复习重点：名词、简答、各章课堂强调的重点及书后作业

第六章 金属的塑性变形和再结晶

一、名词

强 度：材料在外力作用下抵抗破坏的能力。

屈服极限：金属开始产生屈服现象时的应力。

延伸率：在拉伸试验中，金属试样断裂后标距长度伸长量 L(Lk-L0)与原始标距长度L0的百分比。

断面收缩率：在拉伸试验中，金属试样断裂后原始横截面面积F0和断裂时横截面面积Fk之差与原始横截面积F0的百分比。

滑移带：当表面抛光的单晶体金属试样经过适量塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上出现的相互平行的线条。

滑移线：经塑性变形后在试样表面上产生的一个个小台阶。

滑 移：晶体的一部分相对于另一部分沿着某些晶面和晶向发生相对滑动的塑性变形方式。

滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向结合起来组成一个滑移系。

软取向：当外力与滑移面、滑移方向的夹角都是45°时所对应的取向称为软取向。

硬取向：当外力与滑移面平行( ＝90°)或垂直( =90°)时所对应的取向称为硬取向。

细晶强化：用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法。

孪生：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(孪晶面或孪生面)与晶向(孪生方向)产生一定角度的均匀切变过程。

孪晶：通过孪生形成的以孪晶界为分界面的对称的两部分晶体。

变形织构：因塑性变形导致的多晶体晶粒具有的择优取向的组织。

加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降的现象。

二、简答：

1. 低碳钢拉伸应力-应变曲线可分为哪几个阶段？

答：弹性变形、塑性变形、断裂

2. 影响弹性模量的因素有哪些？

答：金属的本性、晶体结构、晶格常数。

3. 滑移面与滑移方向选择晶体密排面与密排晶向的原因？

答：密排晶面上原子间结合力最强，而密排晶面之间的原子间结合力最弱，滑移的阻力最小，因而最易滑移，密排晶向阻力最小。

4. 多晶体塑性变形的特点？

答：各晶粒不同时变形、各晶粒相互协调变形、各晶粒及一个晶粒内部变形不均匀

5. 塑性变形后，金属内部残余应力有哪几种？

答：宏观内应力、微观内应力、点阵畸变

6、根据组织，合金分为哪两种？

答：1）单相固溶体合金，2）多相合金。

7、什么是柯垂尔气团？

答：溶质原子偏聚于刃型位错周围，形成的溶质气团。

8、影响多相合金塑性的因素？

答：1）固溶体基体的塑性；2）第二相的性质、形状、大小、数量及分布状况。

9、第二相强化有哪两种强化机制？

答：1）位错绕过第二相粒子，2）位错切过第二相粒子。

10、由于加工方式的不同造成的两种不同类型的形变织构是什么？

答：1）丝织构，2）板织构。

11、金属塑性变形后，残留在其内部的应力有哪三种？

答：宏观内应力，微观内应力，点阵畸变内应力。

12、金属材料断裂裂纹扩展包括哪两个基本过程？

答：1）裂纹的萌生，2）裂纹的扩展。

13、影响材料断裂的基本因素？

答：1）裂纹与应力状态，2）温度，3）其他外界因素（环境介质、应力、氢脆、变形速度）。

14、在外力作用下，材料中的裂纹扩展方式有哪三种类型？

答：1）张开型，2）滑开型，3）撕开型。

三、绘图题：绘图说明弗兰克－瑞德位错增殖机制。

四、综合应用题

1、画出低碳钢的拉伸曲线，标出弹性变形、塑性变形和断裂三阶段。

答：

2、何谓刚度？影响因素有哪些？为什么说它是组织不敏感性能指标？

答：工程上经常将零件或构件产生弹性变形的难易程度称为零件或构件的刚度。

影响因素：金属的本性、晶体结构、晶格常数。

刚度取决于原子间结合力的大小，数值只与金属的本性、晶体结构、晶格常数等有关，而金属的合金化、加工过程及热处理对它的影响较小。

3、弹性变形的物理本质是什么？它与原子间结合力有何关系？

答：金属晶格结构在外力作用下产生弹性畸变。

原子间结合力越大，弹性变形越不容易进行。

4、塑性变形的物理本质是什么？塑性变形的基本方式有哪几种？

答：塑性变形的实质是金属晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面和晶面上一定的晶向进行滑动或产生一定角度的均匀切变。

塑性变形的基本方式：滑移和孪生。

5、多晶体塑性变形区别于单晶体变形的特点？

答：1）塑性变形受晶界的阻碍和位向不同的晶粒的影响；

2）任何一个晶粒的变形都不是处于独立的自由变形状态，需要周围其他晶粒同时发生相适应的变形来配合，以保持晶粒之间的结合和整个物体的连续性。

6、多晶体塑性变形的特点？

答：1）各晶粒不同时变形；2）各晶粒相互协调变形；3）各晶粒及一个晶粒内部变形不均匀。

7、固溶强化的微观本质是什么？

答：1）溶质原子引起的弹性点阵畸变应力场与位错的长程应力场交互作用阻碍位错运动。

2）溶质原子偏聚于位错线上，钉扎位错。

8、合金元素固溶强化规律是什么？

答：1）合金元素的质量分数越大，强化作用越大；

2）溶质与溶剂原子尺寸差越大，强化作用越大；

3）间隙固溶强化大于置换固溶强化；

4）溶质与溶剂原子的价电子数相差越大，强化作用越大。

9、合金中硬脆相的分布有哪三种？

答：1）硬脆相呈连续网状分布于塑性相的晶界上；

2）硬脆相呈片状或层片状分布于塑性相的基体上；

3）硬脆相在塑性相中呈颗粒状分布。

10、已知纯铜的[10]（111）滑移系的临界分切应力 k为1MPa。（1）要使（11）面上的位错沿[101]方向发生滑移，至少要在[001]方向上施加多大应力？（2）说明此时（11）面上的位错能否沿[110]方向滑移。可了解掌握

解：（1）设至少要在[001]方向上施加的应力为 ， 在（11）面上的分切应力为 ，则有

/ =a/--（1）

当分切应力 在[101]方向上的分切应力达到临界分切应力 k，纯铜的[10]（111）滑移系开动，所以有

k/ =/--（2）

将（1）式代入（2）式，可得

==1.414 MPa

（2） 在（11）面上的分切应力为 垂直[110]方向，在[110]方向的分切应力为0，因此，此时（11）面上的位错不能沿[110]方向滑移。

6、对铝单晶试样，沿[12]方向施加2MPa的拉应力，铝单晶开始沿（111）面首先发生滑移：

试确定此时的滑移方向，说明理由。可了解掌握

答：滑移方向为[01]，原因：外力在此方向上的分切应力大。

7、试述滑移的本质。用位错理论解释晶体滑移时临界分切应力的理论值与实验值相差十分悬殊的原因。

答：滑移的本质：位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动。

原因：晶体在滑移时并不是滑移面上的原子一齐移动，而是位错中心原子的逐一递进，由一个平衡位置转移到另一个平衡体置。位错虽然移动了一个原子间距，但只需位错中心附近的少数原子作远小于一个原子间距的弹性偏移。因此位错运动只需要一个很小的切应力就可实现。

8、试用多晶体的塑性变形过程说明纯金属晶粒越细、强度越高、塑性越好的原因。（为什么晶粒越细，屈服强度越高，且具有较好的塑性和韧性？）必须掌握

答：由Hall-Petch公式可知，屈服强度 s与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系。

在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。由 =n 0知，塞积位错数目n越大，应力集中 越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。

在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶粒细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。

9、何谓加工硬化？产生原因和消除方法是什么？

答：加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降的现象。

产生原因：位错的运动和交互作用造成的。随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，因此，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积群、割阶、缠结网等障碍，阻碍位错的进一步运动，引起变形抗力增加，因此提高了金属的强度。

消除办法：再结晶退火。

10、试述金属材料冷塑性变形对组织和性能的影响。

答：塑性变形对金属组织结构的影晌：1）显微组织发生变化，晶粒形状由多边形变为扁平形或长条形；2）亚结构得到细化，亚结构直径将细化至10-4~10-6cm，并出现变形亚晶；３）出现变形织构，塑性变形导致多晶体出现晶粒具有择优取向的组织；４）产生残余应力，在金属内部，形成残余内应力和点阵畸变。

塑性变形对金属性能的影晌：1）对金属机械性能的影响，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性则显著下降；２）对金属物理、化学性能的影响，经过冷塑性变形以后，金属的物理性能和化学性能发生明显的变化，比电阻增加，电阻温度系数下降，导热系数略有下降，导磁率、磁饱和度下降，但磁滞和矫顽力增加，化学活性提高，腐蚀速度加快，扩散激活能减少，扩散速度增加。

五、书后习题 P192

6-4 试用多晶体的塑性变形过程说明金属晶粒越细强度越高、塑性越好的原因是什么？见 四、综合应用题 8

6-6 滑移和孪生有何区别，试比较它们在塑性变形过程的作用。

答：区别：1）滑移：一部分晶体沿滑移面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离是滑移方向原子间距的整数倍；孪生：一部分晶体沿孪生面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍。2）滑移：滑移面两边晶体的位向不变；孪生：孪生面两边的晶体的位向不同，成镜面对称。3）滑移：滑移所造成的台阶经抛光后，即使再浸蚀也不会重现；孪生：由于孪生改变了晶体取向，因此孪生经抛光和浸蚀后仍能重现。4）滑移：滑移是一种不均匀的切变，它只集中在某些晶面上大量的进行，而各滑移带之间的晶体并未发生滑移；孪生：孪生是一种均匀的切变，即在切变区内与孪生面平行的每一层原子面均相对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定的距离。

作用：晶体塑性变形过程主要依靠滑移机制来完成的；孪生对塑性变形的贡献比滑移小得多，但孪生改变了部分晶体的空间取向，使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，激发晶体滑移。

6-7 试述金属塑性变形后组织结构与性能之间的关系，阐明加工硬化在机械零构件生产和服役过程中的重要意义。

答：关系：随着塑性变形程度的增加，位错密度不断增大，位错运动阻力增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降。

重要意义：1）提高金属材料的强度；2）是某些工件或半成品能够加工成形的重要因素；3）提高零件或构件在使用过程中的安全性。

6-8 金属材料经塑性变形后为什么会保留残留内应力？研究这部分残留内应力有什么实际意义？

答：残余内应力存在的原因：

1）塑性变形使金属工件或材料各部分的变形不均匀，导致宏观变形不均匀；

2）塑性变形使晶粒或亚晶粒变形不均匀，导致微观内应力；

3）塑性变形使金属内部产生大量的位错或空位，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，导致点阵畸变内应力。

实际意义：可以控制材料或工件的变形、开裂、应力腐蚀；可以利用残留应力提高工件的使用寿命。