机械加工过程中的材料理论作业整理

机械加工过程中的材料理论作业整理

第一次课

1. 如何划分切削过程的三个变形区?

解答：

对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。塑形金属切削过程中切屑的形成过程有三个变形区：1、第一变形区（剪切滑移）；2、第二变形区（纤维化）；3、第三变形区（纤维化与加工硬化）。

第一变形区：变形量最大。第二变形区：切屑形成后与前刀面之间存在压力，所以沿前刀面流出时有很大摩擦，所以切屑底层又一次塑性变形。第三变形区：已加工表面与后刀面的接触区域。

这三个变形区汇集在切削刃附近，应力比较集中，而且复杂，金属的被切削层在此处于工件基体分离，变成切屑，一小部分留在加工表面上。

第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。

第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。

第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。

◆ 2. 切削过程中加工表面热过程的特点？

解答：切削金属时，被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，以及由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出。切削热的来源又三个变形区产生弹性变形功、塑性变形功所转化的热量Q变；切削与刀具摩擦功、工件与刀具摩擦功所转化的热量Q摩所组成。产生的热量再传散到切屑Q屑、工件Q工、刀具Q刀、和介质Q介中。

3. 结合本人所从事的机械加工方面的研究和生产工作，分析加工过程中的力、热、塑变，以及组织、性能变化。

第二次课

◆ 1. 在立方晶系中画出以[001]为晶带轴的所有晶面。

解答：晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系：hu+kv+lw=0；

将晶带轴[001]带入，h*0+k*0+l*1=0,当l=0时对任何h,k取值均能满足上式故晶带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为（hk0）。

2. 归纳总结三种典型的晶体结构的晶体学特征。（材料科学基础课本和笔记）

3. 若将一位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？位错的类型性质是否变化？

4. 位错一般分为哪两种,各有何特征？

5. 位错的运动形式有哪些？

解答：位错的运动方式有两种最基本形式，即滑移和攀移。

一位错的滑移位错沿着滑移面的移动称为滑移。位错在滑移面上滑动引起滑移面上下的晶体发生相对运动，而晶体本身不发生体积变化称为保守运动。这又包括刃位错的滑移、螺位错的滑移、混合型位错的滑移。

二位错的攀移刃型位错除可以在滑移面上滑移外，还可在垂直滑移面的方向上运动即发生攀移。攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。攀移与滑移不同，攀移时伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热激话，比滑移需要更大能量。低温攀移较困难，高温时易攀移。攀移通常会引起体积的变化，故属非保守运动。

6. 试述大角度晶界和小角度晶界的区别。（材料科学基础课本和笔记）

解答：小角度晶界取向差θ小于10~15度，可以看作由一系列位错所组成。大角度晶界两侧晶粒的取向差较大，但过渡区很窄，原子排列不规则，很难用位错模型来描述。

第三次课

1. 什么是滑移带？

解答：将一个表面抛光的单晶体进行一定的塑性变形后，在光学显微镜下观察，发现抛光表面有许多平行的线条，成为滑移带。每条滑移带由许多聚集在一起的相互平行的滑移线组成，这些滑移线实际上是晶体表面产生的小台阶。

2. 晶界对室温及高温变形过程有何影响？

解答：晶界----阻碍位错运动----a.强度升高b.位错塞积----应力集中------塑性下降。

由于室温情况下，晶界强而晶粒本身弱，晶界在室温下阻碍位错滑移，而高温情况下，晶界弱而晶粒强，故除了晶粒内滑移，相邻两个晶粒还会沿着晶界发生相对滑移，此称为晶界滑动。

3. 塑性变形对组织、性能有何影响？

解答：一.组织：a.塑性变形---晶粒延形变方向拉长-----纤维组织；b.塑性变形-----位错密度增加-----不均匀分布-----位错胞（胞壁高密度位错、胞内位错很少）c.变形织构：（丝织构和板织构）各向异性

二．残余应力和点阵畸变

三．性能：a加工硬化b.其他物理化学性能变化：密度、热导率下降；化学活性增加，加快腐蚀速度；导磁率、导电率和电阻温度系数下降；电阻率上升。

组织：（1）晶粒发生变形。发生塑性变形后，晶粒沿形变方向被拉长或被压扁。

（2）亚结构形成。发生较大变形时，由于位错的密度增大和发生交互作用，大量位错堆积在局部区域，使晶粒内产生亚晶粒。

（3)形变织构产生。当塑性变形发生到70%以上时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。

性能：（1）形变强化。发生塑性变形，随着形变的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。

（2）产生各向异性。由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。

（3）物理化学性能变化。塑像变形可影响金属的物理化学性能，如使电阻增大，耐腐蚀性降低。

（4）产生残余内应力。由于金属在发生塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错，空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。

4. 回复过程中，组织、性能有何变化？

解答：将冷变形的金属加热到0.5Tm的温度进行保温，用高温显微镜观察组织随时间的变化，就会发现这种变化基本上可分为三个阶段。

回复阶段：显微组织无明显变化，机械性能变化不大，仅有某些物理性能发生了较为显著的变化（电阻），内应力基本消除。

中温回复：其主要机制是位错滑移导致位错重新组合，以及异号位错会聚而互相抵消。

高温回复：高温回复机制为多边化。

5. 动态再结晶和静态再结晶有何区别？

解答：再结晶指冷变形金属在再结晶温度以上退火时，由新的无畸变的晶粒取代变形晶粒的过程。再结晶不是相变过程，它只有组织变化而没有晶体结构的变化。热变形（再结晶温度以上的变形）过程中发生的再结晶称动态再结晶，热变形后靠金属余温发生的再结晶称静态再结晶。

动态再结晶发生在热变形过程中，即在再结晶温度以上加工。而静态再结晶是冷变形金属在后期的热处理过程中，如退火..晶粒由于应变储能释放发生再结晶。

第四次课

1. 滑移带在分析切削区域塑性变形中的作用？

解答：由一组平行的滑移线构成的带。当晶体在切应力作用下产生滑移时, 在晶体表面形成显微台阶,在显微镜下观察时是一些细线,称滑移线,滑移线常成组出现,形成滑移带。滑移带是晶体发生塑性变形的重要特征。材料的塑性变形越严重的区域,滑移带越密,扩展越长,而且常出现表征多重滑移引起的滑移带网。一个滑移带中有很多滑移层，变形时，滑移带由无到有，由浅到深（滑移层增多，意味着整个滑移带滑移量增加）由短到长（滑移层的滑移量）数目由少到多，可以看出整个形变过程是不连续的。

2. 分析切削过程中位错的特点？

解答：1)切削是一种特殊的塑性变形和破坏形式。

•变形速度高103~106 /s，（静载10-3~10-4 /s ）

——与切削速度和切削层厚度相关

•压力非常大1.96×103MPa

•位错机理具有与静载条件下不同的规律性。

2）位错运动速度是切削变形速度的函数，即与切削速度和切下层的厚度有关。

3）位错停滞机理与作用应力和位错运动速度有关。

•低速1~10m/s，热激活特征流变应力—(位错-障碍)

•高速硬化—（位错-晶格）

4）切削温度－塑性变形热+摩擦热

•平均温度0.2~0.4Tm，硬化和回复

•接触区局部温度0.５~0.６Tm热激活软化

5）切削材料-多晶体、杂质、结晶缺陷

•影响塑性变形和硬化过程

6）位错密度高，生成速度快

7）分析切削位错机理最有前途的方法——统计方法——中和结构特征，用平均值描述

8）由滑移带的取向、长度和密度来描述金属不同晶粒中滑移面的结晶学取向和塑性变形进行的特征。

3. 切削条件对位错密度有何影响？

解答：影响位错运动的重要因素是切削条件, 它与工件材料性能、刀具几何参数及材料、切削用量等有关密切关系。（1）作用在切削区域的载荷愈小和作用时间愈短，则位错密度和硬化深度愈小。（2）随切削速度的增加和切削深度的减小，加工表面位错密度和硬化层深度减小。

4. 切削区域中位错结构如何演化？

解答：当切削金属以速度V 刀具移动时, 受到切削刃及前刀面的挤压, 在剪切区之前主要受到压应力作用, 其值越接近剪切区时越大。应变的加剧使晶体内原子排列和缺陷分布大量改组, 产生广泛的位错增列和运动。此外, 随受压应力的方向逐渐旋转(图3), 其结果使位错发生交截和塞积, 形成位错缠结。随着压缩变形的增大, 使大量的位错聚集在一起发展成为亚晶胞和网络结构。另外, 切削过程中切削层受力的不均匀性也会造成变形后位错密度分布不均,形成网络。

5. 如何用位错理论解释切屑形成过程？

解答：位错是晶体原子排列的一种线缺陷, 这种金属缺陷大量分布在材料内部, 它们在剪应力作用下能够从晶体中移出晶界表面,