【答案】《材料成形金属学》(东北大学)章节期末中国大学慕课答案

第一章晶体缺陷概述习题11.1-4.（20分）相界面结构有几种形式？它们的特点分别是什么？

答案：【相界面有三种形式，分别是共格界面，半共格界面和非共格界面。（5分）共格界面：“共格”是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，共格相界面两边原子一一对应。由于两相晶格常数不同，故晶格发生畸变，产生较大的弹性能。（5分）非共格界面：两相晶体结构差别较大，界面上原子分布混乱，界面分明，弹性能很低。（5分）半共格界面：两相晶格常数相差较大时，不可能做到完全共格。界面上会产生一些位错，界面分明，弹性能介于前两者之间。（5分）】2.1-3.（30分）若将某材料加热至1130K时，其空位平衡浓度是其在1000K时的5倍，设在1000~1130K之间时材料的密度不变，试计算其空位形成能。（R=8.32J/(mol·K)）

答案：【】3.1-2.（30分)什么是空位平衡浓度？请写出表达式。为什么说空位是一种热力学上平衡的缺陷？

答案：【】4.1-1.（20分）什么是晶体缺陷？按照晶体缺陷的几何组态，晶体缺陷可分为几种，每种类型的缺陷包括什么？

答案：【晶体缺陷就是指实际晶体结构与理想晶体结构发生偏差的区域。（5分）晶体缺陷分为：点缺陷，线缺陷，面缺陷。（5分）点缺陷包括：空位，间隙原子，置换原子；线缺陷包括：刃型位错，螺型位错，混合位错；面缺陷包括：小角度晶界，大角度晶界，相界面。（10分）】第二章位错理论基础（1）习题2（1）1.2-2.（30分）晶体的滑移面上存在一个位错环，外力场在其柏氏矢量方向的切应力为τ=10-4G。若b=2.55×10-10m，此位错环在晶体中能扩张的半径为多大？（取α=0.5）

答案：【】2.2-1.（30分）设有两条交叉（正交但不共面）的位错线AB和CD，其柏氏矢量分别为b1和b2，且│b1│=│b2│=b。试求一个是螺型位错，一个是刃型位错两条位错间的交互作用。（要求算出单位位错线的受力f和总力F）

答案：【】3.2-4.（20分）位错与溶质原子的交互作用，在下列选项中，错误的是（），并说明理由。A.点缺陷通常与刃型位错发生交互作用，位错与溶质原子的交互作用引起溶质原子向位错线聚集，形成的溶质原子气团为柯氏气团。B.位错与溶质原子的弹性交互作用是通过它们的应力场而发生作用的，其结果是当它们靠近时，总畸变能减少，从而使系统的总能量降低。C.溶质原子周围的点阵畸变完全呈球面对称时，螺型位错与溶质原子间有交互作用。D.斯诺克气团是由于螺型位错与溶质原子之间发生交互作用形成的。

答案：【选择C（10分）螺型位错应力场中没有正应力分量，如溶质原子周围的畸变完全呈球面对称，螺型位错和溶质之间无交互作用能；而当溶质原子周围的点阵畸变并非完全球面对称，螺型位错与溶质原子有交互作用。（10分）】4.2-3.（20分）下列关于滑移和攀移的说法错误的是（），并说明理由。A.滑移发生时晶体体积无改变，攀移发生时晶体体积发生改变。B.刃型位错和螺型位错都只能在一个滑移面上滑移。C.刃型位错既能滑移又能攀移，螺型位错只能滑移。D.正应力只会导致攀移而不会导致滑移。

答案：【选择B（10分）刃型位错的运动方向始终垂直于位错线而平行于柏氏矢量，其滑移面就是由位错线与柏氏矢量所构成的平面，因此刃型位错在一个滑移面上滑移；对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，故它的滑移面可以是多个（10分）。】第二章位错理论基础（2）习题2（2）1.习题2-9.（20分）题目及图请见ppt。

答案：【】2.习题2-8.（20分）题目及图请见ppt。

答案：【】3.习题2-7.（20分）题目及图请见ppt。

答案：【（1）BC边是正刃型位错（6分）（2）沿-x轴方向运动（7分）（3）沿-y轴方向运动（7分）】4.习题2-6.（20分）题目及图请见ppt。

答案：【】5.2-5.（20分）两个柏氏矢量相互平行的刃型位错交割后形成割阶还是扭折？请画图说明。

答案：【】第三章材料的塑性变形机制习题31.3-4.（25分）晶体的不均匀变形有几种形式？

答案：【晶体的不均匀变形可分为：扭折带、形变带、显微带以及剪切带。（5分）扭折带：晶体在拉伸或压缩时会发生滑移面在局部地区的弯折，成为扭折带。（5分）形变带：压缩时在试样表面可看到带状痕迹，在带中的点阵相对于原来的点阵发生了转动。（5分）显微带：在变形过程中形成两个或多个大致平行的位错墙，平行的位错墙构成显微带。（5分）剪切带：在材料的塑性变形过程中，发生剧烈的局部变形而出现剪切带，在剪切带中切变量很大。（5分）】2.3-3.（25分）简述材料高温变形的机制，请用文字或画图说明。

答案：【】3.3-2.（25分）（1）什么是临界切应力？（2）哪些因素会影响临界切应力？（3）为什么临界切应力与图中所示的θ角无关？请给出推导过程。（图示请见ppt）

答案：【】4.3-1.（25分）什么是滑移？什么是孪生？请比较它们的区别。

答案：【滑移是指晶体在外力作用下，一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生的平移滑动；（5分）孪生是指在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向、按一定关系发生相对的位向移动；（5分）相同点：（答对其中三条即为满分7分）①是重要的塑性变形机制；②使晶体发生切变；③沿着特定的晶面和晶向上进行；④不改变晶体点阵类型。不同点：（答对其中三条即为满分8分）①孪生切变均匀，滑移切变不均匀；②相邻层间相对切变量小于一个原子间距，滑移为原子间距整数倍；③孪生位向改变，滑移位向不变；④孪生腐蚀抛光后可见，滑移腐蚀抛光后不可见。】第四章材料的强化机制习题41.4-4.（30分）比较纤维增强复合材料与粒子增强复合材料强化机制的异同。

答案：【相同点：两者都是结构复合材料，由增强体组元和基体组元构成。（10分）不同点：纤维增强复合材料高强度和高弹性模量是由增强纤维提供，大部分载荷也由其承受，而基体则主要作为媒介以传递和分散载荷。（10分）微粒增强材料中复合材料的强化是由微粒引起的机械约束而限制变形所提供强化，载荷则由基体和微粒共同承担的。（10分）】2.4-3.（20分）一段直的位错线在运动中受到间距为a的第二相颗粒的阻碍，试写出该位错线按绕过机制继续运动所需的切应力。

答案：【】3.4-2.（40分）采用晶格缺陷理论说明合金强化的主要机制。

答案：【固溶强化：位错在固溶体合金中运动时必须克服溶质原子的应力场，因此固溶体合金中位错运动的阻力要比在纯金属中大，固溶体的强度总是要高于其基本金属的强度。（10分）晶界强化：多晶体中存在有大量的晶界，晶界两边晶粒的取向不同，滑移难以从一个晶粒直接传播到有取向差异的另一个晶粒上。因此，为了使邻近的晶粒也发生滑移，就必须要加大外力。（10分）形变强化：材料的变形主要通过原有位错的运动和许多附加位错的产生而进行，所以通常所说的形变强化也是位错强化，基本特征是给定的位错在运动中受其邻近位错所造成的“障碍物”所阻碍。（10分）第二相强化：当位错切过第二相质点时，需要做功，增加了位错运动的困难；当第二相硬度较高或尺寸较大，位错难以切过，就用绕过的方式前进，这种情况阻碍了位错运动，也产生了强化效应。（10分）】4.4-1.（10分）请列举纯金属强化的主要机制。

答案：【细晶强化（5分）加工硬化（5分）】第五章材料的变形和再结晶习题51.5-3.（25分）何为晶粒长大？何为异常晶粒长大？发生异常晶粒长大条件是什么？异常晶粒长大会对金属的力学性能有何影响？

答案：【晶粒长大时，晶界总是向着曲率中心的方向移动，并不断平直化，晶粒长大的过程就是大晶粒吞并小晶粒和凹面变平的过程。（5分）个别晶粒发生快速长大称为异常晶粒长大，又称为二次再结晶。（5分）条件：①变形程度低于临界变形度，同时温度很高；②变形程度很大，且温度很高。（5分）二次再结晶形成非常粗大的晶粒，且组织很不均匀，会降低材料的强度和韧性。（10分）】2.5-2.（25分）如何区别冷加工和热加工？它们各自的特点是什么？热加工时材料的软化机制有几种？

答案：【在再结晶温度以上的加工称为“热加工”，再结晶温度以下的加工称为“冷加工”。（5分）特点：冷加工：表面质量好；尺寸精度高；有加工硬化。（5分）热加工：变形抗力低；材料塑性好，易于实现大变形；可控的参数多。（5分）金属热变形中，其软化机制主要分为：①动态回复；②动态再结晶；③亚动态再结晶；④静态再结晶；⑤静态回复。（10分，答出一个点得2分）】3.5-1.（25分）简述回复和再结晶退火中材料发生的组织性能变化。说明实际生产中需要进行再结晶退火的意义。

答案：【回复：硬度和强度稍有降低，塑性略有提高；在金相显微镜下显微组织无明显变化，依然保持纤维状的变形组织。（8分）再结晶：强度和硬度明显下降，塑性提高；生成无畸变的新晶粒。（8分）实际生产中常利用再结晶退火消除加工硬化，是调整组织的有效手段，如细化晶粒和调整织构等。对于没有相变的材料如纯金属，再结晶处理是改善其组织的重要手段。（9分）】4.5-4.（25分）请绘制动态回复和动态再结晶过程的应力-应变曲线，并分别说明应变速率的影响。

答案：【】第六章材料塑性变形的宏观规律习题61.6-4.（25分）何谓残余应力？残余应力的危害有哪些？举例说明可通过哪些途径减小残余应力？

答案：【残余应力：变形结束后保留在变形物体内的附加应力。（6分）残余应力的危害：（9分，答对3条得满分）1）产生晶格畸变2）促进脆性断裂3）引起物体内应力和变形的不均匀分布4）引起制品形状和尺寸发生变化减小或消除残余应力的措施：（10分，答对2条得满分）1）热处理法（退火，回火等）2）矫直法3）施加小变形4）喷丸】2.6-3.（25分）圆柱体镦粗时为什么会出现鼓形？按应力状态如何分区（请结合图示说明）？呈现单鼓和双鼓变形的几何条件分别是什么？

答案：【】3.6-2.（25分）简要说明金属变形不均匀分布的研究方法主要有哪些？

答案：【】4.6-1.（25分）什么是基本应力？什么是附加应力？附加应力如何分类？

答案：【基本应力：物体在塑性变形状态中，完全由外力作用引起的应力称为基本应力。（5分）附加应力：当物体产生不均匀变形时，处于不同变形状态的各部分将会产生互相影响，出现相互平衡的附加内力，由此内力所产生的应力称为附加应力。（5分）第一种附加应力：在变形物体的几个大部分间由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力。（5分）第二种附加应力：在变形物体局部的各部分间（如两个或几个晶粒之间）由于不均匀变形所引起的相互平衡的附加应力。（5分）第三种附加应力：在变形物体的一个晶粒内的各部分间由于不均匀变形所引起的附加应力。（5分）】第七章材料的塑性变形抗力习题71.习题7-4.（30分）题目及图请见ppt。

答案：【】2.习题7-3.（25分）题目及图请见ppt。

答案：【Hollomon方程优点：表示形式简洁，易于应用；缺点：反映变形机制的一个加工硬化参数n并不能描述整个变形水平下双相或多相组织的变形特性。（15分）修正的C-J方程：能够对复相组织的变形特性进行分析。（10分）】3.7-2.（30分）什么是材料的塑性变形抗力？说明影响塑性变形抗力的因素。

答案：【】4.7-1.（15分）写出变形过程中本构方程的一般表达式，并简要说明各参数的意义。

答案：【】第八章材料的塑性行为习题81.习题8-4.（30分）题目及图请见ppt。

答案：【】2.习题8-3.（20分）题目及图请见ppt。

答案：【最好的塑性组合是(a)和(C)。(a)为三向压应力，(C)为两向压缩一向延伸。（20分）】3.8-2.（25分）影响塑性的主要因素有哪些？哪些方法可以提高金属材料的塑性？

答案：【】4.8-1.（25分）常用的表示金属塑性的主要指标有哪些？金属塑性的测定方法有哪些？

答案：【】第九章材料的断裂习题91.9-4.（20分）什么是韧性断裂？试述韧性断裂的特点。

答案：【韧性断裂是断裂前出现明显宏观塑性变形的断裂。（2分）特点：（1）韧性断裂前已发生较大塑性变形，消耗较多的能量；（6分）（2）裂纹不断形核、长大、聚合，并不断产生新的裂纹，呈现多裂纹源；（6分）（3）裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，是一个缓慢的过程。（6分）】2.习题9-3.（25分）题目及图请见ppt。

答案：【】3.习题9-2.（25分）题目及图请见ppt。

答案：【】4.习题9-1.（30分）题目请见ppt。

答案：【】第十章材料的组织性能控制习题101.10-1.（多选题）（16分）在钢铁材料的控轧控冷过程中，可以控制哪些参数？A.加热温度B.轧制温度C.冷却速度D.卷取温度E.热处理温度F.压下量

答案：【答案：ABCDF。每个4分；答出4个即得满分。错选减2分。】2.10-6.（多选题）（12分）说明航母甲板钢材所需的主要性能（）A.良好的耐冲击性能B.耐腐蚀性C.耐高温D.良好的焊接性能

答案：【答案：ABCD（12分）每个3分，全部正确得12分。】3.10-5.（多选题）（12分）说明汽车用结构用钢的主要要求（）A.高强度B.高耐磨性C.良好的成型性能D.良好的韧性

答案：【答案：ACD（12分）每个4分，全部正确得12分。错选减2分。】4.