中南大学高温塑性变形习题

一、名词解释（20分）：5小题

恒载荷蠕变：变形过程中外载荷，即试验机上的作用力保持不变的蠕变。 恒应力蠕变：变形过程中作用在材料上的应力保持不变的蠕变。 恒应变速率变形：变形过程中应变速率保持不变，ε是常数。

恒拉伸速度变形：变形过程中拉伸机的移动速度保持不变，dl/dt是常数。

变形速度激活能：

Q的量纲为能量，控制材料的高温塑性变形过程，称为变形速度激活能。

时效成形：时效成形是将零件成形和人工时效处理相结合的新型钣金成形工艺.它能够改善合金的微观组织,提高材料强度,降低残余内应力水平,增强耐应力腐蚀能力,延长零件使用寿命。 应变硬化：材料经塑性变形后，随着应变增加，继续变形所需应力增加的现象。 应变速率硬化：材料经塑性变形时，流动应力随应变速率增加而增加的现象。 幂律蠕变：凡是应力与应变速度满足如下公式的蠕变。

Z?.?log?|?logZ n???log?|T?log?幂律失效：幂律蠕变中当应力升高到一定程度后，曲线log?与logσ的斜率开始增大偏离线性关系的现象。

?A?1n表观激活能：若材料的变形过程由多个热激活过程控制，则由试验直接得到的激活能称为表观激活能。包含了弹性模量随温度的变化。

真实激活能：若控制材料变形过程的多个激活能差异很大，实际上其作用的激活能称为真实激活能。其值等于自扩散激活能。

自扩散激活能：反应材料自扩散的难易程度的物理量。

内应力：物体由于外因而变形时，内部各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的力称为内力，所谓内应力，是指当外部荷载去掉以后，仍残存在物体内部的应力。

长程内应力：长程内应力是晶体中所有位错的弹性应力场叠加的结果，应力场与1/r成正比，因此长程内应力是以相当大的波长在晶体空间波动。

短程内应力：位错与晶体中短程的局部障碍（如林位错、固溶原子等）相互作用而产生的阻碍位错运动的力。

有效应力：外应力与内应力最大值的差值，表示实际作用与位错运动的应力。

应变速率敏感性指数：塑性变形时材料的流变应力对于应变速率的敏感性参数，亦即当应变速率增大时材料强化倾向的参数。

超塑性：超塑性是指材料在一定的组织结构和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。一般将伸长率超过100%的材料都归类与超塑性。

二、判断（20分）10小题

1. 在某一种金属材料的拉伸试验中，可根据不同材料的应力应变曲线弹性变形阶段斜率的大小对比其弹性极限的大小。（对）

2. 一般情况下，对于同一种金属材料，采用慢应变速率拉伸方法测试出的力学性能要稍低于常规拉伸所获得的力学性能数值。（错）

3. 在某一种金属材料的蠕变实验中，实验测得的表观蠕变激活能在0.5Tm～0.9Tm范围内随温度明显升高，且大于该金属的自扩散激活能，表明蠕变变形不受扩散控制。（错）

4. 纯金属蠕变过程中，位错密度与应力平方成正比，亚晶尺寸与应力成反比，亚晶界位错间距与应力关系不太确定。（对）

5. 无论是恒应力变形还是恒应变速率变形，位错总是趋于不均匀分布，从而形成亚晶或位错胞组织。（对） 6. 总位错密度相等的条件下，位错不均匀分布时的流动应力、位错引起的弹性应变能、应力引起的弹性应变能都低于位错均匀分布状态，因此，塑性变形中位错总是趋于非均匀分布状态。（错）

7. 在塑性变形过程中，由于高层错能金属中位错很容易交滑移，也很快会重新排列成胞状组织，所以不会发生动态再结晶现象。（错）

8. 对于超塑性变形，高的m值是获得高超塑性伸长率的充要条件，m值越大，一般所获得的伸长率越高。

（错）应变速率敏感指数越大，越有利于超塑成形，但不是充要条件。

9. 超塑性变形条件下的激活能接近主要相或基体金属的晶界扩散激活能，与体扩散激活能的一半相当。（对） 10. 将某种铝合金晶粒细化至约6μm，在一定的温度和应变速率下变形，该合金便会呈现出超塑性。（错）

三、简答（40分）5小题

1. 请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制应力的蠕变变形实验中的测试方法。

热变形激活能反应材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。通过对激活能值的分析可以推断回复机制，激活能控制塑性变形速率,动态回复和动态再结晶，激活能Q越大，变形速率越小，材料越难变形，高温塑性变形的显著特点就是变形速度受热激活过程控制，即遵从Arrhenius方程：

其在控制应力的蠕变变形实验中的测试方法有三种：

1）等温法：将多个样品在相同应力和不同温度条件下蠕变，测量蠕变曲线在（亚）稳态阶段的斜率，表示成log(?)和1/T 的函数关系的形式，并将结果表示在log(?)—1/T坐标上。和实验点吻合最好的直线的斜率即为Q值 。

2）时间补偿法：在（亚）蠕变稳态阶段，有

??

可见若将ε表示为补偿时间θ的函数，则不同温度和相同应力条件下得到的蠕变曲线相互重合，以此来求Q值的。也可将不同温度下达到给定变形ε所需时间的对数表示成1/T的函数，所得直线的斜率即 Q值。

3）变温法：在恒应力作用下，在同一样品上施以极快的温度跳跃。测出T1T2时为?.?时的蠕变速度1，温度

.2，根据下式可以得出Q。

.?Q.???0exp()RTQ?R.log(?)(1)Tlog(?2/?1)?R11(?)T2T1..

该方法的优越性在于如果温度跳跃速度足够快，则可以保证样品的组织不变，故测量的是恒组织和恒应力下的激活能。但是由于试验机的热滞性，实际上很难施行快速温度跳跃。只有系统在新温度下重新达到平衡时，才能测量出有意义的Q值，而这时样品的组织亦可能变化到新的平衡状态。

2. 请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制速度的热压缩变形实验中的测试方法。

3. 请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制速度的超塑性变形实验中的测试方法。

同13题

4. 推导拉伸试验中应变速率与拉伸机夹头移动速度之间的关系。

5. 简述纯金属蠕变的三个阶段及其特征。

第一阶段：蠕变速率（Δε/Δt ）随时间而呈下降趋势。

第二阶段：蠕变速率不变，即（Δε/Δt ）=常数，这一段是直线。 第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。

6. 请分别给出低应力、高应力和较宽应力范围内蠕变速率与应力的关系函数。

7. 请简述纯金属蠕变过程中位错结构变化的一般特点。

（详见PPT）

8. 请阐述高温下位错的热激活滑移机制。

位错在晶体中运动是遇到各种障碍，在低温下只有外应力超过这些障碍所产生的内应力时位错才能滑移。而在高温条件下，位错可以借助外应力和热激活的共同作用越过障碍而滑移，温度越高，热激活过程越活跃，克服障碍所需的外应力就越小，流变应力也相应的降低。

热激活是原子热运动的结果，是短程的，对于长程内应力的阻碍作用基本没有效果。而对于局部障碍，如林位错、固溶原子等的阻碍是用帮助的。（详见PPT） 9. 请推导由攀移引起的宏观变形与位错运动之间的关系式。

8.1 10. 请推导由滑移引起的宏观变形与位错运动之间的关系式。

8.1 11. 超塑性变形应力应变对数关系的S曲线三个区域特征及其对应的变形机理。

S曲线上的斜率代表应变速率敏感指数m。

Ⅱ区内应力随应变速率变化得剧烈，m值最高，一般有m>0.3在次应变速率敏感区内发生超塑性。 Ⅰ区和Ⅲ区应力随应变速率变化缓慢，类似于普通的塑性变形。 Ⅰ区内为扩散蠕变，变形机理为晶粒长大和位错滑移；

Ⅱ区为超塑性变形，变形机理主要为为晶界滑移，少量的晶粒延长，晶粒旋转和织构；

Ⅲ区为幂律蠕变，变形机理为交滑移、晶粒延长、织构增加。 12. 请至少列举超塑性变形m值测定的3种方法。

等应变速率拉伸法：

等速度法：在应力应变曲线上取比较靠近的A、B两点，其应变之大约在20%～50%之间，求其相应应变为ε1和ε2，则m值为：

速度突变法：在恒变形拉深实验中使变形速率从v1蠕变到v2，则相应载荷从P1突变到P2，则m值为：

13. 请简述超塑性变形激活能Q的测定方法。

见PPT倒数第二部分

14. 请阐述组织超塑性变形所需要的3个条件。

见PPT倒数第三部分

四、综合计算分析（20分）1小题

1. 采用高温慢应变速率拉伸方法研究5A90铝锂合金的变形行为，采用板形试样，试样厚2mm，宽和标距长度分别为6mm和10mm。拉伸完成后将断裂后的试样拼合测量标距部分长度为78mm，宽和厚度分别为3mm和0.5mm，下表给出了计算机记录的部分载荷和位移数据。 位移(mm) 0 载荷(N) 计算：

（1）试样断裂后伸长率的工程应变和真应变。 （2）试样断裂后断面收缩率的工程应变和真应变。

（3）拉伸至位移为0.5mm时伸长率的真应变与该时刻的真应力。

2. 采用高温单轴拉伸方法研究某种铝合金的热变形行为，板形拉伸试样厚2mm，宽和标距长度分别为6mm和10mm。采用不同的变形加载条件得到如下典型试验数据。

①变形温度500℃，拉伸机夹头恒定移动速度0.01mm/s，拉伸完成后将断裂后的试样拼合测量标距部分长度为80mm，宽和厚度分别为3mm和0.5mm，下表给出了计算机记录的部分载荷和位移数据。

②变形温度380℃，拉伸机夹头恒定移动速度3mm/s，拉伸完成后将断裂后的试样拼合测量标距部分长度为

0 0.1 40 0.2 90 0.3 180 0.4 120 0.5 90 0.6 80 ... ... 95（断裂） 0 13mm，宽和厚度分别为5.8mm和1.8mm，下表给出了计算机记录的部分载荷和位移数据。

③变形温度180℃，拉伸机夹头对样品施加恒定的应力200MPa，拉伸完成后将断裂后的试样拼合测量标距部分长度为12mm，宽和厚度分别为5.86mm和1.88mm，下表给出了计算机记录的部分位移和时间数据。 试计算与分析：

（1）任选一种加载条件，计算试样断裂后伸长率的工程应变和真应变。

（2）任选一种加载条件，对于加载条件①和②，计算拉伸至位移为0.4mm时伸长率的真应变与该时刻的真应力，对于加载条件③，计算拉伸至位移为0.3mm时对应的应变速率与该时刻的加载载荷大小。 （3）分别给出3种加载条件下塑性变形的基本本构关系方程，对于加载条件③假设试验材料为纯金属。

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