第3章作业参考答案

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MPa，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。100-150-150150-100015000，偏量100000100000100球量，I’2=-55000，𝜎̅=√3(−𝐼2′)=50√66=406.210.请写出理想弹塑性变形体模型的表达式，理性弹塑性变形体模型一般用于表达什么材料的本构关系？2分σ={𝐸𝜀(σ𝜎𝑠)𝜎𝑠(σ≥𝜎𝑠)一般可认为金属材料为理想弹塑性材料，而在慢速热变形时接近理想塑性11.流动准则的基本概念是什么？请写出刚塑性和弹塑性的流动准则的基本要点和相应的表达式。5分流动准则是表示材料达到屈服后，塑性应变增量张量与应力张量之间的关系。刚塑性流动准则为Levy-Mises理论：①材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总应变增量；②材料服从Mises屈服准则，即：③塑性变形时体积不变，即：④应变增量主轴与应力主轴重合，即应变偏量分量的增量与相应的应力偏量成正比，即：最终表达式弹塑性流动准则为Prandi-Reuss理论：①该理论与Levy-Mises理论的区别在于考虑了总应变增量中的弹性应变增量，即：最终表达式12.热塑性变形和冷塑性变形对金属材料组织和性能的影响有何异同？冷塑性变形热塑性变形相同点组织：二者都会形成纤维组织（尽管有差异）性能：都会显示出各向异性不同点组织：晶粒形状变化趋势与宏观变形一致；会出现织构；对高层错能金属可能出现胞状亚结构；微观缺陷增加，如位错密度增加存在回复和再结晶过程组织：晶粒组织会得到改善；内部缺陷能够锻合；能够破碎非金属夹杂并在高温下的扩散溶解作用下使其均匀性能：加工硬化多道成形可能会受到加工硬化的影响，需要退火；加工硬化强度提高、塑性降低；导电性降低；化学稳定性降低分布；纤维组织与冷变形下的有差异；改善偏析性能：组织得到改善，性能会得到提高；由于温度作用，加工硬化的能被软化消除，加工能够顺利进行13.塑性变形分析的主要方法有哪些？各有什么特点？方法特点主应力法将应力平衡微分方程和屈服方程联立求解，但有所简化：把问题简化为平面问题或轴对称问题；根据金属流动趋向和所选取的坐标系，对变形体截取包括接触面在内的基元体或基元板块，切面上正应力假定为主应力，且均匀分布，将平衡微分方程简化为常微分方程；假定各坐标平面上作用的正应力为主应力。而忽略面上剪应力对材料屈服方程的影响，将屈服方程简化为线性方程。联立求解并利用应力边界条件确定积分常数求得接触面上应力分布，进而求得变形力等。运算简单，但无法分析变形体内部的应力分布滑移线场理论针对具体塑性加工过程，建立滑移线场，然后利用滑移线某些特性来求解，理论完整，计算精度高，严格来说仅适用于理想刚塑性体的平面问题，但一定条件下可推广到平面应力和轴对称问题以及硬化材料上限法基于虚功原理和变分极值原理，已不用有限元法变形体离散化，分片近似，将各单元的关系式集成为有限个节点的总体方程，即用有限个自由度的较简单问题解去逼近复杂问题的解14.塑性成形中的摩擦有哪些特点？摩擦对塑性成形时金属的流动有哪些影响？特点：1.伴随有变形金属的塑性流动2.接触面压强高3.实际接触面积大4.不断有新的摩擦面产生5.常在高温下产生摩擦影响：大部分情况下有害1.改变变形体内应力状态，增加变形抗力2.引起不均匀变形，产生应力不均，形成歪扭、残余应力，降低塑性，甚至引起损坏3.降低模具寿命15.塑性成形中主要润滑方法有哪些？对润滑剂有何要求？常用润滑剂是什么？润滑方法：液体润滑，表面磷化处理，表面镀层对润滑剂的要求：1.良好的耐压性能2.良好的耐热性3.具有冷却模具的作用4.应无腐蚀5.无毒6.使用、清理方便，来源丰富，加工便宜等分类：1.液体润滑剂：矿物油、植物油、动物油、乳液和有机化合物等液体2.固体润滑剂：分为干性和软化固体润滑剂，前者如石墨、二硫化钼、云母等；后者如玻璃、珐琅、天然矿物和各种无机盐等。润滑剂中还常常添加油性剂、挤压剂、抗磨剂和防锈剂