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1、第十三章 思考与练习简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。 答： 滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。 设有一简单立方结构的双晶体，如图13-34所示，如果该金属的滑移系是100 ，试问在应力作用下，该双晶体中哪一个晶体 首先发生滑移？为什么？ 答：晶体首先发生滑移，因为受力的方向接近软取向，而接近硬取向。试分析多晶体塑性变形的特点。答：多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。 多晶体金属的塑性
2、变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。4. 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。5. 合金的塑性变形有何特点？ 答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。 单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用， 多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、
3、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显著的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。6. 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？ 答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成
4、纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。 7. 产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？ 答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形
5、成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。8. 什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？ 答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。 对于层错能高的金属，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。9. 什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？ 答：在热塑性变形过程中，层错能低的金属在变形量很大时，当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变，称为动态再结晶。影响动态再结晶的主要因素有：金属的
6、层错能高低，晶界迁移的难易程度有关。10. 什么是扩散性蠕变？它的作用机理是什么？ 答：扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。它的作用机理是在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。11. 钢锭经热加工变形后的组织和性能发生什么变化？ 答：组织和性能发生什么变化：改善晶粒组织锻合内部缺陷形成纤维状组织改善碳
7、化物和夹杂物分布改善偏析。14 思考与练习1. 什么叫张量？张量有什么性质？答：张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢量，即9个分量才能完整地表示。2. 如何表示任意斜微分面上的应力？答：若过一点的三个互相垂直的微分面上的九个应力分量已知，则借助静力平衡条件，该点任意方向上的应力分量可以确定。如图14-1所示，设过Q点任一斜切面的法线N与三个坐标轴的方向余弦为l，m，n，图14-1 任意斜切微分面上的应力l=cos(N,x); m=cos(N,y); n=cos(N,z)。 若斜微分面ABC的面积为dF， 微分面OBC(x面)、OCA(y
8、面)、OAB(z 面)的微分面积分别为dFx、dFy、dFz， 则各微分面之间的关系为dFx=ldF；dFy= mdF； dFz=ndF又设斜微分面ABC上的全应力为S，它在三坐标轴方向上的分量为Sx 、Sy 、Sz，由静力平衡条件，得：整理得 （14-6）用角标符号简记为 显然，全应力 斜微分面上的正应力为全应力在法线N方向的投影，它等于,在N方向上的投影之和，即 （14-7）斜切微分面上的切应力为 （14-8）所以，已知过一点的三个正交微分面上9个应力分量，可以求出过该点任意方向微分面上的应力，也就是说，这9个应力分量可以全面表示该点应力状况，亦即可以确定该点的应力状态。3. 应力张量不变
9、量如何表达？答：应力张量的三个不变量为 其中、为应力张量第一、第二、第三不变量。4. 应力偏张量和应力球张量的物理意义是什么？答：应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，可采用截面法进行分析应力球张量：也称静水应力状态，其任何方向都是主方向，且主应力相同，均为平均应力。特点：在任何切平面上都没有切应力，所以不能使物体产生形状变化，而只能产生体积变化，即不能使物体产生塑性变形。应力偏张量：是由原应力张量分解出应力球张量后得到的。应力偏张量的切应力分量、主切应力、最大切应力及应力主轴等都与原应力张量相同。特点：应力偏张量只使物体产生形状变化，而
10、不能产生体积变化。材料的塑性变形是由应力偏张量引起的。5. 平面应力状态和纯切应力状态有何特点?答：平面应力状态的特点为：变形体内各质点与某坐标轴垂直的平面上没有应力。 纯切应力状态：纯切应力Tao等于最大切应力，主轴与坐标轴成45度，切应力在数值上等于主应力，tao=kexi1-kexi2.因此，若两个主应力在数值上相等，但符号相反，即为纯切应力状态。6. 等效应力有何特点？写出其数学表达式。答：等效应力的特点：等效应力不能在特定微分平面上表示出来，但它可以在一定意义上“代表”整个应力状态中的偏张量部分，因而与材料的塑性变形密切有关。人们把它称为广义应力或应力强度。等效应力也是一个不变量。其
11、数学表达式如下：等效应力在主轴坐标系中定义为 在任意坐标系中定义为7. 已知受力物体内一点的应力张量为 （MPa），试求外法线方向余弦为l=m=1/2，n=的斜切面上的全应力、正应力和切应力。解：设全应力为S， ，, 分别为S在三轴中的分量， 则有:=50+ 50+80=106.6 =50+0-75=-28.0=80-75-30=-18.7 则得到 S 111.79 MPa 则得到 26.1 MPa而 则得到 108.7 MPa8. 已知受力体内一点的应力张量分别为， (MPa)1） 画出该点的应力单元体；2） 求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、主切应力、最大切应力、等效应力、应力偏张
12、量和应力球张量；3） 画出该点的应力莫尔圆。解：1）略2）在状态下：J=+=10J=-(+)+=200J=+2-(+)=0式和由 20 ， 0 ， -10 代入公式对于20时： 对于0时： 对于10时： 主切应力 最大切应力等效应力： 应力偏张量： 故 应力球张量： 9. 某受力物体内应力场为：，试从满足平衡微分方程的条件中求系数 、。解 由平衡微分条件： 思考与练习15 1. 陈述下列术语的物理含义：位移，位移分量，线应变，工程切应变，对数应变，主应变，主切应变，最大切应变，应变张量不变量，等效应变，应变增量，应变速率，位移速度。答：位移：变形体内质点M（x，y，z）变形后移动到M1，我们把
13、它们在变形前后的直线距离称为位移；位移分量：在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为该点的位移分量；线应变：表示线元的单位长度的变化；工程切应变：单元体在某一平面内发生了角度的变化；对数应变：对数应变真实反映变形的累积过程，表示在应变主轴不变的情况下应变增量的总和；主应变：发生在主平面单位面积上的内力称为主应力；主切应变：发生在主切平面上的应变；最大切应变：主切应变中绝对值最大的一个称为最大切应变应变张量不变量：对于一个确定的应变状态，主应变只有一组值，即主应变具有单值性。由此，应变张量、也应是单值的，所以将、称为应变张量不变量。等效应变：一个不变量，在数值上等于单向均匀拉伸或压缩方
14、向上的线应变。等效应变又称广义应变。应变增量：塑性变形是一个大变形过程，在变形的整个过程中，质点在某一瞬时的应力状态一般对应于该瞬时的应变增量应变速率：单位时间内的应变称为应变速率。位移速度：质点在单位时间内的位移叫做位移速度。2. 如何完整地表示受力物体内一点的应变状态？答：质点的三个互相垂直方向上的9个应变分量确定了该店的应变状态。已知这9个应变分量组成一个应变张量，用表示，则 ，即可完整的表示受力物体内的应变状态。3. 应变偏张量和应变球张量代表什么物理意义？答：应变张量可以分解为应变球张量和应变偏张量，应变偏张量表示单元体形状变化，应变球张量表示单元体体积变化。4. 应变张量和应变偏张量有何关系？答：应变张量与应力张量具有同样的性质，主要有：（1）存在三个互相垂直的主方向，在该方向上线元只有主应变而无切应变。用、表示主应变，则主应变张量为主应变可由应变状态特征方程求得。（2）存在三个应变张量不变量、，且对于塑性变形，由体积不变条件，（3）在与主应变方向成方向上存在主切应变，其大小为， ， 若，则最大切应变为（4
