材料成形原理简答2

1 为什么通常挤压加工的延伸系数要比拉拔加工的高很多？
答案：挤压加工时工件所受的应力状态为强烈的三向压应力，其静水压力分量较高，这种应力状态有利于充分发挥金属材料的塑性，可以使其产生较大的塑性变形；而拉拔加工时工件所受的应力状态为两向压应力一向拉应力，其静水压力分量较低，不利于充分发挥金属材料的塑性，因此能够产生的塑性变形程度较低。

2提高金属材料强度的措施有哪些？
提高金属材料强度的措施有：
(1) 晶粒细化(晶界强化)；(2) 加工硬化(位错强化)；(3) 亚晶强化；
(4) 固溶强化；(5) 第二相强化(沉淀强化)；(6) 相变强化；
3单晶体塑性变形的主要机制有哪些？其机理分别是什么？
答案：单晶体塑性变形的主要机制有滑移与孪生。

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。

孪生是在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面(孪生面)和一定的晶向
(孪生方向)发生均匀切变，变形后，晶体的变形部分与未变形部分构成了镜面对
称关系，镜面两侧晶体的相对位向发生了改变。

晶体的滑移过程，实质上就是位错的移动和增殖的过程。

而孪生是通过部分位错
横扫孪生面而进行的。

4多晶体金属塑性变形的主要特点和主要机制有哪些？
答案：多晶体金属的塑性变形有以下主要特点：
(1) 各晶粒变形的不同时性。

(2) 各晶粒变形的相互协调性。

(3) 晶粒之间、晶内与晶界之间变形的不均匀性。

多晶体金属塑性变形的主要机制有：
(1) 晶内变形，包括滑移、孪生；(2) 晶间变形，包括滑动、转动
5何谓屈服效应？其对制品深加工有何影响？一般应如何消除？
某些特定状态下的金属材料在拉伸试验时，具有明显的上下屈服点及屈服平台，
此时在应力却保持不变或作微小波动的情况下变形可继续进行，这种现象称为屈
服效应。

具有屈服效应的金属在深加工时，当金属变形量恰好处在屈服延伸范围时，金属
表面会出现粗糙不平、变形不均的痕迹，称为吕德斯带，是一种外观表面缺陷。

屈服效应是由于金属中的溶质气团对位错的钉扎作用而引起，为避免其对制品深
加工的影响，一般在深加工之前先进性小量变形以使金属越过屈服平台，即使位
错摆脱溶质气团的钉扎。

6晶粒大小对材料的力学性能有何影响？其机理何在？
晶粒越小，则金属屈服强度越高，塑性越好。

晶粒细化提高金属屈服强度的主要原因是晶粒尺寸减小，则晶内位错运动距离缩短，晶界上塞积的位错减少，所形成的畸变程度减小、应力集中程度减弱，不易
于开动周围硬取向晶粒的位错，即变形抗力增加。

晶粒细化提高金属塑性的主要原因是晶粒尺寸减小，则单位体积内晶粒数目增多，由于多晶体各晶粒取向是随机分布的，这样处于变形有利的软取向晶粒在整个体
积中的分布就更为均匀，变形时产生的变形也更为均匀，从而不容易产生破坏。

7提高金属材料塑性的途径有哪些？
提高金属材料塑性的途径有：
(1) 提高材料成分和组织的均匀性
(2) 合理选择变形温度和应变速率
(3) 选择三向压缩性较强的变形方式
(4) 减小变形的不均匀性
8试分析在平砧上拨长矩形断面坯料时出现“十字裂纹”的力学原因？
要点：矩形坯每道次锻压时变形区分区如图，各区向不同方向运动，造成对角线处承受剪切变形与应力，下道次锻压时坯料旋转90度，各区运动方向与前道次刚好相反，造成相反的剪切变形与应力，如此反复进行，就形成所谓的“十字裂纹”。

9某厂轧制厚件时，轧件内部产生了如图所示的周期性裂纹，试分析其产生的力学原因并提出改进措施？
产生该种裂纹的力学原因可能厚件轧制时，压下量较小，变形没有深入轧件中部而产生不均匀变形，这样在轧件上、下表面变形延伸较大，受附加压应力，而中心变形延伸较小，受附加拉应力，如图。

如果中心部位拉应力达到轧件断裂极限，则将在该处产生裂纹。

轧制过程瞬时产生的附加应力可能还不足以使轧件产生裂纹，但该不均匀变形结束后，将在轧件中产生残余应力，该残余应力的方向与轧制时的附加应力一致，但该残余应力积累到一定程度后，将使轧件中工作应力达到断裂极限而产生裂纹。

裂纹产生后残余应力将松弛，再经过一段轧制后残余应力又积累起来，因此就可能产生上述裂纹的周期性分布现象。

改进措施：增大压下量。

10试分析正向挤压时出现竹节状表面裂纹的力学原因？
挤压时工件表面金属由于受到挤压工具摩擦的作用，其流动较内部金属慢，从而造成工件内部纵向的附加应力，这种附加应力的分布为表面拉伸内部压缩，该附加应力将与挤压工具所造成的纵向压应力(基本应力)叠加而形成实际的工作应力。

当变形程度不大时，其不均匀变形程度也较小，所产生的附加应力也较小，工件纵向工作应力仍可能为压应力。

当变形程度较大时，其不均匀变性程度及附加应力也大幅度增加，从而工件表面纵向将可能形成拉伸的工作引力。

这就给工件表面产生裂纹创造了条件。

上述工作应力尚未必能产生裂纹，但工件在出模孔后不均匀变性依然存在，这就产生了与上述附加应力同方向的残余应力，该残余应力有积累性，从而使工件表面的拉应力进一步增大，当超过其断裂极限时，工件表面将产生裂纹。

裂纹产生后，残余应力将松弛，使表面拉应力降低，但进一步变形时残余应力又会积累起来，如此周而复始，就产生了周期性的裂纹。

12 Tresca 屈服准则：当受力物体(质点)中的最大切应力达到某一定值时，该物体就发生屈服。

或者，材料处于塑性状态时，其最大切应力是一不变的定值。

该定值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。

可以表达为：max min 2s K σσσ-==
Mises 屈服准则：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的应力偏张量的第二不变量J2’达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。

或者：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。

或者：在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能(又称弹性形变能)达到某一常数时，材料就屈服。

可以表达为：
13以屈服准则理论解释“拉拔应力小于流动应力仍可实现拉拔过程”这一现象？
()()()()222
22222626x y y z z x xy yz zx s K σσσσσστττσ-+-+-+++==
1312313:00s
s s
Tresca σσσσσσσσσσ-=>=<∴=+<
14 Mises 屈服准则与Tresca 屈服准则的主要区别是什么？各适用于何种情况？
答案：Mises 屈服准则与Tresca 屈服准则的主要区别是前者考虑了中间主应力σ2的影响而后者没有。

Mises 屈服准则适用于各种塑性变形情况，而Tresca 屈服准则只有在具有两个主应力相等的圆柱体应力状态下才准确。

15塑性变形的应力应变关系为何要用增量理论？
塑性变形是非线性不可逆的，加载时产生新的塑性变形，卸载时已产生的塑性变形不随应力而改变。

塑性变形是历次变形的叠加结果，并不一定是单值地对应于应力状态，或者说与应力状态不同步。

因此每一瞬间的应力状态并不一定与全量应变相对应，全量应变的应用受到很大限制。

但是，在加载中，每一瞬间的应力状态一般与增量应变相对应。

所以塑性变形的应力应变关系要用增量理论。

16Levy-Mises 增量理论与Prandtl-Reuss 增量理论的主要区别是什么？各适用于何种情况？
答案：Levy-Mises 增量理论与Prandtl-Reuss 增量理论的主要区别是后者考虑了物体的弹性变形而前者没有。

Levy-Mises 增量理论通常用于求解大塑性变形，而Prandtl-Reuss 增量理论通常用于求解小弹塑性变形。

19简述Levy-Mises 理论和Prandtl-Reuss 理论的异同？
答案：(要点)：1)Prandtl-Reuss 理论与Levy-Mises 理论的差别就在于前者考虑了弹性变形而后者不考虑弹性变形；2) Levy-Mises 理论仅适用于大应变，无法求弹性回跳及残余应力场问题，Prandtl-Reuss 理论主要用于小应变及求解弹性回跳及残余应力问题。

3) 两个理论都着重指出了塑性应变增量与应力偏量之间的关系，即d εijp=σij’d λ。

21变形抗力的大小对加工生产有何意义？对制品性能有何意义？
加工硬化即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性韧性降低的现象。

加工硬化是金属塑性变形时的一个重要特性，是强化金属的重要途径。

特别是对于不能用热处理方法强化的材料，借助冷塑性变形来提高其力学性能就显得更为重要。

但加工硬化对金属塑性成形也有不利的一面。

它使金属的塑性下降，变形抗力升高，继续变形越来越困难。

特别是对于高硬化速率金属的多道次成形更是如此。

22何谓最小阻力定律？试分析不同辊径轧制板材时金属纵横向变形规律。

答案：最小阻力定律：当物体各质点有在不同方向移动的可能时，变形物体内的每一个质点都将沿其最小阻力方向移动。

用相同厚度坯料轧制相同厚度板材的情况下，若辊径较大，则接触弧较长，金属向纵向流动的区域相对较小，向横向流动的区域相对较大，轧件宽展较大，如图
a；而若辊径较小，则接触弧较短，金属向纵向流动的区域相对较大，向横向流动的区域相对较小，轧件宽展较小，如图b。

23减少不均匀变形的主要措施有哪些？
通常采用如下措施：
(1) 尽量减小接触摩擦的有害影响；
(2) 正确地选择变形温度—速度制度；
(3) 合理设计工具形状和正确地选择坯料；
(4) 尽量使坯料的成分和组织均匀。

24消除残余应力的方法有哪些？
(1) 减小材料在加工和处理过程中所产生的不均匀变形；
(2) 对加工件进行热处理
(3) 进行机械处理。

25何谓热效应与温度效应？它对塑性加工有何影响？
从能量观点看，塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分转化为热能，这种现象称为热效应。

塑性变形热能，除一部分散失到周围介质中，其余的使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度效应。

27金属材料在热塑性加工后可能发生哪些软化过程？
金属材料在热塑性加工结束后可能发生的哪些软化过程包括：静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶。

热塑性变形对金属组织有如下影响：
1) 改善晶粒组织。

2) 锻合内部缺陷。

3) 破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布。

4) 形成带状组织。

5) 改善偏析。

29简述变形条件对金属塑性影响的一般规律。

(要点)：1)随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升，中间可能存在脆性区；2) 在较低的应变速率范围内提高应变速率时，塑性的降低；当应变速率较大时，塑性基本上不再随应变速率的增加而降低；当应变速率更大时塑性回升。

3) 静水压力越大，金属的塑性越好；反之，则金属的塑性越差；4) 压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利。

30何谓热效应与温度效应？它对塑性加工有何影响？
塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分将转化为热能，这种现象称为热效应。

塑性变形热能除一部分散失到周围介质中外，其余部分将使变形体温度升高，这种由于塑性变形过程中所产生的热量而使变形体温度升高的现象，称为温度效应。

上述温度效应一般情况下将提高金属的塑性，有利于塑性加工的进行，但也有情况下会使金属温度处于高温脆性区而不利于塑性加工，若温度上升较高而使工件过热过烧，则对制品性能有不良影响。

31试分析影响金属塑性的主要因素。

(1) 金属的化学成分：纯金属塑性好于合金；杂质元素通常都会引起脆性，降低塑性；各种合金对塑性有不同的影响。

(2) 金属的组织：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好；第二相的性质，形状、大小、数量和分布状态的不同，其对塑性的影响程度亦不同；细晶组织比粗晶组织具有更好的塑性；铸造组织由于具有粗大的柱状晶粒和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。

(3) 变形温度：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并非简单的线性上升。

(4) 应变速率：应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面，这两方面因素综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化。

总的说来，热变形时应变速率对金属塑性的影响较之冷变形时的大。

再者，随着变形温度的不同，应变速率对塑性的各影响机理所起的作用也不相同；
(5) 变形力学条件：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；反之，若拉应力个数越多、数值越大，即静水压力越小时，则金属的塑性越差。

压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利；具有三向压缩主应力图和两向压缩一向拉伸主应变图的塑性加工方法，最有利于发挥金属的塑性。

(6) 其他因素：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。

变形体尺寸越大，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。

32画出如下薄板轧制时的外力。

33画出如图所示平砧压缩矩形件时变形区各点的应力状态图示。

(设垂直于纸面方向不变形)
答案：
34画出如图所示圆棒拉拔过程变形区的应力应变状态。

答案：
35画出宽板塑性弯曲时内、外区的变形力学图示。

答案：
外区：σ
B
θ
θ
内区：σ
B
θ
θ
36试画出圆筒件拉深时工件各部分的变形力学图示。

答案：
r
r εθ
σ
θ。