金属塑性加工

金属塑性加工理论题编1.金属晶体的三种基本类型是什么？在晶格中分别有哪种间隙位置？答：（1）体心立方晶体（bcc）；（2）面心立方晶格（fcc）；(3)密排六方（hcp）。(4)四面间隙和八面间隙2.晶体与非晶体的区别？晶体最大的特点是什么？答：（1）在晶体中，原子长程有序排列，而非晶体的原子散乱排列，短程有序；（2）晶体有一定的熔点，而非晶体没有；（3）晶体的性能具有各向异性，有规则的几何形状，非晶体具有各向同性，形状不规则。3.根据在常温、静载荷下，材料被拉断前的塑性变形的大小，将材料分成哪两类?答：塑性材料和脆性材料。塑性材料：断裂前发生较大塑性变形的材料，如低碳钢等；脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁等。4.什么叫单晶体？什么是晶界，小角度晶界，大角度晶界？单晶体：晶体内部晶格位置完全一致的晶体。晶界：在金属多晶体中，晶粒之间存在着界面，简称晶界。晶界的结构和性能取决于相邻晶粒位相差的大小，位相差小于15˚的称为小晶界，反之称为大晶界。5.什么是晶界缺陷？有哪几类？什么是晶格畸变？它分为哪几种？晶体缺陷：实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷，按几何形态分为：（1）点缺陷：常见的有三种：空位、间隙原子、置换原子；（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界面等。晶格畸变：晶体原子偏离平衡位置产生晶格畸变。偏离越大则畸变越严重。可分为静畸变和动畸变两种。6.什么是结晶？金属从液态经冷却转变为固态的过程即原子由排列不规则的液态转变为规则排列的晶体态的过程，就是结晶。7.什么是结晶的过冷现象？什么是过冷度？过冷现象：金属实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷是结晶的必要条件。过冷度：ΔT-=T0-Tn，过冷度在不同的冷却条件下不一致，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。8.怎样控制金属结晶后晶粒的大小？（1）增加过冷度；（2）变质处理--又叫孕育处理，在液态金属结晶前加入变质剂，促进形核，抑制长大。如在钢中加入钛、铝等；（3）护甲振动或搅动--促进形核，打碎正在长大的树枝晶，碎晶块成为新的晶核，从而细化铸态组织。如机械振动，超声波振动等。9.结晶的普遍规律是什么？结晶的速度取决于什么？金属结晶的热力学条件是什么？结晶的过程就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。结晶的速度取决于形核率和长大速度。热力学条件：固态自由能必须低于液态自由能。只有过冷条件成立满足这一条件。10.固态扩散的本质、条件、分类是什么？固态扩散是原子了激活的过程。条件：A.温度足够高B.时间足够长C.扩散原子要固溶D.扩散要有推动力分类：互扩散：伴有浓度变化的扩散，又称“异扩散”或“化学扩散”；自扩散：没有浓度变化的扩散，只发生在纯金属或均匀固溶体中。11.扩散机理有哪几种？影响扩散的因素有哪些？扩散机理：间隙扩散机理、空位扩散机理、换位扩散机理、位错扩散机理、晶界扩散机理、表面扩散机理。影响因素：扩散温度、基体金属的性质、扩散元素的性质、扩散元素的浓度、合金元素、晶格类型、固溶体类型、晶体缺陷、磁性转变等。12.组织的类型有哪些？组织与性能的关系？组织的类型：（1）魏氏组织：当变形开始和终了的温度都在β相区，变形量不大时，或加热到β相区而较缓冷却，都可以得到魏氏组织。其特征是具有粗大等轴的原始β晶粒，在β晶界上有较完整的α网，原始β晶内有长条α，α条间夹杂β。（2）网篮组织：钛合金在α+β/β相变点附近变形，或在β相区开始变形，但在α+β两相区终止变形，变形量50-70%，使原始β晶粒及晶界α被破碎，冷却后α丛的尺寸减小，α条变短且各丛交错排列，犹如编织的网篮的形状，称网篮组织；（3）等轴组织：钛合金的变形加工全部在α+β或α相区进行时，一般可获得的细晶粒组织。组织与性能：A.不同类的组织对抗拉强度影响不大，主要差异表现在塑性和韧性，其中等轴组织的塑性和韧性最好，魏氏组织最差，网篮组织次之。B.断裂韧性：魏氏组织的断裂韧性高，裂纹扩展淑女小，等轴α组织的断裂韧性低，裂纹扩展率大，网篮组织介之。13、α稳定元素主要有哪些？对钛的组织训练有何影响？在钛及钛合金的作用是什么？α稳定元素主要：铝、镓、锗及氧、碳、氮、硼等。影响：（1）能使α+β/β的相变点提高。过量的铝和镓会在使用温度下生成以TiM为基的α有序相；存在亚稳定β中的铝可以促进ω相转往α相。（2）提高钛的室温基高温抗拉强度，对高温塑性影响不大。在钛合金中加入铝。，通过与高熔点精华洗车中间合金防止难熔金属夹杂，使铸锭成分均匀。作用：铝和镓均与α钛β钛洗车替代式固溶体，主要起固溶强化作用。上述非金属元素对钛及钛合金有不良影响。14.β稳定元素主要有哪些？对钛的组织训练有何影响？在钛及钛合金的作用是什么？β点稳定元素主要有：同晶形：钼、钒、钽、铌，共析型：铁、铜。钴、镍、钨等。影响：β稳定元素不同程度地降低α+β/β的相变点，降低钛的马氏体转变开始温度（Ms）。随着β稳定元素的逐渐增加，可使钛的Ms点降低至室温，当合金由β相区快速冷却至室温时，可使高温β相保留至室温，此时合金元素的含量为临界浓度，临界浓度是衡量合金元素对稳定β相的能力的一种指标。稳定β元素更多地溶于钛中，使β钛的晶格参数减小。稳定β元素均能使纯钛的室温拉伸强度升高，同时降低伸长率等塑性指标。提高β稳定元素含量可使合金保留更多的β相，可减少氢脆的敏感性。在两相合金中，提高稳β定元素含量可以提高合金的淬透性。钼可提高钛合金的热盐应力和腐蚀抗力，钴和铌等可以提高钛合金在还原介质中的耐蚀性。作用：（1）β稳定元素主要起固溶强化和β相的作用。当β稳定元素超过一定数量时，合金具有热处理强化效应。（2）在α合金中加入少量的稳定元素形成近似α合金。该合金具有微弱的热处理强化效应，快共析元素还可以通过化合物的沉淀提高合金的室温和高温性能。（3）在α+β合金中，提高β元素的含量可提高合金的淬透性；在β合金中，β稳定元素是主要成分，它将相保留下来，又起固溶强化的作用。15.中性元素主要有哪些？在钛及钛合金的作用是什么？中性元素有：锆和锡。影响：A.对热处理和组织的影响：锆可降低α+β/β转变点，但在含量低于10%时对相变点的影响很小；含量大于10%时，每增加1%的含量可使α+β/β转变点降低4-10℃。锡也可以减低α+β/β钛的相变点。锆降低钛的Ms点，锡能提高钛的开始再结晶温度，但对Ms点影响不大。锆和锡均能通过提高稳定β相的作用，减小ω相的体积百分数。B.对性能的影响：锆和锡均能使纯钛的室温抗拉强度升高，塑性下降，两者还能提高钛的高温性能和电阻率。其在钛及钛合金中起固溶强化作用。锆和锡在钛合金与铝一起起稳定α相的作用，在α和α+β合金中，锆还可以提高室温及高温抗拉强度和耐热性能。16.什么是位错？答：位错：就是在一个晶体中相邻晶面内的原子排列发生错排，这种局部原子的错排称为位错。可以分为刃型位错和螺型位错。17.什么是金属塑性？答：塑性：金属在外力作用下，能稳定地、永久变形而不破坏其完整性的能力，能力越大则塑性越好。特点：金属（物体）的塑性并非是固定不变的，它会受到本身的晶格类型。三主要影响因素：1.组织结构，2.变形温度、速度；3.受力状态18.影响金属塑性的内部因素有哪些？影响金属塑性的内部因素有：化学成分、组织结构。一、化学成分：1、杂质元素：一般金属的塑性随纯度的降低而下降，要特别注意使金属能产生脆化现象的杂质。2、合金元素的作用A加入后使合金在加工温度范围内形成单相固溶体（特别是面心结构）时，则有较好的塑性。B加入数量、组成不当，而形成过剩相，特别是形成金属晶粒间的化合物或金属氧化物等脆性相，则会明显降低合金的塑性。C在加工温度范围内有两相共存，会使塑性下降。二、组织结构对塑性的影响1、基体金属的晶格类型：面心提薪六方。（滑移系越多、塑性越好。）2、晶粒大小：细晶粒粗晶粒。原因：1）晶粒越细，在同一体积内的晶粒数目越多，变形时位向有利于滑移的晶粒也越多。2）变形分散于较多晶粒，变形更加均匀，应力集中较小，从而使金属能够承受较大的塑性变形而不至于破坏。3、单相和多相组织单相系比两相系、多相系塑性高，固溶体比化合物塑性高。原因：单相系为一个相，各部分形状、大小、力学性能基本一致。且没有晶间夹杂物，共晶体和脆性物质，塑性变形比较均匀，而多相系则不同（相反）塑性下降。4.铸造组织：铸造组织具有粗大的柱状晶粒，有害杂质的偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因此铸锭的塑性降低。19.影响金属塑性的外部因素有哪些？一、变形温度：温度升高金属的塑性提高。原因：（1）发生了回复和再结晶（2）产生了晶界和亚晶界（3）滑移系增加，温度升高有可能出现新的滑移系。（4）金属的组织结构发生变化：温度升高，金属可能由多相组织变为单相组织，或有滑移系个数少的晶格变为滑移系个数较多晶格，使塑性提高。例如P99（5）温度升高，晶界强度下降，使得晶界滑移容易进行。塑性随温度的变化不是直线关系，会形成低中高温脆性。1．低温脆性：在低温发生塑性变形时容易产生脆性断裂的现象。原因晶界的某些组织组成随温度的降低而脆化。2．中温脆性：温度升高、塑性提高，当温度升到某一区间时，金属塑性明显下降的现象。3．高温脆性：三个脆性区对于具体的金属及合金，可能有一个或两个脆性区。出现几个脆性区和塑性较高区，视温度变化，金属内部结构和组织变化而定。二、变形速度一般趋势：当变形速度不大时，随速度增加，而塑性下降。而变形速度较大时，随变形速度增加，塑性增加。A.变形速度增加，在下述情况下会降低金属的塑性：1）热效应但加工硬化的速度仍大于软化过程的速度。2）热效应温度升高，进入到脆性区。B.变形速度增加，在下述情况下会提高金属的塑性1）软化作用比加工硬化过程进行的快2）热效应温度升高，从脆性区转变为高塑性区C、应力状态：压应力个数越多，数值越大，即静水压力越大，金属的塑性越高。三向压应力两压一拉两拉一压三向拉（静水压力）。三、变形状态压缩变形有利于塑性的发挥，而延伸变形则不利于塑性的发挥，所以主应力中压缩分量越多，对于塑性发挥最为有利。两缩一伸一缩一伸一缩两伸四、变形程度热变形中，变形程度对塑性影响不大；冷变形中，随变形程度增加，塑性降低。五．其它1）不连续变形2）尺寸因素：尺寸大，塑性降低。但当变形体积超过临界值，体积对塑性的影响小。3）周围介质：金属表面层形成脆性相，使金属表层腐蚀，因而塑性变差；金属表面形成吸附润滑层，在加工起润滑作用，使其塑性提高。20.据图分析拉伸断裂的阶段。一、金属变形过程（四个阶段）低碳钢拉伸应力应变曲线，从开始变形到断裂分为四个阶段。1.弹性变形阶段（OA段）op段为应力应变线性关系，p点为比例极限。pe段为非线性关系但仍处于弹性阶段，e点对应弹性极限，e表示。弹性变形：原子间距变大或变小，如图2-2。去除外力回到平衡位置，变形消失。2.屈服阶段（AB下段）当应力超过e达到s（c点），在应力应变曲线上出现一个小平台，即试样在应力不增加的情况下，仍能继续产生明显变形。这种失去抵抗变形能力的现象称为屈服，s屈服极限。此时去除外力，大部分变形消失，而部分变形被保留下来，产生了永久性的变形，这种不随外力去除而消失的变形为塑性变形，s标志着金属由弹性变形转向塑性变形，并意味着塑性变形的开始。3.塑性变形阶段（B下CD段）1）屈服阶段过后，试样恢复抵抗变形的能力，要使其继续变形则要增加外力，应力应变如cbk段。在b点以前试样处于均匀塑性变形，b点以后试样就会出现局部断面缩小的现象，称为颈缩。继续拉伸时，变形便集中在颈缩区域。由于颈缩部分断面减小，曲线中应变力下降，直到断裂。b是金属断裂前所能承受的最大应力，称为强度极限。2）金属产生塑性变形的原因：能使金属产生塑性变形只有切应力。切应力增大原子间距增大，直至打破平衡，原子产生相对移动，达到新的平衡位置，此时去除外力，原子不会恢复到原始位置，即金属产生了塑性变形。4.断裂试样受力达到k点，试样发生整体性破坏，变形过程全部结束。21.什么是变形抗