金属塑性成形原理考试复习题

1.什么是金属的塑性？什么是塑性成形？塑性成形有何特点？塑性：在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力；塑性变形：当作用在物体上的外力取消后，物体的变形不能完全恢复而产生的残余变形；塑性成形：金属材料在一定的外力作用下，利用其塑性而使其成型并获得一定力学性能的加工方法，也称塑性加工或压力加工；塑性成形的特点：①组织、性能好②材料利用率高③尺寸精度高④生产效率高2.试述塑性成形的一般分类。

Ⅰ按成型特点可分为块料成形(也称体积成形)和板料成型两大类1）块料成型是在塑性成形过程中靠体积转移和分配来实现的。

可分为一次成型和二次加工。

一次加工：①轧制-是将金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。

分纵轧、横轧、斜轧；用于生产型材、板材和管材。

②挤压-是在大截面坯料的后端施加一定的压力，将金属坯料通过一定形状和尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得符合模孔截面形状的小截面坯料或零件的塑性成形方法。

分正挤压、反挤压和复合挤压；适于(低塑性的)型材、管材和零件。

③拉拔-是在金属坯料的前端施加一定的拉力，将金属坯料通过一定形状、尺寸的模孔使其产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的小截面坯料的塑性成形方法。

生产棒材、管材和线材。

二次加工：①自由锻-是在锻锤或水压机上，利用简单的工具将金属锭料或坯料锻成所需的形状和尺寸的加工方法。

精度低，生产率不高，用于单件小批量或大锻件。

②模锻-是将金属坯料放在与成平形状、尺寸相同的模腔中使其产生塑性变形，从而获得与模腔形状、尺寸相同的坯料或零件的加工方法。

分开式模锻和闭式模锻。

2）板料成型一般称为冲压。

分为分离工序和成形工序。

分离工序：用于使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，如冲裁、剪切等工序；成型工序：用来使坯料在不破坏的条件下发生塑性变形，成为具有要求形状和尺寸的零件，如弯曲、拉深等工序。

Ⅱ按成型时工件的温度可分为热成形、冷成形和温成形。

3、塑性变形机理：晶内变形（滑移、孪生）和晶间变形滑移：所谓滑移是指晶体在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分发生相对移动或切变。

孪生：是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀切变。

晶间变形的主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。

3-1举例说明杂质元素和合金元素对钢的塑性的影响。

①碳：固溶于铁时形成铁素体和奥氏体，具有良好的塑性。

多余的碳与铁形成渗碳体(Fe 3C),大大降低塑性；②磷：一般来说，磷是钢中的有害杂质，它在铁中有相当大的溶解度，使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低，在冷变形时影响更为严重，此称为冷脆性。

③硫：形成共晶体时熔点降得很低(例如FeS的熔点为1190℃，而Fe-FeS的熔点为985℃)。

这些硫化物和共晶体，通常分布在晶界上，会引起热脆性。

④氮：当其质量分数较小(0.002%~0.015%)时，对钢的塑性无明显的影响；但随着氮化物的质量分数的增加，钢的塑性降降低，导致钢变脆。

如氮在α铁中的溶解度在高温和低温时相差很大，当含氮量较高的钢从高温快速冷却到低温时，α铁被过饱和，随后在室温或稍高温度下，氮逐渐以Fe 4N形式析出，使钢的塑性、韧性大为降低，这种现象称为时效脆性。

若在300℃左右加工时，则会出现所谓“兰脆”现象。

⑤氢：氢脆和白点。

⑥氧：形成氧化物，还会和其他夹杂物(如FeS)易熔共晶体(FeS-FeO，熔点为910℃)分布于晶界处，造成钢的热脆性。

合金元素的影响：①形成固溶体；②形成硬而脆的碳化物4、冷塑性变形对金属组织和性能的影响：（一）组织的变化（1）晶粒形状的变化（2）晶粒内产生亚结构（3）晶粒位相改变（二）性能的变化4-1所谓金属的再结晶是指冷变形金属加热到更高的温度后，在原来变形的金属中会重新形成新的无畸变的等轴晶，直至完全取代金属的冷变形组织的过程5.什么叫加工硬化？产生加工硬化的原因是什么？加工硬化对塑性加工生产有何利弊？加工硬化----随着金属变形程度的增加，其强度、硬度增加，而塑性、韧性降低的现象。

加工硬化的成因与位错的交互作用有关。

随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使位错难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。

这样，要是金属继续变形，就需要不断增加外力，才能克服位错间强大的交互作用力。

加工硬化对塑性加工生产的利弊：有利的一面：可作为一种强化金属的手段，一些不能用热处理方法强化的金属材料，可应用加工硬化的方法来强化，以提高金属的承载能力。

如大型发电机上的护环零件。

不利的一面：①由于加工硬化后，金属的屈服强度提高，要求进行塑性加工的设备能力增加；②由于塑性的下降，使得金属继续塑性变形困难，所以不得不增加中间退火工艺，从而降低了生产率，提高了生产成本。

6、什么是细晶超塑性？什么是相变超塑性？（材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过１００％的现象叫超塑性）（1）晶超塑性它是在一定的恒温下，在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。

具体地说，材料的晶粒必须超细化和等轴化，并在在成形期间保持稳定。

②相变超塑性要求具有相变或同素异构转变。

在一定的外力作用下，使金属或合金在相变温度附近反复加热和冷却，经过一定的循环次数后，就可以获得很大的伸长率。

相变超塑性的主要控制因素是温度幅度和温度循环率。

7、什么是塑性？什么是塑性指标？为什么说塑性指标只具有相对意义?（衡量金属或合金的塑性变形能力的数量指标有伸长率和断面收缩率）塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

塑性指标，是为了衡量金属材料塑性的好坏而采用的某些试验测得的数量上的指标。

常用的试验方法有拉伸试验、压缩试验和扭转试验。

由于各种试验方法都是相对于其特定的受力状态和变形条件的，由此所测定的塑性指标(或成形性能指标)，仅具有相对的和比较的意义。

它们说明，在某种受力状况和变形条件下，哪种金属的塑性高，哪种金属的塑性低；或者对于同一种金属，在那种变形条件下塑性高，而在哪种变形条件下塑性低。

8．试简述提高金属塑性的主要途径。

答(1) 提高材料的成分和组织的均匀性；(2) 合理选择变形温度和变形速度；(3) 选择三向受压较强的变形方式；(4) 减少变形的不均匀性。

9、试分析晶粒大小对金属塑性和变形抗力的影响。

①晶粒越细，变形抗力越大。

晶粒的大小决定位错塞积群应力场到晶内位错源的距离，而这个距离又影响位错的数目n。

晶粒越大，这个距离就越大，位错开动的时间就越长，n也就越大。

n越大，应力场就越强，滑移就越容易从一个晶粒转移到另一个晶粒。

②晶粒越细小，金属的塑性就越好。

a一定体积，晶粒越细，晶粒数目越多，塑性变形时位向有利的晶粒也越多，变形能较均匀的分散到各个晶粒上；b从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒是晶界的影响区域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。

这种不均匀性减小了，内应力的分布较均匀，因而金属断裂前能承受的塑性变形量就更大。

10.叙述下列术语的定义或含义：②张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合称为张量；②应力张量：表示点应力状态的九个分量构成一个二阶张量，称为应力张量；③应力张量不变量：已知一点的应力状态④主应力：在某一斜微分面上的全应力S和正应力ζ重合，而切应力η=0这种切应力为零的微分面称为主平面，主平面上的正应力叫做主应力；⑤主切应力：切应力达到极值的平面称为主切应力平面，其面上作用的切应力称为主切应力⑥最大切应力：三个主切应力中绝对值最大的一个，也就是一点所有方位切面上切应力最大的，叫做最大切应力ηmax⑦主应力简图：只用主应力的个数及符号来描述一点应力状态的简图称为主应力图：⑧八面体应力：在主轴坐标系空间八个象限中的等倾微分面构成一个正八面体，正八面体的每个平面称为八面体平面，八面体平面上的应力称为八面体应力；⑨等效应力：取八面体切应力绝对值的3倍所得之参量称为等效应力⑩平面应力状态：变形体内与某方向垂直的平面上无应力存在，并所有应力分量与该方向轴无关，则这种应力状态即为平面应力状。

实例：薄壁扭转、薄壁容器承受内压、板料成型的一些工序等，由于厚度方向应力相对很小而可以忽略，一般作平面应力状态来处理（11)平面应变状态：如果物体内所有质点在同一坐标平面内发生变形，而在该平面的法线方向没有变形，这种变形称为平面变形，对应的应力状态为平面应变状态。

实例：轧制板、带材，平面变形挤压和拉拔等。

（12)轴对称应力状态：当旋转体承受的外力为对称于旋转轴的分布力而且没有轴向力时，则物体内的质点就处于轴对称应力状态。

实例：圆柱体平砧均匀镦粗、锥孔模均匀挤压和拉拔(有径向正应力等于周向正应力)10、试说明应力偏张量和应力球张量的物理意义。

应力偏张量只能产生形状变化，而不能使物体产生体积变化，材料的塑性变形是由应力偏张量引起的；应力球张量不能使物体产生形状变化(塑性变形)，而只能使物体产生体积变化。

11、等效应力表达式：12、叙述下列术语的定义或含义：Ⅰ屈服准则：在一定的变形条件(变形温度、变形速度等)下，只有当各应力分量之间符合一定关系时，质点才开始进入塑性状态，这种关系称为屈服准则，也称塑性条件，它是描述受力物体中不同应力状态下的质点进入塑性状态并使塑性变形继续进行所必须遵守的力学条件；Ⅱ屈服表面：屈服准则的数学表达式在主应力空间中的几何图形是一个封闭的空间曲面称为屈服表面。

假如描述应力状态的点在屈表面上，此点开始屈服。

对各向同性的理想塑性材料，则屈服表面是连续的，屈服表面不随塑性流动而变化。

Ⅲ屈服轨迹：两向应力状态下屈服准则的表达式在主应力坐标平面上的集合图形是封闭的曲线，称为屈服轨迹，也即屈服表面与主应力坐标平面的交线。

13、两个屈服准则有何差别？在什么状态下两个屈服准则相同？什么状态下差别最大？Ⅰ共同点：①屈服准则的表达式都和坐标的选择无关，等式左边都是不变量的函数；②三个主应力可以任意置换而不影响屈服，同时，认为拉应力和压应力的作用是一样的；③表达式都和应力球张量无关。

不同点：①Tresca屈服准则没有考虑中间应力的影响，三个主应力的大小顺序不知道时，使用不方便；而Mises屈服准则则考虑了中间应力的影响，使用方便。

13-1请简述塑性变形时应力- 应变关系的特点。

答：(1) 应力与应变之间的关系是非线性的，即应力主轴与全量应变主轴不一定重合。

(2) 塑性变形时可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比ν=0.5(3) 对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。

（4）塑性变形时不可逆的，与应变历史有关，即应力-应变关系不在保持单值关系。