复习资料第5章金属塑性变形的物理基础

复习资料：第5章金属塑性变形的物理基础1.简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。答：滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。2.试分析多晶体塑性变形的特点。答：①多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。②多晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。③多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。④多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。3.晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。4.合金的塑性变形有何特点？答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用，多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显著的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。5.冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。6.什么是加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。7.什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。对于层错能高的金属，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。8.什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？答：在热塑性变形过程中，层错能低的金属在变形量很大时，当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变，称为动态再结晶。影响动态再结晶的主要因素有：金属的层错能高低，晶界迁移的难易程度有关。9.什么是扩散性蠕变？它的作用机理是什么？答：扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。它的作用机理是在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。10.钢锭经热加工变形后的组织和性能发生什么变化？答：组织和性能发生什么变化：①改善晶粒组织②锻合内部缺陷③形成纤维状组织④．改善碳化物和夹杂物分布⑤改善偏析。11.杂质元素和合金元素对钢的塑性有何影响？答：杂质元素，如P、S、N、H、O等，合金元素Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。对金属塑性的影响主要表现为:①碳碳对碳钢性能的影响最大。碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。②磷磷是钢中的有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。。此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。③硫硫是钢中的有害物质，主要与铁形成FeS，FeS与铁形成易熔共晶体Fe-FeS，产生“热脆”现象。④氮氮在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。在300ｏC左右加工，会出现所谓的“蓝脆”现象。⑤氢、氧氧在钢中溶解度很小，主要以Fe3O4、Al2O3和SiO2等夹杂物出现，降低钢的塑性；Fe3O4还与FeS形成易熔共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”。⑥锰作用之一是显著提高铁素体强度；作用之二是脱硫，锰与硫化合生成MnS，以消除FeS的热脆现象。⑦锡、铋、铅、锑、砷这几种低熔点合金元素在钢中的溶解度很低，它们在钢中以纯金属相存在于晶界，易造成钢的热脆性。⑧稀土元素钢中加入少量稀土元素可以改善钢的塑性，但加入过量的稀土元素会在晶界处析出，反而会降低塑性。12.组织状态、变形温度应变速率对金属塑性有何影响？答：组织状态状态对金属塑性的影响：当金属材料的化学成分一定时，组织状态的不同，对金属的塑性有很大影响。⑴晶格类型的影响，面心立方（滑移系12个）的金属塑性最好；体心立方晶格（滑移系12个）塑性次之，密排六方晶格的金属塑性更差。⑵晶粒度的影响，晶粒度越小，塑性越高，晶粒度均匀的塑性好，晶粒大小相差悬殊的多晶体，各晶粒间的变形难易程度不同，造成变形和应力分布不均匀，所以塑性降低。⑶相组成的影响，当合金元素以单相固溶体形式存在时，金属的塑性较高；当合金元素以过剩相存在时，塑性较低。⑷铸造组成的影响，铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。变形温度对金属塑性的影响：对大多少金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。但是这种增加并不是线性的，在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。（蓝脆区和热脆区）应变速率对金属塑性的影响：应变速率可以理解成变形速度，提高应变速率，没有足够的时间进行回复或再结晶，对金属的软化过程不能充分体现，使金属塑性降低。但提高应变速率，在一定程度上使金属温度升高，温度效应增加，温度的升高可以促使变形过程中的位错重新调整，有利于金属塑性提高；提高应变速率可以降低摩擦因数，从而降低金属的的流动阻力，改善金属的充填性。而且，在非常高的应变速率下（如爆炸成形）对塑性较差的难成形金属的塑性加工是有利的。13.化学成分、组织状态、变形温度、变形程度对变形抗力有何影响？答：化学成分：对于纯金属，纯度越高，变形抗力越小。对于合金，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用的特性、合金原子在基体原子中的分布等有关。合金元素引起基体点阵畸变程度越大，金属的变形抗力也越大。组织状态：退火状态下，金属和合金的变形抗力会大大降低。组织结构的变化，例如发生相变时，变形抗力也发生变化。一般地说，硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布时，合金的变形抗力就高；且第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力就越大。金属和合金的晶粒越细，同一体积内的晶界越多，在室温下由于晶界强度高于晶内，所以变形抗力就高。变形温度：变形抗力一般都随温度的升高而降低。变形程度：变形程度的增加，只要回复和再结晶过程来不及进行，必然会产生加工硬化，使继续变形发生困难，因而变形抗力增加。但当变形程度较高时，随着变形程度的进一步增加，变形抗力的增加变得比较缓慢，因为这时晶格畸变能增加，促进了回复与再结晶过程的进行，以及变形热效应的作用加强。14.应力状态对金属的塑性和变形抗力有何影响？答：塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越高；拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力阻止或减小晶间变形；另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏发展，扩大。变形抗力：变形抗力：金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示应力状态不同，变形抗力不同。如挤压时金属处于三向压应力状态，拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态。挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大。15.什么是金属的超塑性？超塑性变形有什么特征？答：在一些特定条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等，金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超常的塑性变形。超塑性效应表现为以下几个特点：大伸长率、无缩颈、低流动应力、对应变速率的敏感性、易成形。16.解释超塑性变形的机理。答：超塑性变形行为是很复杂的，变形机理也还处在研究探索之中。目前有这样几种解释：①晶界滑移的作用；②扩散蠕变的作用；③动态回复和动态再结晶的作用。17、解释下列概念最小阻力定律；附加应力；残余应力；干摩擦；边界摩擦；流体摩擦。答：最小阻力定律：当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动。附加应力：由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。残余应力：引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。干摩擦：接触表面没有其他外来介质，仅是金属与金属之间的摩擦，但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的，通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。边界摩擦：接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，在压平部分与模具之间存在一层厚度为0.1μm润滑膜，一般为单分子膜，这种单分子膜润滑状态称为边界摩擦。大部分塑性成形摩擦为边界摩擦。流体摩擦：当坯料与工具表面之间的润滑剂层较厚，两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦。18、残余应力有哪几类？它会产生什么后果？如何产生、消除？答：残余应力：引起附加应力的外因去处后，在物体内仍残存的应力叫残余应力，残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。残余应力分为三类：第一类残余应力存在与变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。残余应力引起的后果：⑴具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应力分布及内部应力分布更不均匀。⑵缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，会使零件破坏，设备出现故障。⑶使在制品的尺寸和形状发生变化。当残余应力的平衡受到破坏时，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状的变化。⑷增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。⑸降低制品表面耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。残余应力的消除方法：热处理法，机械处理方法19、塑性成形中的摩擦有何特点？举例分析其利弊？答：塑性成形中的摩擦有如下的特点：①接触面单位压力高②伴随着塑性变形③在高温下进行利：模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。弊：改变应力状态，