組織和性 能變化都要保留下來 并影響下一階段的變形過程 因此 各個微小變形階段的應力應變關 系都是不同的 9 試述全量理論與增量理論的區(qū)別 增量理論 應力與應變增量之間關系 全量理論 應力與全量應變之間關系的 二者的 區(qū)別在于 表達式 假設條件不同 10 應力應變順序對應規(guī)律包含哪些基本內容 在應用上有何意義 應力應變順序對應規(guī)律包括應力應變順序對應關系和應力應變的中間關系 應力應變順 序對應規(guī)律 既可以根據(jù)應變的順序確定應力的順序 也可以根據(jù)應力順序確定應變的順序 11 等效應力 等效應變單一曲線假設有什么意義 根據(jù)單一曲線假設 就可以采用最簡單的實驗方法來確定材料的等效應力與等效應變曲 線 12 等效應力 等效應變曲線的簡化模型有哪些 分別寫出其數(shù)學表達式 理想彈塑性材料模型 理想剛塑性材料模型 冪指數(shù)硬化材料模型 剛塑性非線性硬化 材料模型 彈塑性線性硬化材料模型 剛塑性線性硬化材料模型 13 已知 2 1 s 2 2 s 0 3 ad p 1 a為常數(shù) 試求相應的應變增量 p d 2 p d 3 1 1 0 14 已知下列三種應力狀態(tài)三個主應力為 1 1 2 0 3 2 2 1 2 2 3 0 3 1 60 2 30 3 0 求應變增量的比值 1 1 1 0 2 1 0 1 3 1 0 1 2r t p 圖 1 具有半球形端部的薄壁圓筒 1 第三章第三章 塑性成形解析方法塑性成形解析方法 練習與思考體練習與思考體 1 塑性加工問題的精確解需要滿足哪些條件 對于彈塑性變形物體 需滿足 16 個方程 對于剛塑性變形物體 需滿足 17 個方程 2 對于平面應變問題 試證塑性區(qū)內每點的應力狀態(tài)可用平均應力 m和最大切應力 k 來表 示 即 1 m k 2 m 3 m k 當主應力順序 321 已知時 由 31 2 1 k 31 2 1 m k k m m m 3 2 1 k k m m m 3 2 1 8 5 3 試述平面問題 軸對稱問題的變形特點 1 平面應變問題特點 當變形體內各點的位移分量與某一坐標軸無關 并且沿該坐標軸 方向上的位移分量為零時 則將這一變形過程稱為平面應變問題 假設變形體內各點沿z坐 標軸方向上的位移分量為零 2 平面應力問題特點 當變形體內所有應力分量與某一坐標軸無關 在與該坐標軸垂直 平面上的所有應力分量為零 3 軸對稱問題特點 如果變形體的幾何形狀 物理性質以及外載荷都對稱于某一坐標軸 通過該坐標軸的任一平面都是對稱面 則變形體內的應力 應變 位移也對稱于此坐標軸 4 對于塑性加工而言 假設庫侖摩擦定律中的摩擦系數(shù)為常數(shù) 問摩擦系數(shù)的最大值為多 少 為什么 按米塞斯屈服準則 3 1 max 屈雷斯加屈服準則 5 0 max 5 試述主應力法求解塑性加工問題的特點 如圖 2 所示 已知 1 側向均布載荷 s q 3 1 2 接觸面上的摩擦切應力 sf 2 1 試求如圖 2 所示的圓柱體壓縮時的單位壓力 p rR h p S S 3 4 2 6 判斷 滑移線的規(guī)則是什么 若 線與 線形成一右手坐標系 則最大主應力 按代數(shù)值 應位于此坐標系的第一 和第三象限 7 漢蓋應力方程有何意義 由此可以得到滑移線場的哪些特性 漢蓋應力方程給出了同一條滑移線上平均應力 m 與轉角 之間的關系 若滑移線場已 確定 則轉角 也就被確定了 已知某一條滑移線上一點的平均應力 m 則沿該條滑移線 上任意一點的平均應力均可求出 由于兩族滑移線是相互正交的 因此 整個塑性區(qū)內各點 的平均應力均可以求出 確定出整個塑性區(qū)內各點的應力狀態(tài) 8 滑移線場有哪些典型的應力邊界條件 自由表面 無摩擦的接觸表面 摩擦切應力達到最大值k的接觸表面 當 k f 0 時 的接觸表面 9 試述蓋林格爾速度方程的用途 已知滑移線場 可以根據(jù)蓋林格爾速度方程求出速度場 10 何謂滑移線場的速度矢端圖 滑移線與速度矢端曲線之間有何關系 滑移線場的速度矢端圖 滑移線上各點的速度矢端曲線 移線與速度平面上的速度矢端 曲線在相應點上彼此正交 11 為什么說沿著同一條滑移線 速度不連續(xù)量的大小保持不變 其方向隨滑移線方向而改 變 由于速度間斷線就是滑移線 因此 在速度間斷線L兩側都必須滿足蓋林格爾速度方程式 設速度間斷線為 線 則有 0 0 22 11 duud duud nt nt 由于法向速度是連續(xù)的 即 nn uu 21 因此 將上兩式相減 可得 tt udud 21 即 常數(shù) ttt uuu 12 即沿同一條滑移線的速度間斷值為常數(shù) 12 已知某滑移線場如圖 3 所示 點 C 的等靜壓力為 900MPa 剪切屈服應力 k 600MPa 求點 B D 的應力狀態(tài) 0 300 1500 xyB yB xB MPa MPa 33002cos 200600 2001200 MPak MPa MPa DxyD yD xD 13 已知頂角為 2 的剛性楔體壓入半無限空間時的滑移線場如圖 4 所示 求當楔體壓入深 3 度為 h 時所需要的總的變形力 P 設接觸摩擦切應力為零 單位長度上的變形力 tgkhP 14 14 試述上限法求解塑性加工問題的基本要點 如何使所得到的上限解逼近于真實的速度 場 采用上限法求解塑性加工問題 通常包括以下幾個步驟 即 a 根據(jù)材料流動規(guī)律 設定一個運動許可的速度場 該速度場可以包含一個或多個待定參數(shù) 但需要滿足速度邊界 條件和體積不變條件 b 根據(jù)所設定的速度場 由幾何方程確定應變速率場和等效應變速 率 并利用式 8 130 確定各上限功率 c 求總功率的極小值 使總功率對于設定速度場中 各待定參數(shù)進行最小化處理 以便從速度場中所包含的無限多個上限解中得到一個最小的上 限解 再由這個最小功率求出相應的工作載荷 但是 應該注意到 由此所得到的最小上限 解并不是精確解 因為所設定的運動許可速度場往往不能包含真實的速度場 為了設計出盡可能接近于真實情況的運動許可的速度場 使所得到的上限解逼近于真 實解 需要根據(jù)相關的基礎理論 結合實際經驗對材料流動規(guī)律進行直觀的分析和邏輯判斷 15 無摩擦的平面應變擠壓過程如圖 5 所示 求擠壓壓力 p 2k 的上限解 畫出 p 2k 的 關系曲線 求出 p 2k 的極小值 30sinsin 1 30sinsin 1 4 1 2k p P 2 h 圖 4 剛性楔體壓入半無限空間時的滑移線場 p u0 h0 1 he 1 2 A B e u C 30 圖 5 無摩擦的平面應變擠壓 h q 2R p 圖 2 圓柱體鐓粗問題 線 線 D B A C 45 x y O 圖 3 已知的滑移線場 30 4 16 無摩擦的平面應變拉拔過程如圖 6 所示 三角形中 ABC CDE 60 AB 和 CD 與水平軸 垂直 求擠壓壓力 p 2k 的上限解 p 2k 1 732 h0 6 A 30 0 u B D C he 1 5 E pe 圖 6 無摩擦的平面應變拉拔過程 e u 第四章第四章 粉體材料與復合材料的成形原理粉體材料與復合材料的成形原理 練習與思考題練習與思考題 1 試述粉末材料的變形特點 粉體材料的變形是由基體變形和孔隙的變形所構成的 即變形與致密是同時進行的 力 總是通過基體來傳遞的 基體的變形是主動的 遵循致密體變形的一切規(guī)律 基體材料的應 力 應變狀態(tài)除與外加載荷有關外 還與孔洞的形狀 大小以及方位有關 孔洞的變形由孔 洞的形狀變化和體積變化兩部分組成 其變形是被動的 即孔洞變形是通過基體的塑性變形 產生的 也就是說 基體與孔洞的變形是相互關聯(lián)的 由于粉體材料在成形過程中同時產生變形和致密 遵循著質量不變條件 其體積是不斷 減少的 塑性變形時消耗了部分能量來減少粉末材料的孔隙 所以 粉體材料與致密體相比 具有較小的橫向流動 2 粉末成形大致可以分為哪幾個階段 a 第一階段 粉末顆粒的重新排列階段 b 第二階段 彈性變形與塑性變形階段 c 第三階段 粉末顆粒斷裂階段 3 粉末顆粒之間的聯(lián)結力通常有哪些類型 粉體預成形坯之所以有一定的強度 是因為粉末顆粒之間的聯(lián)結力作用的結果 粉末顆 粒之間的聯(lián)結力大致可分為兩種 a 粉末顆粒之間的機械嚙合力 b 粉末顆粒表面原子之 間的引力 4 粉體制品燒結的目的是什么 燒結的目的是為了合金化或成分更均勻 提高預成形坯的密度和力學性能 燒結還可 以進一步降低制品的含氧量 5 為什么說粉體材料具有低屈服強度和低延伸率的特點 粉末材料中的孔隙存在以及顆粒之間粘結力低 因此屈服強度低 粉體材料中的孔隙對 拉應力是非常敏感的 因此 粉體材料在拉應力狀態(tài)下 具有低塑性 低韌性的特點 6 粉末材料的屈服準則與致密材料的屈服準則有什么不同 為什么 二者的最大區(qū)別在于等靜壓力影響粉末材料的屈服 對于粉末材料變形與致密同時進 行 7 粉末材料塑性變形時的應力應變關系有哪些特點 a 對于穩(wěn)定的材料 i s已知 當三個主應變d 1 d 2 d 3 已知時 由式 9 35 可以求出主應力值 這一點與致密材料是不一樣的 對于致密材料而言 當d 1 d 2 d 3 已知時 只能求得應力偏量分量或正應力之差 12 23 31 一 般不能求出 1 2 3 因為平均應力仍是未知數(shù) b 若兩正應力相等 則相應的應變 增量也相同 反之亦然 c 若某一方向的應變增量例如d 2 為零 則相應的應力 2 13 可見由于相對密度的影響 213 1 2 這一點與致密材料也是 不同的 8 何謂復合材料 復合材料有哪些特點 復合材料是一種多相材料 凡是由兩種或兩種以上的物理和化學本質不同的材料 以微 觀或宏觀的形式組合而成的材料 均可稱為復合材料 復合材料一般是由強度和模量都較高 但脆性大的增強劑與韌性好但強度和模量均較低的基體組成 因此 復合材料具有比強度 比模量 抗疲勞 耐高溫性能優(yōu)良 減振性能好 并且可按照構件的結構和受力要求 給出 預定的 分布合理的配套性能 進行最佳的結構設計等一系列的特點 9 組成復合材料的基體與增強相的作用是什么 在復合材料中 通常有一相為連續(xù)相 稱為基體 主要起粘結或連接作用 例如金屬 聚合物 陶瓷 另一相為分散相 稱為增強相 增強相可以提高材料的強度 剛度 抗沖擊 能力以及耐熱性等 常用的增強材料有連續(xù)長纖維 短纖維 晶須以及顆粒等 復合材料的 組分材料雖然保持著其相對獨立性 但復合材料的性能卻不是各組分材料性能的簡單疊加 而是有著重要的改進 基體材料和增強材料以及二者之間的界面的性質及其相互作用 決定 著復合材料的性能 10 復合材料的界面有哪些功能 傳遞效應 分割效應 阻斷效應 不連續(xù)效應 散射和吸收效應 誘導效應 11 影響復合材料性能的因素有哪些 界面結構和性質 12 控制界面反應的方法有哪些 界面優(yōu)化的目標是形成可以有效傳遞載荷 調節(jié)應力分布 阻斷裂紋擴展 形成穩(wěn)定的 界面結構 主要途徑有增強體的表面涂層處理 金屬基體合金化及優(yōu)化制備工藝參數(shù)等 第五章第五章 金屬塑性變形的物理本質金屬塑性變形的物理本質 練習與思考題練習與思考題 1 滑移系統(tǒng)和點陣阻力有什么關系 位錯需克服點陣阻力 方可運動 點陣阻力 即派 納力可表示為 其中 k 位錯類型 螺位錯的 k 1 刃位錯的 k 1 b 柏氏矢量 a 面間距 由于面間距 a 越大 柏氏矢量 b 越小時 點陣阻力 即派 納力越小 因此 金屬材料中位錯滑移變形都是沿著密排面和密排方向進行的 而這些密排面和密 排方向就是位錯滑移面和滑移方向 滑移面和位于其上的滑移方向就構成了滑移 系統(tǒng) 2 滑移和孿生這兩種切變機理各有什么特點 滑移是晶體的一部分相對于另一部分產生的剪切運動 且相對剪切運動的距 離是言滑移方向的原子間距的整數(shù)倍 切變后不改變晶粒結構和晶體取向 孿生也是晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶體學平面和方向產生 的切變 切變后晶體結構沒有變化 但是取向發(fā)生了變化 相對切變是沿孿生面 逐層連續(xù)依次進行的 而不像滑移那樣集中在一些滑移面上進行 孿生比滑移困 難一些 所以變形時首先發(fā)生滑移 當切應力升高到一定數(shù)值時 才出現(xiàn)孿生 密排六方金屬 由于滑夠系統(tǒng)少 各滑移系相對于外力的取向都不利時 也可能 在形變一開始就形成孿晶 3 什么是金屬的屈服強度 為什么金屬的理論屈服強度和實際屈服強度有區(qū) 別 金屬的屈服強度是指金屬抵抗塑性變形的抗力 定量地講 屈服強度是指金 屬發(fā)生塑性變形時的臨界應力 與加載的應力狀態(tài)有關 受變形溫度 應變速率 和變形量等外在實驗條件和內在的成分 組織狀態(tài)的影響 屈服強度作為金屬材料的力學性能指標 專指的是在單向應力狀態(tài)下和相應 的變形溫度 應變速率和變形程度下 產生塑性變形所需要的單位變形力 理論屈服強度認為滑移是一部分晶體在滑移面上 沿著滑移方向 相對于另 一部分晶體的剛性整體式地切變 來源于金屬的原子間的結合力 它是金屬原子 間結合力大小的反映 實際晶體中存在著各種晶體缺陷 特別是存在著位錯 位錯很容易運動 因 而不能充分發(fā)揮出原子間結合力的作用 所以金屬 特別是純金屬單晶體 實際 屈服強度遠低于理論值 開動位錯源所需的應力和位錯在運動過程中遇到的各種 阻力構成了金屬的實際屈服強度 4 金屬的實際屈服強度決定于什么 金屬的實際屈服強度決定于晶體中位錯運動時所必須克服的阻力 實際晶體 的切屈服強度 C包括開動位錯源所必須克服的阻力 點陣阻力 位錯應力場對 運動位錯的阻力 位錯切割穿過其滑移面的位錯林所引起的阻力 割階運動所引 起的阻力 在實際金屬中 通過塑性加工 合金化 熱處理等工藝手段所引起的屈服強 度的變化 主要是通過改變這些阻力來實現(xiàn)的 第六章第六章 金屬的塑性變形和強化金屬的塑性變形和強化 練習與思考題練習與思考題 1 什么叫強化 可能采用那些強化手段來強化金屬 采用各種方式使得金屬塑性變形時位錯運動的阻力增大 即可實現(xiàn)金屬材料 的強化 如冷變形的加工硬化 添加合金的固溶強化和析出沉淀強化 細晶強化 亞結構強化 多相組織的相變強化等 2 面心立方單晶體的應力應變曲線的硬化系數(shù) 為什么各個階段各不相同 最大的原因是什么 第 I 階段一般認為只有一個滑移系開動 強化作用不大 I較小 為易滑移 階段 第 階段為線性強化階段 出現(xiàn)了多系滑移 多系滑移產生大量位錯 使得 位錯運動阻力明顯增大 尤其是面角位錯的出現(xiàn) 強烈的阻止位錯源開動 并強 烈阻止其他滑移面上的位錯運動 從而使得這一階段硬化指數(shù) 最大 第 階段出現(xiàn)了交滑移 從而拜托了面角位錯的封鎖 使原被塞積的位錯繼 續(xù)運動 使得位錯的自由路程增大 即在加工硬化的同時 存在著動態(tài)回復的軟 化過程 從而造成 隨著 增大而逐漸降低的現(xiàn)象 3 晶界對塑性變形有什么影響 晶界對塑性變形過程的影響 主要是在溫度較低時晶界阻礙滑移進行引起的 障礙強化作用和變形連續(xù)性要求晶界附近多系滑移引起的強化作用 為使多晶體塑性變形過程不破壞晶界連續(xù)性 相鄰的晶粒必須協(xié)調變形 多 晶體塑性變形一旦變形傳播到相鄰的晶粒 就產生了多系滑移 位錯運動遇到的 障礙比單系滑移多 阻力要增加 存在晶界及晶界兩側晶粒取向有差別 多晶體的塑性變形有著很大的不均勻 性 在單個晶粒內 晶界變形要低于晶粒中心區(qū)域 由于細晶組織中晶界占的比 例要大于粗晶組織中的晶界 細晶組織的強化效果高于粗晶組織 4 多系滑移為何能起到強化作用 金屬多晶體塑性變形一開始為什么就出現(xiàn)了 多系滑移的強化 多系滑移產生大量位錯 位錯間相互作用使得位錯運動阻力明顯增大 尤其 是面角位錯的出現(xiàn) 強烈的阻止位錯源開動 并強烈阻止其他滑移面上的位錯運 動 多晶體材料中 某一晶粒產生滑移變形而不破壞晶界連續(xù)性 相鄰的晶粒必 須協(xié)調變形 理論計算證明 相鄰晶粒通過滑移協(xié)調一個可以變成任意形狀的晶 粒的變形 至少需六個滑移系統(tǒng) 所以多晶體塑性變形一旦形傳播到相鄰的晶粒 就產生了多系滑移 位錯運動遇到的障礙比單系滑移多 阻力增加很快 5 細化晶粒對金屬材料的力學性能有什么影響 細化晶?？梢越鉀Q哪些問題 有哪些途徑可以細化晶粒 根據(jù) Hall Petch 關系 流變應力與晶粒直徑方根的倒數(shù) D 1 2 有明顯的線性 關系 s i KD 1 2 式中 s 屈服應力 D 平均晶粒直徑 i K 實驗常數(shù) 細化晶粒非常重要 在工程上有重要的應用 1 在高強度的鋼種中 細化晶粒可以提高其韌性 有助于防止脆性斷裂 發(fā)生 可降低脆性轉化溫度 提高材料使用范圍 2 在低強度鋼中 如低碳結構鋼 利用細化晶粒來提高屈服強度有明顯 效果 尤其是超細晶組織對提高強度和韌性作用更突出 3 在超塑性變形時 細化晶?？梢缘玫嚼硐氲某苄宰冃?因為超塑性 變形的控制機理為晶間滑動機理 等軸細小晶粒更有利于晶間滑動變形 晶粒細化的途徑有以下幾種 1 改變結晶過程中的凝固條件 盡量增加冷卻速度 另一方面調節(jié)合金成 分以提高液體金屬過冷能力 使形核率增加 進而獲得細化的初生晶粒 2 進行塑性變形 嚴格控制隨后的回復和再結晶過程以獲得細小的晶粒組 織 采用低溫軋制和隨后控制冷卻 是得到細晶組織的有效生產工藝 3 利用固溶體的過飽和和分解或粉末燒結等方法 在合金中產生彌散分布 的第二相以控制基體組織的晶粒長大 4 通過同素異形轉變的多次反復快速加熱冷卻的熱循環(huán)處理來細化晶粒 6 什么是屈服效應 其在變形金屬的外觀上有何反應 體心立方金屬單向拉伸過程出現(xiàn)上下屈服點和屈服平臺的現(xiàn)象 稱之為屈服 效應 其原因是位錯與間隙原子形成的柯氏氣團的反復釘扎的相互作用 屈服效應會在變形金屬的外觀上有所反應 當金屬變形量恰在屈服延伸區(qū)內 時 金屬表面會產生粗糙不平的表面缺陷 稱之為呂德斯帶 呂德斯帶的形成 是外應力作用下 某些位置位錯釘扎不牢 它們首先擺脫溶質原子的氣團 開始 運動 變形是集中在局部區(qū)域 在金屬外觀上的反映就是一種帶狀的表面粗糙的 缺陷 呂德斯帶的消除 1 加入少量的 AI Ti 等強氮 碳化物形成元素 固定 C N 使之不能 有效釘扎位錯 2 在鋼板沖壓前進行小量的預變形 稍大于屈服延伸區(qū)的變形程度 使 被溶質原子釘扎住的位錯大部分基本脫釘 7 什么是形變時效和動態(tài)形變時效 形變時效 體心立方金屬第一次加載屈服后卸載 停留一段時間再加載 重 新出現(xiàn)屈服效應現(xiàn)象 其屈服極限 強度極限和硬度均有所提高 而塑性與疲勞 極限等則要下降 容易發(fā)生脆斷 a 第一次實驗 b 卸載后立即加載實驗 c 卸載后停留一段時間再加載實驗 藍脆 碳鋼在 150 350 范圍內變形時 存在著動態(tài)形變時效現(xiàn)象 因而 降低塑性 使金屬變脆 這個溫度區(qū)間試樣或工件表面很容易生長藍色的氧化膜 有發(fā)藍的現(xiàn)象 8 處于不同時效階段的沉淀強化合金的應力應變曲線有何特點 如圖所示 應力應變曲線可分為四個階段 即溶質原子的偏聚階段 偏聚區(qū) 有序化階段 過渡相階段和平衡階段 溶質原子的偏聚階段 GP 區(qū)所對應的一段曲線 在 GP 區(qū) 隨著時效 時間增長 強度增加 偏聚區(qū)有序化階段 GP 區(qū) 體心點陣形成 形成共格相 強化曲線達 到峰值時 沉淀相中有 80 90 是 相 過渡相階段 相出現(xiàn)后 共格關系開始破壞 強化作用不如 相 標志 著過時效開始 平衡階段 長時間時效后 沉淀相完全轉變成粗大體心正方結構的有序穩(wěn) 定平衡 相 完全失去共格關系 導致軟化 強化作用比不上固溶強化 9 沉淀析出相質點越小 沉淀強化合金的強化效果越好嗎 第二相析出強化作用機理主要有兩種 切過第二相的強化機理和繞過機理 如下圖所示 位錯切過第二相質點時 位錯運動的阻力將隨質點尺寸加大而增加 如曲線 B 所示 位錯繞過第二相質點時 位錯運動的阻力將隨質點尺寸減小而增加 如 曲線 A 所示 最佳的粒子尺寸 位錯總是選擇需要克服阻力最小的方式通過 故當 質點相當于兩曲線交點 P 所對應的尺寸大小時 得到最佳的強化效果 10 影響金屬材料塑性的因素有哪些 影響金屬材料塑性的因素可分為內在因素和變形的外部條件 其中內在因素 又可分為材料的組織結構和其化學成分 變形的外部條件為變形溫度 變形速度 應力狀態(tài) 變形的均勻性等 1 組織結構對塑性的影響 不同晶體結構的金屬塑性不同 面心 體心立方塑性較好 而密排六方滑移 系少 塑性較差 純金屬和合金比較 一般純金屬有較好的塑性 單相合金同多相合金材料比較 一般是單相合金材料的塑性好 些 各相的 性質不同 變形的難易程度是不同的 存在第二相的材料 第二相質點的性質 數(shù)量 大小 形態(tài)和分布對材料的 塑性都有很大的影響 晶粒細小均勻的組織比晶粒粗大不均勻的組織塑性好 特別是冷變形時這種 影響的差別更顯著 變形組織比鑄態(tài)組織塑性好 2 成分對塑性的影響 a 低熔點 S 化物及其共晶通常分布于晶界上 在 900 左右變形過程中產 生熱脆 紅脆 b 鋼中含 0 15 0 30 的銅時 熱加工過程中鋼的表面會產生龜裂 稱為 銅脆 c 鋼中含 P 量不大時 在熱加工范圍內對塑性影響不大 在冷狀態(tài)下時 磷使鋼的強度增高 塑性降低 產生冷脆現(xiàn)象 P 含量超過 0 1 時 冷脆現(xiàn)象 很明顯 磷還引起高溫回火脆性 d Pb Sn As Sb Bi 它們都是低熔點元素 俗稱 五害 對塑性影響 很壞 它們在鋼中的溶解度都很小 剩余量分布于晶界 它們在加熱時熔化而使 鋼材塑性破壞 e 氫對鋼熱加工時的塑性沒有明顯的影響 因為加熱到 1000 左右時 過 飽和的氫易于從鋼中析出 但含氫量較高的鋼 熱加工后快速冷卻時會產生白點 冷加工時會產生氫脆現(xiàn)象 f 低碳鋼中固溶的 N 和 C 量增大時 形變時效現(xiàn)象顯著 在 300 左右加 工時會出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象 3 外部變形條件的影響 a 變形溫度對塑性的影響 一般規(guī)律是溫度升高 塑性改善 原因 溫度升高 熱激活作用增強 位 錯的活動性能提高 溫度升高可能出現(xiàn)新的滑移系統(tǒng) 可能使擴散塑性變形機理同時起作用 使 塑性變形容易進行 溫度升高有利于回復和再結晶軟化過程的發(fā)展 可使變形過 程造成的破壞和缺陷修復 從而提高了塑性 b 應變速率對塑性的影響 應變速率對塑性的影響是比較復雜的 應變速率效應 應變速率增加 位錯運動沒有足夠的時間 不利于異號位錯 的合并 重排 不利于回復和再結晶過程的進行 不利于變形過程中形成的內裂 修復 加工硬化加劇 溫度效應 應變速率增加 變形熱來不及散發(fā) 提高了變形溫度 促進變形 過程中產生的排列混亂的位錯重新排列為某些低能組態(tài) 利于異號位錯合并 位 錯密度可降低一些 溫度提高促進回復和再結晶 促進裂紋修復 促使擴散塑性 變形機理發(fā)生作用 分析應變速率對塑性的影響時 不能脫離溫度的影響區(qū) c 應力狀態(tài)對塑性的影響 從提高塑性的角度來看 各種應力狀態(tài)中三向壓應力最好 兩壓一拉次之 兩拉一壓更次之 三向拉應力對塑性潛能的發(fā)揮最不利 d 不均勻變形對塑性的影響 變形不均勻而出現(xiàn)的應力叫附加應力 附加應力的出現(xiàn)影響了變形體的應力 分布 e 其他因素對塑性的影響 變形狀態(tài) 尺寸因素 周圍介質等都對塑性有影響 第七章第七章 金屬在塑性變形中的組織結構與性能變化金屬在塑性變形中的組織結構與性能變化 練習與思考題練習與思考題 1 冷變形使金屬的組織結構和性能發(fā)生什么變化 有何意義 1 冷變形使金屬的組織結構發(fā)生如下變化 1 單晶體塑性變形 時 隨著變形量增加 位錯密度增加 從而引起加工硬 化 2 多晶體塑性變形時 隨著變形量增加 與單晶體變形一樣 位錯密度增 加 但多晶體各晶粒即相互阻礙又相互促進 變形量到一定程度出現(xiàn)位錯胞狀結 構 3 冷塑性變形后自由能高 4 晶粒外形 夾雜物和第二相的分布發(fā)生變化 5 性能上具有方向性 帶狀組織和纖維組織 6 形成形變織構 7 晶體可能被破壞 可能產生微裂紋 甚至宏觀裂紋等 變形是不均勻的 存在殘余內應力 2 冷變形對金屬性能的變化體現(xiàn)在 1 強度指標增加 塑性指標降低 韌性也降低了 產生力學性能的方向性 2 物理性能變化 由于在晶間和晶內產生微觀裂紋和空隙以及點陣缺陷 因而密度降低 導熱 導電 導磁性能降低 3 化學性能變化 化學穩(wěn)定性降低 耐腐蝕性能降低 溶解性增加 3 生產上經常利用冷加工提高材料的強度 通過加工硬化 或稱形變強 化 來強化金屬 冷加工是通過塑性變形改變金屬材料性能的重要手段之一 2 回復退火處理可能使冷變形后的金屬組織結構發(fā)生什么變化 有何實際意 義 回復對組織結構的影響與形變后的組織以及回復的溫度和時間有關 1 回復溫度較低時 由于塑性變形所產生的過量空位就會消失 2 回復溫度稍高一些時 同一個滑移面上的異號位錯 會在塞積位錯群 的長程應力場作用下 匯聚而合并消失 降低位錯密度 3 回復溫度較高時 不但同一滑移面上的異號位錯可以匯聚抵消 而且 不同滑移面上的位錯也易于攀移和交滑移 從而互相抵消或重新排列成一種能量 較低的結構 回復退火在生產中主要作用 1 去內應力退火 使冷加工的金屬件 在基本上保持加工硬化的條件下 降低其內應力 以避免變形和開裂 改善工件的耐蝕性 2 預先形變熱處理工藝中 低溫冷變形后進行的中間回火 也是一種回 復性質的處理 其目的是為了得到比較穩(wěn)定的位錯 亞晶組織 在進行快速淬 火加熱和最后的回火處理后 仍能夠保持良好的形變強化的效果 3 如何控制再結晶后的晶粒大小和均勻性 決定再結晶退火后晶粒大小的最主要因素是預先變形量 退火溫度 其次是 原始晶粒度 雜質及退火時間等 當變形量很小時 晶格畸變能低 形核率低 甚至不形核 而且沒有足夠的 動力推動再結晶過程的進行 不發(fā)生再結晶 只是晶粒長大 出現(xiàn)粗晶組織 為 了細化晶粒 條件允許時 應盡量采用大變形量 避免在臨界變形程度加工 提高退火溫度 不僅使再結晶晶粒度增大 而且還會影響到臨界變形程度 隨著退火溫度升高 其臨界變形程度變小 且再結晶晶粒明顯長大 原始晶粒的大小及夾雜對再結晶后的晶粒大小有影響 在同樣變形程度和溫 度下 原始晶粒越細 再結晶后的晶粒也越細 雜質妨礙再結晶晶粒長大 對組 織細化