材料力学课本答案解析（材料科学基础塑性课后答案）

一、解释名词

滑移：是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。这些晶面和晶向分别被称为滑移面和滑移方向。滑移的结果是大量的原子逐步从一个稳定位置移动到另一个稳定的位置，产生宏观塑性变形。

滑移系：晶体通过滑移产生塑性变形时，由滑移面和其上的滑移方向所组成的系统

孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生；

屈服：材料在拉伸或压缩过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，材料失去了抵抗继续变形的能力。当应力达到一定值时，应力虽不增加（或在微小范围内波动），而变形却急速增长的现象，称为屈服。

应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况；

加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。

织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。

二、已知体心立方的滑移方向为<111>，在一定的条件下滑移面是{112}，这时体心立方晶体的滑移系数目是多少？

解答：{112}滑移面有12组，每个{112} 包含一个<112>晶向，故为12个

三、如果沿fcc晶体的[110]方向拉伸，写出可能启动的滑移系。

滑移面和滑移方向垂直。面（abc）和方向［hkl］一定有下面的关系。ah＋bk＋cl＝0

滑移面是原子密排面，面心立方晶体密排面是｛111｝晶面族。

所以可能的晶面指数有（1－11）,（－111）两个。

四、写出fcc金属在室温下所有可能的滑移系；

滑移面和滑移方向通常是原子排列最密集的平面和方向。对面心立方金属原子排列最密集的面是{111}共有四个，原子最密集的方向是[110]共有3个，所以它有12个滑移系。

五、将直径为5mm的铜单晶圆棒沿其轴向[123]拉伸，若铜棒在60KN的外力下开始屈服，试求其临界分切应力。

解答：fcc结构，滑移系{111}<110>，由

σs＝τ/cosφcosλ，当拉伸轴沿[123]，开动的滑移系为（-111）[101]。[123]与（-111）夹角计算公式，cosθ＝[u1u2 v1v2 w1w2]/[(u12 v12 w12)1/2(u22 v22 w22) 1/2]

[123]与（-111）夹角cosφ＝（8/21）1/2 [123]与（101）夹角cosλ＝（4/7）1/2

故σs＝τ/cosφcosλ＝1.69×106N/m2

十、实践表明，高度冷轧的镁板在深冲时往往会裂开，试分析原因；

解答要点：1.本身hcp，滑移系少，塑性差2.大变形量，形成织构，塑性方向性

3.加工硬化影响，也有内应力影响

十一、分析Zn、α－Fe、Cu几种金属塑性不同的原因

答：Zn、α-Fe、Cu这三种晶体的晶体结构分别是密排六方、体心立方和面心立方结构。

密排六方结构的滑移系少，塑性变形困难，所以Zn的塑性差。面心立方结构滑移系多，滑移系容易开动，所以对面心立方结构的金属Cu塑性好。体心立方结构虽然滑移系多，但滑移面密排程度低于fcc，滑移方向个数少，较难开动，所以塑性低于面心立方结构材料，但优于密排六方结构晶体，所以α-Fe的塑性较Cu差，优于Zn

十四、分析为什么细化晶粒既可以提高金属强度，又可以提高金属的塑性。

根据Hall2petch 公式:σs=σ0 Kd-1/2 式中，σs是材料的屈服强度，σ0是与材料有关的常数，K 是常数，d 是晶粒直径。可以看出,材料的屈服强度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比。因为细晶粒晶界多阻碍位错运动，当然提高了强度，同时又能增强韧性。霍尔配奇公式可知，屈服强度σs与晶粒直径平方根的倒数dv2呈线性关系。在多晶体中，滑移能否从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。由τ=nτ0知，塞积位错数目n越大，应力集中τ越大。位错数目n与引起塞积的晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，应力集中越大，晶粒小，应力集中小，在同样外加应力下，小晶粒需要在较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。在同样变形量下，晶粒细小，变形能分散在更多晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近应变度相差较小，引起的应力集中减小，材料在断裂前能承受较大变形量，故具有较大的延伸率和断面收缩率。另外，晶粒细小，晶界就曲折，不利于裂纹传播，在断裂过程中可吸收更多能量，表现出较高的韧性。

十六、总结影响金属强度的因素

金属及合金主要是以金属键合方式结合的晶体。完美金属的理论抗拉强度是指与结合键能（结合力和结合能）相关的材料物理量（双原子作用模型），其影响因素可以从该模型去考虑（如温度、键能、原子间距、点阵结合方式、原子尺寸、电负性电子浓度等，这些在金属材料学应该都有）； 由于实际的金属及合金材料并非完美晶体，存在点、线、面缺陷（空位、位错、晶界相界等）或畸变，为此材料强度远低于它的理论强度。从缺陷的角度去考虑材料强化。工程及应用中最广的的屈服强度，该强度发生在材料的塑性变形紧密相关，可以从金属滑移及其机制去分析材料机制，（如位错机制等，阻碍位错运动的方式都为强化机制，如细晶强化、时效、固溶、形变强化)

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十八、知一个铜单晶体试样的两个外表面分别是（001）和（111）。分析当此单晶体在室温下滑移时在上述每个表面上可能出现的滑移线彼此成什么角度；

解答：铜单晶体为fcc，滑移系为{111}<110>。表面是（001），塑性变形表面滑移线为{111}与 {001}的交线<110>，滑移线表现为平行或垂直

若表面是（111），塑性变形表面滑移线为{111}与 {111}的交线<110>，滑移线表现为平行或为60° (8个（111）面组成的交线即为<110>)

金属材料的强化方式有哪些？

解答：金属材料的塑性变形通过位错运动实现，故强化途径有两条：

1.减少位错，小于10－2 cm－2，接近于完整晶体，如晶须。

2.增加位错，阻止位错运动并抑制位错增殖

强化手段有多种形式：冷加工变形强化，细晶强化，固溶强化，有序强化，第二相强化（弥散或沉淀强化，切过与绕过机制），复合材料强化