工程材料与热处理 第4章作业题参考答案

1.滑移和孪晶的变形机制有何不同？为什么在一般条件下进行塑性变形时锌中容易出现
孪晶，而纯铁中容易出现滑移带？
主要的不同：（1）晶体位向在滑移前后不改变，而在孪生前后晶体位向改变，形成镜面对称关系。

（2）滑移的变形量为滑移方向原子间距的整数倍，而孪生过程中的位移量正比于该层至孪晶面的距离。

（3）孪生是一部分晶体发生了均匀的切变，而滑移是不均匀的。

锌的晶体结构为密排六方，密排六方金属滑移系少，所以容易出现孪晶，而纯铁为体心立方结构，滑移系多，所以容易出现滑移带。

2.多晶体塑性变形与单晶体塑性变形有何不同？
多晶体的每一晶粒滑移变形的规律与单晶体相同，但由于多晶体中存在晶界，且各晶体的取向也不相同，多晶体的塑性变形具有以下特点：
（1）各晶粒不同同时变形；
（2）各晶粒变形的不均匀性；
（3）各变形晶粒相互协调。

3.什么是滑移、滑移线、滑移带和滑移系？滑移线和滑移带是如何在金属表面形成的？列
举金属中常见晶体结构最重要的滑移系，并在其晶胞内画出一个滑移系。

哪种晶体的塑性最好？哪个次之？为什么？
所谓滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生相对滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。

晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线。

由数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。

一个滑移面和该面上的一个滑移方向组成一个滑移系。

滑移线是由于晶体的滑移变形使试样的抛光表面产生高低不一的台阶所造成的；相互靠近的小台阶在宏观上反映的是一个大台阶，所以形成了滑移带。

滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。

滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。

密排六方由于滑移少，塑性最差。

4.简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并说明如何区分冷、热加工。

动态再结晶与静
态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？
一次再结晶的驱动力是冷变形所产生的储存能的释放。

二次再结晶的驱动力是由于界面能变化引起的。

在再结晶温度以上的加工变形称为热加工，在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。

动态再结晶和静态再结晶过程相似，同样是形核长大过程，也是通过形成新的大角度晶
界及随后移动的方式进行的。

但动态再结晶具有反复形核，有限长大，晶粒较细，包含亚晶粒，位错密度较高，强度硬度高等特点。

这种组织比静态再结晶组织有较高的强度和硬度。

5.冷变形金属在加热过程中要发生哪些变化？简要说明再结晶过程的一般规律。

发生：回复、再结晶和晶粒长大等变化。

经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，发生再结晶，新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒，金属的性能也恢复到变形前的情况，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒。

6.说明金属在冷塑变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的微观组织及力学性能特点与主
要区别。

金属在冷塑变形时的微观组织：金属晶体在外力作用下，随着变形量的增加，晶粒外形由原先的等轴晶粒逐渐改变为沿变形方向被拉长或压扁的晶粒。

当变形量很大时，各晶粒被拉成纤维状，称之为纤维组织，位错密度也会增加，亚结构细化，产生变形织构。

力学性能特点：产生加工硬化，产生各向异性，还会产生内应力。

回复：回复对材料的组织形态影响不大，对力学性能的影响也不大。

回复过程中主要是全部消除变形引起的宏观应力，微观应力也可以大部分得以消除。

再结晶：新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒，金属的性能也恢复到变形前的情况，在变形基体中，重新生成无畸变的新的晶粒。

晶粒长大：（1）正常长大，再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间时，晶粒仍可继续长大，晶粒均匀连续的生长。

(2)异常长大：形成粗大的晶粒及非常不均匀的组织。

织构明显，产生各向异性；优化
磁导率；晶粒大小不均匀，性能不均匀，降低强度和塑性、韧性；晶粒粗大，提高表面粗糙度。

7.冷加工塑性变形金属进行再结晶退火前后的组织和性能有何变化？
金属加热到再结晶温度以上，组织发生显著变化。

首先在形变大的部位（晶界、滑移带、孪晶等）形成等轴晶粒的核，然后这些晶核依靠消除原来伸长的晶粒而长大，最后原来变形的晶粒完全被新的晶粒所代替，这一过程为再结晶。

由于金属通过再结晶获得新的等轴晶粒，因而消除了冷加工显微组织、加工硬化和残余应力，使金属又重新恢复到冷塑性变形以前的状态。

8.已知金属W、Fe、Pb、Sn的熔点分别为3380、1538、327、232℃，试分析说明W和Fe
在1100℃下的加工，Pb和Sn在20℃下的加工各为何种加工？
实验证明，工业纯金属的熔点与最低再结晶温度之间有如下关系：
T再=（0.35~0.4）T熔（K）
W的再结晶温度为1188℃，所以在1100℃的加工为冷加工；Fe的再结晶温度为451℃，所以在1100℃的加工为热加工。

铅的熔点327°C，铅的再结晶温度＝（327＋273.15）×0.4＝258K = -33°C；所以铅在20度是热加工。

锡的熔点232°C，铜的再结晶温度=（232+273.15）×0.4=202K=-71°C;所以锡在20度是冷加工
9. 说明下列现象产生的原因：
(1)晶界处滑移的阻力大。

(2)实际测得的晶体滑移所需的临界切应力比刚性滑移理论的计算值小得多。

(3)热加工比冷加工塑性变形来得容易。

（1）晶界上原子排列较乱，点阵畸变严重，杂质原子也容易在晶界偏聚，而且晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面互不一致，因此晶界处滑移的阻力大。

（2）理论计算是假定滑移面两侧原子发生整体移动，其临界分切应力值大，但实际晶体滑移是位错的运动、并不需整排原子一齐移动，而仅位错附近少数原子作短距离移动，故而所需要的临界分切应力要小得多。

（3）因为热加工同时进行加工硬化和回复再结晶软化两个相反的过程，冷加工只有加工硬化，所以随变形量提高，塑性变形变得困难。

10. 热加工对金属组织和性能有何影响？金属在热加工（如锻造）时为什么变形阻力小？
(1)改善铸锭组织。

消除空洞、细化晶粒、降低偏析；提高强度、塑性、韧性。

(2) 形成纤维组织(流线)。

第二相或夹杂物沿变形方向呈纤维状分布, 沿流线方向比垂直于流线方向的力学性能好
热加工没有加工硬化现象，或者说加工硬化被随时消除了，所以变形阻力小。

11. 什么叫加工硬化，它给生产带来哪些好处和困难？
随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降的现象叫做加工硬化。

加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。

如在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。

又如在切削加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。

好处：（1）它可提高金属的强度、硬度和耐磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金属和某些合金尤为重要。

如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。

又如坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。

（2）金属的冷成型加工的保证。

金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致最终断裂。

（3）提高构件的安全性。

构件在使用过程中，往往不可避免地会使某些部位出现应力集中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。

12. 选择题
(1) 纯金属的最低再结晶温度可用下式计算（B ）
A 、)(T 4.0)(C C T ︒
︒≈熔再 B 、)(T 4.0)(K K T 熔再≈
C 、273)(T 4.0)(+≈︒C K T 熔再
(2) 塑性变形后的金属再加热时发生的再结晶过程是一个新晶粒代替旧晶粒的过程，这种新晶粒的晶格类型是（D ）
A 、面心立方晶格
B 、体心立方晶格
C 、密排六方晶格
D 、与变形前的金属相同
E 、形成新晶型
(3) 加工硬化使金属的（A ）
A 、强度增大，塑性降低
B 、强度增大，塑性增大
C 、强度减少，塑性增大
D 、强度减少，塑性降低
(4) 塑性变形金属经再结晶后（D ）
A 、形成柱状晶，强度增大
B 、形成柱状晶，塑性降低
C 、形成等轴晶，强度增大
D 、形成等轴晶，塑性升高
(5) 汽车变速箱齿轮，应由（C ）
A 、厚钢板切出园饼，再加工成齿轮
B 、园钢棒切出园饼，再加工成齿轮
C 、园钢棒锻打成齿轮毛坯，再加工成齿轮
D 、铸造成园饼，再加工成齿轮
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