作业参考答案

第3章作业参考答案

1.什么是塑性成形？金属塑性成形的工艺特点有哪些？与液态成形工艺和机加工工艺

相比有何优势？

在外力作用下，利用金属材料塑性而使其发生不可恢复的永久变形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形。工艺特点为组织、性能好，材料利用率高，尺寸精度高，生产率高、操作简单、工人素质要求低，适于大批量生产，工作环境差等。与其他加工工艺相比，组织、性能好，材料利用率高，尺寸精度高，生产率高、操作简单、工人素质要求低，适于大批量生产为其优势。

2.体积成形和板料成形工艺各有什么特点？

体积成形：材料体积不变，只发生材料重新分配（材料转移）

板料成形：平面应力状态塑性变形

3.塑性表征材料的什么能力？衡量金属材料塑性的指标有哪些？相应的测试方法是什

么？

塑性指金属材料在外力作用下发生变形而不破坏其完整性的能力，表征金属对塑性变形的适应能力。塑性指标是以材料开始破坏时的塑性变形量来表示，常用的有拉伸试验的延伸率和断面收缩率，镦粗试验时表面出现第一条裂缝的压缩程度，扭转试验时断裂前的扭转角度或圈数等。

4.影响金属塑性的因素有哪些？如何影响的？

影响塑性的因素分为内因和外因（以钢为例）。

内因：

1.化学成分：化学成分的影响很复杂，如碳固溶于铁时，形成具有良好塑性的铁素体

和奥氏体，而超过铁的固溶能力后会形成渗碳体，降低钢材塑性；磷会提高铁的冷脆性；硫会形成硫化物及其共晶体，提高热脆性；氮会形成氮化物，提高钢的脆性（如蓝脆）；氢会产生氢脆和白点，降低塑性；氧会形成氧化物降低塑性等。

2.合金元素：总的来看，合金元素加入会使得钢材的变形抗力增加，塑性降低。主要

是通过①固溶引起晶格畸变②形成碳化物③形成硫化物④造成组织多相性⑤增加晶粒长大倾向⑥提高硬化倾向⑦低熔点纯金属分布于晶界增加热脆性等

3.组织：单相好于多相（多相会导致变形和内应力分布不均）；细晶好于粗晶（细晶晶

粒多，有利于滑移，晶粒内部和晶界处应变差异小）铸造组织由于具有粗大柱状晶和偏析、夹杂、气孔、缩松等缺陷，会降低塑性，故需要用先进的冶炼方法提高铸锭质量。

外因：

1.变形温度：随着温度上升，塑性增加，但在某些温度区间由于有相变或晶粒边界变

化会出现脆性区，使得塑性降低。

2.应变速率：应变速率提高对金属塑性有两方面影响，一方面，真应力提高，没有足

够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分，这些都会使金属的塑性降低；

另一方面，应变速率提高，温度效应增加，有利于塑性变形。应变速率对塑性的影响的一般趋势：先降低、后提高（温度效应先小、后显著）。具有脆性转变的金属，应变速率增加，温度效应作用而使金属由塑性进入脆性区或由脆性区进入塑性区。

3.应力应变状态的影响：应力状态不同，塑性行为大不相同，静水压力越大、塑性提

高，原因：①拉伸应力促进晶间变形，加速晶界破坏；压应力相反②三向压应力有利于愈合变形中损伤③三向压缩能抑制缺陷的有害作用④三向静水压力能抵消变形不均匀引起附加拉应力；压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变则对塑性不利。

原因与缺陷的变化有关：因为金属（特别是铸锭）中不可避免地存在着气孔、夹杂物等缺陷，这些缺陷在不同变形条件下发生变化而使其对其对塑性的危害性发生变化。 其他因素： 1. 不连续变形的影响：不连续热变形条件下使金属塑性提高：在分散变形时每次的变形量都较小，远低于塑性极限，应力也较小，不会引起金属的断裂。同时间歇时间内能进行软化过程，使金属的塑性在一定程度上得到恢复。 2. 尺寸（体积）因素的影响：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。原因：尺寸越大，成分、组织越不均匀性、缺陷含量越多；还有尺寸增大、接触面积相对较小、摩擦引起的三向压缩应力状态弱、塑性降低 5.

镁合金与铝合金相比，哪种合金塑性好？为什么？能否采用拉拔的方法加工镁合金？为什么？ 铝合金塑性好，因为镁是密排六方结构，铝是面心立方结构，铝的滑移系多于镁，因而塑性好。能，但要合理设计工艺，因为拉拔处于单向受拉状态，不利于发挥塑性，而镁合金塑性较低，因而容易出现问题。最好配合侧向挤压工艺。（参考：何淼，镁合金拉拔工艺及组织性能的研究. 《沈阳工业大学》, 2008.）（言之成理，有理有据即可） 6.

加工硬化和软化的主要机制是什么？不同晶体结构和特性的金属硬化和软化行为是否相同？为什么？ 加工硬化是由于位错的交互作用产生的，塑性变形使得位错密度增加，位错反应和相互交割加剧，产生固定割阶、位错缠结等障碍，位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动，继续变形需要更大的外力，即加工硬化。软化则是由于随着变形量增加，位错急剧增加，应变能显著增大，当增大到一定程度时，可诱发多变化回复，使得应力得到松弛，另外，再结晶也是金属失强软化的原因之一。不相同，对于加工硬化，不同晶体结构的滑移系数目不同，滑移系多的金属滑移可以同时或交替在多个滑移面上进行，位错间的交错作用较强，加工硬化速率更大。对于软化来说，不同金属在相同条件下的应变能变化和多变化回复能力不同，软化行为也有差异。 7.

温度升高一般使金属的塑性增加，主要原因是什么？但在加热过程中会出现脆性区，又是什么原因？以碳钢为例说明产生脆性区的原因。 温度升高主要可以促进回复和再结晶，还有利于位错的重新调整，有利于位错合并和位错密度的降低，促进裂纹修复等。由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区。结合书P84图3-8，超低温区由于原子热振动能力低，产生脆性区；在200~400℃，氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界滑移面上析出，产生蓝脆区；在800~950℃，珠光体转变为奥氏体，形成铁素体于奥氏体两相共存区，同时FeS-FeO 低熔共晶体在晶界析出，形成热脆区；温度超过1250℃后，由于发生过热、过烧（晶粒粗大化，晶界出现氧化物和低熔点物质局部熔化，形成高温脆性区。 8. 试结合生产实例说明应力状态对金属塑性的影响？

举例合理即可，如拔长合金钢时采用V 型砧，提供侧面压应力，避免裂纹的产生。

9.

已知物体中某一点的应力张量为⎥⎥⎥

⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=015015015020001500100)(ij σMPa ，试将其分解为球形张量和应力偏量，并计算应力偏量的第二不变量和等效应力。