2011-2014年专业课作业-材料科学与工程

2011年专业课作业一答案

1、轧制角，轧制力，咬入条件如何确定？

答：轧制角，在入口平面和出口平面处的半径矢量之间的夹角。刚好能够满足咬入条件

时可能的最大轧制角。由于对称性，上、下轧制力相对于

轧制线呈镜像对称。刚好能够满足咬入条件时可能的最大轧制角。由于对称性，上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称。

如果轧件完全充满几何变形区，则可以认为法向力和摩擦力作用几何变形区的中央（在α＝

/2）。与咬入条件类似，对轧制建成有以下的关系式：

由此可得：

（1）

（2）

因此，如果以咬入时的摩擦系数与轧制建成时的摩擦系数相等为前提，则轧制建条件比咬入条件更加容易满足。然而咬入时摩擦系数与轧制建成时的摩擦系数并非相等，所以咬入条件和轧制建成条件总需用各自的摩擦系数进行检验。 公式（1）和公式（2）只有在轧制无外加纵向拉力作用时才成立。

轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向可由作用于轧制上的所有力的平衡确定。在实际生产中，常把合力的垂直分量称为“轧制力”。

对称轧制，即两个轧辊转速相等且直径相等，如图所示。

图 对称轧制时作用于轧件上的力

由于对称性，上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称。力平衡为

垂直方向：水平方向：

轧制力相对于垂直线的倾角为

如果纵向拉力相等（Z0＝Z1）以及在无纵向拉力的轧制（Z0＝Z1＝0）中，轧制力取垂直方向或平行于两个轧辊中心的连线。

轧制力： 轧制力由垂直应力

其中σz或屈服条件经过数值计算得到

为了粗略估算，可用基于变形抗力定义的所谓轧制力公式：

（5）

在接触面Ad上的积分得出

变形抗力尾w可用近似公式估计。如果有变形效率77。i的经验数值，则无纵向拉力轧制过程的变形抗力为

在有纵向拉力轧制情况中，得出 或

作为用于轧制力估算的近似公式的举例，这里给出归根于Si ebel的针对带纵向拉力轧制的方程：

（6）

对于无纵向拉力轧制过程，由Z0=Z1=0得出

（7）

轧辊弹性压扁的考虑：

如果要考虑轧辊弹性压扁，则采用Hitchcock方程较简单，即用公式计算的

在接触区的轧辊曲率半径r’代替公(6)和公式(7 )中的轧辊半径r=d/2。

因为计算r’时需要还是未知的轧制力F，因此推荐采用迭代方法，其中将轧制力F（r=d/2）作为初始值预给予定，经过两到三个迭代步骤后即可获得较精确的解。

如果在计算轧制力中不考虑轧辊弹性压扁，则轧制力的计算值将偏小，其误差可能相当大。在Hitchcock方程允许的极限情况下，误差可能更大。

咬入条件：与几乎所有其他的塑性成形方法不同，轧制过程需要一定的摩擦以使轧件与传动辊一接触就被咬入，并且按着被“拖过”几何变形区。当在轧制方向上起拖进作用的摩擦力分量大于或等于起推回作用的法向力分量时，咬入条件就满足，如图所示。

轧件咬入时的受力情况

其他的表示方式（近拟式）： （3）

由 由

因此得到最大可能的压下量为 道次）：轧件通过轧制区一次。

由图轧件开始咬入时，轧件的受力分析可知，能否咬入取决于加在轧件上的力N和摩擦力T的水平分力Nx和Tx间的力平衡；当Nx≤Tx时，轧件进入辊缝，即可被咬入。故咬入条件为：(假定外推力Nsinα≤Tcosα。

导致导致

上，这样计算的接触长度

ld偏小且由此确定的轧制力也偏小约30%。在轧制力较大则压下量较小的轧制量

（4）

公式（3）和公式（4）只在无外加纵向拉应力作用于轧件时才成立。道次（轧制

根据库仑摩擦定律T/N=f=tgβ,f为轧辊和轧件之间的摩擦系数，β为摩擦角，则咬入条件可写为α ≤β。

在轧件塑性变形的过程中，轧件与轧辊的接触面积逐渐增加,轧辊对轧件的作用力方向也随之改变，此时的咬入条件就变为β≥φ=α+θ/2。此式也就是轧件咬入条件的通式；轧制开始时，θ＝α，咬入条件为β≥φ=α+α/2；而在轧件充满变形区时，亦即轧制建成时，θ＝0，则咬入条件为β≥φ=α/2。

2、轧制建成条件是根据什么确定的？

答：轧制建成条件：如果轧件完全充满几何变形区，则可以认为法向力和摩擦力作用几何变形区的中央（在α＝α0/2）。与咬入条件类似，对轧制建成有以下的 关系式

（1）

由此得到

（2）

因此，如果以咬入时的摩擦系数与轧制建成时的摩擦系数相等为前提，则轧制建条件比咬入条件更加容易满足。然而咬入时摩擦系数与轧制建成时的摩擦系数并非相等，所以咬入条件和轧制建成条件总需用各自的摩擦系数进行检验。

公式（1）和公式（2）只有在轧制无外加纵向拉力作用时才成立。道次（轧制道次）：轧件通过轧制区一次。

与几乎所有其他的塑性成形方法不同，轧制过程需要一定的摩擦以使轧件与传动辊一接触就被咬入，并且按着被“拖过”几何变形区。当在轧制方向上起拖进作用的摩擦力分量大于或等于起推回作用的法向力分量时，咬入条件就满足。

3、何谓宽展与前滑，受那些因素影响？

答：宽展 轧件在轧制的过程中，变形区的金属除了往纵向的流动外，还会有部分金属沿宽度方向流动，使宽度变化。这种现象叫宽展。其影响因素有：

? 增大的h/b比值使宽展增大； ? 增大的比值压下量

使宽展增大；

? 增大的轧辊直径d使宽度展增大； ? 增大的摩擦系数μ使宽展增大； ? 增大的强度

使宽展减小；

? 提高的温度θ使宽展减小； ? 增加的轧制速度υ使宽展减小。

影响宽展的因素很多，很难用公式或计算方法来归纳各种条件下的实验结果，已有的均欠完善，以致工程应用上仍常使用最简单的经验公式 △b＝C△h，式中△h为压下量,C为经验系数，它包括除△h以外一切因素的影响，C值根据孔型形状,尺寸及轧制金属等各因素不同而在较大范围(0.15～1.6)内波动,一般可据经验数据表选择确定。

众多因素与宽展的关系非常复杂，以至于用初等塑性理论不能对宽展行为进行可靠地预告。另外，沿厚度方向的宽展不是恒定的，即形成所谓的宽展分布图。只有用在很大程度上放弃了简化假设的数值计算法（例如有限元法）才能进行可靠的宽展计算。当然，这要提供计算时所用的材料量和边界量的足够准确的数值。

前滑 在轧制的过程中，变形区中性面与出口间的金属流动速度会大于轧辊的速度，这种现象叫前滑。中性面的位置影响前滑的大小，中性面越靠近出口前滑值越小。

中性面的位置影响所谓前滑的大小，这是在几何变形区出口的相对速度

。这个量对于确定在连续轧机各机架中的转速分级匹配具有

重要意义。在连续式轧机中轧件同时在多个顺序排列的机架中轧制。 （相对）前滑被理解为以下比值：

或

从图可见，中性面离几何变形区出口越近，相对前滑值就越小。从公式Hoff和Dahl在初等塑性理论的基础上推导出以下关系式：

或

当

和上面公式中得出前滑值和中性面位置的关系式为

中性面位置和前滑的数量级举例。

① 扁坯热轧 h0=250mm，h1=190mm，d=800mm，μ=0.4。

② 带材热轧h0=3mm，h1=2.1mm，d=400mm，μ=0.2。

③ 带材冷轧h0=1mm，h1=0.7mm，d=400mm，μ=0.05。

④ 带材冷轧h0=1mm，h1=0.7mm，d=80mm，μ=0.05。

影响前滑的因素；

1、轧辊直径：前滑值随辊径增大而增加；

2、摩擦系数：f增大，中性角增大，前滑值增加； 3、轧件厚度：h越小，前滑值越大；

4、张力：前张力增加，前滑增加；后张力增加，前滑减小； 5、加工率：前滑随其增大而增大；

6、轧件宽度：宽度减小相对宽展量增加，前滑减小。

4、何谓轧制力的方向及表达式?

答：轧制力由所有作用于几何变形区的正应力和摩擦剪应力的积分得到，其方向可由作用于轧制上的所有力的平衡确定。在实际生产中，常把合力的垂直分量称为“轧制力”。

对称轧制，即两个轧辊转速相等且直径相等，如图所示。

对称轧制时作用于轧件上的力

由于对称性，上、下轧制力相对于轧制线呈镜像对称。力平衡为 垂直方向：水平方向：

轧制力相对于垂直线的倾角为

如果纵向拉力相等

以及在无纵向拉力的轧制

中，轧制力取垂直方向或平行于两个轧辊中心的连线。

5、何谓轧制功率，并给出表达式？

答：轧机轧制轧件时单位时间内所做的功是轧制功率。从轧制力矩和轧辊角速度的乘积得出轧制功率为

若用工程实用的参数度量单位表示，则N=1.03M（n为轧辊转数Y/min)。按机、开坯机、中厚板轧机、带机和冷轧机等。对热轧机而言，计算机主要用于从均热炉的燃烧控制、轧机的压下位置控制、厚控等直至卷取机的整个轧制过程；对冷轧机而言，则是控制连轧机本身以及快速换辊、数据采集与记录等。 如果轧制力矩的单位是N·m，而轧辊转速的单位为min-1，则以单位为W的轧制功率公式为

计算的轧制功率是由传动轧辊提供的，但是在有纵向拉

力的轧制中这个轧制功率并不与变形功率相对应。一方面，它不包含纵向拉力产生的功率部分，另一方面，公式(2)包含了由于纵向拉力之差引起轧辊传动负载增加或者减少时产生的功率部分，是增加还是减少要根据Z1-Z0＞0还是Z1-Z0＜0而定。

6、轧辊速度与轧制速度是否相同？给出轧制变形区速度的表达式？

答：轧辊速度与轧制速度不同。轧制速度是与金属接触处的轧辊圆周速度 其计算公式为 v=πDn/60

式中v—轧制速度 m/s；D—轧辊工作直径 m；n—轧辊转速 r/min。 轧制变形区速度的表达式：当通过几何变形区时，由于横截面减小，轧件从入口速度υ0加速到出口速度υ1（轧制速度）。这个关系由连续性方程描述为

或

在常规轧制过程或者非稳态轧制（例如环轧）中，下压速度与υ0和υ1相比很小，通常可将项

忽略。

由初等塑性理论的切片模型，借助连续性方程，对平面应变b1=b0得出在几何变形区中的轧件速度，如图所示：

用切片模型分析几何变形区中的轧件速度变化

接公式

的h（x）得到

如果在轧制过程中几何变形区高度s以速度变化，则连续性方程变为

其中0≤x≤ld。

以一个与接触长度相关的坐

当轧件速度在几何变形区中

从增加到

时，轧辊圆周速度在轧制方向的分量 几乎保持不变对于特小于20o。

由于力平衡条件，在给定轧辊圆周速度时，如果在几何变形区以外没有力（比如纵向拉力）作用于轧件，则得到

只有在所谓的中性面上（x=xF）轧件速度和轧辊圆周速度才相等（υ=υux），如图所示。在中性面之前及之后得出相对速度为：在后滑区（NZ）有υrel=υx-υux<0，在前滑区（VZ）有υrel=υx-υux>0

轧件及轧辊速度

别是在带材轧制中，一般轧制角明显标代替几何变形区坐标x，则得到

7、轧辊直径Φ200mm，从h0=2mm厚板轧制到h1=1.4mm厚板材，计算出轧制角a0？

解：根据

8、给出前滑值和中性面位置的关系式？并计算轧辊直径d=400mm，h0=3mm（轧前板厚），h1=2.1mm（轧后板厚），摩擦系数μ=0.2时的前滑值K1?

答：前滑值和中性面位置的关系式：

其中：

d=400mm，h0=3mm，h1=2.1mm，μ=0.2 △h=3-2.1=0.9mm 将数值代入上式：

9、根据拉拔模具不同，有几种拉拔方法？

答：按所用工具方案的不同，将拉拔分为模拔和辊拔。

模拔是工件通过一包含在内的、在拉拔方向上固定的拉拔模具(拉拔模、拉拔环、拉拔孔)拉过。模具的内部被称为拉拔孔。

辊拔是将工件拉过一个由两个或更多个辊子形成的开口。这可被视为一种特殊方法，且主要是当模拔有特有的困难时才具有重要意义

初等塑性理论中的圆片模型能够应用于圆截面的线材和棒材的拉拔过程分析。对于管材拉拔，只有当用内部工具(顶头、芯棒)时才能允许使用圆片模型。

游动顶头(芯棒)模拔 随动芯棒模拔

图 空心件模拔(管材拉拔)

10、给出拉拔力的表达式？并说明拉拔力有几部分组成？

答：拉拔力是为克服拉拔工具中的阻力所需要的力。因为拉拔力作用于拉拔工件的拉出部分，因此不能过高，以免工件损伤甚至断裂。离开拉拔孔之后，不允许再进入塑性状态，因为这会产生不是有意想要的应变。因此，尽可能准确地预先计算拉拔力不仅对设备使用计划具有重要意义，而且对预防拉拔件可能的过载更为重要。 拉拔力表达式：

在括号中有以下量： 1 理想部分； 丝摩擦部分；

剪切部分(此剪切部分看来仅与变形程度

有关)。

因此拉拔力有三部分组成：理想量部分、摩擦部分、剪切部分。

2011年专业课作业二答案

11、拉拔时摩擦为的表达式，并给示意图简要说明？

答：在拉拔应力中包含的总摩擦部分σzlR及总拉拔力F中的摩擦力部分FR可

从对作用于变形区外表面上的力的平衡观察中导出： 拉拔应力 拉拔力， 其中σ

zlS

、FS为剪切部分

（1）

拉拔时摩擦力的表达式为

示意图：

拉拔过程摩擦力作用

作用于外表面AM上的法向力为一般常用的估算式形区几何学得到 近似为

最后用公式(1)和公式(2)得到摩擦力为：

（2）

虽处于较安全一边，但是太粗略。对外表面AM从变

以及拉拔应力中的摩擦部分为：

12、何谓拉拔角？优化的拉拔孔倾角的表达式是建立在什么条件下？估算出拉拔变形程度为0.2,摩擦系数为0.05时拉拔角为多少？

答：拉拔角是指拉拔孔的张开角，拉拔孔倾角的两倍。

拉拔力方程 证实拉拔孔

增加，因此必须给出一个优化的拉拔孔小值。

该极值问题的求解由以下关系得出

将其应用于公式

即可得到优化的拉拔孔倾角为：

拉拔力（部分）对拉拔倾角的依赖关系

当α=α

变形效率为

opt

倾角α对摩擦部分倾角使总拉拔力达到最

和剪切部分相反的影响。当角度α增加时，摩擦部分减小，而剪切部分

时，总拉拔力最小，而摩擦部分和剪切部分大小相等：

在取其最大可能值时

使用α=α

opt

的拉拔工具的困难在于α

opt

的大小依赖于相应的拉拔参数μ

和φ1，而且拉拔工具的制作耗时且昂贵。如果有不同拉拔孔倾角α的拉拔工具，则推荐使用最能满足α=α

opt

条件的工具。

下面说明优化的拉拔孔倾角的数量级。

估计正常润滑条件下的摩擦系数为μ≈0.05，则在变形程度φ1的平均值为

0．2时，得出优化的拉拔孔倾角为 或优化的拉拔孔张开角为

13、拉拔工艺为什么是建立在加工硬化基础之上？为什么拉拔一般均为冷拉拔或温拉拔？

答：拉拔一般均为冷拉拔或温拉拔，在这种常温或低温的前提下金属变形时，加工硬化是必然的，所以拉拔工艺是建立在加工硬化基础之上。

14、挤压工艺怎么分类？何谓正挤压与反挤压？

答：挤压工艺分为直接挤压和间接挤压。 ? 实心材正挤压 ? 空心材正挤压 ? 实心材侧挤压 ? 空心材横向挤压 ? 实心材反挤压 ? 空心材反挤压

间接方法 直接方法

在正挤压方法中，坯料在挤压过程中相对于挤压筒作轴向位移，为此要求附加摩擦力和摩擦功。与此相反，在反挤压中，坯料和挤压筒之间无相对运动。

图1和图2示意地表示直接挤压(正挤压)和间接挤压(反挤压)的工作原理。

图1 正挤压

图2 反挤压

15、何谓挤压比？挤压比与挤压变形程度的表达式？

答：挤压比是坯料横截面面积与条材横截面面积之比A 0／A1＝形程度的关系为

，它与纵向变

16、何谓挤压模角？挤压死区怎么形成的，请用示意图说明？

答：挤压模角是指变形区／死区的边界面与坯料轴线间的角。

死区是在挤压变形的过程中，由于采用平模或者过大的挤压模角，使得边部距离模孔较远处的金属很难进入模孔，便形成了死区，如下图中的死区。

实心材正挤压过程及变形区的几何示意图

17、挤压力由那两部分组成？并写出表达式？

答：在正挤压方法中可将挤压力理解为变形力及坯料和挤压筒之间的摩擦力之和：

在反挤压方法中，没有坯料和挤压筒之间的摩擦力(无相对运动)，挤压力等于变形力：

F=FU估计变形力的计算公式可从变形功表达式中导出。例如，若将公式

中WU的表达式等同于挤压过程所需的外部功FU（l0-lPR），即

用VP=A0（l0-lPR）得到

上式表明变形力在挤压过程中作为不变量。当坯料长度小于变形区的(理论)长度，即接近挤压结束时，则该式失效。这时，变形区的几何条件如此不利，以至于摩擦影响和剪切影响显著地大于此前。在接近挤压结束时刻，挤压力增大到最大值，以至于仅由于这个原因挤压余料就必须留在挤压简内。

在正挤压中还要附加克服坯料和挤压筒之间的摩擦力：

在“坯料外壳上的摩擦功”部分已经介绍过，由于在挤压中有很高的径向压应力，

即使其摩擦系数μ＜0.1，坯料表面也将粘着在挤压筒壁上，并且

在剪应力下剪切。由此可得 ：

这样在预压紧开始时（l=l0），摩擦力值为最大并且随挤压行程呈线性降为零(这时l=lu)。

在这里也常发现，对挤压力估计来说，摩擦长度的近似处理（l-lu≈l） 此得到下面的挤压力方程

正挤压方法为 或者

反挤压方法为

18、挤压杆速度与挤压速度各指什么？给出变形区速度表达式并说明挤压速度主要取决那些初始条件？

答：挤压杆速度与挤压速度：

υ0：挤压杆速度，坯料进入变形区的入口速度。 υ1：挤压速度，条材的出口速度。

变形区速度表达式：在(锥形)变形区中的速度关系，可采用与拉拔相同的简化假设：平直圆片单元经过变形区时保持平直。由此就可以得到与拉拔类似的变形区速度场为

这里α是挤压模角或形成死区的角αtz。如果假设仗αtz=45o。则轴向速度为：

经过积分得到变形区中的径向速度，也与拉拔类似：

或者如果采用平模挤压(2α=180o)且角αtz近似取为45αo，则有

利用公式只能很粗略地描述实际的速度场。

挤压速度的大小受合金成分、铸坯组织特征、挤压方式、挤压制品形状的复杂性、润滑条件等的影响。

19、镁的晶体结构及塑性变形的主要机制是什么？为什么镁的室温塑性差？

答：镁的晶体结构：镁具有密排六方的晶体结构(HCP)；

镁及镁合金的塑性变形机制：镁主要有两种变形模式，即滑移和孪生。 1、滑移

滑移：滑移是一种常见的金属塑性变形机制，在外力作用下，晶体在原子密排面（即滑移面）沿原子排列最密的方向（滑移方向）发生滑动。镁具有密排六方的晶体结构(HCP)，25℃时，镁晶格常数的理论估计值为a=0.32092nm，c=0.52105nm，轴比c/a值为1.6236，与标准HCP结构的c/a值非常接近。密排六方（HCP）金属晶体结构及主要晶面和晶向如图所示。独立的滑移系如表所示。

具有密排六方晶体结构的金属和合金在室温下只有一个滑移面（0001）基面。其塑性比面心和体心立方晶体都低。滑移系的开动能力受其临界剪切应力(Critical Resolved Shear Stress, CRSS)大小的支配，而相应的滑移量由滑移面的位错特征决定。但同一晶体内不同滑移面之间的 CRSS值存在很大的差异，并且受到变形温度等外部条件的影响。室温下，晶界处基面和棱柱面滑移系的CRSS分别为 0.6~0.7Mpa和40Mpa，比值约为1:100，因此室温下柱面{0110}<0211>和锥面{1110}<0211>滑移等非基面滑移很难发生。室温变形时，非基面滑移有可能在应力集中较为严重的晶界附近发生，但是几率很小。根据Von Mises屈服准则，一般多晶体材料至少要5个独立的滑移系开动才能进行稳定的塑性变形。室温变形时，镁只有基面滑移{0001}<0211>发生，仅能提供 3个几何滑移系和2个独立滑移系，不能满足Von Mises判据要求，因此，镁在室

温下变形困难、塑性较差。

非基面的CRSS值随变形温度的升高而降低。温度高于225°C时，非基面滑移系的CRSS值大幅度降低，而基面的CRSS值基本不变；当温度超过300℃时，基面和非基面的CRSS值几乎相当，基面和非基面滑移可同时开动，此时，棱柱面滑移可在塑性变形过程中发挥重要作用，镁合金呈现明显的延性转变，塑性变形能力显著提高。

晶粒细化使镁合金塑性变形协调能力增强。研究发现，当晶粒尺寸细化至10μm以下时，室温时棱柱面与基面的CRSS比值降低到了1.1～5.5之间，非基面滑移激活的概率大幅上升。这是由于晶粒细化使得单位体积内晶界面积增加，在外部应力作用下，晶粒间发生滑动、转动的可能性就大幅增加，塑性变形协调能力增强。

2、孪生

除滑移外，孪生是镁合金塑性变形的另一种主要方式。孪生是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面孪生面和一定的晶向孪生方向发生均匀切变的过程。

在镁合金的塑性变形过程中，孪生和滑移是两种相协调的晶内塑性变形机制。具有密排六方晶体结构的镁合金，室温下滑移的临界剪切应力比孪生的要低，但是由于室温下镁合金只有基面上的两个独立滑移系，不能协调 c 轴方向的应变。同时，诱发机械孪生所需的应力小于激活非基面滑移系所需的应力，因此当变形温度较低，晶体取向不利于滑移时，孪生就成为协调镁合金塑性变形的重要机制。孪生主要出现在{2110}晶面族上，二次孪生出现在{4330}晶面上；高温下，{3110}晶面上也出现孪生。

镁的室温塑性差：具有密排六方晶体结构的金属和合金在室温下只有一个滑移面（0001）基面。其塑性比面心和体心立方晶体都低。滑移系的开动能力受其临界剪切应力(Critical Resolved Shear Stress, CRSS)大小的支配，而相应的滑移量由滑移面的位错特征决定。但同一晶体内不同滑移面之间的 CRSS值存在很大的差异，并且受到变形温度等外部条件的影响。室温下，晶界处基面和棱柱面滑移系的CRSS分别为 0.6~0.7Mpa和40Mpa，比值约为1:100，因此室温下柱面{0110}<0211>和锥面{1110}<0211>滑移等非基面滑移很难发生。室温变形时，非基面滑移有可能在应力集中较为严重的晶界附近发生，但是几率很小。根据Von Mises屈服准则，一般多晶体材料至少要5个独立的滑移系开动才能进行稳定的塑性变形。室温变形时，镁只有基面滑移{0001}<0211>发生，仅能提供 3个几何滑移系和2个独立滑移系，不能满足Von Mises判据要求，因此，镁在室温下变形困难、塑性较差。

非基面的CRSS值随变形温度的升高而降低。温度高于225°C时，非基面滑移系的CRSS值大幅度降低，而基面的CRSS值基本不变；当温度超过300℃时，基面和非基面的CRSS值几乎相当，基面和非基面滑移可同时开动，此时，棱柱面滑移可在塑性变形过程中发挥重要作用，镁合金呈现明显的延性转变，塑性变形能力显著提高。

晶粒细化使镁合金塑性变形协调能力增强。研究发现，当晶粒尺寸细化至10μm以下时，室温时棱柱面与基面的CRSS比值降低到了1.1～5.5之间，非基面滑移激活的概率大幅上升。这是由于晶粒细化使得单位体积内晶界面积增加，在外部应力作用下，晶粒间发生滑动、转动的可能性就大幅增加，塑性变形协调能力增强。

20、形变镁合金的主要种类？常用的形变镁合金的牌号？

答：变形镁合金的分类依据一般有两种：合金化学成分和是否可热处理强化。按化学成分变形镁合金主要可分为以下几类：镁-锂系合金、镁-猛系合金、镁-铝-锌-锰系合金、镁-锌-锆系合金、镁-稀土系合金以及镁-钍系合金。

根据是否可以进行热处理强化，变形镁合金又可分为可热处理强化变形镁合金（如MB7、MB15合金）和不可热处理强化变形镁合金（如MB1、MB2、MB3、MB5和MB8合金）。

此外，根据合金的应力腐蚀倾向，变形镁合金还可分为三组：第一组为无应力腐蚀破裂倾向的合金（MB1、MB8、MB14、MB15等）；第二组为应力腐蚀开裂倾向较小的合金（MB2、MB3等）；第三组为有应力腐蚀开裂倾向的合金（MB5、MB7等）。

目前使用较为广泛的变形镁合金有Mg-Li系、Mg-Mn系、Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-RE系、Mg-Th系等。国内主要变形镁合金的牌号MB1、MB2、MB3、MB5、MB6、MB7、MB8、MB15。

2012年专业课作业一及答案

1、合金元素对钢性能的影响可归结为哪几方面?

答：一、合金元素对钢力学性能的影响 1）、合金元素对钢常温力学性能的影响。 2）、合金元素对钢高温力学性能的影响 。 3）、合金元素对钢低温力学性能的影响 。 二、合金元素对钢焊接性能和切削加工性能的影响 1）、合金元素对钢焊接性能的影响 。 2）合金元素对钢切削性能的影响。

2、分析工程结构钢的服役条件、性能要求?

答：(1)Q195：此类钢中碳、锰含量低，强度不高，塑性好，韧性高，具有良好的工艺性能和焊接性能。广泛用于轻工机械、运输车辆、建筑等一般结构件，自行车、农机配件、五金制品，焊管坯及运输水、煤气等用管，拉杆、支架及机械用一般结构零件。可用于代替08优质碳素结构钢制造冲压件、焊接结构件。

(2)Q215：此类钢中碳、锰含较低，塑性好，具有良好的韧性、焊接性能和工艺性能。用于厂房、桥梁等大型结构构件，建筑桁架、铁塔、井架及车船制造结构件，轻工、农业、机械零件，五金工具，金属制品等。

(3)Q235：此类钢中碳含量适中，是最通用的工程结构钢之一，具有一定的强度，塑性和焊接性能良好。适用于受力不大而韧性要求很高的工程结构。用于建造厂房、高压输电铁塔、桥梁、车辆等。

(4)Q255：此类钢中具有较好的强度、塑性和韧性，较好的焊接性能和冷热压力加工性能。主要用于强度要求不高的零件，如铆接、栓接工程结构，螺栓、键、拉杆、轴、摇杆等。

(5)Q275：此类钢中碳、硅、锰含量高，具有较高强度、较好塑性、较高硬度及耐磨性， 一定的焊接性能和较好的切削加工性能，韧性较低。对于一般承受中等应力的机械结构，可用于代替牌号30、35优质碳素结构钢，以降低成本。可用于制造心轴、齿轮、销轴、链轮、螺栓、垫圈、刹车杆、垫板，农业机械用型材、机架等。

3、比较渗碳钢和氮化钢在化学成分、热处理工艺和性能的差异?

项目 化学成分 热处理工艺 性能 渗碳钢基体碳含量(质量分数)一般都选择在0．15％～渗碳后必须进行淬0．25％范围内，火和低温回火。 渗碳层的碳含量一般为0．8％～1.10%。 低强度渗碳钢。其强度级别σb在800MPa以下，又称为低淬透性渗碳钢；中强度渗碳钢。强度级别σb在800MPa～1200MPa范围内，又称为中淬透性渗碳钢；高强度渗碳钢：强度级别σb在1200MPa以上，又称高淬透性渗碳钢。

氮化钢渗氮钢的化学成分特点是在中碳钢的基础上，添利用活性氮原子渗加某些合金元入钢件表面而形成素，如Al、Cr、富氮硬化层的一种Mo等以提高或改化学热处理。 善其渗氮性能和其它力学性能。 与渗碳相比，氮化后工件可获得更高的表面硬度（950HV～1200HV相当于65～72HRC）和耐磨性，这种高硬度和耐磨性可以保持到560℃～600℃而不降低，故氮化钢具有很高的热稳定性。

2012年专业课作业二及答案

4、什么是红硬性?如何度量?为什么它是高速钢的重要性能指标?

答：红硬性是指材料在经过一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力，比如在高速切削时，高速钢则可以在650℃时，实际硬度仍高于50HRC。

一种衡量红硬性的方法是先把钢加热至580～650℃，保温1小时，然后冷却，这样反复4次后测量其硬度值。

红硬性能够保证高速工具钢在高速切削时所需的高硬度，不至于像一般钢材，由于回火抗力小导致硬度迅速下降以致无法达到使用要求，因此，红硬性是高速钢的一项重要性能指标。

5、用合金化方式提高金属(合金)耐蚀性有哪些途径?

答：(1)提高不锈钢基体的电极电位，或形成稳定钝化区，来降低原电池电动势。(2)使钢具

有单相组织，减少微电池的数量。

(3)使钢表而生成稳定的表面保护膜，如钢中加Si、Al、Cr等，在许多腐蚀和氧化的场

合能形成致密的保护膜，提高钢的耐蚀性。

(4)采用机械保护措施和表面覆盖层，如表面电化学涂覆处理、发蓝及涂漆等。

6、用位错理论分析蠕变三阶段?

答：在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能使滑移面上塞积的位错进行攀移，形成小角度亚晶界（此即高温回复阶段的多边化），从而导致金属材料的软化，使滑移继续进行。在高温蠕变条件下，由于晶界强度降低，其变形量就大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变形的特点之一。蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加，造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀移的驱动力来自晶格畸变能的降低。在蠕变初期由于晶格畸变能较小，所以回复软化过程不太明显。蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行。晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，就使蠕变速度保持恒定。蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。

2013年专业课作业一及答案

1、先进热处理技术正在向（精密化）、（少无氧化）、（清洁化）和（节能化）方向发展。

2、真空状态下金属表面与气体的相互作用包括（吸附）、（吸收）、（退吸）和（除气）、（收附）现象。

3、真空状态下，外界压力（小于）该温度下金属元素的蒸气压，则金属会蒸发。 4、炉气中氧在气氛的总压力中所占的压力，称为（氧分压），如果该值（大于）某元素氧化物氧的分解压，则发生氧化反应。

5、钛合金在热处理时易于吸收氢而产生（氢脆）现象，故在组织性能要求严格的时候采用真空热处理。

6、真空热处理炉采用专用的隔热结构，多采用多层隔热屏，有（金属屏）和（石墨屏）两大类。

7、常用的真空气冷气体包括氮气、氩气，此外还有氢气、氦气。其中（氢气）的冷却速率最高。

8、吸热式气氛可以作为（渗碳和渗氮）处理的载体，也可以用于碳钢、合金钢、工具钢的淬火加热保护。

9、 强烈淬火后的零件，表面呈现（很高的残余）应力状态。

10、强烈淬火技术的机理在于，在马氏体温度区域，较低冷速或特别高冷速都可以（减小）淬火开裂与变形。

2013年专业课作业二及答案

11、在强烈淬火工艺中，快速冷却通过（向试样表面喷射水流）或（其他淬火介质）实现的。

12、强烈淬火具有提高（硬度）和（整体机械性能），延长（工件的服役寿命）和减弱（工件的淬火畸变）的作用。

13、奥氏体稳定化的机制包括三种：（有效核胚消耗）机制、（Cottrell气团）机制和（应力松弛理论）机制。

14、Q&P热处理一般分为（碳的配分）和（淬火）两个过程；如果二者温度相等， 称为一步Q&P热处理；如果二者温度不等，则为两步Q&P热处理。 15、Q&P钢种往往含有（硅）和（铝）等强烈抑制碳化物形成的元素。 16、0.19C-1.59Mn-1.63Si的TRIP钢经Q&P热处理后得到（低碳板条马氏体）和（残余奥氏体）组织。

17、0.20C-1.5Mn-1.5Si-0.05Nb-0.13Mo钢经Q&P热处理后得到的微观组织为（板条马氏体）、（条内碳化物）和（条间残余奥氏体）组织。

18、控制轧制一般分为（奥氏体再结晶阶段）、（奥氏体非再结晶阶段）和（(γ+α)两相区轧制阶段）三个阶段。

19、控制轧制主要的控制参数包括（加热温度）、（形变量）、（形变温度）和（终轧温度）。

20、控轧控冷过程中加速冷却过程通常采用（间断式加速冷却）和（连续式加速冷却）两种冷却方式。

2014年专业课作业一及答案

1. 材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的（那些物质）。

2. 材料按性能特点分类，可以分为（ 结构材料 ）和（功能材料）。

3. 微合金化高强度钢采用（控扎、控冷）的工艺获得高强度高塑性。 4. 微合金化高强度钢通过特殊的工艺途径，得到（ 条状 ）铁素体，同时析出微合金碳，氮化合物来提高钢的强度。

5. 微合金化低碳铁素体－马氏体双相钢具有强度高，加工硬化率（ 大 ）、塑性好、容易冲压成形，屈强比小。

6. 微合金化中碳非调质钢使用状态为（ 不经调质处理 ）。

7. 屈服强度超过（ 1400MPa ）,抗拉强度超过（1500MPa），具有较高的比强度和一定韧性的钢为超高强度钢。

8. 低合金高强度钢中，添加Mo的作用（提高钢的淬透性和回火抗力）。 9. 低合金超高强度钢的主要热处理工艺为（淬火＋低温回火）。

10.马氏体时效钢中Co的作用为（提高Ms点，增加钼在马氏体中的过饱和固溶体，加速沉淀相Ni3Mo的形成）。

11. 根据n/8定律，不锈钢中加入Cr含量超过（ 11.7 ）wt%，耐蚀性采用显著的提高。

12.仅有高温合金可以采用fcc晶格，也可以采用bcc晶格，从提高高温强度的角度看，宜采用（ fcc晶格 ）结构。

13. 蠕变中蠕变极限指（ 一定温度下在规定时间内产生规定变形量的应力）。 14. 铁镍基高温合金中的沉淀相为（

、、、γ、γ相 ）。

15. 变形镍基高温合金以（ γ相 ）为基体。

2014年专业课作业二及答案

16.铝合金具有较高的耐蚀性的原因是因为（易形成Al2O3膜且具有自疗性 ）。 17.铝合金的而主要强化机制为（固溶强化、沉淀强化、细晶强化、形变强化、过剩相强化）。

18.现有LY12，TC4，马氏体时效钢，要制作飞机蒙皮，宜选用（ LY12 ）材料。 19.通过微合金化的手段可以提高Al-Li合金的塑性，美国一般加入（ Ag ）元素，俄罗斯一般采用（ Sc ）元素。

20. Ti存在两种同素异构体：882 ?C以下为为?-Ti，具有（密排六方结构）。 21. 钛合金合金化元素中，Al为（ 主要 ）元素，并且可以起到固溶强化的作用。

22.TC4钛合金退火状态下主要为（ α+β）相。

23.某发动机压气机盘可以从以下材料选取镁合金AZ31，铝合金

LY12( Al-Cu-Mg )，钛合金TC4，宜选用（ TC4 ）合金。

24.低合金高强度钢，钛合金、铝合金和镁合金中，（ 钛合金 ）具有最高的比强度。

25. NiAl、FeAl等。A类原子占据fcc八个顶点的位置，B类原子占据体心的位置，为（体心立方的有序衍生）结构。

26. 单晶TiAl合金在600℃具有最高的强度，称为（单晶强度的温度反常）效应。

27. 现有微合金化中碳非调质钢45VN，超高强度钢AISI4340，钛合金TA7，超硬铝合金LC6，飞机起落架可以选用（超高强度钢AISI4340 ）。

28. 某涡轮叶片的最高使用温度达到950℃，先从镍基高温合金，铁基高温合金和钛合金选用，可以选用（镍基高温合金）。

29.下列材料中镁合金、铝合金和超高强度钢，（镁合金）适宜做阻尼材料。 30．TiAl为LI0结构，由（面心立方）的有序衍生结构。

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