西南工业大学材料科学与基础第三版(刘智恩)习题解析

导读:2.纯铝在553℃和627℃等温退火至完成再结晶分别需要40h和1h,试求此材料,附表7-1金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的显微组织、机械性能显微组织,最终得到单位时间通过铁膜片的氮原子总数为N?(J?A)?NA?2.54?10-6?6.02?1023?2?3.06?1018s-1第六章塑性变形1.铜单晶体拉伸时,若力轴为[001]方向,临界分切应力为0.64MPa,问需要多大的拉

西南工业大学材料科学与基础第三版(刘智恩)习题解析

最终得到单位时间通过铁膜片的氮原子总数为

N?(J?A)?NA?2.54?10-6?6.02?1023?2?3.06?1018 s-1

第六章 塑性变形

1. 铜单晶体拉伸时, 若力轴为 [001] 方向, 临界分切应力为0.64 MPa, 问需要多大的拉伸应力才能使晶体开始塑性变形?

解 铜为面心立方金属, 其滑移系为 {111}<110>, 4个 {111} 面构成一个八面体, 详见教材P219中的图6-12.

当拉力轴为 [001] 方向时, 所有滑移面与力轴间的夹角相同, 且每个滑移面上的三个滑移方向中有两个与力轴的夹角相同, 另一个为硬取向(λ = 90°). 于是, 取滑移系

(111)[101]进行计算.

cos??cos??0?1?0?1?1?102?02?12?12?12?120?(?1)?0?0?1?102?02?12?1,66?1.57 MPa.?1,3?1,2(?1)2?02?12m?cos?cos???s??km?0.64?即至少需要1.57 MPa的拉伸应力才能使

晶体产生塑性变形.

2. 什么是滑移、滑移线、滑移带和滑移系? 作图表示α-Fe, Al, Mg中的最重要滑移系. 那种晶体的塑性最好, 为什么?

答: 滑移是晶体在切应力作用下一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向所作的

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平行移动; 晶体的滑移是不均匀的, 滑移部分与未滑移部分晶体结构相同. 滑移后在晶体表面留下台阶, 这就是滑移线的本质. 相互平行的一系列滑移线构成所谓滑移带. 晶体发生滑移时, 某一滑移面及其上的一个滑移方向就构成了一个滑移系.

附图6-1 三种晶体

点阵的主要滑移系

α-Fe具有立方体心结构, 主要滑移系可表示为 {110}<111>, 共有6×2 = 12个; Al具有面心立方结构, 其滑移系可表示为 {111}<110>, 共有4×3 = 12个; Mg具有密排六方结构, 主要滑移系可表示为 {0001}?1120?, 共有1×3 = 3个. 晶体的塑性与其滑移系的数量有直接关系, 滑移系越多, 塑性越好; 滑移系数量相同时, 又受滑移方向影响, 滑移方向多者塑性较好, 因此, 对于α-Fe, Al, Mg三种金属, Al的塑性最好, Mg的最差, α-Fe居中. 三种典型结构晶体的重要滑移系如附图6-1所示.

3. 什么是临界分切应力? 影响临界分切应力的主要因素是什么? 单晶体的屈服强度与外力轴方向有关吗? 为什么?答: 滑移系开动所需的作用于滑移面上、沿滑移方向的最小分切应力称为临界分切应力.临界分切应力τk的大小主要取决于金属的本性, 与外力无关. 当条件一定时, 各种晶体的临界分切应力各有其定值. 但它是一个组织敏感参数, 金属的纯度、变形速度和温度、金属的加工和热处理状态都对它有很大影响.

如前所述, 在一定条件下, 单晶体的临界分切应力保持为定值, 则根据分切应力与外

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加轴向应力的关系: σs = τk / m, m为取向因子, 反映了外力轴与滑移系之间的位向关系, 因此, 单晶体的屈服强度与外力轴方向关系密切. m越大, 则屈服强度越小, 越有利于滑移.

4. 孪生与滑移主要异同点是什么? 为什么在一般条件下进行塑性变形时锌中容易出现挛晶, 而纯铁中容易出现滑移带?答: 孪生与滑移的异同点如附表6-1所示. 附表6-1 晶体滑移与孪生的比较 滑 移 孪 生 (1) 宏观上看, 两者都是在剪(切)应力作用下发生的均匀剪切变形; (2) 微观上看, 两者都是晶体塑性变形的基本方式, 相同方面 是晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向平移; (3) 两者都不改变晶体结构类型. 已孪生部分(挛晶)和未孪生部分(基体)的位向晶体中 晶体中已滑移部分与未滑不同, 且两部分之间具的位向 移部分位向相同 不 有特定的位向关系(镜同 面对称) 方 原子的位移是沿滑移方向原子的位移小于孪生面 上原子间距的整数倍, 且方向的原子间距, 一般位移的量 在一个滑移面上总位移较为孪生方向原子间距大 的1/n 对塑性变 很大, 即总变形量大 有限, 即总变形量小

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形的贡献 所需分切应力一般高变形应力 有确定的临界分切应力 于滑移的 滑移困难时; 或晶体对变形条件 一般情况下, 先发生滑移 称度很低、变形温度较低、加载速率较高时 变形机制 全位错运动的结果 分位错运动的结果 锌为密排六方结构金属, 主要滑移系仅3个, 因此塑性较差, 滑移困难, 往往发生孪生变形, 容易出现挛晶; 纯铁为体心立方结构金属, 滑移系较多, 共有48个, 其中主要滑移系有12个, 因此塑性较好, 往往发生滑移变形, 容易出现滑移带. 第七章 回复与再结晶

1. 已知锌单晶体的回复激活能为8.37×104 J/mol, 将冷变形的锌单晶体在-50 ℃进行回复处理, 如去除加工硬化效应的25% 需要17 d, 问若在5 min 内达到同样效果, 需将温度提高多少摄氏度?

解 根据回复动力学, 采用两个不同温度将同一冷变形金属的加工硬化效应回复到同样程度, 回复时间、温度满足下述关系:

T2?1t1R?ln2T1Qt1?t1Q?11???exp????R?T?T??t2?21???整理后得到

.将

T1?223 K,t2/t1?5/(17?24?60)?1,Q?8.37?104 J/mol, R?8.314 J/(mol?K)4896入上式得到T2?274.7 K.因此, 需将温度提高?T?T2?T1?274.7?223?51.7 ℃.

2. 纯铝在553 ℃ 和627 ℃ 等温退火至完成再结晶分别需要40 h和1 h, 试求此材料的再结晶激活能.

解 再结晶速率v再与温度T的关系符合阿累尼乌斯(Arrhenius)公式, 即

v再?Aexp(?Q)RT其中, Q为再结晶激活能, R为气体常数.如果在两个不同温度T1, T2进行等温退火,

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t1Q11?exp[?(?)]t2RT2T1RT1T2ln(t1/t2)T2?T1欲产生同样程度的再结晶所需时间分别为t1, t2, 则

? Q? 依题意, 有

T1 = 553 + 273 = 826 K, T2 = 627 + 273 = 900 K, t1 = 40 h, t2 = 1 h, 则

Q?8.314?826?900?ln(40/1)?3.08?105J/mol900?826

3. 说明金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的显微组织、机械性能特点与主要区别.

答: 金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的显微组织、机械性能特点与主要区别详见附表7-1.

附表7-1 金属在冷变形、回复、再结晶及晶粒长大各阶段的显微组织、机械性能 显微组织 随变形量增加, 晶粒沿变形方向被拉长; 变形量很大时, 产生加工硬化, 随着变形量增加, 材料会出现纤维组织; 随变形量强度和硬度逐渐升高, 而塑性及韧性不冷变形 增加, 纤维组织内部形成位断下降; 产生各向异性; 变形功的10%错胞构成的变形亚结构/变转化为残余应力会引起材料变形或开形亚晶; 变形大时出现形变裂, 产生应力腐蚀 织构 宏观内应力完全消除, 冷变形阶段的加回 复 与冷变形时相比无明显变化 工硬化效应得到保留 无畸变的等轴晶粒; 变形量加工硬化效应完全消除, 强度和硬度下再结晶 很大时有可能出现再结晶织降, 塑韧性显著改善 构 晶粒长晶粒尺寸较再结晶的大; 正与再结晶阶段相比, 强度和硬度下降,

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机械性能 大 常长大时晶粒尺寸相差不塑韧性也有降低 大, 异常长大时晶粒尺寸极不均匀, 少数晶粒超大

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