金屬學(xué)與熱處理課后習(xí)題答案第六章

1、第六章 金屬及合金的塑性變形和斷裂6-1 鋅單晶體試樣截面積A=78.5mm2，經(jīng)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：屈服載荷/N620252184148174273525角（°）8372.56248.530.51765角（°）25.52638466374.882.5k（Mpa）0.870.870.870.870.890.90.87coscos0.110.270.370.460.40.260.13s（Mpa）7.903.212.341.892.223.486.691） 根據(jù)以上數(shù)據(jù)求出臨界分切應(yīng)力k并填入上表2） 求出屈服載荷下的取向因子，作出取向因子和屈服應(yīng)力的關(guān)系曲線，說(shuō)明取

2、向因子對(duì)屈服應(yīng)力的影響。答：1） 需臨界臨界分切應(yīng)力的計(jì)算公式：k=s coscos，s為屈服強(qiáng)度=屈服載荷/截面積需要注意的是：在拉伸試驗(yàn)時(shí)，滑移面受大小相等，方向相反的一對(duì)軸向力的作用。當(dāng)載荷與法線夾角為鈍角時(shí)，則按的補(bǔ)角做余弦計(jì)算。2） coscos稱(chēng)作取向因子，由表中s和coscos的數(shù)值可以看出，隨著取向因子的增大，屈服應(yīng)力逐漸減小。coscos的最大值是、均為45度時(shí)，數(shù)值為0.5，此時(shí)s為最小值，金屬最易發(fā)生滑移，這種取向稱(chēng)為軟取向。當(dāng)外力與滑移面平行（=90°）或垂直（=90°）時(shí)，coscos為0，則無(wú)論k數(shù)值如何，s均為無(wú)窮大，表示晶體在此情況下根本無(wú)法

3、滑移，這種取向稱(chēng)為硬取向。6-2 畫(huà)出銅晶體的一個(gè)晶胞，在晶胞上指出：1）發(fā)生滑移的一個(gè)滑移面2）在這一晶面上發(fā)生滑移的一個(gè)方向3）滑移面上的原子密度與001等其他晶面相比有何差別4）沿滑移方向的原子間距與其他方向有何差別。答：解答此題首先要知道銅在室溫時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方。1） 發(fā)生滑移的滑移面通常是晶體的密排面，也就是原子密度最大的晶面。在面心立方晶格中的密排面是111晶面。2） 發(fā)生滑移的滑移方向通常是晶體的密排方向，也就是原子密度最大的晶向，在111晶面中的密排方向<110>晶向。3） 111晶面的原子密度為原子密度最大的晶面，其值為2.3/a2，001晶面的原子密度為1

4、.5/a24） 滑移方向通常是晶體的密排方向，也就是原子密度高于其他晶向，原子排列緊密，原子間距小于其他晶向，其值為1.414/a。6-3 假定有一銅單晶體，其表面恰好平行于晶體的（001）晶面，若在001晶向施加應(yīng)力，使該晶體在所有可能的滑移面上滑移，并在上述晶面上產(chǎn)生相應(yīng)的滑移線，試預(yù)計(jì)在表面上可能看到的滑移線形貌。答：對(duì)受力后的晶體表面進(jìn)行拋光，在金相顯微鏡下可以觀察到在拋光的表面上出現(xiàn)許多相互平行的滑移帶。在電子顯微鏡下，每條滑移帶是由一組相互平行的滑移線組成，這些滑移線實(shí)際上是晶體中位錯(cuò)滑移至晶體表面產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)小臺(tái)階，其高度約為1000個(gè)原子間距。相臨近的一組小臺(tái)階在宏觀上反映的就

5、是一個(gè)大臺(tái)階，即滑移帶。所以晶體表面上的滑移線形貌是臺(tái)階高度約為1000個(gè)原子間距的一個(gè)個(gè)小臺(tái)階。6-4 試用多晶體的塑性變形過(guò)程說(shuō)明金屬晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因？答：多晶體的塑性變形過(guò)程：1、 多晶體中由于各晶粒的位向不同，則各滑移系的取向也不同，因此在外加拉伸力的作用下，各滑移系上的分切應(yīng)力也不相同。由此可見(jiàn)，多晶體中各個(gè)晶粒并不是同時(shí)發(fā)生塑性變形，只有那些取向最有利的晶粒隨著外力的增加最先發(fā)生塑性變形。2、 晶粒發(fā)生塑性變形就意味著滑移面上的位錯(cuò)源已開(kāi)啟，位錯(cuò)將會(huì)源源不斷地沿著滑移面上的滑移方向運(yùn)動(dòng)。但是，由于相鄰晶粒的位向不同，滑移系的取向也不同，因此運(yùn)動(dòng)著的位錯(cuò)不能夠越過(guò)晶界

6、，滑移不能發(fā)展到相鄰晶粒中，于是位錯(cuò)在晶界處受阻，形成位錯(cuò)的平面塞積群。3、 位錯(cuò)平面塞積群在其前沿附近造成很大的應(yīng)力集中，這一集中應(yīng)力與不斷增加的外加載荷相疊加，使相鄰晶粒某些滑移系上的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值，于是位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，開(kāi)始塑性變形。4、 為了協(xié)調(diào)已發(fā)生變形的晶粒形狀的改變，要求相鄰晶粒必須進(jìn)行多系滑移，這樣就會(huì)使越來(lái)越多的晶粒參與塑性變形。5、 在多晶體的塑性變形中，由外加載荷直接引起塑性變形的晶粒只占少數(shù)，不產(chǎn)生明顯的宏觀效果，多數(shù)晶粒的塑性變形是由已塑性變形的晶粒中位錯(cuò)平面塞積群所造成的應(yīng)力集中所引起，并造成一定的宏觀塑性變形效果。6、 多晶體的塑性變形具有不均勻性。由于各晶粒間以及

7、晶粒內(nèi)和晶界位向不同的影響，各個(gè)晶粒間及晶粒內(nèi)的變形都是不均勻的。晶粒越細(xì)強(qiáng)度越高、塑性越好的原因：強(qiáng)度：由多晶體的塑性變形過(guò)程可知，多數(shù)晶粒的塑性變形是由先塑性變形晶粒中的位錯(cuò)平面塞積群引起的應(yīng)力集中于外加載荷相疊加而引起的。由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論可以得知，位錯(cuò)塞積群在障礙處產(chǎn)生的應(yīng)力集中與位錯(cuò)數(shù)目有關(guān)，位錯(cuò)數(shù)目越多，造成的應(yīng)力集中越大，而位錯(cuò)數(shù)目與位錯(cuò)源到障礙物的距離成正比。所以晶粒越小，位錯(cuò)源到障礙物（晶界）的距離越短，位錯(cuò)數(shù)目越少，造成的應(yīng)力集中越小，此時(shí)如果要是相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，則需要較大的外加載荷，也就是抵抗塑性變形的能力月強(qiáng)，強(qiáng)度越高。塑性：由多晶體的塑性變形過(guò)程可知，多晶體的塑性變

8、形具有不均勻性。晶粒越細(xì)，各晶粒間或晶粒內(nèi)部與晶界處的應(yīng)變相差越小，變形較均勻，相對(duì)來(lái)說(shuō)因不均勻變形產(chǎn)生應(yīng)力集中引起開(kāi)裂的機(jī)率較小，這就有可能在斷裂前承受較大的塑性變形量，可以得到較高的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。韌性：由于細(xì)晶粒的變形較均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中裂紋，而且晶粒越細(xì)晶界面積越大，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力越大，因此在斷裂過(guò)程中可以吸收更多的能量，表現(xiàn)出較高的韌性。6-5 口杯采用低碳鋼板冷沖而成，如果鋼板的晶粒大小很不均勻，那么沖壓后常常發(fā)現(xiàn)口杯底部出現(xiàn)裂紋，這是為什么？答：裂紋原因：1、 低碳鋼板冷沖時(shí)，各部分的塑性變形是不均勻的，在口杯局內(nèi)在宏觀內(nèi)應(yīng)力。2、 由于多晶體晶粒變形的不均勻性，加上原

9、始晶粒大小不一，則更加促進(jìn)了變形的不均勻性，由此產(chǎn)生較大的第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力。3、 所以，沖壓后口杯底部出現(xiàn)裂紋的原因是由鋼板不均勻變形產(chǎn)生的宏觀內(nèi)應(yīng)力和晶粒變形不均勻造成的內(nèi)應(yīng)力相疊加，超過(guò)了鋼板的斷裂強(qiáng)度，出現(xiàn)裂紋。6-6 滑移與孿生有何區(qū)別，試比較它們?cè)谒苄宰冃芜^(guò)程中的作用。答：滑移定義：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿某些晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）發(fā)生滑動(dòng)的現(xiàn)象。本質(zhì)：滑移并不是晶體的一部分相對(duì)于另一部分作整體的剛性移動(dòng)，而是位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下沿著滑移面上的滑移方向逐步移動(dòng)的結(jié)果。孿生定義：晶體在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿生面）和一定的晶向（孿生方向）

10、相對(duì)于另一部分晶體做均勻地切變；在切變區(qū)域內(nèi)，與孿生面平行的的每層原子的切變量與它距離孿生面的距離成正比，而且不是原子間距的整數(shù)倍，這種切變不會(huì)改變晶體的點(diǎn)陣類(lèi)型，但可使變形部分晶體的位向發(fā)生變化，并與未變形部分的晶體以孿晶界為分界面構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系。通常把對(duì)稱(chēng)的兩部分晶體稱(chēng)為孿晶，而將形成孿晶的過(guò)程稱(chēng)為孿生?；圃谒苄宰冃芜^(guò)程中的作用：在常溫和低溫下金屬的塑性變形主要通過(guò)滑移方式進(jìn)行。1、 晶體中滑移系越多，則可供滑移采用的空間位向越多，塑性變形越容易進(jìn)行。當(dāng)沿滑移面上滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到臨界分切應(yīng)力時(shí)，滑移就可進(jìn)行，而且位錯(cuò)只需一個(gè)很小的切應(yīng)力就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。2、 在晶體發(fā)生滑移的

11、同時(shí)，滑移面和滑移方向會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成滑移系取向的變化，有可能使其他滑移系的分切應(yīng)力達(dá)到臨界值，產(chǎn)生多滑移現(xiàn)象，促進(jìn)晶體的塑性變形。孿生在塑性變形過(guò)程中的作用：孿生對(duì)塑性變形的貢獻(xiàn)比滑移要小。1、 孿生的臨界分切應(yīng)力要比滑移的臨界分切應(yīng)力大得多，只有在滑移很難進(jìn)行的條件下，晶體才進(jìn)行孿生變形。2、 但是，由于孿生后變形部分的晶體位向發(fā)生改變，可能會(huì)使原來(lái)處于不利取向的滑移系轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌挠欣∠颍@樣可以激發(fā)晶體的進(jìn)一步塑性變形。所以當(dāng)金屬中存在大量孿晶時(shí)，可以促進(jìn)塑性變形。6-7 試述金屬經(jīng)塑性變形后組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，闡明加工硬化在機(jī)械零構(gòu)件生產(chǎn)和服役過(guò)程中的重要意義。答：金屬塑性變形后

12、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系：1、 金屬塑性變形后，晶粒形狀發(fā)生變化，沿變形方向伸長(zhǎng)，當(dāng)變形量很大時(shí)出現(xiàn)纖維組織，使金屬的力學(xué)性能呈方向性。2、 金屬塑性變形后，晶體中的亞結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，形成大量的胞狀亞結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)相互交割出現(xiàn)位錯(cuò)割階和位錯(cuò)纏結(jié)現(xiàn)象，產(chǎn)生加工硬化，硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性降低。3、 金屬塑性變形后，當(dāng)變形量很大時(shí)，多晶體中原為任意取向的各個(gè)晶粒逐漸調(diào)整其取向而趨于彼此一致，產(chǎn)生形變織構(gòu)。金屬性能表現(xiàn)為各向異性。4、 金屬塑性變形后，晶體缺陷增加，產(chǎn)生大量的空位。空位增加，電阻率增大，導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能略為下降。內(nèi)能增加，化學(xué)性提高，耐腐蝕性能降低。加工硬化在機(jī)械零件生

13、產(chǎn)和服役過(guò)程中的重要意義：加工硬化：金屬在塑性變形過(guò)程中，隨著變形程度的增加，金屬的硬度、強(qiáng)度增加，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。又稱(chēng)形變強(qiáng)化。原因：隨著塑性變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度不斷增大，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割加劇，產(chǎn)生位錯(cuò)割階和位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，造成晶體的塑性變形抗力增大。在零件生產(chǎn)中的意義：1、 對(duì)于用熱處理方法不能強(qiáng)化的材料來(lái)說(shuō)，可以用加工硬化方法提高其強(qiáng)度。如塑性很好而強(qiáng)度較低的鋁、銅及某些不銹鋼，在生產(chǎn)中往往制成冷拔棒材或冷軋板材使用。2、 加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成型的重要因素。例如鋼絲冷拔過(guò)程中產(chǎn)生加工硬化保證其不被拉斷。在零件使用過(guò)程中的意義：提高零件

14、在使用過(guò)程中的安全性。零件在使用過(guò)程中各個(gè)部位的受力是不均勻的，往往會(huì)在某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中和過(guò)載現(xiàn)象，使該處產(chǎn)生塑性變形。如果沒(méi)有加工硬化，則該處變形會(huì)越來(lái)越大直至斷裂。正是由于加工硬化的原因，這種偶爾過(guò)載部位的變形會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度的增加而自行停止，從而提高零件的安全性。需要指出的是：加工硬化現(xiàn)象也會(huì)給零件生產(chǎn)和使用帶來(lái)一些不利因素1、 金屬隨著塑性變形程度的增加，塑性變形抗力不斷增大，進(jìn)一步的變形就必須增大設(shè)備功率，增加能源動(dòng)力的消耗。2、 金屬經(jīng)加工硬化后，塑性大為降低，在使用過(guò)程中，如果繼續(xù)變形容易導(dǎo)致開(kāi)裂。6-8 金屬材料經(jīng)塑性變形后為什么會(huì)保留殘留內(nèi)應(yīng)力，研究這部分內(nèi)應(yīng)力有什么意義？答：

15、殘留內(nèi)應(yīng)力的形成原因：金屬材料經(jīng)塑性變形后，外力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，但尚有一小部分（約占總變形功的10%）保留在金屬內(nèi)部，形成殘留內(nèi)應(yīng)力。主要分為以下三類(lèi)：1、 宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力）：它是由于金屬材料各部分的不均勻變形引起的，是整個(gè)物體范圍內(nèi)處于平衡的力。2、 微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力）：它是由于晶?；騺喚Я２痪鶆蜃冃味鸬模窃诰Я；騺喚Я７秶鷥?nèi)處于平衡的力。3、 點(diǎn)陣畸變（第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力）：它是由于塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和空位，使點(diǎn)陣中的一部分原子偏離其平衡位置，造成點(diǎn)陣畸變。它是只在晶界、滑移面等附近不多的原子群范圍內(nèi)保持平衡的力。研究這部分內(nèi)應(yīng)力的意義：1、

16、 通常情況下，殘留內(nèi)應(yīng)力的存在對(duì)金屬材料的力學(xué)性能是有害的，它會(huì)導(dǎo)致材料的變形、開(kāi)裂和產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，降低材料的力學(xué)性能。2、 但是當(dāng)工件表面殘留一薄層壓應(yīng)力時(shí)，可以在服役時(shí)抵消一部分外加載荷，反而對(duì)使用壽命有利。因此，研究這部分內(nèi)應(yīng)力可以降低其對(duì)金屬材料的損害，甚至可以利用內(nèi)應(yīng)力來(lái)提高工件的使用壽命。6-9 何謂脆性斷裂和塑性斷裂，若在材料中存在裂紋時(shí)，試述裂紋對(duì)脆性材料和塑性材料斷裂過(guò)程的影響。答：塑性斷裂：又稱(chēng)為延性斷裂，斷裂前發(fā)生大量的宏觀塑性變形，斷裂時(shí)承受的工程應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。脆性斷裂：又稱(chēng)為低應(yīng)力斷裂，斷裂前極少有或沒(méi)有宏觀塑性變形，但在局部區(qū)域仍存在一定的微觀塑性變形，斷

17、裂時(shí)承受的工程應(yīng)力通常不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于按宏觀強(qiáng)度理論確定的許用應(yīng)力。裂紋對(duì)材料斷裂的影響：當(dāng)存在裂紋的材料受到外力作用時(shí)，會(huì)在裂紋尖端附近產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，并引起應(yīng)力集中。對(duì)于塑性材料，在外力作用下裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力集中很快會(huì)超過(guò)材料的屈服極限，形成塑性變形區(qū)，微孔很容易在此變形區(qū)形成、擴(kuò)大，并與裂紋連接，使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂。對(duì)于脆性材料，其塑性較差，在裂紋尖端區(qū)域出現(xiàn)析出質(zhì)點(diǎn)的幾率很大，因此，一旦在裂紋尖端附近形成一個(gè)不大的塑性變形區(qū)后，此區(qū)的析出相質(zhì)點(diǎn)附近就可能形成微孔并導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，直至斷裂。此時(shí)整個(gè)裂紋界面的平均應(yīng)力c仍低于0.2，也就是說(shuō)含裂紋的脆性

18、材料往往表現(xiàn)出低應(yīng)力斷裂，但斷裂源于微孔聚集方式，微觀斷口形貌仍具有韌窩特征。6-10 何謂斷裂韌度，它在機(jī)械設(shè)計(jì)中有何功用？答：應(yīng)力強(qiáng)度因子：材料中不可避免的存在裂紋，當(dāng)含有裂紋的材料受外加應(yīng)力作用時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的各應(yīng)力分量中均有一個(gè)共同因子KI（KI=a，a為裂紋長(zhǎng)度的一半），用KI表示裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱，簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)力強(qiáng)度因子。斷裂韌度：當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到臨界值c時(shí)，裂紋開(kāi)始失穩(wěn)擴(kuò)展，引起斷裂，相應(yīng)地KI值增加到臨界值Kc，這個(gè)臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子Kc稱(chēng)為材料的斷裂韌度，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。平面應(yīng)變斷裂韌度：對(duì)同一材料來(lái)說(shuō)，Kc取決于材料的厚度：隨著厚度的增加，Kc單調(diào)減小至一常數(shù)KIc，這時(shí)裂紋尖端區(qū)域處