《材料加工成型原理》思考题参考答案

1、1、 金属塑性变形的主要机制有哪些？单晶体的塑性变形：滑移和孪生；多晶体的塑性变形：晶内变形和晶界变形通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动，就是晶内变形。剪切运动有不同的机理，其中最基本的是滑移、孪生和扭析。其中滑移变形是主要的；而孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。在T05T熔时，可能出现晶间变形。这类变形不仅同位错运动有关，而且扩散机理起着很重要的作用。扩散蠕变机理又包括扩散-位错机理、溶质原子定向溶解机理、定向空位流机理。在金属和合金的塑性变形过程中，常常同时有几种机理起作用。具体的塑性变形过程中各种机理的具体作用要受许多因素的影响。例如晶体结构、化学成分、相状态、

2、组织、温度、应变量和应变速率等因素的影响。在冷态条件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它变形机制相协调。变形机理主要有：晶内滑移与孪生、晶界滑移和扩散蠕变。热塑性变形时，通常的热塑性变形速度较快，而且高温下，由于晶界的强度低于晶内，使得晶界滑动易于进行，所以晶粒相互滑移和转动起着尤为重要的作用。温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调节作用。热塑性变形的主要机理是晶内滑移。2. 滑移和孪生塑性变形机制的主要区别滑移是指在力的作用下晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或

3、切变，滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。孪生是指晶体在切应力作用下沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀切变。滑移和孪生是单晶体的主要变形机制，都是通过位错运动而实现晶内的一部分相对于另一部分的剪切运动。但是他们也明显的区别，如下：由孪生的变形过程可知，孪生所发生的切变均匀地波及整个孪生变形区，而滑移变形只集中在滑移面上，切变是不均匀的；孪生切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍（而是几分之一原子间距），而滑移时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；孪生变形后，孪晶面两边晶体位向不同，成镜像对称；而滑移时，滑移面两边晶体位向不变；由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光浸蚀后

4、仍可观察到，而滑移所造成的台阶经抛光浸蚀后不会重现；孪生的临界分切应力要比滑移的临界分切应力大得多，常萌发于滑移受阻引起的局部应力集中区；孪生变形的速度极大，常引起冲击波，发出声响；滑移时全位错运动的结果，孪生是不全位错运动。3. 为何单晶体拉伸时，其滑移面向着拉伸方向转动？如果金属在单纯的切应力作用下滑移，则晶体的取向不会改变。但当任意一个力作用在晶体上时，总可以分解为沿滑移方向的分切应力和垂直于滑移面的分正应力。这样，在晶体发生滑移的同时，还将发生滑移面和滑移方向的转动。因为假如晶体在拉伸时，不受约束，滑移时各滑移层就会一层层滑开，每一层与拉伸方向的夹角不变。但是，在实际拉伸过程中，夹头是

5、固定的，这样在拉伸过程中滑移面就会朝着与拉伸轴平行的方向发生转动，以使拉伸轴和滑移方向的夹角不断变小。4. 何谓加工硬化和几何硬化？并举例说明之。金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特

6、别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。在塑性变形过程中，由于滑移使晶体的位向不断地改变，如果原来晶体的位向是处于软取向，经滑移和转动后，取向因子变小，变形抗力增大，使滑移变得困难，产生硬化效果，这种现象称为几何硬化5. 单晶体与多晶体的加工硬化有何不同？多晶体是通过晶界把取向不同、形状大小不同、成分结构不同的晶粒结合在一起的集合体。多晶体的塑性变形是许多单晶体塑性变形的集合。但是，由于组成多晶体的各个晶粒取向不同，由于存在着晶界及晶粒大小有差别，使得多晶体的塑性变形和强化有许多不同于单晶体的特点。

7、（1）晶界在塑性变形中的作用：a总变形量相同时，在多晶体内，不仅各晶粒所承受的实际变形量不同，而且每个晶粒内部各处的实际变形程度也不一致。b在晶粒边界处变形程度都比晶粒内部小，这既表明晶界处较难变形；也显示出晶界在促进变形的不均匀分布上起很大作用。晶界对塑性变形过程的影响，主要是在温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。(2) 多晶体变形的不均匀性: 多晶体由于存在着晶界及晶界两侧晶粒取向有差别，多晶体的塑性变形有着很大的不均匀性。 当外力作用于多晶体时，由于晶粒取向不同，作用于各晶粒的滑移系统上分切应力不同，因而各个晶粒变形不一样。在单个晶

8、粒内，晶界附近难于变形，一般来说，晶界变形要低于晶粒中心区域。大小不同晶粒相比，细晶粒强化作用大。由于细晶组织中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界，细晶组织的硬度普遍高于粗晶组织的硬度。6.影响金属应力-应变曲线的因素有哪些？如何影响？1）点阵类型和金属种类。体心立方金属的硬化速率大体相同，它们比任何面心立方金属的硬化效果差（原因是滑移系多）。但不同面心立方晶体的硬化速率差别却比较大（可能是因为层错能不同）。2）变形温度与应变速率。温度升高使硬化速率降低，对应于一定变形程度的屈服应力值也减小。其原因：1）随温度升高，可能开动新的滑移系统；2）随着温度升高，可在变形过程中出现回复和再结晶的现象；

9、3）随着温度升高，可能出现新的塑性变形机理。应变速率对加工硬化的影响具有双重性，包含时间和温度两个因素。由于应变速率升高，软化机理来不及进行而引起屈服应力升高的应变速率效应；在变形过程中由于应变速率很高(如同绝热过程中形变热来不及散失)，塑性功转化成形变热而提高了变形物体温度，产生使屈服应力降低的温度效应，规律较复杂。高温区(完全软化区)应变速率效应影响最大。在这个温度区间，塑性变形机理基本是扩散机理、晶间滑动机理。 过渡区的应变速率效应居中。在这个温度区有回复和再结晶软化机理作用。 低温区效应影响最小，在此温度区间起控制作用的变形机理为切变机理。 3）晶粒大小。多晶体的屈服应力高于单晶体，多

10、晶体中细晶粒组织高于粗晶粒。晶粒越细小，断裂前的变形量越大，即塑性越高。4）反向加载。金属经预先的塑性变形后，反向加载时会使得它的屈服应力降低，即包辛格效应。7.实际晶体的屈服强度取决于什么？塑性变形的实质？金属的理论屈服强度来源于金属的原子间的结合力，它是金属原子间结合力大小的反映。而实际晶体中存在各种晶体缺陷，如位错的存在，位错易运动，因而不能充分发挥出原子间结合力的作用，所以金属实际屈服强度远低于理论值。实际晶体的屈服强度取决于产生一定切变量的位错运动所需要的应力，它包括开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各种阻力（点阵阻力、位错应力场对运动位错的阻力、位错切割穿过其滑移面的位错

11、林所引起的阻力、割阶运动所引起的阻力）。在实际金属中，通过塑性加工、合金化、热处理等工艺手段所引起的屈服强度的变化，主要是通过改变这些阻力来实现的。塑性变形的实质是：晶体内部产生滑移的结果。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上，形成位错运动。位错运动的结果，就实现了整个晶体的塑性变形。8.晶粒细化途径有哪些？研究晶粒细化的重要性如何？控制过冷度；变质处理；振动、搅动1） 改变结晶过程中的凝固条件，尽量增加冷却速度，另一方面调节合金成分以提高液体金属过冷能力，使形核率增加，进而获得细化的初生晶粒。2） 进行塑性变形，严格控制随后的回复和再结

12、晶过程已获得细小的晶粒组织。3） 利用固溶体的过饱和分解或粉末烧结等方法，在合金中产生弥散分布的第二相以控制基体组织的晶粒长大。4） 通过同素异形转变的多次反复快速加热冷却的热循环出来来细化晶粒。重要性：晶粒大小对金属的力学性能有很大的影响，在常温下，金属晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。(但对于在高温工作的金属材料，晶粒过于细小性能反而不好，一般希望得到适中的晶粒尺寸。)9.金属和合金的强化有哪些类型？固溶强化：融入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。沉淀强化：通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出并产

13、生强化的称为沉淀强化或时效强化。多属可变形粒子。弥散强化：第二相微粒是借粉末冶金方法加入而起强化作用的。属于不可变形粒子。形变强化、细晶强化10.为何金属不均匀变形后耐蚀性能降低？由于变形的不均匀分布使物体内产生附加应力，若变形后物体的温度较低不足以消除此附加应力时，则在物体内将存有残余应力，从而使物体的力学性能下降。同时，由于变形体内各处的变形不同，其再结晶后各处的晶粒大小也不同，各晶粒，组织之间存储的变形能量不均匀，导致腐蚀过程中各个位置的化学势不同，化学势梯度更有利于腐蚀的进行。金属构件通常在应力与环境介质的共同作用下使用，导致金属材料发生应力腐蚀断裂，它往往是低应力脆断，是一种“灾难性

14、的腐蚀”。11.在其它条件一定时，变形程度的变化对不均匀变形有何影响？在其他条件一定时，变形程度和金属的不均匀变形是正相关的。变形程度不同，金属塑性变形之后保留在金属内的变形功不同，由此导致金属内部的残余应力不同。残余应力可分为三类：第一类，宏观内应力，是由于金属工件或者材料各部分的不均匀变形所引起的；第二类，微观内应力，它是金属经冷塑性变形后，由于晶粒或者亚晶粒变形不均匀引起的；第三类，点阵畸变，塑性变形使金属内部产生大量的位错和空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，造成点阵畸变。其他条件一定的情况下，变形程度的增加会增加这三类残余应力的值，而它们又直接的影响到金属的不均匀变形的程度。1

15、2.残余应力的测定方法有哪些？如何减小或消除残余应力？(1).研究金属物体内残余应力的主要方法是机械法、化学法和X射线法。(1)机械法：在机械法中一般是将所研究的对象截取一段适当的长度，然后用车削、洗削、钻孔、膛孔等机械加工方法，来逐层地去除具体对称状残余应力的物件上的某些部分，由于平衡态的破坏，物体留下部分将产生一定的变形来适应，可以根据此变形数值计算出各个层的应力，然后做出某轴上残余应力的大小及分布。用此方法可测定棒材、管材等类物体内的残余应力,测得是第一类残余应力。 (2)化学法：化学法是定性研究残余应力的一种方法。此方法是将试样浸入到适当的溶液中,测量出自开始侵蚀到发现裂纹的经过时间,

16、按此经过的时间来判断残余应力的大小。(3)X射线法：在X射线法中可包括有劳埃法和德拜法。在劳埃法中可根据干扰斑点形状的变化来定性地确定残余应力。用德拜法可以定量地测出所存在的残余应力。该种方法可以测得三类应力。 (2).减小或消除残余应力的方法有：1).变形后进行热处理，例如工件的回火和退火处理属之。实践证明，第一种残余应力用低温回火方法就可以大为减少；第二残余应力在稍低于再结晶温度下可以完全消除；而第三种残余应力，只有经过再结晶使晶格完成恢复到原来的形状后才能消除。采用加热到一定温度的热处理方法，是彻底消除残余应力的唯一方法，但究竟采用哪种热处理方式，这要看实用的目的而定。2).变形后进行机

17、械处理，这种方法的实质是在物体表面上附加一些表面变形，使之产生附加应力以抵消原有的残余应力或者尽量减小其数值。显然，采用这种方法只有当物体表层存在有残余拉应力时才有效。因为根据以前所讲的附加应力产生的原因可知，用机械法会使物体表面产生压应力。事实上当表面层具有残余拉应力是更危险，所以这类方法还是有很大实际意义的。造成附加表面变形以减轻或者消除表面残余拉应力的具体方法有：利用滚桶使工件彼此相碰；用喷丸法打击工件表面；用木槌敲打表面；表面碾压；表面拉拔等。13. 影响金属塑性的因素有哪些？举例说明应力状态对金属塑性的影响？1) 化学成分的影响 同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。合金元素对变形抗力

18、的影响，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用特性、原子体积的大小以及合金原子在基体中的分布情况。合金元素引起基体点阵畸变程度愈大，变形抗力也越大。2) 组织的影响 1.相组成的影响 单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织塑性好。2.晶粒度 细晶组织比粗晶组织塑性好。3.铸造组织 粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故塑性低3) 变形温度的影响 总趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但这种增加并非简单的线性上升，低温、中温、高温脆性区4) 应变速率的影响 影响方式：1.使得金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的机理比较复杂，需要一定的时间来进行。而断裂抗力却变化不大，随着应变速率的

19、增加，金属就会较早的达到断裂阶段；2.因应变速率增加，没有足够时间回复或再结晶，因而软化过程不充分而使塑性降低；3.增加应变速率会使温度效应增大和金属温度升高，促进变形过程中位错的重新调整，有利于异号位错的合并和位错密度的降低；若为热变形，可促进回复和再结晶，促进微裂纹的修复。5) 应力状态的影响 应力状态对塑性起作用的是其应力球张量（静水压力张量）部分，它反映了质点三向均匀受压（或受拉）的程度。当质点三向均匀受压时，应力球张量为静水压力。当静水压力越大，也即在主应力状态下压应力个数越多、数值越大时，金属的塑性越好。在平占上拔长合金钢时，容易在毛坯心部产生裂纹，改用V形占后，由于工具侧面压力的

20、作用，减小了毛坯心部的拉应力，从而可以避免裂纹的产生。对于某些塑性差的有色合金用挤压方法进行成形仍不能避免开裂，可采用加反压力的挤压或包套挤压，进一步提高静水压力。6) 不连续变形的影响 在不连续变形（或多次分散变形）的情况下，金属的塑性亦能得到提高，特别是低塑性金属热变形时更为明显。7) 尺寸（体积）因素的影响 尺寸越大，塑性越低；但当变形体的尺寸（体积）达到某一临界值时，塑性将不再随体积的增大而降低。14.金属冷加工、热加工和温加工变形各有何优缺点？冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等。冷加工在使金属成形的同时，通过加工硬化提高了金属

21、的强度和硬度。金属冷加工的优点和限制：1.在强化金属的同时可以获得所需的形状；2. 可以获得很好的尺寸公差和表面粗糙度3. 便宜4. 有些金属只能进行有限程度的冷加工，因为它们在室温下表现为脆性5. 冷加工削弱了延展性、导电性和耐腐蚀性。但因冷加工而导致的导电性减小的程度小于其他强化 加工的影响，所以冷加工也被用来强化导电材料，如铜丝6. 如果各向异性的特性和残余应力控制得当的话，它们也会带来好处。如果控制不当，就会大大削弱材料性能7. 由于冷加工的效果会在高温下降低甚至消失，所以对于那些工作在高温环境下的部件来说，不适用冷加工强化热加工变形的优点：1) 金属热变形时，变形抗力低，能耗少。高温

22、时原子运动及热振动增强，扩散和溶解加速，临界切应力降低；滑移系统增多，变形更为协调；加工硬化因完全再结晶而被消除。2) 金属热变形时，塑性升高，产生断裂的倾向减小。由于完全再结晶使加工硬化消除，在断裂与愈合的过程中使愈合加速。3) 与冷加工相比较，热加工变形一般不易产生织构。在高温下发生滑移的系统较多，滑移面和滑移方向不断发生变化。4) 在生产过程中，不需要像冷加工那样的中间退火，从而可使生产工序简化，生产效率提高。5) 热加工变形可引起组织性能的变化，以满足对产品某些组织与性能的要求。热加工变形的不足：1) 对薄或细的轧件，由于散热较快，在生产中保持热加工的温度条件比较困难。因此，生产薄的或

23、细的金属材料一般仍采用冷加工方法。2) 热加工后轧件的表面不如冷加工生产的尺寸精确和光洁。因为热轧件表面生成氧化皮和冷却时有收缩。3) 热加工后产品的组织及性能不如冷加工时均匀。因为热加工结束时，各处的温度难以均匀一致，温度偏高处的晶粒尺寸要大一些。4) 从提高材料的强度来看，热加工不及冷加工，因为热加工时由于温度的作用使金属软化。温加工：一是改善金属材料的加工性能，二是改善产品的使用性能。应避开蓝脆区。温加工：介于两者之间，其变形抗力比冷加工低，因此能量消耗少，节约成本，而且随着温度的升高，可以使得不能冷加工的一些金属变形；它通过强烈的塑性变形和不断动态回复与再结晶（再结晶并非充分进行，晶粒

24、未完全长大）双重作用下，使材料晶粒得到细化15.铸态组织金属热加工变形后，其强度和塑性有何变化？热加工变形可认为是加工硬化和再结晶两个过程的相互重叠。在此过程中由于再结晶能充分进行和在变形时靠三向压应力状态等因素的作用，可以使金属产生如下的变化：（1）铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙、气泡等缺陷得到压密或焊合。金属在变形中由于加工硬化所造成的不致密现象，也随着再结晶的进行而恢复，塑性得到提升。（2）在热加工变形中可使晶粒细化和夹杂物破碎，有更多障碍阻碍位错运动，强度提高。（3）形成纤维组织也是热加工变形的一个重要特征。铸态金属在热加工变形中形成的纤维组织与金属在冷加工变形中由于晶粒被拉长所形成

25、的纤维组织不同。前者是由于铸态组织中晶界上的非溶物质的拉长所造成。由于纤维组织的出现，使变形金属在纵向和横向具有不同的力学性能。在流线方向的强度和塑性都提高。在生产实际中为利用纤维组织使金属具有方向性这一特点，可设法使纤维组织所形成的流线在工件内有更为适宜的分布。（4）金属在热变形过程中产生带状组织 复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度 ，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。5)形成网状组织 ，对强度和塑性都减弱。16.在冷加工和热加工变形过程中，形成的纤维组织有何不同？如何消除？热

26、变形中形成纤维组织与冷加工变形中由于晶粒被拉长而形成的纤维组织不同。前者是由于金属铸态结晶时所产生的枝晶偏析，在热变形中保留下来，并随着变形而延伸形成的“纤维”。由晶粒伸长而形成的纤维组织可用退火消除，但夹杂物或碳化物集聚区因变形伸长而成的带状组织，虽经过高温退火也常常不能完全消除。在热加工过程中，铸态金属的粗大枝晶偏析、非金属夹杂物及第二相 都将随组织变形方向伸长，在宏观试样上呈现一条条细线，叫做纤维组织。热加工中的纤维组织一般只能在变形时通过不断地改变变形的方向来避免，很难用退火的方法去消除。当夹杂物（或晶间夹杂层）数量不多时，可用长时高温退火的方法，依靠成分的均匀化和组织不均匀处的消失来

27、去除。在个别情况下，当这些晶间夹杂物能溶解或凝聚时，纤维组织也可以被消除。显著的纤维组织也能引起分层，使变形金属得到层状或板状的断口，消除的方法是铸造时细化晶粒。17.冷变形过程中形成的亚晶和热变形过程中形成的亚晶有何区别？冷变形过程中的亚晶是指金属冷变形后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域，这些小区域的边界上存有大量位错组成的位错缠结。而这些区域的内部位错密度很低，晶格的畸变很小。变形量越大，晶块的尺寸越小。其形成的原因可认为是变形发展的不均匀和复杂滑移以及孪生变形等的交互作用，而使晶粒逐渐被分割成许多不同方块的晶块。热变形过程中的亚晶是指随着回复过程的进一步发展，胞壁中的位错逐渐形成低能

28、态的位错网络，胞壁变得比较清晰而成为亚晶界，接着这些亚晶界通过迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度则进一步下降。回复温度越低，变形度越大，则回复后的亚晶粒尺寸越小。18.动态软化机制和静态软化机制的有何区别？静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶是热变形终止后，利用余热进行的回复和再结晶。动态回复和动态再结晶是指在形变过程中和形变同时发生的回复和再结晶。当塑性变形量小时，随着变形量增加，流变应力逐渐增大，直到达到最大值。位错密度不断增加，造成了材料的加工硬化。但变形是在高温下进行，加工硬化加剧的同时，变形中所产生的位错能够在加工过程中通过交滑移和攀移运动，使部分位错消失，当位错重新排列发展到一定程度时，形成了清晰的亚晶界。结构上的这些变化都使得材料软化，由于这是在热加工过程中发生的，故称为动态软化。这种动态软化是回复产生的，所以它是一种动态回复。动态回复是金属在热变形中发生的一种软化过程。动态回复是通过位错的攀移、交滑移和位错从结点的脱钉来实现。亚晶的出现标志着已经发生动态回复。动态再结晶也是金属在热变形中发生的一种软化过程，其软化作用远大于动态回复。动态再结晶是通过动态再结晶的晶核形成及其长大来完成的。动态再结晶的晶粒是由具有低位错密度的再结