《金属塑性成形原理》复习题（精选4篇）
《金属塑性成形原理》复习题 第1篇
《金属塑性成形原理》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.试分析多晶体塑性变形的特点。
1）各晶粒变形的不同时性。不同时性是由多晶体的各个晶粒位向不同引起的。
2）各晶粒变形的相互协调性。晶粒之间的连续性决定，还要求每个晶粒进行多系滑移；
每个晶粒至少要求有 5个独立的滑移系启动才能保证。
3）晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域之间的变形的不均匀性。
Add：
4）滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。
5）多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。
6）塑性变形时，导致一些物理，化学性能的变化。
7）时间性。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率，而在立方晶系金属中，多晶和单晶试样的应力—应变曲线就没有那么大的差别。
4.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。
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(多用高锰奥氏体无磁钢锻制)。
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。
6.什么是动态回复？为什么说动态回复是热塑性变形的主要软化机制？ 动态回复是在热塑性变形过程中发生的回复(自发地向自由能低的方向转变的过程)。
动态回复是热塑性变形的主要软化机制，是因为：
①动态回复是高层错能金属热变形过程中唯一的软化机制。动态回复是主要是通过位错的攀移、交滑移等实现的。对于层错能高的金属，变形时扩展位错的宽度窄，集束容易，位错的交滑移和攀移容易进行，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，结果使位错密度下降，畸变能降低，不足以达到动态结晶所需的能量水平。因为这类金属在热塑性变形过程中，即使变形程度很大，变形温度远高于静态再结晶温度，也只发生动态回复，而不发生动态再结晶。
②在低层错能的金属热变形过程中，动态回复虽然不充分，但也随时在进行，畸变能也随时在释放，因而只有当变形程度远远高于静态回复所需要的临界变形程度时，畸变能差才能积累到再结晶所需的水平，动态再结晶才能启动，否则也只能发生动态回复。
Add：动态再结晶容易发生在层错能较低的金属，且当热加工变形量很大时。这是因为层错能低，其扩展位错宽度就大，集束成特征位错困难，不易进行位错的交滑移和攀移；
而已知动态回复主要是通过位错的交滑移和攀移来完成的，这就意味着这类材料动态回复的速率和程度都很低(应该说不足)，材料中的一些局部区域会积累足够高的位错密度差(畸变能差)，且由于动态回复的不充分，所形成的胞状亚组织的尺寸小、边界不规整，胞壁还有较多的位错缠结，这种不完整的亚组织正好有利于再结晶形核，所有这些都有利于动态再结晶的发生。需要更大的变形量上面已经提到了。
7.什么是动态再结晶？影响动态再结晶的主要因素有哪些？动态再结晶是在热塑性变形过程中发生的再结晶。动态再结晶和静态再结晶基本一样，也会是通过形核与长大来完成，其机理也是大角度晶界(或亚晶界)想高位错密度区域的迁移。
动态再结晶的能力除了与金属的层错能高低(层错能越低，热加工变形量很大时，容易出现动态再结晶)有关外，还与晶界的迁移难易有关。金属越存，发生动态再结晶的能力越强。当溶质原子固溶于金属基体中时，会严重阻碍晶界的迁移、从而减慢动态再结晶的德速率。弥散的第二相粒子能阻碍晶界的移动，所以会遏制动态再结晶的进行。
9.钢锭经过热加工变形后其组织和性能发生了什么变化？(参见 P27-31)①改善晶粒组织②锻合内部缺陷③破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布④形成纤维组织⑤改善偏析 10.冷变形金属和热变形金属的纤维组织有何不同？ 冷变形中的纤维组织：轧制变形时，原来等轴的晶粒沿延伸方向伸长。若变形程度很大，则晶粒呈现为一片纤维状的条纹，称为纤维组织。当金属中有夹杂或第二相是，则它们会沿变形方向拉成细带状(对塑性杂质而言)或粉碎成链状(对脆性杂质而言)，这时在光学显微镜下会很难分辨出晶粒和杂质。在热塑性变形过程中，随着变形程度的增大，钢锭内部粗大的树枝状晶逐渐沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，其中脆性夹杂物(如氧化物，氮化物和部分硅酸盐等)被破碎呈链状分布；
而苏醒夹杂物(如硫化物和多数硅酸盐等)则被拉长呈条状、线状或薄片状。于是在磨面腐蚀的试样上便可以看到顺主变形方向上一条条断断续续的细线，称为“流线 ”，具有流线的组织就称为“纤维组织”。在热塑性加工中，由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而纤维组织却被很稳定的保留下来直至室温。所以与冷变形时由于晶粒被拉长而形成的纤维组织是不同的。
12.什么是细晶超塑性？什么是相变超塑性？ ①细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。
15.什么是塑性？什么是塑性指标？为什么说塑性指标只具有相对意义? 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，它是金属的一种重要的加工性能。
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。
16.举例说明杂质元素和合金元素对钢的塑性的影响。(P41-44)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；
…… 17.试分析单相与多相组织、细晶与粗晶组织、锻造组织与铸造组织对金属塑性的影响。
①相组成的影响：单相组织(纯金属或固溶体)比多相组织塑性好。多相组织由于各相性能不同，变形难易程度不同，导致变形和内应力的不均匀分布，因而塑性降低。如碳钢在高温时为奥氏体单相组织，故塑性好，而在 800℃左右时，转变为奥氏体和铁素体两相组织，塑性就明显下降。另外多相组织中的脆性相也会使其塑性大为降低。
②晶粒度的影响：晶粒越细小，金属的塑性也越好。因为在一定的体积内，细晶粒金属的晶粒数目比粗晶粒金属的多，因而塑性变形时位向有利的晶粒也较多，变形能较均匀地分散到各个晶粒上；
又从每个晶粒的应力分布来看，细晶粒时晶界的影响局域相对加大，使得晶粒心部的应变与晶界处的应变差异减小。由于细晶粒金属的变形不均匀性较小，由此引起的应力集中必然也较小，内应力分布较均匀，因而金属在断裂前可承受的塑性变形量就越大。
③锻造组织要比铸造组织的塑性好。铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，故使金属塑性降低。而通过适当的锻造后，会打碎粗大的柱状晶粒获得细晶组织，使得金属的塑性提高。
18.变形温度对金属塑性的影响的基本规律是什么？ 就大多数金属而言，其总体趋势是：随着温度的升高，塑性增加，但是这种增加并不是简单的线性上升；
在加热过程中的某些温度区间，往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。在一般情况下，温度由绝对零度上升到熔点时，可能出现几个脆性区，包括低温的、中温的和高温的脆性区。下图是以碳钢为例：区域Ⅰ，塑性极低—可能是由与原子热振动能力极低所致，也可能与晶界组成物脆化有关；
区域Ⅱ，称为蓝脆区(断口呈蓝色)，一般认为是氮化物、氧化物以沉淀形式在晶界、滑移面上析出 所致，类似于时效硬化。区域Ⅲ，这和珠光体转变为奥氏体，形成铁素体和奥氏体两相共存有关，也可能还与晶界上出现FeS-FeO低熔共晶有关，为热脆区。
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。
2.叙述下列术语的定义或含义：
①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；
.ζη η.x xy xz 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ηmax ⑦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)。
3.张量有哪些基本性质？ ①存在张量不变量②张量可以叠加和分解③张量可分对称张量和非对称张量④二阶对称张量存在三个主轴和三个主值 4.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。
12.叙述下列术语的定义或含义 1)位移：变形体内任一点变形前后的直线距离称为位移；
2)位移分量：位移是一个矢量，在坐标系中，一点的位移矢量在三个坐标轴上的投影称为改点的位移分量，一般用 u、v、w或角标符号ui 来表示；
3)相对线应变：单位长度上的线变形，只考虑最终变形；
4)工程切应变：将单位长度上的偏移量或两棱边所夹直角的变化量称为相对切应变，也称工程切应变，即δrt = tanθxy =θxy =αyx +αxy(直角∠CPA减小时，θxy取正号，增大时取负号)；
5)切应变：定义γ yx =γ xy= 1θyx 为切应变；
6)对数应变：塑性变形过程中，在应变主轴方向保持不变的情况下应变增量的总和，记为它反映了物体变形的实际情况，故称为自然应变或对数应变；
7)主应变：过变形体内一点存在有三个相互垂直的应变方向(称为应变主轴)，该方向上线元没有切应变，只有线应变，称为主应变，用ε1、ε2、ε3 表示。对于各向同性材料，可以认 为小应变主方向与应力方向重合；
8)主切应变：在与应变主方向成± 45°角的方向上存在三对各自相互垂直的线元，它们的切 应变有极值，称为主切应变；
9)最大切应变：三对主切应变中，绝对值最大的成为最大切应变；
10)应变张量不变量：
11)主应变简图：用主应变的个数和符号来表示应变状态的简图；
12)八面体应变：如以三个应变主轴为坐标系的主应变空间中，同样可作出正八面体，八面体平面的法线方向线元的应变称为八面体应变 13)应变增量：产生位移增量后，变形体内质点就有相应无限小的应变增量，用dεij 来表示；
14)应变速率：单位时间内的应变称为应变速率，俗称变形速度，用ε& 表示，其单位为 s-1；
15)位移速度：
14.试说明应变偏张量和应变球张量的物理意义。应变偏张量εij /----表示变形单元体形状的变化；
应变球张量δijεm----表示变单元体体积的变化；
塑性变形时，根据体积不变假设，即εm = 0，故此时应变偏张量即为应变张量 15.塑性变形时应变张量和应变偏张量有何关系？其原因何在？塑性变形时应变偏张量就是应变张量，这是根据体积不变假设得到的，即εm = 0，应变球张量不存在了。
16.用主应变简图表示塑性变形的类型有哪些？ 三个主应变中绝对值最大的主应变，反映了该工序变形的特征，称为特征应变。如用主应变简图来表示应变状态，根据体积不变条件和特征应变，则塑性变形只能有三种变形类型 ①压缩类变形，特征应变为负应变(即ε1＜0)另两个应变为正应变，ε2 +ε3 =.ε1 ；
②剪切类变形(平面变形)，一个应变为零，其他两个应变大小相等，方向相反，ε2 =0，ε1 =.ε3 ；
③伸长类变形，特征应变为正应变，另两个应变为负应变，ε1 =.ε2.ε3。
17.对数应变有何特点？它与相对线应变有何关系？ 对数应变能真实地反映变形的积累过程，所以也称真实应变，简称真应变。它具有如下 特点：
①对数应变有可加性，而相对应变为不可加应变；
②对数应变为可比应变，相对应变为不可比应变；
③相对应变不能表示变形的实际情况，而且变形程度愈大，误差也愈大。
对数应变可以看做是由相对线应变取对数得到的。
21.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。
22.常用的屈服准则有哪两个？如何表述？分别写出其数学表达式。
常用的两个屈服准则是 Tresca屈服准则和 Mises屈服准则，数学表达式分别为max min Tresca屈服准则：ηmax =ζ.ζ = C2 式中，ζmax、ζ min----带数值最大、最小的主应力；
C----与变形条件下的材料性质有关而与应力状态无关的常数，它可通过单向均匀拉伸试验求的。
Tresca屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内的一点的最大切应力ηmax 达到某一值时，该点就进入塑性状体。
Mises屈服准则：ζ= 1(ζ1.ζ 2)2 +(ζ 2.ζ3)2 +(ζ3.ζ1)2 =ζs2 = 1 ζ)()()()2(s2zx2yz2xy2xz2zy2yx6ζηηηζζζζζ=+++.+.+.所以 Mises屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力体内一点的等效应力 ζ达到某一定值时，该点就进入塑性状态。
23.两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各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。
Ⅱ两个屈服准则相同的情况在屈服轨迹上两个屈服准则相交的点表示此时两个屈服准则相同，有六个点，四个单向应力状态，两个轴对称应力状态。
Ⅲ两个屈服准则差别最大的情况:在屈服轨迹上连个屈服准则对应距离最远的点所对应的情况，此时二者相差最大，也是六个点，四个平面应力状态(也可是平面应变状态)，两个纯切应力状态，相差为 15.5%。
28.叙述下列术语的定义或含义：
1)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，它是针对加载过程中的每一瞬间的应力状态所确定的该瞬间的应变增量，这样就撇开了加载历史的影响；
2)全量理论：在一定条件下直接确定全量应变的理论，也叫形变理论，它是要建立塑性变形全量应变和应力之间的关系。
3)比例加载：外载荷的各分量按比例增加，即单调递增，中途不卸载的加载方式，满足Ti =CT i 0 ；
4)标称应力：也称名义应力或条件应力，是在拉伸机上拉伸力与原始横断面积的比值；
5)真实应力：也就是瞬时的流动应力，用单向均匀拉伸(或压缩)是各加载瞬间的载荷 P与该瞬间试样的横截面积A之比来表示；
6)拉伸塑性失稳：拉伸过程中发生缩颈的现象 7)硬化材料:考虑在塑性变形过程中因形状变化而会发生加工硬化的材料；
8)理想弹塑性材料：在塑性变形时，需考虑塑性变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也即材料进入塑性状态后，应力不在增加可连续产生塑性变形；
9)理性刚塑性材料：在研究塑性变形时，既不考虑弹性变形，又不考虑变形过程中的加工硬化的材料；
10)弹塑性硬化材料：在塑性变形时，既需要考虑塑性变形前的弹性变形，又要考虑加工硬化的材料；
11)刚塑性硬化材料：在研究塑性变形时，不考虑塑性变形前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化的材料。
29.塑性变形时应力应变关系有何特点？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？ 在塑性变形时，应力应变之间的关系有如下特点：
①应力与应变之间的关系时非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合；
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 υ=0.5；
③对于应变硬化材料，卸载后在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。塑性变形应力和应变之间的关系与加载历史有关，可以通过单向拉伸时的应力应变曲线和不同加载路线的盈利与应变图来说明 P120 30.全量理论使用在什么场合？为什么？ 全量理论适用在简单加载的条件下，因为在简单加载下才有应力主轴的方向固定不变，也就是应变增量的主轴是和应力主轴是重合的，这种条件下对劳斯方程积分得到全量应变和应力之间的关系，就是全量理论。
31.在一般情况下对应变增量积分是否等于全量应变？为什么？在什么情况下这种积分才能成立？ 一般情况下是对应变增量积分是不等于全量应变的，因为一般情况下塑性变形时全量应变主轴与与应力主轴不一定重合。在满足简单加载的的条件下，这种积分才成立。一般情况下很难做到比例加载，但满足几个条件可实现比例加载。可参看第三章第五节中全量理论的部分内容。
1.对塑性成形件进行质量分析有何重要意义？ 对塑性成形件进行质量分析，是检验成形件的质量的一种手段，能够对成形件作出较为全面的评估，指明成形件能否使用和在使用过程中应该注意的问题，可有效防止不必要的安全事故和经济损失。
2.试述对塑性成形件进行质量分析的一般过程即分析方法。
一般过程：调查原始情况→弄清质量问题→试验研究分析→提出解决措施；
分析方法：低倍组织试验、金相试验及金属变形金属变形流动分析试验。
3.试分别从力学和组织方面分析塑性成形件中产生裂纹的原因。
①力学分析：能否产生裂纹，与应力状态、应变积累、应变速率及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。
物体在外力的作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂(产生裂纹)形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变方向；
另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。塑性成形过程中，材料内部的应力除了由外力引起外，还有由于变形不均匀而引起的附加应力。由于温度不均而引起的温度应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力。这些应力超过极限值时都会使材料发生破坏(产生裂纹)。
1)由外力直接引起的裂纹；
2)由附加应力及残余应力引起的裂纹；
3)由温度应力(热应力)及组织应力引起的裂纹。
②组织分析：塑性成形中的裂纹一般发生在组织不均匀或带有某些缺陷的材料中，同时，金属的晶界往往是缺陷比较集中的地方，因此，塑性成形件中的裂纹一般产生于晶界或相界处。
1)材料中由冶金和组织缺陷处应力集中而产生裂纹；
2)第二相及夹杂物本身的强度低和塑性低而产生裂纹：a晶界为低熔点物质；
b晶界存在脆性的第二相或非金属夹杂物；
c第二相为强度低于基体的韧性相；
3)第二相及非金属夹杂与基体之间的力学性能和理化性能上有差异而产生裂纹。
4.防止产生裂纹的原则措施是什么？ 1)增加静水压力；
2)选择和控制合适的变形温度和变形速度；
3)采用中间退火，以便消除变形过程中产生的硬化、变形不均匀、残余应力等；
4)提高原材料的质量。
5.什么是钢的奥氏体本质晶粒度和钢的奥氏体实际晶粒度？ 钢的奥氏体本质晶粒度是将钢加热到 930℃，保温一段时间(一般 3—8h)，冷却后在室温下放大 100倍观察到的晶粒大小。钢的本事晶粒度一般反映钢的冶金质量，它表征钢的工艺特性；
钢的奥氏体实际晶粒度是指钢加热到某一温度下获得奥氏体晶粒大小。奥氏体实际晶粒度则影响零件的使用性能。
6.晶粒大小对材料的力学性能有何影响？ 一般情况下，晶粒细化可以提高金属材料的屈服强度、疲劳强度、塑性和冲击韧度，降低钢的脆性转变温度。
7.影响晶粒大小的主要因素有哪些？这些因素是如何影响晶粒大小的？ 对于热加工过程来说，变形温度、变形程度和机械阻碍物是影响形核速度和长大速度的三个基本参数。下面讨论这三个基本参数对晶粒大小的影响。
1)加热温度(包括塑性变形前的加热温度和固溶处理时的加热温度)温度对原子的扩散能力有重要影响。随着温度的升高，原子(特别是晶界原子)的移动、扩散能力不断增强，晶粒之间并吞速度加剧，晶粒的这种长大可以在很短的时间内完成。所以晶粒随温度升高而长大是一种必然现象。
2)变形程度：热变形的晶粒大小与变形程度之间的关系和 5-17相似。
第一个大晶粒区，叫临界变形区。临界变形区是属于一种小变形量范围。因为其变形量小，金属内部只是局部地区受到变形。在再结晶时，这些受到变形的局部地区会产生再结晶核心，由于产生的核心数目不多，这些为数不多的核心将不断长大直到它们互相接触，结果获得了粗大晶粒。当变形量大于临界变形程度时，金属内部均产生了较大的塑性变形，由于具有了较高的畸变能，因而再结晶能同时形成较多的再结晶核心，这些核心稍微长大就相互解除了，所以再结晶后获得了细晶粒。当变形量足够大时，出现了第二个大晶粒区。该区的粗大晶粒与临界变形时所产生的大晶粒不同。一般认为，该区是在变形时先形成变形织构，经再结晶后形成了织构大晶粒所致。可能的原因还可能是：
①由于变形程度大(90%以上)，内部产生很大的热效应，引起锻件实际变形温度大幅度升高；
②由于变形程度大，使那些沿晶界分布的杂质破碎并分散，造成变形的晶粒与晶粒之间局部地区直接接触(与织构的区别在于这时相互接触的晶粒位向差可以是比较大的)，从而促使形成大晶粒。
3)机械阻碍物:机械阻碍物的存在形式分两类：一类是钢在冶炼凝固时从液相直接析出的，颗粒比较大，成偏析或统计分布；
另一类是钢凝固后，在继续冷却过程中从奥氏体晶粒内析出的，颗粒十分细小，分布在晶界上。后一类比前一类的阻碍作用大得多。机械阻碍物的作用主要表现在对晶界的钉扎作用上。一旦机械阻碍物溶入晶内时，晶界上就不存在机械阻碍作用了，晶粒便可立即长大到与所处温度对应的晶粒大小。对晶粒的影响，除以上三个基本因素外，还有变形速度、原始晶粒度和化学成分等。
8.细化晶粒的主要途径有哪些？ ①在原材料冶炼时加入一些合金元素(如钽、铌、锆、钼、钨、钒、钛等)及最终采用铝、钛等作脱氧剂。它们的细化作用主要在于：当液态金属凝固时，那些高熔点化合物起弥散的结晶核心作用，从而保证获得极细晶粒。此外这些化合物同时又都起到机械阻碍的作用，是已形成的细晶粒不易长大。
②采用适当的变形程度和变形温度。塑性变形时应恰当控制最高变形温度(既要考虑加热温度，也要考虑到热效应引起的升温)，以免发生聚集再结晶。如果变形量较小时，应适当降低变形温度。
③采用锻后正火(或退火)等相变重结晶的方法。必要时利用奥氏体再结晶规律进行高温正火来细化晶粒。
11.什么是塑性失稳？拉伸失稳与压缩失稳有什么本质区别？ 塑性失稳：在塑性加工中，当材料所受载荷达到某一临界值后，即使载荷下降，塑性变形还会继续，这种现象称为塑性失稳。压缩失稳的主要影响因素是刚度参数，它在塑性成形中主要表现为坯料的弯曲和起皱，在弹性和塑性变形范围内都可能产生；
拉伸失稳的主要影响因素是强度参数，它主要表现为明显的非均匀伸长变形，在坯料上产生局部变薄或变细的现象，其进一步发展是坯料的拉断和破裂，它只产生于塑性变形范围内。
13.杆件的塑性压缩失稳与板料的塑性压缩失稳其表现形式有何不同？ 杆件的压缩失稳表现为弯曲；
板料的压缩失稳表现为起皱 14.塑性压缩失稳的临界压应力与那些因素有关？(P180-184)15.在板料拉深中，引起法兰变形区起皱的原因是什么？在生产实践中，如何防止法兰变形区的起皱？ 原因：压缩力引起的失稳起皱。成形过程中变形区坯料的径向拉应力ζ1和切向压应力ζ3 的平面应力状态下变形，当切向压应力ζ3 达到失稳临界值时，坯料将产生失稳起皱。
防止方法：加设压边圈 一、填空题 1.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。
2.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。
3.金属热塑性变形机理主要有：
晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移 和 扩散蠕变 等。
4.请将以下应力张量分解为应力球张量和应力偏张量 ＝ ＋ 5.对应变张量，请写出其八面体线变 与八面体切应变 的表达式。
＝ ；
＝。
6.1864 年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）根据库伦在土力学中研究成果，并从他自已所做的金属挤压试验，提出材料的屈服与最大切应力有关，如果采用数学的方式，屈雷斯加屈服条件可表述为。
7.金属塑性成形过程中影响摩擦系数的因素有很多，归结起来主要有 金属的种类和化学成分、工具的表面状态、接触面上的单位压力、变形温度、变形速度 等几方面的因素。
8.变形体处于塑性平面应变状态时，在塑性流动平面上滑移线上任一点的切线方向即为该点的最大切应力方向。对于理想刚塑性材料处于平面应变状态下，塑性区内各点的应力状态不同其实质只是平均应力 不同，而各点处的 最大切应力 为材料常数。
9.在众多的静可容应力场和动可容速度场中，必然有一个应力场和与之对应的速度场，它们满足全部的静可容和动可容条件，此唯一的应力场和速度场，称之为 真实 应力场和 真实 速度场，由此导出的载荷，即为 真实 载荷，它是唯一的。
10.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：
，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。
11、金属塑性成形有如下特点：
、、、。
12、按照成形的特点，一般将塑性成形分为 和 两大类，按照成形时工件的温度还可以分为、和 三类。
13、金属的超塑性分为 和 两大类。
14、晶内变形的主要方式和单晶体一样分为 和。
其中 变形是主要的，而 变形是次要的，一般仅起调节作用。
15、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，这个过程称为金属的。
16、常用的摩擦条件及其数学表达式。
17、研究塑性力学时，通常采用的基本假设有、、、体积力为零、初应力为零、。
19.塑性是指：
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。
20.金属单晶体变形的两种主要方式有：
滑移 和 孪生。
21．影响金属塑性的主要因素有：
化学成分、组织、变形温度、变形速度、应力状态。
22.等效应力表达式： 。
23.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。
24.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。
25．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：
干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。
26．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加。
27．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性 提高。
28．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化 润滑处理。
29．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。
30．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。
31．韧性金属材料屈服时，密塞斯（Mises）准则较符合实际的。
32．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。
33．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。
34．应力状态中的压 应力，能充分发挥材料的塑性。
35．平面应变时，其平均正应力sｍ 等于 中间主应力s２。
36．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。
37．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e１＝０.1，第二次的真实应变为e２＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。
38．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。
39．弹性变形机理 原子间距的变化；
塑性变形机理 位错运动为主。
二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。
Ａ、大于；
Ｂ、等于；
Ｃ、小于；
2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做 A。
Ａ、理想塑性材料；
Ｂ、理想弹性材料；
Ｃ、硬化材料；
3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为 B。
Ａ、解析法；
Ｂ、主应力法；
Ｃ、滑移线法；
4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。
Ａ、密席斯；
Ｂ、屈雷斯加；
Ｃ密席斯与屈雷斯加；
5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。
Ａ、能量；
Ｂ、力；
Ｃ、应变；
6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生 A。
Ａ、热脆性；
Ｂ、冷脆性；
Ｃ、兰脆性；
7． 应力状态中的B 应力，能充分发挥材料的塑性。
Ａ、拉应力；
Ｂ、压应力；
Ｃ、拉应力与压应力；
8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。
Ａ、大于；
Ｂ、等于；
Ｃ、小于；
9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。
Ａ、提高；
Ｂ、降低；
Ｃ、没有变化；
10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为 A。
Ａ、纤维组织；
Ｂ、变形织构；
Ｃ、流线；
三、判断题 1．按密塞斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。
（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。
（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。
（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。
（√）7．塑性就是柔软性。
（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。
（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。
（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。
（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。
（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。
（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。
（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；
若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。
（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、简答题 1.纯剪切应力状态有何特点？ 答：纯剪切应力状态下物体只发生形状变化而不发生体积变化。
纯剪应力状态下单元体应力偏量的主方向与单元体应力张量的主方向一致，平均应力。
其第一应力不变量也为零。
3.塑性变形时应力应变关系的特点？ 答：在塑性变形时，应力与应变之间的关系有如下特点：
(1)应力与应变之间的关系是非线性的，因此，全量应变主轴与应力主轴不一定重合。
(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。
(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报载时的屈服应力，比初始屈服应力要高。
(4)塑性变形是不可逆的，与应变历史有关，即应力－应变关系不再保持单值关系。
1．试简述提高金属塑性的主要途径。
答：可通过以下几个途径来提高金属塑性：
(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。
2．请简述应变速率对金属塑性的影响机理。
答：应变速度通过以下几种方式对塑性发生影响：
(1)增加应变速率会使金属的真实应力升高，这是由于塑性变形的过程比较复杂，需要有一定的时间来进行。
(2)增加应变速率，由于没有足够的时间进行回复或再结晶，因而软化过程不充分而使金属的塑性降低。
(3)增加应变速率，会使温度效应增大和金属的温度升高，这有利于金属塑性的提高。
综上所述，应变速率的增加，既有使金属塑性降低的一面，又有使金属塑性增加的一面，这两方面因素综合作用的结果，最终决定了金属塑性的变化。
3．请简述弹性变形时应力-应变关系的特点。
答：弹性变形时应力-应变关系有如下特点：
(1)应力与应变完全成线性关系，即应力主轴与全量应变主轴重合。
(2)弹性变形是可逆的，与应变历史（加载过程）无关，即某瞬时的物体形状、尺寸只与该瞬时的外载有关，而与瞬时之前各瞬间的载荷情况无关。
(3)弹性变形时，应力球张量使物体产生体积的变化，泊松比。
三、计算题 1．对于直角坐标系 Oxyz 内，已知受力物体内一点的应力张量为，应力单位为 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、最大切应力、八面体应力、应力偏张量及应力球张量。
解：
(1)该点的应力单元体如下图所示(2)应力张量不变量如下 故得应力状态方程为 解之得该应力状态的三个主应力为（Mpa）设主方向为，则主应力与主方向满足如下方程 即，解之则得，解之则得，解之则得 最大剪应力为：
八面体正应力为：
Mpa 八面体切应力为：
应力偏张量为：，应力球张量为：
2．已知金属变形体内一点的应力张量为 Mpa，求：
(1)计算方向余弦为 l=1/2，m=1/2，n= 的斜截面上的正应力大小。
(2)应力偏张量和应力球张量；
(3)主应力和最大剪应力；
解：
(1)可首先求出方向余弦为（l,m,n）的斜截面上的应力（）进一步可求得斜截面上的正应力 ：
(2)该应力张量的静水应力 为 其应力偏张量 应力球张量(3)在主应力面上可达到如下应力平衡 其中 欲使上述方程有解，则 即 解之则得应力张量的三个主应力：
对应地，可得最大剪应力。
3．若变形体屈服时的应力状态为：-30 0 0 15 0 23 ´ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç è æ × × × = ij s MPa 试分别按Mises和Tresca塑性条件计算该材料的屈服应力及值，并分析差异大小。
解：，Tresca准则：
MPa 而＝＝1 Mises准则：
MPa 而＝＝1.07 或者：，4．某理想塑性材料，其屈服应力为100(单位：10MPa)，某点的应力状态为：
MPa 将其各应力分量画在如图所示的应力单元图中，并判断该点处于什么状态（弹性/塑性）？ 答：＝－300MPa ＝230MPa ＝150MPa ＝－30 MPa ====0 根据应力张量第一、第二、第三不变量公式：
＝++-＝＋＋ ＝ 将、、、、、、、、代入上式得：
＝8，＝804，＝－10080(单位：10MPa)将、、代入－－б－＝0，令>>解得：
=24 =14 =－30(单位：10MPa)根据Mises屈服准则：
等效应力 ＝ ＝49.76(单位：10MPa)(单位：10MPa)因此,该点处于弹性状态。
一、填空题 1.设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示：
，则单元内任一点外的应变可表示为 ＝。
2.塑性是指：
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。
3.金属单晶体变形的两种主要方式有：
滑移 和 孪生。
4.等效应力表达式：。
5.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为 第一主方向，由 第一主方向顺时针转 所得滑移线即为 线。
6.平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力 σ z =。
7．塑性成形中的三种摩擦状态分别是：
干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。
8．对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。
9．就大多数金属而言，其总的趋势是，随着温度的升高，塑性 提高。
10．钢冷挤压前，需要对坯料表面进行磷化皂化 润滑处理。
11．为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。
12．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。
13．韧性金属材料屈服时，密席斯（Mises）准则较符合实际的。
14．硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。
15．塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。
16．应力状态中的压 应力，能充分发挥材料的塑性。
17．平面应变时，其平均正应力sm 等于 中间主应力s2。
18．钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 降低。
19．材料经过连续两次拉伸变形，第一次的真实应变为e1＝０.1，第二次的真实应变为e2＝０.25，则总的真实应变e＝0.35。
20．塑性指标的常用测量方法 拉伸试验法与压缩试验法。
21．弹性变形机理 原子间距的变化；
塑性变形机理 位错运动为主。
二、下列各小题均有多个答案，选择最适合的一个填于横线上 1．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。
Ａ、大于；
Ｂ、等于；
Ｃ、小于；
2．塑性变形时不产生硬化的材料叫做 A。
Ａ、理想塑性材料；
Ｂ、理想弹性材料；
Ｃ、硬化材料；
3． 用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为 B。
Ａ、解析法；
Ｂ、主应力法；
Ｃ、滑移线法；
4． 韧性金属材料屈服时，A准则较符合实际的。
Ａ、密席斯；
Ｂ、屈雷斯加；
Ｃ密席斯与屈雷斯加；
5．由于屈服原则的限制，物体在塑性变形时，总是要导致最大的 A 散逸，这叫最大散逸功原理。
Ａ、能量；
Ｂ、力；
Ｃ、应变；
6． 硫元素的存在使得碳钢易于产生 A。
Ａ、热脆性；
Ｂ、冷脆性；
Ｃ、兰脆性；
7． 应力状态中的B 应力，能充分发挥材料的塑性。
Ａ、拉应力；
Ｂ、压应力；
Ｃ、拉应力与压应力；
8．平面应变时，其平均正应力sｍB中间主应力s２。
Ａ、大于；
Ｂ、等于；
Ｃ、小于；
9． 钢材中磷使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性 B。
Ａ、提高；
Ｂ、降低；
Ｃ、没有变化；
10．多晶体经过塑性变形后各晶粒沿变形方向显著伸长的现象称为 A。
Ａ、纤维组织；
Ｂ、变形织构；
Ｃ、流线；
三、判断题 1．按密席斯屈服准则所得到的最大摩擦系数μ=0.5。
（×）2．塑性变形时，工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响小于工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。
（×）3．静水压力的增加，对提高材料的塑性没有影响。（×）4．在塑料变形时要产生硬化的材料叫理想刚塑性材料。
（×）5．塑性变形体内各点的最大剪应力的轨迹线叫滑移线。（√）6．塑性是材料所具有的一种本质属性。
（√）7．塑性就是柔软性。
（×）8．合金元素使钢的塑性增加，变形拉力下降。
（×）9．合金钢中的白点现象是由于夹杂引起的。
（×）10．结构超塑性的力学特性为，对于超塑性金属m =0.02-0.2。
（×）11．影响超塑性的主要因素是变形速度、变形温度和组织结构。
（√）12．屈雷斯加准则与密席斯准则在平面应变上，两个准则是一致的。
（×）13．变形速度对摩擦系数没有影响。
（×）14．静水压力的增加，有助于提高材料的塑性。（√）15．碳钢中冷脆性的产生主要是由于硫元素的存在所致。（×）16．如果已知位移分量，则按几何方程求得的应变分量自然满足协调方程；
若是按其它方法求得的应变分量，也自然满足协调方程，则不必校验其是否满足连续性条件。
（×）17．在塑料变形时金属材料塑性好，变形抗力就低，例如：不锈钢（×）四、名词解释 1．上限法的基本原理是什么？ 答：按运动学许可速度场来确定变形载荷的近似解，这一变形载荷它总是大于真实载荷，即高估的近似值，故称上限解。
2．在结构超塑性的力学特性中，m值的物理意义是什么？ 答：为应变速率敏感性系数，是表示超塑性特征的一个极重要的指标，当m值越大，塑性越好。
3．何谓冷变形、热变形和温变形？ 答：冷变形：在再结晶温度以下（通常是指室温）的变形。
热变形：在再结晶温度以上的变形。
温变形：在再结晶温度以下，高于室温的变形。
4．何谓最小阻力定律？ 答：变形过程中，物体质点将向着阻力最小的方向移动，即做最少的功，走最短的路。
5．何谓超塑性？ 答：延伸率超过100%的现象叫做超塑性。
五、简答题 1．请简述有限元法的思想。
答：有限元法的基本思想是：
(1)把变形体看成是有限数目单元体的集合，单元之间只在指定节点处铰接，再无任何关连，通过这些节点传递单元之间的相互作用。如此离散的变形体，即为实际变形体的计算模型；
(2)分片近似，即对每一个单元选择一个由相关节点量确定的函数来近似描述其场变量（如速度或位移）并依据一定的原理建立各物理量之间的关系式；
(3)将各个单元所建立的关系式加以集成，得到一个与有限个节点相关的总体方程。
解此总体方程，即可求得有限个节点的未知量（一般为速度或位移），进而求 得整个问题的近似解，如应力应变、应变速率等。
所以有限元法的实质，就是将具有无限个自由度的连续体，简化成只有有限个自由度的单元集合体，并用一个较简单问题的解去逼近复杂问题的解。
2.Levy-Mises 理论的基本假设是什么？ 答：
Levy-Mises 理论是建立在以下四个假设基础上的：
(1)材料是刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑性应变增量就是总的应变增量；
(2)材料符合 Mises 屈服准则，即 ；
(3)每一加载瞬时，应力主轴与应变增量主轴重合；
(4)塑性变形时体积不变，即，所以应变增量张量就是应变增量偏张量，即 3．在塑性加工中润滑的目的是什么？影响摩擦系数的主要因素有哪些？ 答：（1）润滑的目的是:减少工模具磨损；
延长工具使用寿命；
提高制品质量；
降低金属变形时的能耗。
（2）影响摩擦系数的主要因素：
答：1）金属种类和化学成分；
2）工具材料及其表面状态；
3）接触面上的单位压力；
4）变形温度；
5）变形速度；
6）润滑剂 4．简述在塑性加工中影响金属材料变形抗力的主要因素有哪些？ 答：（1）材料（化学成分、组织结构）；
（2）变形程度；
（3）变形温度；
（4）变形速度；
（5）应力状态；
（6）接触界面（接触摩擦）5．为什么说在速度间断面上只有切向速度间断，而法向速度必须连续？ 答：现设变形体被速度间断面SD分成①和②两个区域；
在微段dSD上的速度间断情况如下图所示。
根据塑性变形体积不变条件，以及变形体在变形时保持连续形，不发生重叠和开裂可知，垂直于dSD上的速度分量必须相等，即，而切向速度分量可以不等，造成①、②区的相对滑动。其速度间断值为 6．何谓屈服准则？常用屈服准则有哪两种？试比较它们的同异点？ 答：（1）屈服准则：只有当各应力分量之间符合一定的关系时，质点才进入塑性状态，这种关系就叫屈服准则。
（2）常用屈服准则：密席斯屈服准则与屈雷斯加屈服准则。
（3）同异点：在有两个主应力相等的应力状态下，两者是一致的。对于塑性金属材料，密席斯准则更接近于实验数据。在平面应变状态时，两个准则的差别最大为15.5% 7.简述塑性成形中对润滑剂的要求。
答：（1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态；
（2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应不分解，不变质；
（3）润滑剂有冷却模具的作用；
（4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用；
（5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境；
（6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。
8．简述金属塑性加工的主要优点? 答：（1）结构致密，组织改善，性能提高。
（2）材料利用率高，流线分布合理。
（3）精度高，可以实现少无切削的要求。
（4）生产效率高。
六、计算题 1．圆板坯拉深为圆筒件如图1所示。
假设板厚为t , 圆板坯为理想刚塑性材料，材料的真实应力为S，不计接触面上的摩擦 ,且忽略凹模口处的弯曲效应 , 试用主应力法证明图示瞬间的拉深力为：
（a）拉深示意图（b）单元体 图1 板料的拉深 答：在工件的凸缘部分取一扇形基元体，如图所示。沿负的径向的静力平衡方程为：
展开并略去高阶微量，可得：
由于是拉应力，是压应力，故，得近似塑性条件为：
联解得：
式中的 2．如图2所示，设有一半无限体，侧面作用有均布压应力，试用主应力法求单位流动压力p。
图2 解：
取半无限体的半剖面，对图中基元板块（设其长为 l）列平衡方程：
（1）其中，设，为摩擦因子，为材料屈服时的最大切应力值，、均取绝对值。
由(1)式得：
（2）采用绝对值表达的简化屈服方程如下：
（3）从而（4）将（2）（3）（4）式联立求解，得：
（5）在边界上，由（3）式，知，代入（5）式得：
最后得：
（6）从而，单位流动压力：
（7）3．图3所示的圆柱体镦粗，其半径为re，高度为h，圆柱体受轴向压应力sZ，而镦粗变形接触表面上的摩擦力t＝０.２Ｓ（Ｓ为流动应力），sze为锻件外端（r=re）处的垂直应力。
（1）证明接触表面上的正应力为：
（2）并画出接触表面上的正应力分布；
（3）求接触表面上的单位流动压力ｐ，（4）假如re＝100MM，Ｈ＝150MM,Ｓ=500MPa，求开始变形时的总变形抗力Ｐ为多少吨？ 解：
（1）证明 该问题为平行砧板间的轴对称镦粗。设对基元板块列平衡方程得：
因为，并略去二次无穷小项，则上式化简成：
假定为均匀镦粗变形，故：
图3 最后得：
该式与精确平衡方程经简化后所得的近似平衡方程完全相同。
按密席斯屈服准则所写的近似塑性条件为：
联解后得：
当时，最后得：
（3）接触表面上的单位流动压力为：
=544MP（4）总变形抗力: =1708T 4．图4所示的一平冲头在外力作用下压入两边为斜面的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为q，自由表面AH、BE与X轴的夹角为，求：
（1）证明接触面上的单位应力q=K（2++2）；
（2）假定冲头的宽度为2b，求单位厚度的变形抗力P；
图4 解：
（1）证明 1）在AH边界上有：
故，屈服准则：
得：
2）在AO边界上：
根据变形情况：
按屈服准则：
沿族的一条滑移（OA1A2A3A4）为常数（2）单位厚度的变形抗力：
5．图5所示的一尖角为2j的冲头在外力作用下插入具有相同角度的缺口的刚塑性体中，接触表面上的摩擦力忽略不计，其接触面上的单位压力为p，自由表面ABC与X轴的夹角为d，求：
（1）证明接触面上的单位应力p=2K（1+j+d）；
（2）假定冲头的宽度为2b，求变形抗力P。
图5 答：
（1）证明 1）在AC边界上：
2）在AO边界上：
3）根据变形情况：
4）按屈服准则：
5）沿族的一条滑移（OFEB）为常数（2）设AO的长度为L，则变形抗力为：
6．模壁光滑平面正挤压的刚性块变形模型如图6所示，试计算其单位挤压力的上限解 P，设材料的最大切应力为常数K。
图6 解：首先，可根据动可容条件建立变形区的速端图，如图7所示：
图7 设冲头的下移速度为。由图7可求得各速度间断值如下：
;;由于冲头表面及模壁表面光滑，故变形体的上限功率仅为各速度间隔面上消耗的剪切功率，如下式所示：
又冲头的功率可表示为：
故得：
7．一理想刚塑性体在平砧头间镦粗到某一瞬间，条料的截面尺寸为 2a × 2a，长度为 L，较 2a 足够大，可以认为是平面变形。变形区由 A、B、C、D 四个刚性小块组成（如图8所示），此瞬间平砧头速度为 ú i =1（下砧板认为静止不动）。试画出速端图并用上限法求此条料的单位变形力 p。
图8 解：根据滑移线理论，可认为变形区由对角线分成的四个刚性三角形组成。刚性块 B、D 为死区，随压头以速度 u 相向运动；
刚性块 A、C 相对于 B、D有相对运动（速度间断），其数值、方向可由速端图（如图9所示）完全确定。
图9 u * oA = u * oB = u * oC = u * oD =u/sin θ = 根据能量守恒：
2P · 1 ＝ K（u * oA ＋ u * oB ＋ u * oC ＋ u * oD）又 ＝ ＝ ＝ ＝ a 所以单位流动压力：P = ＝ 2K
《金属塑性成形原理》复习题 第2篇
报考专业：材料加工工程
考试科目：塑性成形原理
考试参考书：李尧主编．金属塑性成形原理．机械工业出版社．2004 考试总分：100分
考试时间：2小时
一、考试目的与要求
《金属塑性成形原理》是材料加工专业的一门必修专业基础理论课程。本课程主要阐明了材料在进行塑性加工中所产生的力学问题和金属学问题，即阐明金属塑性加工的机理，变形条件和组织性能的变化，以及对金属塑性成形过程中的应力应变状态及分布，进行相应的力学计算，探讨变形过程中金属的流动规律。
要求考生：(1)掌握金属塑性变形的成形机理；变形条件及组织性能的变化；
(2)掌握金属在各种工艺条件下进行塑性成形过程中的应力应变大小及分布特性；(3)能根据基本金属塑性成形理论，对金属塑性过程中的应力应变进行分析及力学计算；(4)掌握在塑性变形过程中金属的流动规律。
二、考试内容
第一章绪论
1． 金属塑性成形特点及分布；金属塑性成形理论的发展
复习重点：掌握塑性加工（压力加工）的概念，金属塑性成形的特点、分类，金属塑性成形理论的发展基本概况。
第二章金属塑性变形的力学基础
1．应力分析
复习重点：点应力状态的概念、力学特征及其表示方法，掌握应力平衡方程的推导过程，平面问题、轴对称问题的特点和表达形式。
2.应变分析
复习重点：掌握点应变状态的概念、特征及其表示方法，掌握位移和小变形几何方程以及变形连续方程，理解全量应变、应变增量以及应变速率的概念。
3.屈服准则
复习重点：掌握塑性以及屈服准则的概念,熟练掌握屈雷斯加、密席斯屈服准则，以及两种屈服准则的差异，了解屈服准则的验证方法及硬化材料屈服准则的特点。
4．塑性应力应变关系
复习重点：掌握塑性变形时应力—应变关系特点，理解全量理论和增量理论的概念以及几种理论的表达方式和特点。
5．真实应力-应变曲线
复习重点：掌握真实应力，真实应变的概念、特点及表达形式，掌握通过拉伸实验来确定真实应力-应变曲线的方法。
第三章塑性成形中金属变形与流动的相关问题
1．最小阻力定理
2．影响金属塑性、塑性变形和流动的因素
3．加工硬化
4．不均匀变形、附加应力和残余应力
5．金属的断裂
复习重点：掌握最小阻力定理，塑性，加工硬化，均匀/不均匀变形，附加应力，残余应力，断裂等概念，掌握影响金属塑性、塑性变形和流动的主要影响因素（变形条件、摩擦润滑、工具形状）以及提高金属塑性的途径，加工硬化的机理，后果以及应用，塑性成形过程中金属的断裂现象及物理本质。
第四章金属塑性成形基本工序的力学分析及主应力法
1．主应力法的基本原理
2．镦粗变形
3．开式模锻
4．板料弯曲
5．板料拉深
6．挤压变形
复习重点：主应力法的基本原理，镦粗变形特点及变形力计算，开式模锻的变形特点及变形力计算，窄板及宽板弯曲时的应力应变状态分析，圆筒件拉深变形过程及变形特点，圆筒件拉深成形过程中的应力应变状态，拉深力的计算，拉深时的起皱和拉裂，金属挤压的变形特点以及挤压力的计算。
第五章塑性成形问题的滑移线解法
1．滑移线的基本概论
2．滑移线场的应力方程
3．滑移线的基本特性
4．应力边界条件
5.滑移线场的建立方法
6.用滑移线法求解塑性成形问题
复习重点：掌握滑移线以及滑移线场的概念，滑移线的基本特性以及边界条件的应用，运用滑移线的基本特性和选择适当的边界条件求解常见的塑性成形问题。
三、试题类型
（1）专业术语解释（20分）；
（2）问答题（50分）
《金属塑性成形原理》复习题 第3篇
金属体积成形工艺就是将金属材料放置在相应模具或不同的挤压设备中,通过外力的挤压使其发生塑性形变的工艺过程。锻造是传统金属体积成形主要工艺,但随着经济科技的发展,金属的体积成形工艺发展为锻造、挤压、轧制等工艺。金属体积成形非常复杂,通常是多种因素耦合在一起的,这就导致通过传统理论对其进行研究非常困难。近年来有限元方法在金属成形工艺中的广泛应用,使其成为解决金属体积成形问题的重要方法。有限元方法是在连续体力学的范围内,对多种因素耦合的金属体积成形物理过程进行模拟计算,能够将温度、应力、金属性能等因素耦合地模拟出来,极大地解决了传统方法对设备、材料和时间的浪费,有效地提高了生产效率和产品质量,提升了产品市场竞争能力[1]。
1 塑性有限元法
1.1 刚塑性有限元法
刚塑性有限元变分原理[1,2]:
式中:为等效应力;为等效应变速率;Fi为力面SF上给定的面力;Vi为速度已知面Sv上给定的速度;V为变形体的体积;S为表面积。
刚塑性有限元求解中,各国学者在体积不变条件下,提出了不同的方法。Lee和Kobayashi提出使用Lagrange法来求解;Mori等提出可压缩法求解,该方法解决了从速度场中直接求解应力场的难题;Song等利用泛函的严格凸性,证明了在采用常用摩擦条件和常用变形抗力模型的情况下,刚塑性、压缩材料总能耗率泛函有唯一的极小值。这些工作为刚塑性有限元求解奠定了理论基础。
1.2 弹塑性有限元法
弹塑性有限元变分原理[1,2]:
取极小值,其中函数为应变能密度,。这一变分原理称为弹塑性第一变分原理。
与刚塑性有限元相比,弹塑性有限元求解往往需要划分更多的单元,以满足单元逐步进入屈服状态的条件。Marcal等和Yamada等推导出的弹塑性矩阵奠定了弹塑性有限元的理论基础。
2 金属体积成形锻造工艺的有限元模拟
锻造是金属体积成形重要工艺之一,锻造过程中金属变形大,其形变主要以塑性形变为主,是一个非常复杂的非线性过程。采用经典的解析法、主应力法和滑移线法很难对其进行精确的求解和分析,更无法对应力、应变、材料损伤和缺陷进行预测。传统的研究方式如试错法和经验类比法等都是以经验为主的方法,对锻造工艺过程进行定量的机理研究和分析非常困难,已经不适合应用于生产过程中。目前,随着计算机工艺水平和应用分析方法的持续进步,有限元模拟方法在计算机软、硬件不断提高的背景下,已经趋于成熟。通过有限元模拟方法模拟锻造成形过程,并根据模拟结果进行工艺优化、微观组织预测和缺陷预防,已经成为提高锻造工艺水平的关键方法和定量分析锻造工艺过程的有效途径。
近年来,有限元模拟已经不局限于研究普通锻造工艺过程,研究重点已转向对一些大型锻造过程和精密锻造过程的模拟研究。
在国外,对于精密锻造过程,Zhan[3]数值模拟了飞机叶片生产工艺过程,通过有限元模型预测了锻件最终的形状,及工件终锻时放置的位置对工件最终形状的影响。N.Bontcheva和G.Petzov[4]有限元模拟了法兰轴的锻造过程,同时建立了锻造过程中金属内部组织演化有限元模型,通过有限元模型分析了锻造过程中的受力情况,展现了锻造过程中金属内部再结晶过程。对于大型锻造过程,G.Banaszek等[5,6]建立了大型轴类锻件锻造及滚圆工艺过程有限元模型,通过有限元模型量化地研究了锻造过程中工件的压缩量、进给量和翻转角度等参数对整个锻造工艺过程的影响。Jong Taek Yeom[7]使用有限元软件建立了718合金锻造过程中工件内部组织演化的有限元模型,动态地显示了工件内部组织演化的过程。Jun[8]通过有限元模拟将有限元模型得到的锻件最终成形形状同有限元模型获得的模具变形和工件回弹相耦合,准确地预测出冷锻件最终大小。Greze[9]有限元模拟了5754铝合金锻件的残余应力和回弹情况,通过有限元模分析了温度对其的影响。Zhang[10]建立了7075铝合金三通管多向模锻过程有限元模型,通过模拟得出锻件变形精确的关键在于等温形变。
在国内,对于精密锻造过程,方媛等[11]使用有限元法数值模拟了弧齿锥齿轮精锻成形工艺过程,通过模拟直观地显示了精锻过程中齿数、模数、压力角等参数对最终产品质量的影响。赵军等[12,13]使用有限元法数值模拟了弧齿锥齿轮温锻成形过程齿模温度场和模具表面磨损,通过有限元模型对模温度场、锻压速度、摩擦系数等参数进行了研究,为生产提供了理论依据。秦力等[14]使用有限元方法建立了内外锻造法兰和内外刚性法兰的有限元模型,比较了两种内外法兰的位移-承载力变化。根据其的受力变形特征,修改了内外锻造法兰的螺栓大小,优化了内外锻造法兰的工艺。徐看等[15]使用有限元方法数值模拟了叶片类薄锻件锻造变形过程,分析了锻造过程中的工件的形变、受力规律等,为工艺优化和模具设计提供了参考。对于大型锻造过程,夏琴香等[16]使用有限元方法模拟了等轴类大锻件锻造过程,对其变形机理和锻件内部组织演化规律进行了探索,对锻造过程中重要的工艺参数包括锻件最终尺寸、孔洞锻合等进行了深入研究。康海鹏等[17]用有限元法数值模拟了大型锻件锻造过程,通过有限元模型三维地显示了锻造过程中的温度、等效应力、等效应变等传统方法不能获得的工艺参数,通过分析对这些工艺参数进行了确定,为实际生产和工艺优化提供了重要的依据,如图1所示。李礼等[18]利用有限元方法研究了TC18缩比盘件等温锻造过程,通过有限元模型考察变形温度、变形速率和摩擦因数等因素,得出了该合金较合理的模锻工艺参数,热模试验结果与模型结果一致。夏琴香等[19]使用有限元软件建立了5CrNiMo热作模具钢曲轴模块锻造过程有限元模型,模拟了3种锻造工艺。通过分析发现,反复镦拔工艺由于温度偏低,容易出现应力集中现象,导致材料破损;综合锻造工艺相对复杂,导致应力偏大,也会出现材料破损现象;而径向十字锻造工艺相对简单,温度和应力分布比较均匀,不易出现材料破损,是比较适合的工艺。李刚等[20]使用有限元法模拟了一种考虑锻件塑性变形的锻造过程,同时结合拉格朗日方程建立了锻压过程中的动力学控制方程,通过有限元模拟分析得出接触边界条件对锻造系统的动力学响应影响明显,因此塑性变形效应在锻造过程中不能省略。
有限元模拟方法在锻造工艺优化、锻件内部缺陷锻合和锻件微观组织预测等方面取得了许多重要的成果,但仍存在一些尚未解决的问题。首先,在优化工艺方面,通过有限元模拟方法优化的锻造工艺及参数,往往是考虑在一个理想的状态下的单工步压下过程,在模拟单工步压下过程中往往是只考虑了单个因素,如孔洞锻合效果、成形效率、应力分布等,而实际锻造工艺过程包含了多次的送进和翻转,各工步间是相互影响的。因此,有限元模拟优化的工艺参数具有一定的局限性。其次,在锻件内部缺陷锻合和锻件微观组织预测等方面,数值模拟只考虑了单个工序中的单个工步情况下,而实际生产中,锻造是一系列工艺成形过程,在不同工艺过程中温度的变化比较大,同时不同工序之间也存在相互影响的情况。因此,用理想化状态下数值模拟得出的结果来指导实际工艺生产优化是有一定偏差的。未来,如何处理好两者之间的关系,使有限元模型和方法贴近实际,是塑性有限元方法应用于锻造成形的发展方向。
3 金属体积成形挤压工艺的有限元模拟
挤压成形是指金属材料在外部应力挤压下发生塑性形变形成模具形状或从模具出口流出,形成一定形状和尺寸的工件的压力加工方法。由于整个挤压过程受力非常复杂,涉及力学中的几何非线性和物理非线性,很难用理论解析法进行求解,往往需要对问题进行简化,因而求解精度较低。而采用实验方法研究挤压成形过程时,材料性能、毛坯形状、模具的结构、加工温度及挤压速度等因素均会对成形过程产生影响,准确定量分析上述因素非常困难。因此,传统的研究方法已经不能满足挤压工艺研究的要求。随着计算机软、硬件水平的不断提高,通过有限元模拟研究挤压工艺过程成为现实,通过数值模拟可以获得影响挤压过程的难以测量的物理量,主要包括变形温度、挤压速度、模具结构、润滑条件等。这使得数值模拟成为研究挤压成形过程的重要手段,对提高产品质量具有重要意义[21]。
Yang D Y等[22]通过有限元软件二次开发接口,编写了模拟导流模具与挤压模具工艺过程的有限元模型程序,并对其进行了分析。Lin等[23]使用有限元方法建立了铝合金精密挤压成形工艺过程有限元模型,通过模型研究了挤压模具锥角、坯料高径比等工艺参数,优化了精密挤压成形工艺。Song[24]使用有限元软件建立了AZ31镁合金板材挤压过程模型,同时考虑了挤压过程中坯料和模具之间的热传递,使得模型更接近实际生产。Jurek Duszczyk等[25]建立了镁合金复杂形状零件的挤压过程的有限元模型,通过有限元模型优化了生产工艺。Farhoumand等[26]有限元模拟了铝合金正反-径向复合挤压过程,通过有限元模型研究了模具转角半径、径向型腔高度和摩擦对挤压过程的影响。S.M.Fatemi-Varzaneh等[27]通过有限元模型确定了挤压过程中通过ABE方式使工件内部形成超细晶粒,其ABE方式的等效应变值为4~5。Farjad等[28]通过有限元模型研究了挤压速度、初始坯料温度分布和挤压筒冷却速率对铝合金挤压的影响。
国内杜艳梅等[29]有限元模拟了热挤压成形双层复合管工艺过程,通过有限元模型得到了工件在不同挤压温度下的温度场和整个工艺过程中工件的应力和应变的变化情况,为优化挤压模具提供了参考。王尧等[30]使用有限元法模拟了铝型材挤压过程,通过有限元模型分析了挤压过程中应变率、等效应变、等效应力等工艺参数,实验结果与模拟结果一致。任国成等[31]有限元模拟了等通道转角挤压(ECAP)工艺过程,研究了不同模具外角对整个工艺的影响,分析得出要想获得工件比较均匀等效应变分布,其外角参数应为20°,如图2所示。秦升学等[32]有限元模拟了矩形方管空心铝型材的挤压成形过程,研究了挤压成形过程中挤压力、工件外部和内部温度等分布。吴连平等[33]使用有限元模拟方法研究了GEW12DEM1T关节轴承冷挤压过程中的关节轴承挤压变形和回弹,得出了金属流动规律、内外圈接触应力分布情况和回弹后内外圈间隙分布情况。
国内外在利用有限元方法模拟挤压工艺过程和优化模具结构等方面均取得了许多重要的成果。但其结果都是建立在挤压过程中模具的变形被忽略的基础上。在精密挤压成形工艺过程中,模具的变形对成形件的尺寸精度将产生较大的影响。特别是在分析复杂形状、高精度零件的成形过程时,更不可以忽略模具的弹性变形,因而有限元模拟时不能简单把模具定义成刚性体。考虑模具的微形变,拓展微成形技术方面的应用,是塑性有限元方法应用于挤压成形的未来发展方向。
4 金属体积成形轧制工艺的有限元模拟
轧制是一种通过旋转轧辊使轧件产生压缩变形的加工方法,其过程是多物理场耦合的非线性过程,它涉及到材料非线性、几何非线性和边界条件非线性等。现代社会对高精度、高质量轧制产品的要求越来越高,这就要求能够更准确和更高效地控制轧制过程。由于轧制过程非常复杂,使得基于理论分析、通过实际经验和反复不断试验的传统研究方法难以满足上述要求。随着计算机硬件和软件技术的快速发展,有限元模拟方法的出现,使得这一问题得到很大的解决。
近年来,对一般普通轧制过程的模拟已经从研究转入实用,并大规模普及。利用有限元模拟来提高轧制参数的计算精度已经成为常规手段。例如Duan等[34]使用有限元方法模拟了铝合金的热轧过程,探讨了轧制力和轧制力矩在不同的摩擦模型下的规律,找出了准确度更高的摩擦模型。Ji等[35]使用有限元法模拟了AZ31B镁合金板料的异步轧制过程,模型考虑了轧件变形产生的热和摩擦热对温度的影响,通过模型分析了工艺过程中温度的分布(如图3 所示)。Sheikh等[36]利用有限元法数值模拟了低碳钢热轧过程,对轧制过程中温度场和轧制力进行了分析,同时使用上限解法中Petrov-Galerkin算法解决了有限元解的振荡问题。Babak等[37]使用ABAQUS有限元建模了板带轧制过程,通过模拟分析了轧制过程中速度场、温度场、轧制力等因素对板形的影响。刘义伦等[38]采用有限元法数值模拟了铝热连轧轧制过程,数值模拟过程中考虑了轧件形变、摩擦、接触传导等产生的热,直观地展示了轧制过程中的温度分布。
随着有限元模拟的不断成熟,其应用由研究二维、三维普通轧制过程,扩展到解析横轧、楔横轧、斜轧等各种特殊轧制过程,研究重点也转向一些特殊轧制过程和特殊现象。例如Lu Lu等[39]有限元模拟了无缝钢管生产过程,分析了整个工艺过程中平均应力、剪切应力和速度场等的分布。许焕宾等[40]使用有限元法数值模拟了四辊轧机轧制厚带钢的过程,模拟过程中充分考虑了造成辊系不对称的各种因素,使模拟更接近实际,并通过对轧制力和摩擦力的分析,探讨了轧机轧辊与工件的接触状态等问题。杨小城等[41]采用有限元法数值模拟了三辊连轧轧制过程,探讨了轧辊压力、轧辊与工件摩擦力等与前、后张力之间的规律。Lulu等[42]有限元模拟了狄舍尔斜轧穿孔机的斜轧穿孔过程,探讨了轧制过程中的等效应力在工件内外表面的分布和变化规律,为产品质量的预测提供了保证。周民等[43]建立了高速线材减定径多道次孔型轧制过程的有限元模型,通过数值模拟展现了各道次轧件的宽展大小、等效应力应变和轧制压力的变化,为生产提供了理论依据。
轧制过程是轧件大变形弹塑性热力耦合的过程,国内外学者在此方面取得了许多重要的成果。但各国学者对工艺参数的变化对轧件温度场和应力场的影响规律研究较少,并且研究温度传导时考虑的综合因素不多,如没有综合考虑轧件与轧辊接触导热、与周围环境对流和辐射换热,并且还存在塑性功转化为热,温度、应变、应变率和流动应力相互影响,并进一步影响到材料的相变、再结晶等过程。因此,解决上述问题是塑性有限元方法应用于轧制成形的未来发展方向。
5 结束语
如今塑性有限元技术已经逐渐发展成为研究金属体积成形过程的重要工具,其具有三维可视化结果、各种相互耦合计算准确和应用广泛等特点,同时也具有减小试验成本和缩短试验时间等优势,因而越来越受重视。金属体积成形过程具有形变量大、各种因素相互耦合、受力非常复杂、形变不规则等非线性特点,使用有限元模拟方法可以很好地解决上述困难,这就使得其在研究金属体积成形过程方面展现出良好的前景。
虽然很多研究者都对金属体积成形进行了有限元模拟研究,但都是建立在一定的假设条件之上,与真实的金属体积成形过程有一定的差异。考虑整个工艺工序间的相互影响、模具的变形、温度的传导等影响因素,建立更加准确的模型,将成为今后研究的一个难点。
金属凝固原理复习大纲 第4篇
绪论
1、凝固定义
宏观上：物质从液态转变成固态的过程。微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。
2、液态金属凝固的实质：原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程
液态金属的结构特征：“近程有序”、“远程无序”
组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成
3、液态金属的性质：粘度和表面张力
粘度的物理意义：单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力
粘度的本质上是原子间的结合力
影响液体金属粘度的主要因素是：化学成分、温度和夹杂物
表面张力的物理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m
影响液体金属表面张力的主要因素是：熔点、温度和溶质元素。取决于质点间的作用力
4、液体结构的特性：近程有序和远程无序
晶体:凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。
单晶体:在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
多晶体:大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。
吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶
金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶
当向溶液中加入某种溶质后，使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附。反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高，并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附
第一章 凝固过程的传热
1、凝固过程的传热特点：“一热、二迁、三传”
“一热”指热量的传输是第一重要；
“二迁”指存在两个界面，即固－液相间界面和金属－铸型间界面。
“三传”指动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维热物理过程。
2、金属型特点：具有很高的导热性能；非金属型铸造特点：与金属相比具有非常小热导率，故凝固速度主要取决于铸型的传热性能。铸型外表面温度变化不大，故可把铸型看成是半无限厚的。
第二章 凝固动力学
1、自发过程：从不平衡态自发地移向平衡态的过程（不可逆过程）
2、化学势：某一组元的化学势为1mol该组元物质的吉布斯自由能，是1mol的恒温等压势。
3、公切线原理求相平衡P61.63
4、判断平衡相（液相还是固相）P65
4、溶质平衡分配系数K0：恒温下固相溶质浓度CS与液相溶质浓度CL达到平衡时的比值。
K0=CS/CL=mL/mS=
5、界面曲率对溶质平衡分配系数k0影响：曲率半径小的晶体，其固液界面前沿富集起来的液相溶质浓度比曲率半径大的晶体小。在理想溶液中是均匀向下移动相图中液固相线位置。
6、压力对溶质平衡分配系数k0的影响：均匀地向上移动相图中液固相线位置。
第三章 凝固动力学
1、形核：亚稳定的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内生成稳定存在的晶态小质点的过程。
2、均质形核：在没有任何外来的均质溶体中，依靠液体金属内部自身结构自发地形核。均质形核在溶体各处概率相同，全部固液界面都由形核过程提供。因此热力学能障大，所需驱动力大。
异质形核：在不均匀的溶体中依靠外来夹杂或型壁界面所提供的异质界面进行形核。异质形核首先发生在外来界面处，因此能障较小，所需的驱动力也较小。
3、形核相变的驱动力：固液相体积自由能差；阻力：界面能。
4、形核速率是在单位体积中单位时间内形成的晶核数目。
5、在液相中那些对形核有催化作用的现成界面上形成的晶核称为非自发形核
6、均质形核理论的局限性：
均质形核是对理想纯金属而言的，其过冷度很大比实际液态金属凝固时的过冷度大多了。实际上金属结晶时的过冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。实际的液态金属(合金)在凝固过程中多为异质形核。
7、均质形核与异质形核的异同：
相同点：异质形核的临界晶核半径在形式上与均质形核临界晶核半径完全相同
不同点：①均质形核临界晶核是球体，而异质形核的晶核为球体的一部分（球冠），因而异质晶核中所含原子数目少，这样的晶坯易形成。②润湿角θ与均质形核无关，而影响异质晶核的体积
8、形核剂的条件：
①适配度小 ②粗糙度大 ③分散性好 ④温稳定性好
9、当晶格点阵适配度δ≤5% 时，通过点阵畸变过渡，可以实现界面两侧原子之间的一一对应。这种界面称为完全共格界面，其界面能较低，衬底促进非均质生核的能力很强；当5%＜δ＜25%时为部分共格界面；当δ≥25% 时，为不共格，夹杂物衬底无形核能力。
10、界面共格对应原则：固相杂质表面的原子排列规律和原子（晶粒细化剂的选择原则）间距与新相晶核相近。（晶粒细化剂选择原则）
11、粗糙界面（非小晶面）：微观粗糙，宏观光滑。非小晶面长大。大部分金属属于此类。
光滑界面（小晶面）：微观光滑，宏观粗糙。小晶面长大。非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此。
第四章 单相合金的凝固
1、合金可分为单相合金和多相合金两大类。单相合金是指在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物等。多相合金是指凝固过程中同时析出两个以上新相的合金如有共晶、包晶或偏晶转变的合金。
2、溶质再分配：合金在凝固过程中，已析出固相排出多余的溶质原子（或溶剂原子），并富集在界面的液体中，造成成分分离的现象。（合金凝固过程的一大特点）
3、平衡分配系数Ko实际上描述了在固、液两相共存的条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征。
4、成分过冷：合金晶体在长大过程中，因溶质再分配而引起的过冷，称为成分过冷。其过冷度称为成分过冷的过冷度。
5、热过冷：金属凝固过程中，纯粹由热扩散控制形成的过冷，称为热过冷，其过冷度称为热过冷的过冷度。
6、成分过冷条件：①合金凝固过程中溶质在固-液界面前沿富集；②满足成分过冷判别式。
7、成分过冷的过冷度在生长着的固-液界面处最小，离开界面逐渐增大，因此界面很不稳定。
8、成分过冷降低了实际过冷度，阻碍了晶体的生长。凡是溶质富集的地方，那里成分过冷就越大，其过冷度就越小，该处生长就越慢。
9、影响成分过冷的因素：
由成分过冷判据式可知，下列因素有利于成分过冷： ①液相中温度梯度小，GL小； ②晶体生长速度快，v大； ③陡的液相线斜率，mL大； ④原始成分浓度高，C0大； ⑤液相中溶质扩散慢，DL低； ⑥k0＜1时，k0小；k0＞1时，k0大
备注：①和②属于工艺因素，③-⑥属于合金方面因素。
10、强成分过冷元素（表面活性元素）的选取原则： ①熔点低
（液相线斜率陡，mL大）
②原子半径大
（液相中溶质扩散慢，DL 低）③在合金中的固溶度小
（k0小）
11、成分过冷的单相合金四种宏观生长方式（如右图）：
①无成分过冷的平面生长
（GL1）②窄成分过冷区的胞状生长
（GL2）③较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长（GL3）④宽成分过冷区的自由树枝晶生长
（GL4）
12、“外生生长”与“内生生长”的概念：
外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式。平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属此类。
内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式。
13、合金固溶体凝固时的晶体生长形态：
不同的成分过冷情况（成分过冷主要结论！）
①无成分过冷——平面晶 ②窄成分过冷区间——胞状晶
③成分过冷区间较宽——柱状树枝晶 ⑤宽成分过冷——内部等轴晶
14、平面生长→胞状生长→树枝晶生长演变过程：
由大逐渐减小，即随“成分过冷”程度增大，固溶体生长方式变化为：
平面晶→胞状晶→胞状树枝晶(柱状树枝晶)→内部等轴晶(自由树枝晶)
第五章 多相合金的凝固
1、共晶组织的分类：
①规则共晶(金属一金属共晶)，属于非小平面—非小平面共晶。 固一液界面：在原子尺度上是粗糙界面。
组成：金属—金属相或金属—金属间化合物相。
组织形态：层片状及棒状（出现哪种结构要取决于：①α与β相间的体积比②第三组元的存在。若某一相体积分数小于1/π时，该相出现棒状结构；若体积分数在1/π-1/2之间时，两相均以片状结构出现。造成原因：结构表面能的大小。体积分数小于1/π时，棒状结构表面能小于片状结构；体积分数在1/π-1/2之间时，片状结构表面能小于棒状结构）。
决定共晶两相长大的因素：热流的方向和两组元在液相中的扩散，两相长大过程互相依赖的关系是界面附近的溶质横向扩散。
固一液界面形态：将近似地保持着平面，其等温面基本上也是平直的。（每一相的长大受着另一相存在的影响，当共晶结晶时，两相并排地结晶出来并垂直于固一液界面长大）。
②非规则共晶(金属一非金属共晶)，属于非小平面一小平面。 固一液界面：一个是特定的晶面。
组织形态：多种多样，简化为片状与丝状两大类。
固一液界面形态：非平面的且是极不规则的，其等温面也不是平直的。△金属—金属共晶与金属—非金属共晶相同点：热力学原理和动力学原理一样；不同点如上所述。
2、共生生长：在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。
3、离异生长：两相没有共同的生长界面，它们各以不同的速度而独立生长，在形成的组织中没有共生共晶的特征，这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所形成的组织称为离异共晶。
4、偏晶合金的最终显微形貌将要取决于三个界面能、L1与L2的密度差以及固一液界面的推进速度
5、晶体生长机制（方式）：
非小晶面结构——连续长大（正常长大）
小晶面结构——侧面长大
①二维晶核台阶
②晶体缺陷台阶：螺位错、孪晶沟槽。
6、“侧面长大”方式的三种机制：
二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须再产生二维晶核。 螺旋位错机制：这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失。 孪晶面机制：长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。
7、非平衡状态下的共晶生长区P173
第六章 金属凝固的宏观组织
1、浇注及凝固过程中液体的三种流动形式: ①浇注时存在液流的冲刷——强制对流。②浇注时及浇注完毕后液体存在自然对流。
③存在着枝晶间及分枝间的液体流动——微观流动。
2、金属凝固的典型宏观组织： ①表层细晶区
②内部柱状晶区：晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向 ③中心等轴晶区：晶粒较为粗大
3、获得细等轴晶的措施：
①增大冷却速度（V冷↑）和降低浇注温度（t浇↓）
②加强液体在浇注和凝固期间的流动
（促使型壁上已凝固层晶体的脱落，分枝的熔断脱落及脱落晶体的增殖。）③孕育处理 ⑴外加晶核：
（在浇注时向液流中加入被细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属的碎粒，使之成为异质形核的有效衬底，促使异质形核，增加晶粒数而细化晶粒。）⑵采用生核剂
（加入的物质不一定能作为晶核，但通过它与液态金属的某些元素相互作用，能产生晶核或成为有效衬底，这类物质称为生核剂。）⑶采用强过冷成分元素
（强成分过冷元素在Al-Si合金中称为变质剂，生产中称为变质处理）
孕育处理是指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。
——————————————————————————————————————— 简答题目：
1、纯金属和实际金属液态结构有何异同？
纯金属的液态结构：接近熔点的液态金属是由和原子晶体显微晶体和“空穴”组成。
实际金属的液态结构：存在着两种起伏：能量起伏、浓度起伏。微观上是由结构和成分不同的游动原子集团，空穴和许多固态，气态，液态化合物组成，是一种浑浊液体，而从化学键上看除了金属基体与其合金元素组成的金属键外，还存在着其他化学健。
2、液态金属的基本特征是什么？
①有固定的体积。②有很好的流动性。③物理化学性质接近于固态，而远离气态。
3、相平衡条件 相平衡时，每一组元在共存的各相中的化学势都必须相等。在k个元素含有p个相的体系中，恒温等压的化学平衡条件是：
4、固液界面在结构上有哪两种类型？他们在微观和宏观上的特点是什么？
光滑界面（小平面）和粗糙界面（非小平面）。粗糙界面：微观粗糙，宏观光滑；光滑界面：微观光滑，宏观粗糙。
5、界面类型的实质是什么？
能量最低时的原子沉积几率不同。能量最低时原子沉积几率近似为0或1，说明是光滑界面；能量最低时原子沉积几率近似为远离0或1，说明是粗糙界面。
6、讨论长大机制与过冷度的关系。
①过冷度小，按螺位错方式长大；②过冷度大，连续长大；③二维晶核长大在任何情况下，可能性都不大。
7、形核的首要条件是什么？
形核的首要条件是系统必须处于亚稳态提供相变驱动力；其次需要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在的晶核并确保其进一步生长。
8、为什么自发形核的临界形核功等于形成临界形核表面能的1/3？ 见P93
9、均质形核机制必须具备哪些条件？
①冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。
②形核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，晶胚需要体积达到一定尺寸才能稳定存在。
③过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界形核功。④为维持形核功，需要一定的过冷度
10、即三个基本条件：过冷度，能量起伏，结构起伏。为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？
等压条件下，体系自由能随温度升高而降低，且液态金属自由能随温度降低的趋势大于固态金属。在熔点附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有相变驱动力：
过冷度△T＝T-Tm为金属凝固的驱动力，过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不可能在T＝Tm时凝固。
11、为什么说异质形核比均质形核容易？影响异质形核的基本因素和其他条件是什么？（1）因为均质形核在其形核过程中为克服过程中的能障，所需要的过冷度是很大的，而实际金属凝固过程中的过冷度远小于此，所以较难发生；对异质形核而言，液态金属中存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面形核，因此形核所需的过冷度大大降低，所以异质形核比均质形核更容易。
12、界面共格对应原则的实质是什么？ 增大固、液两相界面附着力，减小异质形核的形核功，使固相质点成为异质形核的有效衬底。
13、成分过冷的判据式（有过冷/无过冷）无成分过冷判据式为：
有成分过冷判据式
为：
14、成分过冷的本质是什么？
①成分过冷使实际过冷度降低，阻碍固液界面的推进。②成分过冷使界面不稳定，不能保持平面生长。
③成分过冷阻止原有界面的生长，促进界面前方液相中形核。
15、共生生长具备的两个基本条件是什么？
①两相生长能力要相近，且析出相要容易在先析出相上形核和长大。②A、B两组元在界面前沿的横向传输能保证两相等速生长的需要。期末成绩=考试60％+平时40％
一、填空题
15×1分=15分
二、名词解释题
5×4分=20分
三、简答题
5×5分=25分
四、计算与证明
3×10分=30分
五、论述题
