./第六章金屬及合金的塑性變形和斷裂6-1鋅單晶體試樣截面積A=78.5mm2,經拉伸試驗測定的有關數據如下表：屈服載荷/N620252184148174273525φ角〔°8372.56248.530.51765λ角〔°25.52638466374.882.5τk〔Mpa0.870.870.870.870.890.90.87cosλcosφ0.110.270.370.460.40.260.13σs〔Mpa7.903.212.341.892.223.486.69根據以上數據求出臨界分切應力τk并填入上表求出屈服載荷下的取向因子,作出取向因子和屈服應力的關系曲線,說明取向因子對屈服應力的影響.答：需臨界臨界分切應力的計算公式：τk=σscosφcosλ,σs為屈服強度=屈服載荷/截面積需要注意的是：在拉伸試驗時,滑移面受大小相等,方向相反的一對軸向力的作用.當載荷與法線夾角φ為鈍角時,則按φ的補角做余弦計算.cosφcosλ稱作取向因子,由表中σs和cosφcosλ的數值可以看出,隨著取向因子的增大,屈服應力逐漸減小.cosφcosλ的最大值是φ、λ均為45度時,數值為0.5,此時σs為最小值,金屬最易發生滑移,這種取向稱為軟取向.當外力與滑移面平行〔φ=90°或垂直〔λ=90°時,cosφcosλ為0,則無論τk數值如何,σs均為無窮大,表示晶體在此情況下根本無法滑移,這種取向稱為硬取向.6-2畫出銅晶體的一個晶胞,在晶胞上指出：1發生滑移的一個滑移面2在這一晶面上發生滑移的一個方向3滑移面上的原子密度與{001}等其他晶面相比有何差別4沿滑移方向的原子間距與其他方向有何差別.答：解答此題首先要知道銅在室溫時的晶體結構是面心立方.發生滑移的滑移面通常是晶體的密排面,也就是原子密度最大的晶面.在面心立方晶格中的密排面是{111}晶面.發生滑移的滑移方向通常是晶體的密排方向,也就是原子密度最大的晶向,在{111}晶面中的密排方向<110>晶向.{111}晶面的原子密度為原子密度最大的晶面,其值為2.3/a2,{001}晶面的原子密度為1.5/a2滑移方向通常是晶體的密排方向,也就是原子密度高于其他晶向,原子排列緊密,原子間距小于其他晶向,其值為1.414/a.6-3假定有一銅單晶體,其表面恰好平行于晶體的〔001晶面,若在[001]晶向施加應力,使該晶體在所有可能的滑移面上滑移,并在上述晶面上產生相應的滑移線,試預計在表面上可能看到的滑移線形貌.答：對受力后的晶體表面進行拋光,在金相顯微鏡下可以觀察到在拋光的表面上出現許多相互平行的滑移帶.在電子顯微鏡下,每條滑移帶是由一組相互平行的滑移線組成,這些滑移線實際上是晶體中位錯滑移至晶體表面產生的一個個小臺階,其高度約為1000個原子間距.相臨近的一組小臺階在宏觀上反映的就是一個大臺階,即滑移帶.所以晶體表面上的滑移線形貌是臺階高度約為1000個原子間距的一個個小臺階.6-4試用多晶體的塑性變形過程說明金屬晶粒越細強度越高、塑性越好的原因？答：多晶體的塑性變形過程：多晶體中由于各晶粒的位向不同,則各滑移系的取向也不同,因此在外加拉伸力的作用下,各滑移系上的分切應力也不相同.由此可見,多晶體中各個晶粒并不是同時發生塑性變形,只有那些取向最有利的晶粒隨著外力的增加最先發生塑性變形.晶粒發生塑性變形就意味著滑移面上的位錯源已開啟,位錯將會源源不斷地沿著滑移面上的滑移方向運動.但是,由于相鄰晶粒的位向不同,滑移系的取向也不同,因此運動著的位錯不能夠越過晶界,滑移不能發展到相鄰晶粒中,于是位錯在晶界處受阻,形成位錯的平面塞積群.位錯平面塞積群在其前沿附近造成很大的應力集中,這一集中應力與不斷增加的外加載荷相疊加,使相鄰晶粒某些滑移系上的分切應力達到臨界值,于是位錯源開動,開始塑性變形.為了協調已發生變形的晶粒形狀的改變,要求相鄰晶粒必須進行多系滑移,這樣就會使越來越多的晶粒參與塑性變形.在多晶體的塑性變形中,由外加載荷直接引起塑性變形的晶粒只占少數,不產生明顯的宏觀效果,多數晶粒的塑性變形是由已塑性變形的晶粒中位錯平面塞積群所造成的應力集中所引起,并造成一定的宏觀塑性變形效果.多晶體的塑性變形具有不均勻性.由于各晶粒間以及晶粒內和晶界位向不同的影響,各個晶粒間及晶粒內的變形都是不均勻的.晶粒越細強度越高、塑性越好的原因：強度：由多晶體的塑性變形過程可知,多數晶粒的塑性變形是由先塑性變形晶粒中的位錯平面塞積群引起的應力集中于外加載荷相疊加而引起的.由位錯運動理論可以得知,位錯塞積群在障礙處產生的應力集中與位錯數目有關,位錯數目越多,造成的應力集中越大,而位錯數目與位錯源到障礙物的距離成正比.所以晶粒越小,位錯源到障礙物〔晶界的距離越短,位錯數目越少,造成的應力集中越小,此時如果要是相鄰晶粒發生塑性變形,則需要較大的外加載荷,也就是抵抗塑性變形的能力月強,強度越高.塑性：由多晶體的塑性變形過程可知,多晶體的塑性變形具有不均勻性.晶粒越細,各晶粒間或晶粒內部與晶界處的應變相差越小,變形較均勻,相對來說因不均勻變形產生應力集中引起開裂的機率較小,這就有可能在斷裂前承受較大的塑性變形量,可以得到較高的伸長率和斷面收縮率.韌性：由于細晶粒的變形較均勻,不易產生應力集中裂紋,而且晶粒越細晶界面積越大,對裂紋擴展的阻力越大,因此在斷裂過程中可以吸收更多的能量,表現出較高的韌性.6-5口杯采用低碳鋼板冷沖而成,如果鋼板的晶粒大小很不均勻,那么沖壓后常常發現口杯底部出現裂紋,這是為什么？答：裂紋原因：低碳鋼板冷沖時,各部分的塑性變形是不均勻的,在口杯局內在宏觀內應力.由于多晶體晶粒變形的不均勻性,加上原始晶粒大小不一,則更加促進了變形的不均勻性,由此產生較大的第二類內應力.所以,沖壓后口杯底部出現裂紋的原因是由鋼板不均勻變形產生的宏觀內應力和晶粒變形不均勻造成的內應力相疊加,超過了鋼板的斷裂強度,出現裂紋.6-6滑移與孿生有何區別,試比較它們在塑性變形過程中的作用.答：滑移定義：晶體在切應力作用下,晶體的一部分相對于另一部分沿某些晶面〔滑移面和晶向〔滑移方向發生滑動的現象.本質：滑移并不是晶體的一部分相對于另一部分作整體的剛性移動,而是位錯在切應力的作用下沿著滑移面上的滑移方向逐步移動的結果.孿生定義：晶體在切應力作用下,晶體的一部分沿一定的晶面〔孿生面和一定的晶向〔孿生方向相對于另一部分晶體做均勻地切變；在切變區域內,與孿生面平行的的每層原子的切變量與它距離孿生面的距離成正比,而且不是原子間距的整數倍,這種切變不會改變晶體的點陣類型,但可使變形部分晶體的位向發生變化,并與未變形部分的晶體以孿晶界為分界面構成鏡面對稱的位向關系.通常把對稱的兩部分晶體稱為孿晶,而將形成孿晶的過程稱為孿生.滑移在塑性變形過程中的作用：在常溫和低溫下金屬的塑性變形主要通過滑移方式進行.晶體中滑移系越多,則可供滑移采用的空間位向越多,塑性變形越容易進行.當沿滑移面上滑移方向的分切應力達到臨界分切應力時,滑移就可進行,而且位錯只需一個很小的切應力就可以實現運動.在晶體發生滑移的同時,滑移面和滑移方向會發生轉動,造成滑移系取向的變化,有可能使其他滑移系的分切應力達到臨界值,產生多滑移現象,促進晶體的塑性變形.孿生在塑性變形過程中的作用：孿生對塑性變形的貢獻比滑移要小.孿生的臨界分切應力要比滑移的臨界分切應力大得多,只有在滑移很難進行的條件下,晶體才進行孿生變形.但是,由于孿生后變形部分的晶體位向發生改變,可能會使原來處于不利取向的滑移系轉變為新的有利取向,這樣可以激發晶體的進一步塑性變形.所以當金屬中存在大量孿晶時,可以促進塑性變形.6-7試述金屬經塑性變形后組織結構與性能之間的關系,闡明加工硬化在機械零構件生產和服役過程中的重要意義.答：金屬塑性變形后組織結構與性能之間的關系：金屬塑性變形后,晶粒形狀發生變化,沿變形方向伸長,當變形量很大時出現纖維組織,使金屬的力學性能呈方向性.金屬塑性變形后,晶體中的亞結構得到細化,形成大量的胞狀亞結構.位錯密度增加,位錯相互交割出現位錯割階和位錯纏結現象,產生加工硬化,硬度、強度增加,塑性、韌性降低.金屬塑性變形后,當變形量很大時,多晶體中原為任意取向的各個晶粒逐漸調整其取向而趨于彼此一致,產生形變織構.金屬性能表現為各向異性.金屬塑性變形后,晶體缺陷增加,產生大量的空位.空位增加,電阻率增大,導電性能和導熱性能略為下降.內能增加,化學性提高,耐腐蝕性能降低.加工硬化在機械零件生產和服役過程中的重要意義：加工硬化：金屬在塑性變形過程中,隨著變形程度的增加,金屬的硬度、強度增加,而塑性、韌性下降的現象.又稱形變強化.原因：隨著塑性變形的進行,位錯密度不斷增大,位錯在運動時的相互交割加劇,產生位錯割階和位錯纏結等障礙,使位錯運動的阻力增大,造成晶體的塑性變形抗力增大.在零件生產中的意義：對于用熱處理方法不能強化的材料來說,可以用加工硬化方法提高其強度.如塑性很好而強度較低的鋁、銅及某些不銹鋼,在生產中往往制成冷拔棒材或冷軋板材使用.加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成型的重要因素.例如鋼絲冷拔過程中產生加工硬化保證其不被拉斷.在零件使用過程中的意義：提高零件在使用過程中的安全性.零件在使用過程中各個部位的受力是不均勻的,往往會在某些部位產生應力集中和過載現象,使該處產生塑性變形.如果沒有加工硬化,則該處變形會越來越大直至斷裂.正是由于加工硬化的原因,這種偶爾過載部位的變形會因為強度的增加而自行停止,從而提高零件的安全性.需要指出的是：加工硬化現象也會給零件生產和使用帶來一些不利因素金屬隨著塑性變形程度的增加,塑性變形抗力不斷增大,進一步的變形就必須增大設備功率,增加能源動力的消耗.金屬經加工硬化后,塑性大為降低,在使用過程中,如果繼續變形容易導致開裂.6-8金屬材料經塑性變形后為什么會保留殘留內應力,研究這部分內應力有什么意義？答：殘留內應力的形成原因：金屬材料經塑性變形后,外力所做的功大部分轉化為熱能消耗掉,但尚有一小部分〔約占總變形功的10%保留在金屬內部,形成殘留內應力.主要分為以下三類：宏觀內應力〔第一類內應力：它是由于金屬材料各部分的不均勻變形引起的,是整個物體范圍內處于平衡的力.微觀內應力〔第二類內應力：它是由于晶粒或亞晶粒不均勻變形而引起的,是在晶粒或亞晶粒范圍內處于平衡的力.點陣畸變〔第三類內應力：它是由于塑性變形使金屬內部產生大量的位錯和空位,使點陣中的一部分原子偏離其平衡位置,造成點陣畸變.它是只在晶界、滑移面等附近不多的原子群范圍內保持平衡的力.研究這部分內應力的意義：通常情況下,殘留內應力的存在對金屬材料的力學性能是有害的,它會導致材料的變形、開裂和產生應力腐蝕,降低材料的力學性能.但是當工件表面殘留一薄層壓應力時,可以在服役時抵消一部分外加載荷,反而對使用壽命有利.因此,研究這部分內應力可以降低其對金屬材料的損害,甚至可以利用內應力來提高工件的使用壽命.6-9何謂脆性斷裂和塑性斷裂,若在材料中存在裂紋時,試述裂紋對脆性材料和塑性材料斷裂過程的影響.答：塑性斷裂：又稱為延性斷裂,斷裂前發生大量的宏觀塑性變形,斷裂時承受的工程應力大于材料的屈服強度.脆性斷裂：又稱為低應力斷裂,斷裂前極少有或沒有宏觀塑性變形,但在局部區域仍存在一定的微觀塑性變形,斷裂時承受的工程應力通常不超過材料的屈服強度,甚至低于按宏觀強度理論確定的許用應力.裂紋對材料斷裂的影響：當存在裂紋的材料受到外力作用時,會在裂紋尖端附近產生復雜的應力狀態,并引起應力集中.對于塑性材料,在外力作用下裂紋尖端區域的應力集中很快會超過材料的屈服極限,形成塑性變形區,微孔很容易在此變形區形成、擴大,并與裂紋連接,使裂紋失穩擴展,導致材料發生斷裂.對于脆性材料,其塑性較差,在裂紋尖端區域出現析出質點的幾率很大,因此,一旦在裂紋尖端附近形成一個不大的塑性變形區后,此區的析出相質點附近就可能形成微孔并導致裂紋失穩擴展,直至斷裂.此時整個裂紋界面的平均應力σc仍低于σ0.2,也就是說含裂紋的脆性材料往往表現出低應力斷裂,但斷裂源于微孔聚集方式,微觀斷口形貌仍具有韌窩特征.6-10何謂斷裂韌度,它在機械設計中有何功用？答：應力強度因子：材料中不可避免的存在裂紋,當含有裂紋的材料受外加應力σ作用時,裂紋尖端應力場的各應力分量中均有一個共同因子KI〔KI=σ√πa,a為裂紋長度的一半,用KI表示裂紋尖端應力場的強弱,簡稱應力強度因子.斷裂韌度：當外加應力達到臨界值σc時,裂紋開始失穩擴展,引起斷裂,相應地KI值增加到臨界值Kc,這個臨界應力場強度因子Kc稱為材料的斷裂韌度,可以通過實驗測得.平面應變斷裂韌度：對同一材料來說,Kc取決于材料的厚度：隨著厚度的增加,Kc單調減小至一常數KIc,這時裂紋尖端區域處于平面