第七章 金屬塑性變形

一 、名詞解釋

固溶強(qiáng)化：固溶體中的溶質(zhì)原子溶入基體金屬后使合金變形抗力提高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線升高，塑性下降的現(xiàn)象；

應(yīng)變時(shí)效：具有屈服現(xiàn)象的金屬材料在受到拉伸等變形發(fā)生屈服后，在室溫停留或低溫加熱后重新拉伸又出現(xiàn)屈服效應(yīng)的情況；

孿生：金屬塑性變形的重要方式。晶體在切應(yīng)力作用下一部分晶體沿著一定的晶面（孿晶面）和一定的晶向（孿生方向）相對(duì)于另外一部分晶體作均勻的切變，使相鄰兩部分的晶體取向不同，以孿晶面為對(duì)稱面形成鏡像對(duì)稱，孿晶面的兩邊的晶體部分稱為孿晶。形成孿晶的過(guò)程稱為孿生；

臨界分切應(yīng)力：金屬晶體在變形中受到外力使某個(gè)滑移系啟動(dòng)發(fā)生滑移的最小分切應(yīng)力；

變形織構(gòu)：多晶體中位向不同的晶粒經(jīng)過(guò)塑性變形后晶粒取向變成大體一致，形成晶粒的擇優(yōu)取向，擇優(yōu)取向后的晶體結(jié)構(gòu)稱為變形織構(gòu)，織構(gòu)在變形中產(chǎn)生，稱為變形織構(gòu)。

二 問(wèn)答

1 單相合金的冷塑性變形與純金屬的室溫塑性變形相比，有何特點(diǎn)。

答：純金屬變形主要借助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滑移和孿生完成塑性變形，開(kāi)動(dòng)滑移系需要臨界切應(yīng)力，晶體中還會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)；單相合金的基本變形過(guò)程與純金屬的基本過(guò)程是一樣的，但會(huì)出現(xiàn)固溶強(qiáng)化，開(kāi)動(dòng)滑移系需要臨界切應(yīng)力較大，還有屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。

2 金屬晶體塑性變形時(shí)，滑移和孿生有何主要區(qū)別？

答：滑移時(shí)原子移動(dòng)的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍，孿生時(shí)原子移動(dòng)的距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍；滑移時(shí)滑移面兩邊晶體的位向不變，而孿生時(shí)孿生面兩邊的晶體位向不同，以孿晶面形成鏡像對(duì)稱；滑移時(shí)需要的臨界分切應(yīng)力小，孿生開(kāi)始需要的臨界分切應(yīng)力很大，孿生開(kāi)始后繼續(xù)切變時(shí)需要的切應(yīng)力小，故孿生一般在滑移難于進(jìn)行時(shí)發(fā)生。

3 A-B二元系中，A晶體結(jié)構(gòu)是bcc，形成α固溶體，B晶體結(jié)構(gòu)是fcc，形成β固溶體，A與B形成h相，其晶體結(jié)構(gòu)是hcp：

1） 指出a，b，h三個(gè)相的常見(jiàn)滑移系；

2） 繪出它們單晶變形時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖，試解釋典型低層錯(cuò)能面心立方單晶體的加工硬化曲線，并比較與多晶體加工硬化曲線的差別。

答：1）α的滑移系為{110}<111>，b相的常見(jiàn)滑移系為{111}<110>，h相的常見(jiàn)滑移系為（0001）<11

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0>。

2）它們單晶變形時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖如圖。

典型的面心立方單晶體的加工硬化曲線可以分為三個(gè)階段。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到晶體的臨界分切應(yīng)力時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線，稱為易滑移階段，此時(shí)加工硬化率很小，滑移線細(xì)長(zhǎng)，分布均勻；隨后加工硬化率顯著增加，稱為線性硬化階段，滑移系在幾組相交的滑移系上發(fā)生，位錯(cuò)彼此交截，滑移線較短；第三階段稱為拋物線硬化階段，加工硬化隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p少，出現(xiàn)許多碎斷滑移帶，滑移帶端部出現(xiàn)交滑移痕跡。

多晶體加工硬化曲線一般不出現(xiàn)易滑移的第一階段，而加工硬化率明顯高于單晶體。

4 簡(jiǎn)述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構(gòu)的成因及對(duì)金屬材料性能的影響。

答：冷加工纖維組織是純金屬和單相合金在冷塑性變形時(shí)和變形度很大的條件下，各晶粒伸長(zhǎng)成纖維狀；帶狀組織是復(fù)相合金在冷塑性變形和變形度大的條件下第二相被破碎或伸長(zhǎng)，沿變形方向成帶狀分布而形成的；變形織構(gòu)是金屬和合金在在冷塑性變形時(shí)晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向而形成的。

上述冷加工纖維組織、帶狀組織和變形織構(gòu)都使材料的性能具有方向性，即在各個(gè)方向上的性能不均，對(duì)使用性能有不良影響，但少數(shù)金屬材料，如用作變壓器的硅鋼片，各向異性能更好滿足使用要求。

5 為什么金屬材料經(jīng)熱加工后機(jī)械性能較鑄造態(tài)好。

答：金屬材料經(jīng)熱加工后機(jī)械性能較鑄造態(tài)好的主要原因是熱加工時(shí)的高溫、大變形量使氣泡、疏松和微裂紋得到機(jī)械焊合，提高了材料的致密性，消除了鑄造缺陷，同時(shí)改善夾雜物和脆性相的形態(tài)、大小和分布，使枝晶偏析 程度減弱，合金成分均勻性提高，熱加工中形成合理的加工流線，熱加工還可使金屬顯微組織細(xì)化，這些都可以提高金屬材料的性能。

6 何為加工硬化？列出產(chǎn)生加工硬化的各種可能機(jī)制。（不必說(shuō)明），加工硬化現(xiàn)象在工業(yè)上有哪些作用？

答：金屬材料經(jīng)冷加工后，強(qiáng)度增加，硬度增加，塑性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。產(chǎn)生加工硬化的各種可能機(jī)制有滑移面上平行位錯(cuò)間的交互作用的平行位錯(cuò)硬化理論，以及滑移面上位錯(cuò)與別的滑移面上位錯(cuò)林切割產(chǎn)生割階的林位錯(cuò)強(qiáng)化理論。

加工硬化在實(shí)際生產(chǎn)中用來(lái)控制和改變金屬材料的性能，特別是對(duì)不能熱處理強(qiáng)化的合金和純金屬尤為重要，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的合金，加工硬化可以進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度；加工硬化是實(shí)現(xiàn)某些工件和半成品加工成型的主要因素；加工硬化也會(huì)帶來(lái)塑性降低，使變形困難的影響，還會(huì)使材料在使用過(guò)程中尺寸不穩(wěn)定，易變形，降低材料耐蝕性。

7 鋁單晶體拉伸時(shí)，其力軸為[001]，一個(gè)滑移系的臨界分切應(yīng)力為0.79MN/m2，取向因子COSfCOSl=0.41,試問(wèn)有幾個(gè)滑移系可同時(shí)產(chǎn)生滑移？開(kāi)動(dòng)其中一個(gè)滑移系至少要施加多大的拉應(yīng)力？

答：可有8個(gè)滑移系同時(shí)產(chǎn)生滑移（可以通過(guò)計(jì)算fcc的滑移系與[001]方向的夾角得到此結(jié)果）。開(kāi)動(dòng)其中一個(gè)滑移系至少要施加的拉應(yīng)力為

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9 簡(jiǎn)要說(shuō)明第二相在冷塑性變形過(guò)程中的作用。

答：第二相在冷塑性變形過(guò)程中的作用一般是提高合金強(qiáng)度，但還取決于第二相的種類數(shù)量顆粒大小形狀分布特點(diǎn)及與基體結(jié)合界面結(jié)構(gòu)等，對(duì)塑性變形影響復(fù)雜。第二相強(qiáng)度高于基體但有一定塑性，其尺寸、含量與基體基本接近，則合金塑性是兩相的變形能力平均值。第二相硬、脆，合金變形只在基體中進(jìn)行，第二相基本不變形；第二相均勻、彌散分布在固溶體基體上，可以對(duì)合金產(chǎn)生顯著強(qiáng)化作用。

10 討論織構(gòu)的利弊及控制方法。

答：織構(gòu)由晶粒擇優(yōu)取向形成，變形織構(gòu)對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)形成有主要影響，織構(gòu)造成材料性能各向異性。各向異性在不同情況需要避免或利用?？棙?gòu)控制可以通過(guò)控制合金元素的種類和含量、雜質(zhì)含量、變形工藝（如變向軋制）和退火工藝等多種因素的配合。

11 敘述金屬和合金在冷塑性變形過(guò)程中發(fā)生的組織性能的變化。

答：金屬和合金在冷塑性變形過(guò)程中發(fā)生的組織性能的變化主要有晶粒被拉長(zhǎng)，形成纖維組織，冷變形程度很高時(shí)，位錯(cuò)密度增高，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀組織，發(fā)生加工硬化，，變形金屬中出現(xiàn)殘余應(yīng)力，金屬在單向塑性變形時(shí)出現(xiàn)變形織構(gòu)。

12 圖7－1所示低碳鋼的三條拉伸曲線，1－塑性變形；2－去載后立即再行加載；3－去載后時(shí)效再加載。試回答下列問(wèn)題：

1） 解釋圖示曲線2無(wú)屈服現(xiàn)象和曲線3的屈服現(xiàn)象。

2） 屈服現(xiàn)象對(duì)金屬變形制件表面質(zhì)量有何影響，如何改善表面質(zhì)量。

答： 1）屈服現(xiàn)象是由溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生氣團(tuán)產(chǎn)生的，在外力作用下使位錯(cuò)掙脫溶質(zhì)原子的釘扎，材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，曲線2在位錯(cuò)脫離釘扎后溶質(zhì)原子來(lái)不及重新聚集形成氣團(tuán)，故無(wú)屈服現(xiàn)象；曲線3在出現(xiàn)屈服后時(shí)效再加載，溶質(zhì)原子可以重新聚集形成氣團(tuán)，故又出現(xiàn)屈服現(xiàn)象；

2）屈服現(xiàn)象使金屬材料在拉伸和深沖過(guò)程中變形不均勻，造成工件表面不平整?？梢酝ㄟ^(guò)加入與溶質(zhì)原子形成穩(wěn)定化合物的其它元素，減少間隙溶質(zhì)原子含量，減少氣團(tuán)，消除或減輕屈服現(xiàn)象，或在深沖之前進(jìn)行比屈服伸長(zhǎng)范圍稍大的預(yù)變形，使位錯(cuò)掙脫氣團(tuán)的釘扎，然后盡快深沖。

13 退火純Fe，其晶粒尺寸d=1/4mm時(shí)，其屈服點(diǎn)ss=100MNm-2；d=1/64mm時(shí)ss=250MNm-2。d=1/16mm時(shí)，根據(jù)霍爾—配奇公式求其ss為多少？

答：根據(jù)霍爾—配奇公式：

，則按照題意有：

和

，可以解得s0＝50，k＝25，故可求得當(dāng)d=1/16mm時(shí)，根據(jù)霍爾—配奇公式求得ss＝50＋25×

＝150 MNm-2。