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第十三章 思考与练习简述滑移和孪生两种塑性变形机理的主要区别。 答： 滑移是指晶体在外力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对移动或切变。滑移总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生。孪生变形时，需要达到一定的临界切应力值方可发生。在多晶体内，孪生变形是极其次要的一种补充变形方式。 设有一简单立方结构的双晶体，如图13-34所示，如果该金属的滑移系是100 ，试问在应力作用下，该双晶体中哪一个晶体 首先发生滑移？为什么？ 答：晶体首先发生滑移，因为受力的方向接近软取向，而接近硬取向。试分析多晶体塑性变形的特点。答：多晶体塑性变形体现了各晶粒变形的不同时性。 多晶体金属的塑性变形还体现出晶粒间变形的相互协调性。多晶体变形的另一个特点还表现出变形的不均匀性。多晶体的晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。4. 晶粒大小对金属塑性和变形抗力有何影响？答：晶粒越细，单位体积内晶界越多，塑性变形的抗力大，金属的强度高。金属的塑性越好。5. 合金的塑性变形有何特点？ 答：合金组织有单相固溶体合金、两相或多相合金两大类，它们的塑性变形的特点不相同。 单相固溶体合金的塑性变形是滑移和孪生，变形时主要受固溶强化作用， 多相合金的塑性变形的特点：多相合金除基体相外，还有其它相存在，呈两相或多相合金，合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然是滑移和孪生。根据第二相又分为聚合型和弥散型，第二相粒子的尺寸与基体相晶粒尺寸属于同一数量级时，称为聚合型两相合金，只有当第二相为较强相时，才能对合金起到强化作用，当发生塑性变形时，首先在较弱的相中发生。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相时，称为弥散型两相合金，这种弥散型粒子能阻碍位错的运动，对金属产生显著的强化作用，粒子越细，弥散分布越均匀，强化的效果越好。6. 冷塑性变形对金属组织和性能有何影响？ 答：对组织结构的影响：晶粒内部出现滑移带和孪生带；晶粒的形状发生变化：随变形程度的增加，等轴晶沿变形方向逐步伸长，当变形量很大时，晶粒组织成纤维状；晶粒的位向发生改变：晶粒在变形的同时，也发生转动，从而使得各晶粒的取向逐渐趋于一致（择优取向），从而形成变形织构。对金属性能的影响：塑性变形改变了金属内部的组织结构，因而改变了金属的力学性能。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性和韧性相应下降。即产生了加工硬化。 7. 产生加工硬化的原因是什么？它对金属的塑性和塑性加工有何影响？ 答：加工硬化：在常温状态下，金属的流动应力随变形程度的增加而上升。为了使变形继续下去，就需要增加变形外力或变形功。这种现象称为加工硬化。加工硬化产生的原因主要是由于塑性变形引起位错密度增大，导致位错之间交互作用增强，大量形成缠结、不动位错等障碍，形成高密度的“位错林”，使其余位错运动阻力增大，于是塑性变形抗力提高。8. 什么是动态回复？动态回复对金属热塑性变形的主要软化机制是什么？ 答：动态回复是层错能高的金属热变形过程中唯一的软化机制。 对于层错能高的金属，变形位错的交滑移和攀移比较容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错互相抵消，其结果是位错密度下降，畸变能降低，达不到动态再结晶所需的能量水平。9. 什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？ 答：在热塑性变形过程中，层错能低的金属在变形量很大时，当加热升温时，原子具有相当的扩散能力，变形后的金属自发地向低自由能状态转变，称为动态再结晶。影响动态再结晶的主要因素有：金属的层错能高低，晶界迁移的难易程度有关。10. 什么是扩散性蠕变？它的作用机理是什么？ 答：扩散蠕变是在应力场作用下，由空位的定向移动引起的。它的作用机理是在一定温度下，晶体中总存在一定数量的空位。显然，空位旁边的原子容易跳入空位，相应地在原子占据的结点上出现新的空位，相当于空位朝原子迁移的相反方向迁移。在应力场作用下，受拉应力的晶界的空位浓度高于其它部位的晶界，由于各部位空位的化学势能差，而引起空位的定向转移，即空位从垂直于拉应力的晶界析出，而被平行于拉应力的晶界所吸收。11. 钢锭经热加工变形后的组织和性能发生什么变化？ 答：组织和性能发生什么变化：改善晶粒组织锻合内部缺陷形成纤维状组织改善碳化物和夹杂物分布改善偏析。12. 杂质元素和合金元素对钢的塑性有何影响？ 答：杂质元素，如P、S、N、H、O等，合金元素Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。对金属塑性的影响主要表现为:碳 碳对碳钢性能的影响最大。碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性。当铁中的碳含量超过其溶碳能力时，多余的碳便以渗碳体Fe3C形式出现，它具有很高的硬度，而塑性几乎为零。磷磷是钢中的有害杂质，在钢中有很大的溶解度，易溶于铁素体，使钢的塑性降低，在低温时更为严重，这种现象称为冷脆性。此外，磷具有极大的偏析倾向，能促使奥氏体晶粒长大。硫 硫是钢中的有害物质，主要与铁形成FeS，FeS与铁形成易熔共晶体Fe-FeS，产生“热脆”现象。氮 氮在钢中主要以氮化物Fe4N形式存在。在300C左右加工，会出现所谓的“蓝脆”现象。氢、氧 氧在钢中溶解度很小，主要以Fe3O4、 Al2O3和SiO2等夹杂物出现，降低钢的塑性； Fe3O4还与FeS形成易熔共晶体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。钢中溶氢，会使钢的塑性、韧性下降，造成所谓“氢脆”。锰 作用之一是显著提高铁素体强度；作用之二是脱硫，锰与硫化合生成MnS，以消除FeS的热脆现象。 锡、铋、铅、锑、砷 这几种低熔点合金元素在钢中的溶解度很低，它们在钢中以纯金属相存在于晶界，易造成钢的热脆性。稀土元素 钢中加入少量稀土元素可以改善钢的塑性，但加入过量的稀土元素会在晶界处析出，反而会降低塑性。13. 组织状态、变形温度应变速率对金属塑性有何影响？答：组织状态状态对金属塑性的影响：当金属材料的化学成分一定时，组织状态的不同，对金属的塑性有很大影响。晶格类型的影响，面心立方（滑移系12个）的金属塑性最好；体心立方晶格（滑移系12个）塑性次之，密排六方晶格的金属塑性更差。晶粒度的影响，晶粒度越小，塑性越高，晶粒度均匀的塑性好，晶粒大小相差悬殊的多晶体，各晶粒间的变形难易程度不同，造成变形和应力分布不均匀，所以塑性降低。相组成的影响，当合金元素以单相固溶体形式存在时，金属的塑性较高；当合金元素以过剩相存在时，塑性较低。铸造组成的影响，铸造组织具有粗大的柱状晶粒，具有偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，因而塑性较差。变形温度对金属塑性的影响：对大多少金属而言，总的趋势是随着温度升高，塑性增加。但是这种增加并不是线性的，在加热的某些温度区间，由于相态或晶界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。（蓝脆区和热脆区）应变速率对金属塑性的影响：应变速率可以理解成变形速度，提高应变速率，没有足够的时间进行回复或再结晶，对金属的软化过程不能充分体现，使金属塑性降低。但提高应变速率，在一定程度上使金属温度升高，温度效应增加，温度的升高可以促使变形过程中的位错重新调整，有利于金属塑性提高；提高应变速率可以降低摩擦因数，从而降低金属的的流动阻力，改善金属的充填性。而且，在非常高的应变速率下（如爆炸成形）对塑性较差的难成形金属的塑性加工是有利的。14. 化学成分、组织状态、变形温度、变形程度对变形抗力有何影响？ 答：化学成分：对于纯金属，纯度越高，变形抗力越小。对于合金，主要取决于合金元素的原子与基体原子间相互作用的特性、合金原子在基体原子中的分布等有关。合金元素引起基体点阵畸变程度越大，金属的变形抗力也越大。组织状态：退火状态下，金属和合金的变形抗力会大大降低。组织结构的变化，例如发生相变时，变形抗力也发生变化。一般地说，硬而脆的第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布时，合金的变形抗力就高；且第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力就越大。金属和合金的晶粒越细，同一体积内的晶界越多，在室温下由于晶界强度高于晶内，所以变形抗力就高。变形温度：变形抗力一般都随温度的升高而降低。变形程度： 变形程度的增加，只要回复和再结晶过程来不及进行，必然会产生加工硬化，使继续变形发生困难，因而变形抗力增加。但当变形程度较高时，随着变形程度的进一步增加，变形抗力的增加变得比较缓慢，因为这时晶格畸变能增加，促进了回复与再结晶过程的进行，以及变形热效应的作用加强。15. 应力状态对金属的塑性和变形抗力有何影响？答：塑性：金属在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。应力状态不同对塑性的影响也不同：主应力图中压应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越高；拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性就越低。这是由于拉应力促进晶间变形，加速晶界破坏，而压应力阻止或减小晶间变形；另外，三向压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形而引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它使各种破坏发展，扩大。变形抗力： 变形抗力：金属在发生塑性变形时，产生抵抗变形的能力，称为变形抗力，一般用接触面上平均单位面积变形力表示应力状态不同，变形抗力不同。如挤压时金属处于三向压应力状态，拉拔时金属处于一向受拉二向受压的应力状态。挤压时的变形抗力远比拉拔时变形抗力大。16. 什么是金属的超塑性？超塑性变形有什么特征？答：在一些特定条件下，如一定的化学成分、特定的显微组织、特定的变形温度和应变速率等，金属会表现出异乎寻常的高塑性状态，即所谓超常的塑性变形。超塑性效应表现为以下几个特点：大伸长率、无缩颈、低流动应力、对应变速率的敏感性、易成形。17. 解释超塑性变形的机理。答：超塑性变形行为是很复杂的，变形机理也还处在研究探索之中。目前有这样几种解释：晶界滑移的作用；扩散蠕变的作用；动态回复和动态再结晶的作用。19.什么是温度效应？冷变形和热变形时变形速度对塑性的影响有何不同？温度效应：由于塑性变形过程中产生的热量使变形体温度升高的现象。(热效应：塑性变形时金属所吸收的能量，绝大部分都转化成热能的现象)一般来说，冷变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性略有下降，以后由于温度效应的增强，塑性会有较大的回升；而热变形时，随着应变速率的增加，开始时塑性通常会有较显著的降低，以后由于温度效应的增强，而使塑性有所回升，但若此时温度效应过大，已知实际变形温度有塑性区进入高温脆区，则金属的塑性又急速下降。14 思考与练习1. 什么叫张量？张量有什么性质？答：张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢量，即9个分量才能完整地表示。它的重要特征是在不同的坐标系中分量之间可以用一定的线性关系来换算。基本性质：1） 张量不变量 张量的分量一定可以组成某些函数，这些函数值与坐标轴无关，它不随坐标而改变，这样的函数，叫做张量不变量。二阶张量存在三个独立的不变量。2） 张量可以叠加和分解 几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量。两个相同的张量之差定义为零张量。3） 张量可分为对称张量、非对称张量、反对称张量 若张量具有性质，就叫对称张量；若张量具有性质，且当i=j时对应的分量为0，则叫反对称张量；如果张量，就叫非对称张量。任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量。4） 二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 如果以主轴为坐标轴，则两个下角标不同的分量均为零，只留下两个下角标相同的三个分量，叫作主值。2. 如何表示任意斜微分面上的应力？答：若过一点的三个互相垂直的微分面上的九个应力分量已知，则借助静力平衡条件，该点任意方向上的应力分量可以确定。如图14-1所示，设过Q点任一斜切面的法线N与三个坐标轴的方向余弦为l，m，n，图14-1 任意斜切微分面上的应力l=cos(N,x); m=cos(N,y); n=cos(N,z)。 若斜微分面ABC的面积为dF， 微分面OBC(x面)、OCA(y面)、OAB(z 面)的微分面积分别为dFx、dFy、dFz， 则各微分面之间的关系为dFx=ldF；dFy= mdF； dFz=ndF又设斜微分面ABC上的全应力为S，它在三坐标轴方向上的分量为Sx 、Sy 、Sz，由静力平衡条件，得：整理得 （14-6）用角标符号简记为 显然，全应力 斜微分面上的正应力为全应力在法线N方向的投影，它等于,在N方向上的投影之和，即 （14-7）斜切微分面上的切应力为 （14-8）所以，已知过一点的三个正交微分面上9个应力分量，可以求出过该点任意方向微分面上的应力，也就是说，这9个应力分量可以全面表示该点应力状况，亦即可以确定该点的应力状态。3. 应力张量不变量如何表达？答：应力张量的三个不变量为 其中、为应力张量第一、第二、第三不变量。4. 应力偏张量和应力球张量的物理意义是什么？答：应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，可采用截面法进行分析应力球张量：也称静水应力状态，其任何方向都是主方向，且主应力相同，均为平均应力。特点：在任何切平面上都没有切应力，所以不能使物体产生形状变化，而只能产生体积变化，即不能使物体产生塑性变形。应力偏张量：是由原应力张量分解出应力球张量后得到的。应力偏张量的切应力分量、主切应力、最大切应力及应力主轴等都与原应力张量相同。特点：应力偏张量只使物体产生形状变化，而不能产生体积变化。材料的塑性变形是由应力偏张量引起的。5. 平面应力状态和纯切应力状态有何特点?答：平面应力状态的特点为：变形体内各质点与某坐标轴垂直的平面上没有应力。纯切应力状态：6. 等效应力有何特点？写出其数学表达式。答：等效应力的特点：等效应力不能在特定微分平面上表示出来，但它可以在一定意义上“代表”整个应力状态中的偏张量部分，因而与材料的塑性变形密切有关。人们把它称为广义应力或应力强度。等效应力也是一个不变量。其数学表达式如下：等效应力在主轴坐标系中定义为 在任意坐标系中定义为7. 已知受力物体内一点的应力张量为 （MPa），试求外法线方向余弦为l=m=1/2，n=的斜切面上的全应力、正应力和切应力。解：设全应力为S， ，, 分别为S在三轴中的分量， 则有:=50+ 50+80=106.6 =50+0-75=-28.0=80-75-30=-18.7 则得到 S 111.79 MPa 则得到 26.1 MPa而 则得到 108.7 MPa8. 已知受力体内一点的应力张量分别为， (MPa)1） 画出该点的应力单元体；2） 求出该点的应力张量不变量、主应力及主方向、主切应力、最大切应力、等效应力、应力偏张量和应力球张量；3） 画出该点的应力莫尔圆。解：1）略2）在状态下：J=+=10J=-(+)+=200J=+2-(+)=0式和由 20 ， 0 ， -10 代入公式对于20时： 对于0时： 对于10时： 主切应力 最大切应力等效应力： 应力偏张量： 故 应力球张量： 9. 某受力物体内应力场为：，试从满足平衡微分方程的条件中求系数 、。解： 由平衡微分条件：思考与练习15 1. 陈述下列术语的物理含义：位移，位移分量，线应变，工程切应变，对数应变，主应变，主切应变，最大切应变，应变张量不变量，等效应变，应变增量，应变速率，位移速度。答：位移：变形体内质点M（x，y，z）变形后移动到M1，我们把它们在变形前后的直线距离称为位移；位移分量：在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为该点的位移分量；线应变：表示线元的单位长度的变化；工程切应变：单元体在某一平面内发生了角度的变化；对数应变：对数应变真实反映变形的累积过程，表示在应变主轴不变的情况下应变增量的总和；主应变：发生在主平面单位面积上的内力称为主应力；主切应变：发生在主切平面上的应变；最大切应变：主切应变中绝对值最大的一个称为最大切应变应变张量不变量：对于一个确定的应变状态，主应变只有一组值，即主应变具有单值性。由此，应变张量、也应是单值的，所以将、称为应变张量不变量。等效应变：一个不变量，在数值上等于单向均匀拉伸或压缩方向上的线应变。等效应变又称广义应变。应变增量：塑性变形是一个大变形过程，在变形的整个过程中，质点在某一瞬时的应力状态一般对应于该瞬时的应变增量应变速率：单位时间内的应变称为应变速率。位移速度：质点在单位时间内的位移叫做位移速度。2. 如何完整地表示受力物体内一点的应变状态？答：质点的三个互相垂直方向上的9个应变分量确定了该店的应变状态。已知这9个应变分量组成一个应变张量，用表示，则 ，即可完整的表示受力物体内的应变状态。3. 应变偏张量和应变球张量代表什么物理意义？答：应变张量可以分解为应变球张量和应变偏张量，应变偏张量表示单元体形状变化，应变球张量表示单元体体积变化。4. 应变张量和应变偏张量有何关系？答：应变张量与应力张量具有同样的性质，主要有：（1）存在三个互相垂直的主方向，在该方向上线元只有主应变而无切应变。用、表示主应变，则主应变张量为主应变可由应变状态特征方程求得。（2）存在三个应变张量不变量、，且对于塑性变形，由体积不变条件，（3）在与主应变方向成方向上存在主切应变，其大小为， ， 若，则最大切应变为（4）应变张量可以分解为应变球张量和应变偏张量 式中，为平均应变； 为应变偏张量，表示变形单元体形状变化；为应变球张量，表示变形单元体体积变化。（5）存在应变张量的等效应变 = 等效应变的特点是一个不变量，在数值上等于单向均匀拉伸或均匀压缩方向上的线应变。等效应变又称广义应变，在屈服准则和强度分析中经常用到它。（6）与应力莫尔圆一样，可以用应变莫尔圆表示一点的应变状态。设已知主应变、和的值，且，可以在平面上，分别以、为圆心，以、为半径画三个圆。5. 小应变几何方程和变形协调方程各如何表示？它们有何意义？答：小应变几何方程： 物理意义：表示小变形时位移分量和应变分量之间的关系，是由变形几何关系得到的，称为小应变几何方程，又称柯西几何方程。如果物体中的位移场已知，则可由上述小应变几何方程求得应变场。变形协调方程：物理意义：只有当应变分量之间满足一定的关系时，物体变形后才是连续的。否则，变形后会出现“撕裂”或“重叠”，变形体的连续性遭到破坏。6. 速度分量、位移增量、应变增量和应变速率增量是如何定义的？答：速度分量：在塑性变形过程中，物体内各质点以一定的速度运动，形成一个速度场。将质点在单位时间内的位移叫做位移速度，它在三个坐标轴方向的分量叫做位移速度分量，简称速度分量；位移增量：物体在变形过程中，在某一极短的瞬时dt，质点产生的位移改变量称为位移增量；应变增量：塑性变形是一个大变形过程，在变形的整个过程中，质点在某一瞬时的应力状态一般对应于该瞬时的应变增量；应变速率增量：单位时间内的应变称为应变速率，又称变形速度。在时间间隔内产生的应变为应变速率增量。7. 对数应变有何特点？它与相对线应变有何关系？答：对数应变特点： 对数应变适用于大变形；叠加性 设某物体的原长度为l0，历经变形过程l1、l2到 l3，则总的对数应变为各分量对数应变之和，即e= e 1+ e 2+ e 3对应的各阶段的相对应变为； ； 显然， 这表明，对数应变具有可叠加性，而相对应变不具有可叠加性。（3）可比性 对数应变为可比应变，相对应变为不可比应变。假设将试样拉长一倍，再压缩一半，则物体的变形程度相同。拉长一倍时e压缩一半时 e负号表示应变方向相反。而用相对应变时，以上情况分别为 因而，相对应变为不可比应变。8. 平面应变状态、轴对称应力状态各有什么特点？答：平面变形状态下的应力状态有如下特点：没有变形的z方向为主方向，该方向上的切应力为零，z平面为主平面，为中间主应力，在塑性状态下，等于平均应力，即由于应力分量、沿z轴均匀分布，与z轴无关，所有平衡微分方程与平面应力问题相同。如果处于变形状态，发生变形的z平面即为塑性流动平面，平面塑性应变状态下的应力张量可写成：或9. 设一物体在变形过程中某一极短时间内的位移为试求：点（，）的应变分量、应变球张量、应变偏张量、主应变、等效应变解：由几何方程 来求得应变分量根据公式和应变球张量表达式求球量再根据来求应变偏张量先求三个应变张量不变量 代入特征方程可求。 ， ， 然后根据 可求等效应变10. 试判断下列应变场能否存在：（1） （2）第十六章 思考与练习1. 解释下列概念条件应力；真实应力；理想塑性；弹塑性硬化；刚塑性硬化；Tresca屈服准则；Mises屈服准则；屈服轨迹；平面；等向强化。答：条件应力：室温下在万能材料拉伸机上准静态拉伸（/S）标准试样，记录下来的拉伸力与试样标距的绝对伸长之间的关系曲线称为拉伸图。若试样的初始横截面面积为，标距长为，则条件应力 ， 真实应力 试样瞬时横截面上所作用的应力称为真实应力，亦称为流动应力。 屈服准则是材料质点发生屈服而进入塑性状态的判据，也称为塑性条件。Tresca屈服准则：1864年法国工程师H. Tresca提出材料的屈服与最大切应力有关，即当材料质点中最大切应力达到某一定值时，该质点就发生屈服。或者说，质点处于塑性状态时，其最大切应力是不变的定值，该定值取决于材料的性质，而与应力状态无关。所以Tresca屈服准则又称为最大切应力不变条件，当123时，则 或 密塞斯（Von Mises）屈服准则：即当等效应力 达到定值时，材料质点发生屈服。材料处于塑性状态时，其等效应力是不变的定值，该定值取决于材料的性质，而与应力状态无关。表达式如下：常数C根据单向拉伸实验确定为s，于是Mises屈服准则可写成： 2. 如何用单向拉伸试验绘制材料的真实应力-应变曲线？有哪些常见的简化形式？答： 真实应力 试样瞬时横截面上所作用的应力称为真实应力，亦称为流动应力。 （16-2）由于试样的瞬时截面面积与原始截面面积有如下关系：所以 （16-3）真实应变 设初始长度为的试样在变形过程中某时刻的长度为，定义真实应变为 （16-4）真实应力-应变曲线 在均匀变形阶段，根据式（16-3）和（16-4）将条件应力-应变曲线直接变换成真实应力-应变曲线，即曲线，如图16-2所示。在b点以后，由于出现缩颈，不再是均匀变形，上述公式不再成立。因此，b点以后的曲线只能近似作出。一般记录下断裂点k的试样横截面面积，按下式计算k点的真实应力-应变曲线。 , （16-5）这样便可作出曲线的段。但由于出现缩颈后，试样的形状发生了明显的变化，缩颈部位应力状态已变为三向拉应力状态，实验表明，缩颈断面上的径向应力和轴向应力的分布如图16-3。颈缩边缘处受单向拉伸应力作用，中心处轴向拉伸应力大于，这一由于出现缩颈而产生的应力升高现象，称为“形状硬化”。因此，必须加以修正。齐别尔（E. Siebel）等人提出用下式对曲线的段进行修正，即 （16-6）式中，是去除形状硬化后的真实应力 （MPa）；是缩颈处直径（mm）；是缩颈处试样外形的曲率半径（mm）。从图16-2可看出，曲线在失稳点b后仍然是上升的，这说明材料抵抗塑性变形的能力随应变的增加而增加，即不断地硬化，所以真实应力-应变曲线也称为硬化曲线。由有四种常见的形式。图16-3上的应力分布图16-2 拉伸实验曲线a) 条件应力-应变曲线 b) 真实应力-应变曲线 3. 单向拉伸塑性失稳点的特性是什么？如何用此特性确定硬化曲线的强度系数和硬化指数？答：在失稳点b处 上式的意义如图教材16-4，表示在曲线上，失稳点所作的切线的斜率为，该斜线与横坐标轴的交点到失稳点横坐标的距离为。大多数工程金属在室温下都有加工硬化，其真实应力-应变曲线近似于抛物线形状，如图16-5a，可用指数方程表达。 （16-8）式中，是强度系数；是硬化指数。和的值可用失稳点的特性确定如下，对上式求导数，得根据失稳点的特性又有 比较上述两式，可得， 4. 理想塑性材料两个常用的屈服准则的物理意义?中间主应力对屈服准则有何影响？答：如已知三个主应力的大小顺序时，设为123时，则Tresca屈服准则只需用线性式就可以判断屈服。但该准则未考虑中间主应力2的影响，而Miss屈服准则考虑了2对质点屈服的影响。 其中为应力修正系数。所以Miss屈服准则与Tresca屈服准则在形式上仅相差一个应力修正系数。当时，两准则一致，这时的应力状态中有两向主应力相等，当时，两准则相差最大，此时为平面变形应力状态。两个屈服准则的统一表达式为 对于Tresca屈服准则， ;对于Mises屈服准则，5. 某理想塑性材料的屈服应力为MPa，试分别用屈雷斯加及密塞斯准则判断下列应力状态处于什么状态（是否存在、弹性或塑性）。,（MPa）解：根据屈雷斯加准则时就发生屈服， 根据密塞斯准则 或 100 0 100100-0100发生屈服，（100-0）（0-100）（100-100）200002发生屈服 150 50 50150-50100发生屈服 （150-50）（50-50）（150-50）200002发生屈服120 10 0120-0120（120-10）+（10-0）+（120-0）26600该力不存在50 -50 050-（-50）100发生屈服（50+50）+（50-0）+（0+50）150002处于弹性状态6. 一薄壁管（参见图16-11），内径80 mm，壁厚4mm，承受内压，材料的屈服应力为MPa，现忽略管壁上的径向应力（即设）。试用两个屈服准则分别求出下列情况下管子屈服时的；（1）管子两端自由; （2） 管子两端封闭; （3）管子两端加100KN的压力。解：（1）当两端自由 由于可以忽略为0 两端自由 0显然 ， 0， 0Mises准则： 即 200 MPa 代入可得P=20 MPaTresca准则 p=20 MPa(2)当管子两端封闭时：， ， ，0Mises准则：P= 代入可得P=23.09 MPa Tresca准则：-0p= 代入数据可得 p=20.0 MPa(3)当管子两端加100KN的 压力时： 0； 由密塞斯屈服准则： （）（）（）2代入数据得： p MPa由屈雷斯加屈服准则: = =200-100=100 MPa MPa故p=10 MPa7. 图16-12所示的是一薄壁管承受拉扭的复合载荷作用而屈服，管壁受均匀的拉应力和切应力，试写出下列情况的屈雷斯加和密塞斯屈服准则表达式。（提示：利用应力莫尔圆求出主应力，再代入两准则）（答案 屈雷斯加准则：；密塞斯准则：）解：由图知： 0 由应力莫尔圆知：图16-12 受拉扭复合的薄壁圆筒 0 Tresca准则 （）4（）=1密塞斯准则 2+6=2（）+3（）=18. 已知材料的真实应力-应变曲线方程为，若试样已有伸长率，试问试验还要增加多少才会发生颈缩？解：根据 n= =0.4 因为已有伸长率0.40.250.15 还要增加0.15才发生颈缩 第十七章思考与练习1. 解释下列概念：简单加载；增量理论；全量理论答：简单加载：是指在加载过程中各应力分量按同一比例增加，应力主轴方向固定不变。增量理论：又称流动理论，是描述材料处于塑性状态时，应力与应变增量或应变速率之间关系的理论，它是针对加载过程的每一瞬间的应力状态所确定的该瞬间的应变增量，这样就撇开加载历史的影响。全量理论：在小变形的简单加载过程中，应力主轴保持不变，由于各瞬间应变增量主轴和应力主轴重合，所以应变主轴也将保持不变。在这种情况下，对应变增量积分便得到全量应变。在这种情况下建立塑性变形的全量应变与应力之间的关系称为全量理论，亦称为形变理论。2. 塑性应力应变曲线关系有何特点？为什么说塑性变形时应力和应变之间的关系与加载历史有关？答：塑性应力与应变关系有如下特点：应力与应变之间的关系是非线性的。塑性变形是不可逆的，应力与应变关系不是单值对应的，与应变历史有关。塑性变形时可认为体积不变，即应变球张量为零，泊松比0.5。全量应变主轴与应力主轴不一定重合。正因为塑性变形是不可逆的，应力与应变关系不是单值对应的，与应变历史有关，而且全量应变主轴与应力主轴不一定重合，因此说应力与应变之间的关系与加载历史有关，离开加载路线来建立应力与全量应变之间的关系是不可能的。3.已知塑性状态下某质点的应力张量为（MPa），应变增量（为一无限小）。试求应变增量的其余分量。解：由得 ，由此可解得，所以其余分量为 4.某塑性材料，屈服应力为，已知某质点的应变增量为应变增量（同上题）。平均应力MPa，求该点的应力状态。5.有一薄壁管， 材料的屈服应力，承受拉力和扭矩的联合作用而屈服。现已知轴向正应力分量，试求切应力分量以及应变增量各分量之间的比值。（答案，）6.已知两段封闭的长薄壁管，半径为r壁厚为t，受内压p作用、而引起塑性变形，材料各向同性，忽略弹性变形，试求周向、轴向和径向应变增量之间的比值。7.粉末体塑性成形与金属塑性成形的屈服条件有何不同？8.粘性对材料的本构方程有何影响？9.常见的流体模型有哪些？10.聚合物流变特性有何特点？第十八章思考与练习1. 解释下列概念最小阻力定律；附加应力；残余应力；干摩擦；边界摩擦；流体摩擦。答：最小阻力定律：当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动。附加应力：由于变形体各部分之间的不均匀变形受到整体性的限制，在各部分之间必将产生相互平衡的应力，该应力叫附加应力。残余应力：引起附加应力的外因去除后，在物体内仍残存的应力叫残余应力。干摩擦：接触表面没有其他外来介质，仅是金属与金属之间的摩擦，但在实际生产中，这种绝对理想的干摩擦是不存在的，通常所说的干摩擦是指不加任何润滑剂的摩擦。边界摩擦：接触表面之间存在很薄的润滑膜，凸凹不平的坯料表面凸起部分被压平，润滑剂被压入凹坑中，被封存在里面，在压平部分与模具之间存在一层厚度为0.1m润滑膜，一般为单分子膜，这种单分子膜润滑状态称为边界摩擦。大部分塑性成形摩擦为边界摩擦。流体摩擦：当坯料与工具表面之间的润滑剂层较厚，两表面的微观凸凹部分不直接接触，完全被润滑剂隔开的润滑叫流体润滑，该状态下的摩擦叫流体摩擦。2. 举例分析最小阻力定律在塑性成形流动控制中的应用？答：例如开式模锻，如图18-3，增加金属流向飞边的阻力，以保证金属充填型腔；或者修磨圆角，减小金属流向A腔的阻力，使A腔充填饱满。又例如，在大型覆盖件拉深成形时，常常要设置拉延筋，用来调整或增加板料进入模具型腔的流动阻力，以保证覆盖件的成形质量。3. 影响塑性变形和流动的因素有哪些？举例分析？答：影响塑性变形和流动的因素有摩擦力，工具形状，金属各部分之间的关系，金属本身性质不均匀。因为摩擦力的影响，矩形断面的棱柱体在平板间镦粗时，各个方向的阻力不同，断面不再保持矩形，遵循最小周边原则，最后趋于圆形，。在圆弧形砧上或V型砧中拔长圆截面坯料时，由于工具的侧面压力使金属沿横向流动受到阻碍，金属大量沿轴向流动。在凸弧形砧上，正好相反，加大横向流动。4. 残余应力有哪几类？它会产生什么后果？如何产生、消除？答：残余应力：引起附加应力的外因去处后，在物体内仍残存的应力叫残余应力，残余应力是弹性应力，不超过材料的屈服应力，也是相互平衡成对出现的。残余应力分为三类：第一类残余应力存在与变形体各区域之间；第二类残余应力存在于各晶粒之间；第三类残余应力存在于晶粒内部。残余应力引起的后果：具有残余应力的物体再承受塑性变形时，其应力分布及内部应力分布更不均匀。缩短制品的使用寿命，当外载作用下的工作应力与残余应力叠加超过材料的强度时，会使零件破坏，设备出现故障。使在制品的尺寸和形状发生变化。当残余应力的平衡受到破坏时，相应部分的弹性变形也发生变化，从而引起尺寸和形状的变化。增加塑性变形抗力，降低塑性、冲击韧性及抗疲劳强度。降低制品表面耐蚀性，具有残余应力的金属在酸液中或其他溶液中的溶解速度加快。残余应力一般是有害的，特别是表面层中具有残余拉应力的情况。但当表面层具有残余压应力时，可以显著提高材料的强度和疲劳强度，反而可提高其使用性能。残余应力的消除方法：热处理法，机械处理方法5. 塑性成形中的摩擦有何特点？举例分析其利弊？答：塑性成形中的摩擦有如下的特点：接触面单位压力高伴随着塑性变形在高温下进行利：模锻中利用飞边槽桥部的摩擦力来保证模膛充满，滚锻和轧制时依靠足够的摩擦使坯料被咬入轧辊。弊：改变应力状态，增大变形抗力，引起不均匀变形，产生附加应力和残余应力，降低模具寿命。6. 塑性成形时接触面上摩擦条件有哪几类？各运用于什么情况？答：有三大类，干摩擦，边界摩擦流体摩擦；分别应用于下列情况干摩擦是指不加任何运润滑剂的摩擦，边界摩擦是指接触表面之间存在很薄的润滑膜，流体摩擦是指接触表面被润滑剂完全隔开的摩擦。7. 塑性成形时常用的流体润滑剂和固体润滑剂各有哪些？石墨和二硫化钼如何起润滑作用？答：流体润滑剂有动物油、植物油、矿物油和乳化液等。固体润滑剂又可分为干性固体润滑剂和软（熔）化固体润滑剂，干性固体润滑剂有石墨、二硫化钼等，软（熔）化固体润滑剂有玻璃、珐琅、天然矿物及无机盐等。石墨和二硫化钼是六方晶系的层状结构，层间结合力比同层原子结合力小得多，用作润滑剂时层与层之间的内摩擦力代替了坯料与工具之间的摩擦力，而且热稳定性好，石墨在540 以上才氧化，二硫化钼在400 左右氧化。使用时可制成水剂或油剂。8. 什么是磷化-皂化处理？在挤压生产中有何意义？答：当压力很高时，即使加入添加剂，润滑剂还是会遭到破坏或被挤掉，而失去润滑作用。因此，须将坯料表面进行磷化处理，即在坯料表面用化学方法制成一层磷酸盐或草酸盐膜，这种磷化膜是由细小片状的无机盐结晶组成的，呈多孔状态，对润滑剂有吸附作用。膜厚一般约为1020m，与金属结合力强且有塑性，可与金属坯料一起变形。磷化后进行润滑处理，常用硬脂酸钠、肥皂等，故称为皂化。9. 如何用圆环镦粗法测摩擦系数？分析影响摩擦系数的因素有哪些？答：圆环镦粗法将一定尺寸的试样（如外径：内径：高为40:20:10）在平砧间压缩，由于接触面上的摩擦系数不同，圆环的内外径在压缩的过程中将有不同的变化。根据实验研究和塑性理论的分析，可将不同摩擦系数下的圆环压缩量与内外径变化关系绘制成曲线，称为摩擦系数标定曲线，如图18-11。利用这一标定曲线可方便地求得摩擦系数。10. 金属流动分析有何意义？目前主要采用的分析方法？答：金属流动分析可以使我们根据最小阻力定律和物体体积不变条件，使物体按照最小阻力方向更好的成形，应用塑性成形的数值模拟方法主要有上限法（Upper Bound Method）、边界元法(Boundary Element Method)和有限元法（Finite Element Method）。 第十九章思考与练习1主应力法的基本原理和求解要点是什么？答：主应力法（又成初等解析法）从塑性变形体的应力边界条件出发，建立简化的平衡方程和屈服条件，并联立求解，得出边界上的正应力和变形的力能参数，但不考虑变形体内的应变状态。其基本要点如下：把变形体的应力和应变状态简化成平面问题（包括平面应变状态和平面应力状态）或轴对称问题，以便利用比较简单的塑性条件，即。对于形状复杂的变形体，可以把它划分为若干形状简单的变形单元，并近似地认为这些单元的应力应变状态属于平面问题或轴对称问题。根据金属流动的方向，沿变形体整个（或部分）截面（一般为纵截面）切取包含接触面在内的基元体，且设作用于该基元体上的正应力都是均布的主应力，这样，在研究基元体的力的平衡条件时，获得简化的常微分方程以代替精确的偏微分方程。接触面上的摩擦力可用库仑摩擦条件或常摩擦条件等表示。在对基元体列塑性条件时，假定接触面上的正应力为主应力，即忽略摩擦力对塑性条件的影响，从而使塑性条件大大简化。即有将经过简化的平衡微分方程和塑性条件联立求解，并利用边界条件确定积分常数，求得接触面上的应力分布，进而求得变形力。由于经过简化的平衡方程和屈服方程实质上都是以主应力表示的，故而得名“主应力法”。2一20钢圆柱毛坯，原始尺寸为，在室温下镦粗至高度h=25mm，设接触表面摩擦切应力。已知，试求所需的变形力P和单位流动压力p。解：根据主应力法应用中轴对称镦粗得变形力算得的公式而本题与例题相比较得：m=0.4,因为该圆柱被压缩至h=25mm根据体积不变定理，可得， d=50 ,h=25又因为Y746图19-363在平砧上镦粗长矩形截面的钢坯，其宽度为a、高度为h，长度l a，若接触面上的摩擦条件符合库仑摩擦定律，试用主应力法推导单位流动压力p的表达式。解：本题与例1平面应变镦粗的变形力相似，但又有 其不同点，不同之处在于这个摩擦条件，故在 中是一个一阶微分方程，算得的结果不一样，后面的答案也不 一样，4一圆柱体，侧面作用有均布压应力，试用主应力法求镦粗力P和单位流动压力p(见图19-36)。解：该题与轴对称镦粗变形力例题相似，但边界条件不一样，当 ,而不是，故在例题中，求常数c不一样：5什么是滑移线?什么是滑移线场?答：滑移线：金属由晶体组成，其塑性变形主要是通过内部原子滑移的方式而实现，滑移痕迹可以在变形后的金属表面上观察到，我们将塑性变形金属表面所呈现的由滑移而形成的条纹称为滑移线。滑移线场：经研究证明，滑移线就是塑性变形体内最大切应力的轨迹线，因为最大切应力成对出现，相互正交，因此，滑移线在变形体内呈两族相互正交的网络，即所谓的滑移线场。6什么是滑移线的方向角?其正、负号如何确定?答：线的切线方向与ox轴的夹角以表示（见图19-8），并规定ox轴的正向为角的量度起始线，逆时针旋转形成的角为正，顺时针旋转形成的角为负。7判断滑移线族性的规则是什么?答：规则为：（1）当、族线构成右手坐标系时，代数值最大的主应力的作用方向位于第一与第三象限；（2）滑移线两侧的最大切应力组成顺时针方向的为线，组成逆时针方向的为线；（3）当已知主应力和的方向时，将它们沿顺时针方向旋转角，即得、族线。 8写出汉基应力方程式。该方程有何意义?它说明了滑移线场的哪些重要特性?答：平面应变状态下的应力分量完全有m和K来表示。而K为材料常数，故而只要能找到沿滑移线上的m的变化规律。则可求得整个变形体的应力分布，这就是应用滑移线法求解平面问题的实质。汉基从应力平衡条件出发。推导出描述沿滑移线上各点的平均应力的变化规律的汉基应力方程：该方程说明了滑移线的如下特性：滑移线的沿线特性：当沿族（或族）中的同一条滑移线移动时，（或）为常数，只有当一条滑移线转到另一条滑移线时，（或）值才改变。在任一族中的任意一条滑移线上任取两点a、b ，则可推导出滑移线的沿线特性，即可以得出如下结论：（1）若滑移线场已经确定，且已知一条滑移线上任一点的平均应力，则可确定该滑移线场中各点的应力状态。（2）若滑移线为直线，则此直线上各点的应力状态相同。（3）如果在滑移线场的某一区域内，两族滑移线皆为直线，则此区域内各点的应力状态相同，称为均匀应力场。汉基第一定理（跨线特性）及其推论：同一族的一条滑移线转到另一条滑移线时，则沿另一族的任一条滑移线方向角的变化及平均应力的变化和m均为常数。从汉基第一定理可得出如下推论：若一族的一条滑移线的某一区段为直线段，则被另一族滑移线所截得的该族滑移线的所有相应线段皆为直线9滑移线场有哪些典型的应力边界条件(画图说明)?答：不受力的自由表面 无摩擦的接触表面 摩擦切应力达到最大值K的接触面 摩擦切应力为某一中间值的接触表面 此时，接触面上的摩擦切应力为0 q时的极限载荷值。图19-41图19-39 图19-4016图19-41表示用平底模正挤压板料，挤压前坯料厚度为H，挤出后板料厚度为h，挤压比。板料宽度为B，且BH，即可视为平面应变。设挤压筒(凹模)内壁光滑，即，其滑移线场如图19-41所示。试用滑移线法求单位挤压力，并画出速端图。解：由于对称性故在轴线ox上的剪应力为零且有 因此点0处可得故由此确定线，线如图所示，显然 沿线有由于是均匀应力区故在A点 处由线逆时针可得17什么是真实速度场（或位移场）？什么是动可容速度场（或位移场）？18试写出上限定理的数学表达式，并说明表达式中各项的意义。答：数学表达式为 简写为 ，中第一至三项分别为虚拟连续位移为增量场所作的功增量、虚拟速度间断面上所消耗的剪切功增量及上真实表面力在所作的功增量，19用上限法求解平面变形问题采用什么简化变形模式？求解步骤如何？所得的上限解是唯一的吗？20试证明刚塑
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