材料科学基础-第345次作业解答

三、材料变形、回复与再结晶1.名词解释（1）临界分切应力:是材料常数，与晶体取向无关。当塑性变形以滑移方式进行时，外应力在某一滑移系上的分切应力达到临界值时才能发生滑移，这一极限分切应力称为临界分切应力。大小取决于位错在滑移面上运动时所受的阻力。（2）孪生:晶体在切应力作用下，沿一定晶面和一定晶向局部区域的各个晶面相对于其邻面产生切变，变形后形成的孪生区域内，晶体结构与母体相同，但晶体取向发生变化，与母体呈镜面对称，构成孪晶，其对称面称为孪晶界。（3）固溶强化:由于溶质原子的加入引起点阵畸变，位错运动时必须克服溶质原子产生的内应立场，阻力比纯金属大，增大了晶体滑移阻力，使固溶体合金的强度和硬度提高。（4）Orowan机制:位错绕过机制。当第二相粒子比基体硬，位错不能切割粒子滑移时，受到粒子阻挡而弯曲形成包围粒子的位错环，其余部分位错线在线张力作用下迅速被拉直并继续滑移。（5）应变时效:退火状态的试样拉伸超过屈服点卸载马上再加载，不发生屈服现象。放置一段时间后再加载，屈服现象重新出现。可以用柯氏气团解释。（6）二次再结晶:异常晶粒长大。再结晶完成后的金属继续加热超过某一温度，少数晶粒可能突然异常长大的现象（其他晶粒仍保持细小）。（7）回复：冷变形金属在退火时发生组织性能变化的早期阶段，时新的无畸变晶粒出现前所产生的亚结构和性能变化的阶段，随温度和时间变化。2.WhyareFCCmetalsmoreductilethaneitherHCPorBCCmetals?SolutionBecauseFCCmetalshave12slipsystems.HCPmetalsjusthave3slipsystems.EvenBCCmetalshave48slipsystems,FCCmetalshave3slipdirectionsoneachslipplane.3.Howdochangesinthedislocationdensityaffectthestrengthandductility(i.e.itsabilitytodeformplastically)?Why?Solution因为晶体的宏观塑性变形是通过位错运动来实现的，而位错运动时除了受到点阵阻力，还会受到其他位错的作用力，包括应力场和交割。所以临界分切应力和位错密度的平方根成正比，纯金属的临界分切应力可表示为𝜏𝑐=𝜏0+𝛼𝐺𝑏𝜌12⁄当位错密度很低时，晶体接近完美晶体，然后随着位错密度增大，强度迅速下降。随后，晶体中位错密度增大，导致临界分切应力增大，材料强度增加。4.已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm的-Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa,问平均晶粒直径为0.0196mm的-Fe的屈服强度为多少？解：由霍尔-佩奇公式，合金屈服强度与晶粒直径关系:𝜎𝑠=𝜎0+𝑘𝑑−12112.7=𝜎0+𝑘∗1−12196=𝜎0+𝑘∗0.0625−12∴𝜎0≈84.93333𝑘≈27.76667平均晶粒直径为0.0196mm的-Fe的屈服强度为在此处键入公式。𝜎𝑠=𝜎0+𝑘𝑑−12=27.76667−84.93333∗0.0196−12≈283.2871𝑃𝑎5.试指出Cu和-Fe两晶体易滑移的晶面和晶向，并求出他们的滑移面间距，滑移方向上的原子间距及点阵阻力。（已知GCu=48.3GPa，G-Fe=81.6GPa，v=0.3）解：Cu为FCC结构。易滑移的晶面为{111}，晶向110滑移面间距𝑎𝐶𝑢=𝑎√ℎ2+𝑘2+𝑙2=√3𝑎3滑移方向上的原子间距𝑏𝐶𝑢=𝑎√𝑢2+𝑣2+𝑤2=√2𝑎2Cu点阵阻力𝜏𝐶𝑢=2𝐺1−𝛾exp{−2𝜋𝑎(1−𝛾)𝑏}=2∗48.31−0.3exp{−2∗3.14∗√3𝑎3(1−0.3)∗√2𝑎2}=90.91𝑀𝑃𝑎-Fe为BCC结构.易滑移的晶面为{110}{112}{123}，晶向111，晶面为{110}时滑移面间距𝑎𝐹𝑒=𝑎√ℎ2+𝑘2+𝑙2=√2𝑎2滑移方向上的原子间距𝑏𝐹𝑒=𝑎√𝑢2+𝑣2+𝑤2=√3𝑎2点阵阻力𝜏𝐹𝑒=2𝐺1−𝛾exp{−2𝜋𝑎(1−𝛾)𝑏}=2∗81.61−0.3exp{−2∗3.14∗√2𝑎2(1−0.3)∗√3𝑎2}=153.59𝑀𝑃𝑎6.今有纯Ti、Al、Pb三种铸锭，试判断它们在室温（20°C）轧制的难易顺序。是否可以连续轧制？如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板？（已知Ti的熔点1672°C，在883°C以下为HCP结构，883°C以上为BCC结构；Al的熔点为660°C，BCC结构；Pb的熔点为328°C，FCC结构。）解：室温（20°C）下，Ti为HCP结构，Al为BCC结构，Pb为FCC结构。轧制为塑性变形，根据三种结构滑移系的不同(FCC结构塑性最好，BCC结构次之，HCP结构最难)，三种铸锭轧制由难到易为Ti，Al，Pb。不可以连续轧制。应将Ti加热到883°以上，162°以下，进行轧制。Al，Pb在室温下轧制。7.简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力。如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后组织结构的主要区别是什么？解一次再结晶的驱动力:变形金属经回复后未被释放的储存能。二次再结晶的驱动力：界面能降低晶粒尺寸差别。冷加工:低于再结晶温度的加工。热加工:高于再结晶温度的加工。动态再结晶与静态再结晶后组织结构的主要区别：动态再结晶得到的晶粒更细。8.某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时疏忽，未将钢绳取出，而是随同工件一起加热至860℃，保温时间到了，打开炉门，欲吊出工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因解：高温和拉力使钢绳发生蠕变。原子活动能力提高，位错滑移更为容易，塑性变形越来越大，在晶界处形成微孔和裂纹，最后断裂。9.有一截面为10mm10mm的镍基合金试样，其长度为40mm，拉伸实验结果如下表，试计算其抗拉强度b，屈服强度0.2，弹性模量以及延伸率。解：σ=𝐹𝐴A=10∗10∗10−6𝑚2σ𝑏=127600100=1276𝑀𝑃𝑎σ0.2=100000100=1000𝑀𝑃𝑎当F=86200N时，σ=𝐹𝐴0=𝐸𝜀=0.2𝐸∴弹性模量E=4310MPa延伸率δ=50.2−4040∗100%=25.5%载荷（N）标距长度（mm）040.043，10040.186，20040.2102，00040.4104，80040.8109，60041.6113，80042.4121，30044.0126，90046.0127，60048.0113，800（破断）50.2