哈工大继续教育材料科学与工程2011年专业课作业2

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

用变形效率 了。

公式

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(

这样在预压紧开始时降为零(这时

)。

，摩擦力值为最大并且随挤压行程呈线性)，即使其摩擦系数

，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

把所有的与变形过程直接有关的摩擦损耗和剪切损耗都考虑

在这里也常发现，对挤压力估计来说，摩擦长度的近似处理

是有充分理由的。由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

利用A(z)=

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

由体积不变

，(对实心横截面)以及公式(2．3 7)，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（3-2）至公式（3-6）只能很粗略地描述实际的速度场。

及 (z)=r0-z，得到

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。

图 HCP晶体结构及主要晶面和晶向

表H CP晶体变形的独立的滑移系 滑移面 {0001} {1010} {1011} {1121} {1122}

滑移方向 位错柏式矢量 <1120> a <1120> a <1120> <1123>

a c+a

独立滑移系数量

2 2 4 5

滑移系 基面滑移 柱面滑移 锥面滑移

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{1010}<1120>

和锥面{1011}<1120>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}<1120>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{1012}晶面族上，二次孪生出现在{3034}晶面上；高温下，{1013}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{1010}<1120>和锥面{1011}<1120>滑移等非基面滑移很难发生。室温变形时，