第五章 金属及合金的塑性变形 答案.docx

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第五章金属及合金的塑性变形答案

第五章金属及合金的塑性变形与断裂

一名词解释

固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构

固溶强化：

固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象；

应变时效：

具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况；

孪生：

金属塑性变形的重要方式。

晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。

形成孪晶的过程称为孪生；

临界分切应力：

金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小分切应力；

变形织构：

多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。

二填空题

1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是位错的运动

2．滑移系是指晶体通过滑移产生塑性变形时，由滑移面和其上的滑移方向所组成的系统，面心立方晶格的滑移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12个滑移系。

P166.

3.加工硬化现象是指随变形度的增大，金属强度和硬度显著

提高而塑性和韧性显著下降的现象，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的根本原因是位错密度提高，变形抗力增大。

4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。

5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的强度增大，塑性降低。

6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材料以粗一些晶粒为好。

对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。

因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致

7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。

三判断题

1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。

（√）

2在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个（×）应为:

｛110｝×6〈111〉×2P166

3．滑移变形不会引起晶体结构的变化。

4．喷丸处理及表面辊压能显著提高材料的疲劳强度。

（√）

5．在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。

（×）

6．反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。

（√）

7．金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。

（×）

8单晶体主要变形的方式是滑移，其次是孪生。

（√）

9．细晶粒金属的强度高，塑性也好。

（×）

10．晶界处滑移的阻力最大。

（√）

首先明确，滑移变形的微观机制是位错的运动，晶界处产生强烈的晶格畸变，阻碍位错运动；而晶界附近造成严重的位错塞集，产生的应力场强烈阻止滑移的进行，因此晶界处滑移的阻力最大。

四选择题

1．能使单晶体产生塑性变形的应力为（B）

A．正应力B．切应力

2．面心立方晶体受力时的滑移方向为（B）

A<111>B<110>C<100>D<112>

3．体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系，但其塑性变形能力是不同的，其原因是面心立方晶格的滑移方向较体心立方晶格的滑移方向（B）

A．少B．多C相等D．有时多有时少

4．冷变形时，随着变形量的增加，金属中的位错密度（A）。

A．增加B降低C无变化D．先增加后降低

5．钢的晶粒细化以后可以（D）。

A．提高强度B提高硬度C提高韧性D．既提高强度硬度，又提高韧性

6．加工硬化现象的最主要原因是（B）。

A．晶粒破碎细化B位错密度增加C晶粒择优取向D．形成纤维组织

7．面心立方晶格金属的滑移系为（A）。

A．{111}<110>B．<110>{111}C．<100>{110}D．<100>{111}

8用铝制造的一种轻型梯子，使用时挠度过大但未塑性变形。

若要改进，应采取下列（A）措施

A采用高强度铝合金B用钢代替铝

C用高强度镁合金D．改进梯子的结构设计

五改错题

1．塑性变形就是提高材料塑性的变形。

提高材料的强度，硬度及塑性。

2．滑移面是原子密度最大的晶面，滑移方向则是原子密度最小的方向

滑移方向也是原子排列最密的方向，这是因为在晶体的原子密度最大的晶面上，原子间的结合力最强，而面与面之间的距离却最大，即密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小。

六简答

1单相合金的冷塑性变形与纯金属的室温塑性变形相比，有何特点。

1简答：

纯金属变形主要借助位错运动，通过滑移和孪生完成塑性变形，开动滑移系需要临界切应力，晶体中还会发生扭转；单相合金的基本变形过程与纯金属的基本过程是一样的，但会出现固溶强化，开动滑移系需要临界切应力较大，还有屈服和应变时效现象。

2金属晶体塑性变形时，滑移和孪生有何主要区别？

2简答：

滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍，孪生时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍；滑移时滑移面两边晶体的位向不变，而孪生时孪生面两边的晶体位向不同，以孪晶面形成镜像对称；滑移时需要的临界分切应力小，孪生开始需要的临界分切应力很大，孪生开始后继续切变时需要的切应力小，故孪生一般在滑移难于进行时发生。

3简述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构的成因及对金属材料性能的影响。

3简答：

冷加工纤维组织是纯金属和单相合金在冷塑性变形时和变形度很大的条件下，各晶粒伸长成纤维状；带状组织是复相合金在冷塑性变形和变形度大的条件下第二相被破碎或伸长，沿变形方向成带状分布而形成的；变形织构是金属和合金在在冷塑性变形时晶粒发生择优取向而形成的。

上述冷加工纤维组织、带状组织和变形织构都使材料的性能具有方向性，即在各个方向上的性能不均，对使用性能有不良影响，但少数金属材料，如用作变压器的硅钢片，各向异性能更好满足使用要求。

4为什么金属材料经热加工后机械性能较铸造态好。

4简答：

金属材料经热加工后机械性能较铸造态好的主要原因是热加工时的高温、大变形量使气泡、疏松和微裂纹得到机械焊合，提高了材料的致密性，消除了铸造缺陷，同时改善夹杂物和脆性相的形态、大小和分布，使枝晶偏析程度减弱，合金成分均匀性提高，热加工中形成合理的加工流线，热加工还可使金属显微组织细化，这些都可以提高金属材料的性能。

5何为加工硬化？

列出产生加工硬化的各种可能机制。

（不必说明），加工硬化现象在工业上有哪些作用？

5简答：

金属材料经冷加工后，强度增加，硬度增加，塑性降低的现象称为加工硬化。

产生加工硬化的各种可能机制有滑移面上平行位错间的交互作用的平行位错硬化理论，以及滑移面上位错与别的滑移面上位错林切割产生割阶的林位错强化理论。

加工硬化在实际生产中用来控制和改变金属材料的性能，特别是对不能热处理强化的合金和纯金属尤为重要，可以进行热处理强化的合金，加工硬化可以进一步提高材料的强度；加工硬化是实现某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也会带来塑性降低，使变形困难的影响，还会使材料在使用过程中尺寸不稳定，易变形，降低材料耐蚀性。

6简要说明第二相在冷塑性变形过程中的作用。

6简答：

第二相在冷塑性变形过程中的作用一般是提高合金强度，但还取决于第二相的种类数量颗粒大小形状分布特点及与基体结合界面结构等，对塑性变形影响复杂。

第二相强度高于基体但有一定塑性，其尺寸、含量与基体基本接近，则合金塑性是两相的变形能力平均值。

第二相硬、脆，合金变形只在基体中进行，第二相基本不变形；第二相均匀、弥散分布在固溶体基体上，可以对合金产生显著强化作用。

7讨论织构的利弊及控制方法。

7简答：

织构由晶粒择优取向形成，变形织构对再结晶织构形成有主要影响，织构造成材料性能各向异性。

各向异性在不同情况需要避免或利用。

织构控制可以通过控制合金元素的种类和含量、杂质含量、变形工艺（如变向轧制）和退火工艺等多种因素的配合。

8叙述金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化。

8简答：

金属和合金在冷塑性变形过程中发生的组织性能的变化主要有晶粒被拉长，形成纤维组织，冷变形程度很高时，位错密度增高，形成位错缠结和胞状组织，发生加工硬化，，变形金属中出现残余应力，金属在单向塑性变形时出现变形织构。

9．产生加工硬化的原因是什么？

加工硬化在金属加工中有什么利弊？

答：

①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。

因此，随着变形量的增加，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。

②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。

另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。

加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。

如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。

10．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？

答：

晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也阻碍晶粒的变形。

因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的抗力也愈大。

因此，金属的晶粒愈细强度愈高。

同时晶粒愈细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。

因此，塑性，韧性也越好。

11．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

答：

①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。

12．分析加工硬化对金属材料的强化作用？

答：

随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力的增加。

这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。

13．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面上）使齿面得以强化。

试分析强化原因。

答：

高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升高。