第六章金属的塑性变形和强化练习与思考题1 什么叫强化？可能采用那些强化手段来强化金属？采用各种方式使得金属塑性变形时位错运动的阻力增大，即可实现金属材料的强化。

如冷变形的加工硬化，添加合金的固溶强化和析出沉淀强化，细晶强化，亚结构强化，多相组织的相变强化等。

2 面心立方单晶体的应力应变曲线的硬化系数θ为什么各个阶段各不相同？θⅡ最大的原因是什么？第I阶段一般认为只有一个滑移系开动，强化作用不大，θI较小，为易滑移阶段；第Ⅱ阶段为线性强化阶段，出现了多系滑移；多系滑移产生大量位错，使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强最大。

烈阻止其他滑移面上的位错运动，从而使得这一阶段硬化指数θⅡ第Ⅲ阶段出现了交滑移，从而拜托了面角位错的封锁，使原被塞积的位错继续运动，使得位错的自由路程增大。

即在加工硬化的同时，存在着动态回复的软化过程，从而造成θⅢ随着γ增大而逐渐降低的现象。

3 晶界对塑性变形有什么影响？晶界对塑性变形过程的影响，主要是在温度较低时晶界阻碍滑移进行引起的障碍强化作用和变形连续性要求晶界附近多系滑移引起的强化作用。

为使多晶体塑性变形过程不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。

多晶体塑性变形一旦变形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。

位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力要增加。

存在晶界及晶界两侧晶粒取向有差别，多晶体的塑性变形有着很大的不均匀性。

在单个晶粒内，晶界变形要低于晶粒中心区域；由于细晶组织中晶界占的比例要大于粗晶组织中的晶界，细晶组织的强化效果高于粗晶组织。

4 多系滑移为何能起到强化作用？金属多晶体塑性变形一开始为什么就出现了多系滑移的强化？多系滑移产生大量位错，位错间相互作用使得位错运动阻力明显增大，尤其是面角位错的出现，强烈的阻止位错源开动，并强烈阻止其他滑移面上的位错运动。

多晶体材料中，某一晶粒产生滑移变形而不破坏晶界连续性，相邻的晶粒必须协调变形。

理论计算证明，相邻晶粒通过滑移协调一个可以变成任意形状的晶粒的变形，至少需六个滑移系统。

所以多晶体塑性变形一旦形传播到相邻的晶粒，就产生了多系滑移。

位错运动遇到的障碍比单系滑移多，阻力增加很快。

5 细化晶粒对金属材料的力学性能有什么影响？细化晶粒可以解决哪些问题？有哪些途径可以细化晶粒？根据Hall-Petch关系，流变应力与晶粒直径方根的倒数(D-1/2)有明显的线性关系。

σs=σi+KD-1/2式中σs——屈服应力； D——平均晶粒直径；σi、K——实验常数。

细化晶粒非常重要，在工程上有重要的应用（1）在高强度的钢种中，细化晶粒可以提高其韧性；有助于防止脆性断裂发生，可降低脆性转化温度，提高材料使用范围。

（2）在低强度钢中（如低碳结构钢），利用细化晶粒来提高屈服强度有明显效果。

尤其是超细晶组织对提高强度和韧性作用更突出。

（3）在超塑性变形时，细化晶粒可以得到理想的超塑性变形。

因为超塑性变形的控制机理为晶间滑动机理，等轴细小晶粒更有利于晶间滑动变形。

晶粒细化的途径有以下几种：1）改变结晶过程中的凝固条件，尽量增加冷却速度，另一方面调节合金成分以提高液体金属过冷能力，使形核率增加，进而获得细化的初生晶粒。

2）进行塑性变形，严格控制随后的回复和再结晶过程以获得细小的晶粒组织。

采用低温轧制和随后控制冷却，是得到细晶组织的有效生产工艺。

3）利用固溶体的过饱和和分解或粉末烧结等方法，在合金中产生弥散分布的第二相以控制基体组织的晶粒长大。

4）通过同素异形转变的多次反复快速加热冷却的热循环处理来细化晶粒。

6 什么是屈服效应？其在变形金属的外观上有何反应？体心立方金属单向拉伸过程出现上下屈服点和屈服平台的现象，称之为屈服效应。

其原因是位错与间隙原子形成的柯氏气团的反复钉扎的相互作用。

屈服效应会在变形金属的外观上有所反应，当金属变形量恰在屈服延伸区内时，金属表面会产生粗糙不平的表面缺陷，称之为吕德斯带。

吕德斯带的形成：是外应力作用下，某些位置位错钉扎不牢，它们首先摆脱溶质原子的气团，开始运动、变形是集中在局部区域，在金属外观上的反映就是一种带状的表面粗糙的缺陷。

吕德斯带的消除:（1）加入少量的AI、Ti等强氮、碳化物形成元素，固定C、N，使之不能有效钉扎位错。

（2）在钢板冲压前进行小量的预变形（稍大于屈服延伸区的变形程度），使被溶质原子钉扎住的位错大部分基本脱钉.7 什么是形变时效和动态形变时效？形变时效：体心立方金属第一次加载屈服后卸载，停留一段时间再加载，重新出现屈服效应现象。

其屈服极限、强度极限和硬度均有所提高，而塑性与疲劳极限等则要下降，容易发生脆断。

a-第一次实验；b-卸载后立即加载实验；c-卸载后停留一段时间再加载实验蓝脆：碳钢在150～350℃范围内变形时，存在着动态形变时效现象，因而降低塑性，使金属变脆。

这个温度区间试样或工件表面很容易生长蓝色的氧化膜，有发蓝的现象。

8 处于不同时效阶段的沉淀强化合金的应力应变曲线有何特点？如图所示，应力应变曲线可分为四个阶段，即溶质原子的偏聚阶段、偏聚区有序化阶段、过渡相阶段和平衡阶段。

溶质原子的偏聚阶段：GPⅠ区所对应的一段曲线。

在GPⅠ区，随着时效时间增长，强度增加。

偏聚区有序化阶段：GPⅡ区（体心点阵形成）。

形成共格相θ``强化曲线达到峰值时，沉淀相中有80-90%是θ``相。

过渡相阶段：θ′相出现后，共格关系开始破坏，强化作用不如θ“相，标志着过时效开始。

平衡阶段：长时间时效后，沉淀相完全转变成粗大体心正方结构的有序稳定平衡θ相，完全失去共格关系，导致软化，强化作用比不上固溶强化。

9 沉淀析出相质点越小，沉淀强化合金的强化效果越好吗？第二相析出强化作用机理主要有两种：切过第二相的强化机理和绕过机理，如下图所示。

位错切过第二相质点时，位错运动的阻力将随质点尺寸加大而增加，如曲线B所示；位错绕过第二相质点时，位错运动的阻力将随质点尺寸减小而增加，如曲线A所示。

最佳的粒子尺寸:位错总是选择需要克服阻力最小的方式通过.故当质点相当于两曲线交点P所对应的尺寸大小时，得到最佳的强化效果。

10 影响金属材料塑性的因素有哪些？影响金属材料塑性的因素可分为内在因素和变形的外部条件。

其中内在因素又可分为材料的组织结构和其化学成分。

变形的外部条件为变形温度、变形速度、应力状态、变形的均匀性等。

（1）组织结构对塑性的影响不同晶体结构的金属塑性不同。

面心、体心立方塑性较好、而密排六方滑移系少，塑性较差；纯金属和合金比较，一般纯金属有较好的塑性；单相合金同多相合金材料比较，一般是单相合金材料的塑性好－些。

各相的性质不同，变形的难易程度是不同的；存在第二相的材料，第二相质点的性质、数量、大小、形态和分布对材料的塑性都有很大的影响；晶粒细小均匀的组织比晶粒粗大不均匀的组织塑性好。

特别是冷变形时这种影响的差别更显著；变形组织比铸态组织塑性好。

（2）成分对塑性的影响a）低熔点S化物及其共晶通常分布于晶界上。

在900℃左右变形过程中产生热脆（红脆）；b）钢中含0.15～0.30％的铜时，热加工过程中钢的表面会产生龟裂，称为铜脆。

c）钢中含P量不大时，在热加工范围内对塑性影响不大。

在冷状态下时，磷使钢的强度增高。

塑性降低，产生冷脆现象。

P含量超过0.1％时，冷脆现象很明显。

磷还引起高温回火脆性，d）Pb、Sn、As、Sb、Bi,它们都是低熔点元素，俗称“五害” ，对塑性影响很坏。

它们在钢中的溶解度都很小，剩余量分布于晶界。

它们在加热时熔化而使钢材塑性破坏。

e）氢对钢热加工时的塑性没有明显的影响，因为加热到1000℃左右时，过饱和的氢易于从钢中析出。

但含氢量较高的钢，热加工后快速冷却时会产生白点。

冷加工时会产生氢脆现象。

f）低碳钢中固溶的N和C量增大时，形变时效现象显著，在300℃左右加工时会出现蓝脆现象。

（3）外部变形条件的影响a）变形温度对塑性的影响一般规律是温度升高，塑性改善。

原因: 温度升高，热激活作用增强，位错的活动性能提高，温度升高可能出现新的滑移系统，可能使扩散塑性变形机理同时起作用，使塑性变形容易进行。

温度升高有利于回复和再结晶软化过程的发展，可使变形过程造成的破坏和缺陷修复，从而提高了塑性。

b）应变速率对塑性的影响应变速率对塑性的影响是比较复杂的，应变速率效应: 应变速率增加，位错运动没有足够的时间，不利于异号位错的合并、重排，不利于回复和再结晶过程的进行，不利于变形过程中形成的内裂修复。

加工硬化加剧。

温度效应: 应变速率增加，变形热来不及散发，提高了变形温度，促进变形过程中产生的排列混乱的位错重新排列为某些低能组态，利于异号位错合并，位错密度可降低一些。

温度提高促进回复和再结晶，促进裂纹修复, 促使扩散塑性变形机理发生作用。

分析应变速率对塑性的影响时，不能脱离温度的影响区，c）应力状态对塑性的影响从提高塑性的角度来看，各种应力状态中三向压应力最好，两压一拉次之，两拉一压更次之，三向拉应力对塑性潜能的发挥最不利。

d）不均匀变形对塑性的影响变形不均匀而出现的应力叫附加应力。

附加应力的出现影响了变形体的应力分布。

e）其他因素对塑性的影响变形状态、尺寸因素、周围介质等都对塑性有影响。