《金属塑性成型原理》(俞汉清主编)课后习题及答案

《金属塑性成型原理》(俞汉清主编)课后习题及答案

金属的塑性是指在外力作用下金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。而塑性成形是利用金属材料的塑性，在一定的外力作用下，使其成型并获得一定力学性能的加工方法。塑性成形的特点包括组织、性能好、材料利用率高、尺寸精度高和生产效率高。塑性成形可以一般分类为块料成形和板料成形两大类。块料成形是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的，可以分为一次成型和二次加工。一次加工包括轧制、挤压和拉拔，适用于生产型材、板材、管材、棒材和线材等。二次加工包括自由锻和模锻，适用于单件小批量或大锻件。板料成形一般称为冲压，分为分离工序和成形工序，用于生产具有要求形状和尺寸的零件。多晶体塑性变形的特点包括各晶粒变形的不同时性和相互协调性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的，而晶粒之间的连续性决定了晶粒变形的相互协调性。为了保证晶粒变形的协调性，每个晶粒至少要求有5个独立的滑移系启动。3.金属塑性变形过程中，晶粒与晶界附近区域的变形不均匀性是一个重要的问题。同时，滑移的传递也需要相邻晶粒的位错源来激发。4.晶粒大小对金属的塑性和变形抗力有着显著的影响。晶粒越细，变形抗力越大，而塑性则更好。这是因为晶粒大小决定了位错塞积群应力场到晶内位错源的距离，从而影响位错的数目和滑移的转移。5.加工硬化是随着金属变形程度的增加，其强度和硬度增加，而塑性和韧性降低的现象。产生加工硬化的原因在于位错的交互作用，导致位错难以越过障碍而被限制在一定范围内运动。加工硬化的利弊在于可作为一种强化金属的手段，但也会增加设备能力和生产成本。6.动态回复是热塑性变形的主要软化机制，指的是在变形过程中向自由能低的方向自发转变的过程。这是因为动态回复可以消除位错和胞状亚结构，从而降低金属的变形抗力，提高塑性。动态回复是热塑性变形中的主要软化机制之一。它主要通过位错的攀移和交滑移等方式实现。在高层错能的金属中，位错的宽度较窄，集束容易，位错的交滑移和攀移也较容易进行。但是，它们很难达到动态再结晶所需的能量水平。因此，在这类金属中，即使变形程度很大，变形温度远高于静态再结晶温度，也只会发生动态回复，而不会发生动态再结晶。在低层错能的金属中，动态回复虽然不充分，但仍在进行，畸变能也在释放。只有当变形程度远远高于静态回复所需要的临界变形程度时，畸变能差才能积累到再结晶所需的水平，动态再结晶才能启动。动态再结晶容易发生在层错能较低的金属中，尤其是当热加工变形量很大时。这是因为在这种情况下，位错的交滑移和攀移都很困难，位错密度差较高，而动态回复的速率和程度都很低。因此，局部区域会积累足够高的位错密度差，形成不完整的胞状亚组织。这种亚组织有利于再结晶形核，从而促进动态再结晶的发生。动态再结晶是指在热塑性变形过程中发生的再结晶。它与静态再结晶基本相同，都是通过形核和长大来完成，机理也是大角度晶界或亚晶界向高位错密度区域的迁移。动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低有关外，还与晶界的迁移难易有关。此外，溶质原子和第二相粒子的存在也会阻碍晶界的移动，从而减慢动态再结晶的速率。在钢锭经过热加工变形后，会发生多种变化。首先，晶粒组织会得到改善。其次，锻合内部的缺陷会被消除。此外，热加工还会破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布。最后，还会形成纤维组织，改善偏析等问题。冷变形金属和热变形金属的纤维组织有一些不同。热变形金属的纤维组织通常是在高温下形成的，而冷变形金属的纤维组织则是在室温下形成的。此外，热变形金属的纤维组织通常更加均匀，而冷变形金属的纤维组织则可能会出现断裂和不均匀的情况。②硫：存在于钢中会形成脆性夹杂物，降低钢的塑性。控制硫含量可以提高钢的塑性。③锰：可以提高钢的强度和塑性，但过量会导致脆性。④铬：可以提高钢的强度和耐腐蚀性，但过量会降低钢的塑性。⑤镍：可以提高钢的抗冲击性和塑性，但过量会降低钢的强度和硬度。大多数金属在温度升高时，塑性会增加，但这种增加并非线性上升。在加热过程中，由于相态或晶粒边界状态的变化，金属的塑性可能出现脆性区，导致降低。一般情况下，温度从绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温、中温和高温的脆性区。以碳钢为例，区域Ⅰ的塑性极低，可能与原子热振动能力极低或晶界组成物脆化有关；区域Ⅱ称为蓝脆区，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出所致；区域Ⅲ与珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。温度效应指由于塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。冷变形时，随着应变速率的增加，塑性略有下降，以后由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升；而热变形时，随着应变速率的增加，塑性通常会有较显著的降低，以后由于温度效应的增强，塑性有所回升，但若此时温度效应过大，已知实际变形温度有塑性区进入高温脆区，则金属的塑性又急速下降。张量是由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合。应力张量表示点应力状态的九个分量构成一个二阶张量。应力张量不变量已知一点的应力状态。主应力在某一斜微分面上的全应力S和正应力ζ重合，而切应力η=0，这种切应力为零的微分面称为主平面，主平面上的正应力叫做主应力。主切应力是切应力达到极值的平面，其面上作用的切应力称为主切应力。最大切应力是三个主切应力中绝对值最大的一个，也就是一点所有方位切面上切应力最大的。主应力简图是只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图。八面体应力是在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力。等效应力取八面体切应力绝对值的3倍所得之参量。10.平面应力状态是指变形体内与某方向垂直的平面上无应力存在，并且所有应力分量与该方向轴无关。例如，薄壁扭转、薄壁容器承受内压、板料成型等工序中，由于厚度方向应力相对很小，可以忽略不计，一般采用平面应力状态来处理。11.平面应变状态是指物体内所有质点在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形。对应的应力状态为平面应变状态。例如，轧制板、带材、平面变形挤压和拉拔等都属于平面应变状态。12.轴对称应力状态是指当旋转体承受的外力为对称于旋转轴的分布力，并且没有轴向力时，物体内的质点就处于轴对称应力状态。例如，圆柱体平砧均匀镦粗、锥孔模均匀挤压和拉拔等都属于轴对称应力状态。3.张量具有以下基本性质：①存在张量不变量；②张量可以叠加和分解；③张量可分为对称张量和非对称张量；④二阶对称张量存在三个主轴和三个主值。4.应力偏张量只能产生形状变化，而不能使物体产生体积变化，材料的塑性变形是由应力偏张量引起的；应力球张量不能使物体产生形状变化(塑性变形)，而只能使物体产生体积变化。12.下列术语的定义或含义如下：1)位移是指变形体内任一点变形前后的直线距离；2)位移分量是指位移在三个坐标轴上的投影，一般用u、v、w或角标符号ui表示；3)相对线应变是指单位长度上的线变形，只考虑最终变形；4)工程切应变是指将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即δrt=tanθxy=θxy=αyx+αxy；5)切应变是定义为γyx=γxy=1θyx；6)对数应变是指塑性变形过程中，在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和，反映了物体变形的实际情况；7)主应变是指过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变方向(称为应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，用ε1、ε2、ε3表示。对于各向同性材料，可以认为小应变主方向与应力方向重合；8)主切应变是指在与应变主方向成±45°角的方向上存在三对各自相互垂直的线元，它们的切应变有极值。9.最大切应变是指三个主切应变中绝对值最大的那个；10.应变张量不变量是指在坐标系变换下保持不变的应变张量的量；11.主应变简图是用主应变的数量和符号来表示应变状态的简图；12.八面体应变是指在以三个应变主轴为坐标系的主应变空间中，八面体平面的法线方向线元的应变；13.应变增量是指产生位移增量后，变形体内质点的相应无限小的应变增量，用dεij来表示；14.应变速率是指单位时间内的应变，也称为变形速度，用ε&表示，其单位为s-1；15.应变偏张量εij表示变形单元体形状的变化，应变球张量δijεm表示变单元体体积的变化。在塑性变形时，根据体积不变假设，即εm=0，应变偏张量即为应变张量。因此，塑性变形时应变偏张量就是应变张量，应变球张量不存在；16.用主应变简图表示塑性变形的类型有三种：①压缩类变形，特征应变为负应变(即ε1＜0)另两个应变为正应变，ε2+ε3=.ε1；②剪切类变形(平面变形)，一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反，ε2=0，ε1=.ε3；③伸长类变形，特征应变为正应变，另两个应变为负应变，ε1=.ε2.ε3；17.对数应变能真实地反映变形的积累过程，因此也称为真实应变。它具有可加性和可比性，而相对应变则不具备这些特点。对数应变可以看做是由相对线应变取对数得到的；21.屈服准则指在一定的变形条件下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件。它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件。防止产生