《金属塑性成形原理》复习题(答案参考)

一.名词解释
1.理想刚塑性材料/刚塑性硬化材料
2.拉伸塑性失稳/压缩失稳
3.工程切应变/相对线应变
4.增量理论/全量理论
5.轴对称应力状态/平面应力状态
6.屈服轨迹/屈服表面
7.动态回复/动态再结晶
8.等效应力/等效应变
9.弥散强化/固溶强化
10.临界切应力/形变织构
二.简答题
提高金属塑性的基本途径。

试分析单相与多相组织、细晶与粗晶组织、锻造组织与铸造组织对金属塑性的影响。

①相组成的影响：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。

多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。

如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显下降。

另外多相组织中的脆性相也会使其塑性大为降低。

②晶粒度的影响：晶粒越细小，金属的塑性也越好。

因为在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上；又从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒时晶界的影响局域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。

由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属在断裂前可承受的塑性变形量就越大。

③锻造组织要比铸造组织的塑性好。

铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。

而通过适当的锻造后，会打碎粗大的柱状晶粒获得细晶组织，使得金属的塑性提高。

试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。

防止产生裂纹的原则措施是什么？
变形温度对金属塑性的影响的基本规律是什么？
就大多数金属而言，其总体趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并不是简单的线性上升；在加热过程中的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。

在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区。

下图是以碳钢为例：区域Ⅰ，塑性极低—可能是由与原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关；区域Ⅱ，称为蓝脆区(断口呈蓝色)，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出
所致，类似于时效硬化。

区域Ⅲ，这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。

①力学分析：能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。

其中应力状态主要反映力学的条件。

物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。

材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。

塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。

由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。

这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。

1)由外力直接引起的裂纹；2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。

②组织分析：塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。

1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；
2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；c第二相为强度低于基体的韧性相；
3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。

原则措施：
1)增加静水压力；2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；3)采用中间退火，以便消
除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；4)提高原材料的质量。

超塑性变形有哪些主要特征？
真实应力-应变曲线的简化类型有哪些？分别写出其数学表达式。

三.填空题
1.按应力应变顺序对应关系，当主应力σ1 >σ2>σ3时则ε1>ε2>ε3，按中间关系，当
时，ε2= 0，属于变形。

2.在应力张量不变量中，应力张量第二不变量与有关，应力张
量第一不变量反映。

3.多晶体由于不同，塑性变形不可能在所有的晶粒内发生。

4.晶体滑移的本质，滑移的结果是。

5.经过侵蚀后，仍可观察到的晶内变形组织是。

6.密排六方金属一般以方式变形，面心立方和体心立方的金属一般以
的方式塑性变形
7.金属热塑性变形机理主要有：、、和
等。

8.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要
有、、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度等几方面的因素。

9.金属的超塑性分为和两大类。

10.研究塑性力学时，通常采用的基本假设有、、、体积力为零、初
应力为零、。

11.影响金属塑性的主要因素有：、、、变形速度、应
力状态。

12.一点的代数值最大的的指向称为第一主方向，由第一主方向顺时针转
所得滑移线即为线。

13.塑性成形中的三种摩擦状态分别是：、、。

14.超塑性有和两类
15.应力球张量表示球应力状态，也称静水应力状态，无切应力存在，只能使物体产
生
16.应力偏张量第三不变量=0，属于应变，第二不变量与有关。

17.衡量晶粒大小对力学性能的影响公式是
四.计算题
1．对于直角坐标系O xyz内，已知受力物体内一点的应力张量为
，应力单位为Mpa ，
(1)画出该点的应力单元体；
(2)求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、最大切应力、八面体应力、应力偏张
量及应力球张量。

(3)画出该点的应力莫尔圆
解：
(1) 该点的应力单元体如下图所示
(2) 应力张量不变量如下
故得应力状态方程为
解之得该应力状态的三个主应力为
（Mpa ）
设主方向为，则主应力与主方向满足如下方程
即
，
，解之则得
，
，解之则得
，
，解之则得
最大剪应力为：
八面体正应力为：
Mpa 八面体切应力为：
应力偏张量为：
，
应力球张量为：
2．已知金属变形体内一点的应力张量为Mpa ，
求：
(1) 计算方向余弦为l=，m=，n=的斜截面上的正应力大小。

(2) 应力偏张量和应力球张量；
(3) 主应力和最大剪应力；
解：
(1) 可首先求出方向余弦为（l,m,n ）的斜截面上的应力（）
进一步可求得斜截面上的正应力：
(2) 该应力张量的静水应力为
其应力偏张量
应力球张量
(3) 在主应力面上可达到如下应力平衡
其中
欲使上述方程有解，则
即
解之则得应力张量的三个主应力：
对应地，可得最大剪应力。

五.应用题
1.画出原子排列密度最大的晶面和晶向。

面心立方晶格（fcc）体心立方晶格（bcc）试判断下列应力状态使材料处于弹性状态还是塑性状态？
2.
主应力简图主应变简图。