中南大学 高温塑性变形作业

中南大学工程材料作业练习一一、判断题：对的打√，错的打×1．因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。

（）2．金属多晶体是由许多结晶方向相同的单晶体组成的。

（）3. 晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。

（）4. 位错是实际金属晶体的一种面缺陷。

（）5. 标识为100HBS的材料硬度大于标识为60HRC的材料硬度。

（）6. 金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。

（）7. 体心立方晶格的致密度为74%。

（）8. 珠光体是铁碳合金中的一种典型相。

（）9. 塑性变形指的是外载荷撤销后变形不能恢复的变形。

（）10.铸铁的锻造性能优于钢材。

（）二、选择题：在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请把所选项前的字母填在题后的括号内。

1. 晶体中的位错属于： [ ]a．体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。

2．亚晶界是由： [ ]a．点缺陷堆积而成；b．位错垂直排列成位错墙而构成；c．晶界间的相互作用构成。

3. α-Fe和γ-Fe分别属于什么晶格类型： [ ] a．面心立方和体心立方； b．体心立方和面心立方；c．均为面心立方； d．均为体心立方。

4. 延伸率是用来表示金属材料的哪种性能？ [ ] a．强度； b．塑性；c．硬度； d．刚度5. 弹性模量的大小是用来衡量金属材料的哪种性能？ [ ] a．强度； b．塑性；c．硬度； d．刚度6. 固溶体的晶体结构与哪个相同？ [ ] a．溶质； b．溶剂； c．与两者都不同。

三、填空题：1．同非金属相比，金属的主要特征是。

2．晶体与非金属最根本的区别是。

3．金属晶体中最主要的面缺陷是和。

4．位错分两种，它们是和，多余半原子面是位错所特有的。

5.点缺陷有和两种；面缺陷中存在大量的。

6．γ-Fe、α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为和。

7．当原子在金属晶体中扩散时，它们在内、外表面上的扩散速度较在体内的扩散速度。

基于CPFEM的TA15钛合金高温塑性变形研究晶体塑性理论将晶体塑性变形的物理机制及变形几何学与单晶或多晶的弹塑性本构方程相结合，从介观尺度（即晶粒尺度）上解释材料的各种塑性变形行为。

将晶体塑性理论与有限元方法相结合的方法称为晶体塑性有限元方法（Crystal Plastic Finite Element Method，CPFEM），该方法从材料变形的物理机制出发，可以较为准确的反映材料的微观特性。

目前晶体塑性有限元模拟已成为力学界和材料界的研究热点。

钛与钛合金是一种重要的结构材料，以其优异的性能广泛应用在航空航天等领域。

钛有两种同素异构晶型：密排六方(HCP)点阵的α-Ti相和体心立方(BCC)点阵的β-Ti相，由于晶格类型不同，其变形机制差别较大。

文中综合采用了有限元方法、晶体塑性理论、元胞自动机等现代科学技术方法。

从介观尺度出发，根据合金微观晶格结构的不同，研究新型近α型钛合金—TA15钛合金的高温塑性变形，研究在相变点温度以上及以下的TA15钛合金高温的高温塑性变形行为。

文中采用元胞自动机方法得到了相变点上的TA15钛合金的初始晶粒形貌。

建立了适用于变形温度在相变点以上的TA15合金的高温塑性变形的晶体塑性有限元模型。

模拟结果表明多晶体在塑性变形的过程中，晶粒与晶粒之间以及晶粒内部的应力分布存在着明显的差异，晶粒内部与晶粒外部的塑性变形非常不均匀。

通过对滑移系上的剪应变进行分析表明由于各晶粒的取向不同和晶粒间的取向差的差异，不同晶粒的滑移系开动情况差别很大；在同一晶粒内部，由于需要协调相邻晶粒的应变情况，因此滑移系开动的程度也不完全相同。

建立了适用于变形温度在相变点以下的TA15合金的高温塑性变形多晶晶体塑性有限元模型，研究HCP型多晶体在塑性变形后的应力应变状态及变形过程中晶粒的取向分布情况。

结果表明，基于HCP晶体的变形机制所建立的孪生为主滑移为辅的塑性本构关系可以相对较好的描述材料的应力应变状态。

第52卷第2期2021年2月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.2Feb.2021Zener-Hollomon 参数对Cr4Mo4Ni4V 高合金钢热变形行为的影响马少伟1,3，张艳1,3，杨明1,2,3，李波2(1.贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳，550025；2.贵州电力科学研究院，贵州贵阳，550025；3.贵州大学高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室，贵州贵阳，550025)摘要：依据热模拟压缩实验结果，研究Cr4Mo4Ni4V 高合金钢在变形温度为950~1100℃、应变速率为0.001~1s −1条件下的热变形行为。

基于Zener-Hollomon 参数(Z 参数)建立Arrhenius 本构方程，并表征不同应变条件下材料常数(α，n ，Q 和ln A )的变化规律，证实所建立的本构模型具有较高的预测精度。

此外，利用Z 参数建立动态再结晶的临界模型，并结合微观组织在热变形中的演化规律，获得Z 参数影响微观组织变形机制和软化行为的基本规律。

研究结果表明：在高温低应变速率下，材料的流变应力较低，且呈现出明显的动态再结晶特征；在高ln Z (≥45.11)条件下，绝热剪切带和混晶是主要的微观组织形态；而在38.80≤ln Z ≤43.40时，微观组织是以动态再结晶的形式发生软化和细化，且随着Z 参数的减小，动态再结晶体积分数相应增加；而较小的ln Z (36.49)会导致再结晶晶粒粗化，不利于热加工。

据此，获得的相关结论能够为Cr4Mo4Ni4V 高合金钢热加工工艺的制定提供参考。

关键词：Cr4Mo4Ni4V 高合金钢；本构方程；Zener-Hollomon 参数；临界应变；微观组织演变中图分类号：TG142.1文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）02-0376-13Effect of Zener-Hollomon parameters on hot deformationbehavior of Cr4Mo4Ni4V high alloy steelMA Shaowei 1,3,ZHANG Yan 1,3,YANG Ming 1,2,3,LI Bo 2(1.School of Materials and Metallurgy,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Guizhou Electric Power Research Institute,Guiyang 550025,China;3.National &Local Joint Engineering Laboratory for High-performance Metal Structure Material and AdvancedManufacturing Technology,Guizhou University,Guiyang 550025,China)DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.02.006收稿日期：2020−04−20；修回日期：2020−06−24基金项目(Foundation item)：贵州省教育厅工程研究中心项目([2017]016);贵州省自然科学基金重点资助项目([2020]1Z046)(Project([2017]016)supported by the Engineering Research Center Program of Education Department of Guizhou Province;Project([2020]1Z046)supported by the Key Program of Natural Science Foundation of Guizhou Province)通信作者：杨明，博士，副教授，从事金属材料加工及力学行为研究；E-mail ：**************.cn引用格式：马少伟,张艳,杨明,等.Zener-Hollomon 参数对Cr4Mo4Ni4V 高合金钢热变形行为的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(2):376−388.Citation:MA Shaowei,ZHANG Yan,YANG Ming,et al.Effect of Zener-Hollomon parameters on hot deformation behavior of Cr4Mo4Ni4V high alloy steel[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(2):376−388.第2期马少伟，等：Zener-Hollomon参数对Cr4Mo4Ni4V高合金钢热变形行为的影响Abstract:Based on the results of the thermal simulation compression test,the hot deformation behavior of Cr4Mo4Ni4V high alloy steel was investigated in terms of deformation temperature(950−1100°C)and strain rate(0.001−1s−1).Meanwhile,the Arrhenius constitutive equation was established and the variation law of the materialconstants(α,n,Q and ln A)under different strain conditions was characterized based on the Zener-Hollomon parameter(Z),which confirms that the constitutive equation has high prediction accuracy.In addition,the critical model of dynamic recrystallization assisted by using Z-parameter and microstructure evolution characterization in hot deformation was performed to acquire the basic law,which reflects the effect of Z parameter on the deformation mechanism and softening behavior of microstructure.The results show that the flow stress of the material is low and shows obvious dynamic recrystallization characteristics at high temperature and low strain rate.When ln Z is high(≥45.11),the adiabatic shear band and mischcrystal structure are the main microstructure features,when38.80≤ln Z≤43.40,the microstructure presents softening and refining characterization in the form of dynamic recrystallization,and the volume fraction of dynamic recrystallization increases with the decrease of Z parameter.However,the low ln Z(36.49)will lead to the coarsening of recrystallized grains and have detrimental effect on hot processing.So the relevant conclusions can provide a reference for the regulation of the hot processing technology of Cr4Mo4Ni4V high alloy steel.Key words:Cr4Mo4Ni4V high alloy steel;constitutive equation;Zener-Hollomon parameter;critical strain;microstructure evolution近年来，航空工业的快速发展对航空发动机轴承的力学性能和服役寿命提出了更高的要求，而控制轴承部件的热加工组织将是提高其力学性能的重要方法[1]。

52MS09 新型金属/合金结构材料的塑性变形和断裂失效（负责人：李晓雁、周昊飞）8月27日下午 地点：1层多功能厅A时间 编号 报告题目报告人 单位 主持人16:30 MS09-2321-I Fe 49.5Mn 30Co 10Cr 10C 0.5高熵合金的棘轮行为研究 康国政 西南交通大学 李晓雁 周昊飞 17:00 MS09-1366-I 单晶镍基高温合金微柱力学行为的多尺度模拟和实验研究黄敏生 华中科技大学 17:20 MS09-0019-I 镁合金中颗粒强化理论模型范海冬 四川大学 17:40 MS09-0753-I 高强高韧多级纳米孪晶金属：从变形机理到微结构设计朱林利 浙江大学 18:00 MS09-0971-O 纳米孪晶高熵合金的力学行为及强塑化机理 李建国 清华大学 18:10 MS09-2701-O 高熵合金晶格畸变效应对强度影响的理论建模 李理 湖南大学18:20 18:30MS09-1491-O面向位错组态演化的连续统位错动力学研究周正成 大连理工大学8月28日下午 地点：1层多功能厅A时间 编号 报告题目报告人 单位 主持人13:30 MS09-1147-I 纳米结构铜铝合金动态变形时的绝热剪切局部化 索涛 西北工业大学李晓雁 周昊飞13:50 MS09-0159-I 激光冲击结构强化机理与应用阚前华 西南交通大学 14:10 MS09-0926-I 杂质原子晶界偏聚行为对纳米多晶镍力学性能影响模拟研究郑勇刚 大连理工大学 14:30 MS09-0430-I 考虑弹性变形和离子辐照影响的球形纳米压痕应力-应变关系肖厦子 中南大学 14:50 MS09-2818-O 保载疲劳的微观变形机理与材料微观结构设计 张桢 华中科技大学15:00 MS09-0274-O Yb 2O 3含量对Ti-1100铸态合金力学性能的影响 贾宝华 内蒙古科技大学 15:10 MS09-1213-O 单晶塑性理论中孪晶的无扩散旋转过程 黄春阳 重庆大学 15:20 15:30MS09-1060-O高熵合金的温度效应与变形诱导的纳晶化黄瑞瑞 清华大学16:30 MS09-1304-I 非晶固体振动声子与塑性事件相互作用的统计分析 蒋敏强 中国科学院力学研究所 李晓雁 周昊飞16:50 MS09-0066-I 晶粒尺寸和温度对CoCrNi 中熵合金力学性能的影响 师明星 西南交通大学 17:10 MS09-0357-I 金属玻璃的断裂韧性测试 刘泽 武汉大学 17:30 MS09-1244-I 非共格铜孪晶界的超弹性和硬化郁汶山 西安交通大学 17:50 MS09-2018-O 基于长时间尺度原子模拟的非晶态硅锂合金塑形形变及孔洞生长机理研究燕鑫 北京航空航天大学 18:00 MS09-2831-O 石墨烯/铝基复合材料微结构成型与演化的分子动力学研究刘夏 北京工业大学18:10 MS09-2629-O SUS301L 不锈钢焊接接头棘轮-疲劳交互作用与疲劳寿命预测模型研究罗会亮 西南交通大学 18:20 18:30MS09-2915-OCu-Zr 纳米晶/非晶双相合金的构型演化和力学响应王鹏 华中农业大学墙报8月27日下午和8月28日下午地点：3层序厅时间编号报告题目报告人单位15:30-16:30 MS09-1021-P Inconel740H合金650℃原位拉伸晶粒转动的研究张文静北京工业大学墙报交流MS09-1031-P 混合波纹管的耐撞性能研究霍艳飞中南大学MS09-1102-P 梯度纳米结构高熵合金的分子动力学模拟双思垚西南交通大学MS09-1104-P 梯度位错结构单晶铜的离散位错动力学模拟熊健西南交通大学MS09-1190-P 梯度纳米结构TWIP钢的晶体塑性本构研究陆晓翀西南交通大学MS09-1202-P 高熵合金纳米线温度相关的单拉行为研究胡远啸西南交通大学MS09-1522-P 新型表面纳米化金属薄壁结构抗屈曲设计赵祯大连理工大学MS09-1618-P 钨球对单层GH4169靶体的穿甲试验研究孙永壮北京理工大学MS09-1895-P VT3-1航空钛合金疲劳裂纹萌生和微结构特征徐守文中国科学院大学MS09-2431-P腐蚀环境下与激光强化后的TC17钛合金超高周弯曲振动疲劳性能研究张晖空军工程大学MS09-2592-P 表层纳米化TC4合金的拉伸力学行为研究查欢西北工业大学MS09-2621-PCoCrFeNiAl0.3高熵合金的微尺度塑性锯齿流变行为研究孟璐太原理工大学MS09-2633-P 层错能对梯度纳米孪晶多层膜的压痕行为影响田圆圆湖南大学MS09-3030-P碳纳米管增强金属基复合材料温度相关性屈服强度理论表征方法研究张续耀重庆大学MS09-3101-P 316L钢分级损伤蠕变疲劳行为研究肖忠仰浙江工业大学MS09-3344-P 先进核包壳材料等效力学性质的晶体塑性有限元模拟张靖宇复旦大学MS09-3469-P含有片状第二相颗粒合金在双轴载荷下空洞形核行为研究高波重庆大学53。

N12160高温合金热压缩变形行为和加工图高温合金是一类特殊的金属材料，其能够在高温和强烈腐蚀环境中保持良好的力学性能和化学稳定性。

因此，高温合金广泛应用于航空、航天、石油化工等领域。

高温合金通常包括镍基合金、钴基合金和铁基合金。

其中，镍基合金由于其出色的高温性能和成熟的制造技术，是最常用的高温合金之一。

高温合金的热加工是制备高温合金件的重要工艺之一，其中热压缩变形是一种普遍采用的热加工方式。

热压缩变形是指在高温下对材料进行压缩塑性变形。

这种方法主要经过几个阶段，包括细化晶粒、改变组织结构和提高力学性能等。

因此，热压缩变形是改善高温合金力学性能的有效方法。

热压缩变形的主要影响因素包括变形温度、应变速率、应变量和各向异性等。

在高温合金的热压缩变形中，变形温度是最重要的影响因素之一。

通常情况下，高温合金的变形温度选取在其材料的熔点以下100 ~ 150 ℃的范围内。

在较低的变形温度下，高温合金的塑性减小，难以达到所需变形量。

而在较高的温度下，高温合金的力学性能可能会受到影响，且易出现剪切带和动态回复等现象。

因此，合适的变形温度对于热压缩变形是至关重要的。

应变速率也是影响高温合金热压缩变形的重要因素之一。

应变速率的增大可以促进高温合金的变形，但过大的应变速率容易引起应力集中和裂纹等现象。

因此，一定的应变速率范围是必要的。

应变量是指材料在一定变形温度和变形速率下所承受的塑性变形程度。

应变量的增大可以使晶粒在变形中产生更多的滑移和转动，从而进一步改善高温合金的力学性能。

但应变量过大也会导致材料变形不均匀，出现撕裂和滑移形变等现象。

高温合金的各向异性是指其在不同方向上的力学性能存在差异。

这种各向异性主要是由于高温合金的晶粒取向和形状造成的。

在热压缩变形过程中，由于不同方向上的热塑性不同，使得高温合金的各向异性会进一步增大。

因此，对于高温合金的热压缩变形的研究需要考虑这种各向异性的影响。

综上所述，高温合金的热压缩变形是一种重要的热加工方法，其能够显著提高高温合金的力学性能和化学稳定性。

中南大学考试试卷2001 —— 2002 学年第二学期时间 110 分钟材料科学与工程课程 64 学时 4 学分考试形式：闭卷专业年级材料 1999 级总分 100 分，占总评成绩 70%一、名词解释（5分×8）1、金属玻璃2、金属间化合物3、离异共晶4、晶界偏聚5、科垂尔气团（Cottrell Atmosphere）6、孪生7、反应扩散8、变形织构二、问答题1、（10分）标出hcp晶胞中晶面ABCDEF面、ABO面的晶面指数，OC方向、OC方向的晶向指数。

这些晶面与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产生滑移的滑移系。

2、（10分）判断]1101[6]121[6]112[6aaa→+位错反应在面心立方晶体中能否进行？若两个扩展位错的领先位错发生上述反应，会对面心立方金属性能有何影响。

3、（10分）写出非稳态扩散方程的表达式，说明影响方程中扩散系数的主要因素。

4、（10分）指出影响冷变形后金属再结晶温度的主要因素。

要获得尺寸细小的再结晶晶粒，有那些主要措施，为什么?5、（15分）试述针对工业纯铝、Al－5％Cu合金、Al－5％Al2O3复合材料分别可能采用那些主要的强化机制来进行强化。

6、（15分）请在如下Pb－Bi－Sn相图中（1）写出三相平衡和四相平衡反应式；（2）标出成分为5％Pb，65％Bi与30％Sn合金所在位置，写出该合金凝固结晶过程，画出并说明其在室温下的组织示意图。

7、（20分）Cu－Sn合金相图如图所示。

（1）写出相图中三条水平线的反应式，并画出T1温度下的成分－自由能曲线示意图；（2）说明Cu－10wt％Sn合金平衡和非平衡凝固过程，分别画出室温下组织示意图；（3）非平衡凝固对Cu－5wt％Sn合金的组织性能有何影响，如何消除？8、（20分）低层错能的工业纯铜铸锭采用T＝0.5T熔点温度热加工开坯轧制。

（1）画出该材料分别在高、低应变速率下热加工时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的各种作用机制；（2）开坯后该金属在室温下继续进行轧制，画出此时的真应力－真应变曲线示意图，并说明影响曲线变化的机制；（3）开坯后该金属要获得硬态、半硬态和软态制品，最后工序中可采用那些方法，为什么？中南大学考试试卷2002 —— 2003 学年第二学期时间 110 分钟材料科学与工程课程 64 学时 4 学分考试形式：闭卷专业年级材料 2000 级总分 100 分，占总评成绩 70%一、填空（0.5X30=15分）1、fcc结构的密排方向是_____，密排面是____，密排面的堆垛顺序是_____，致密度为________，配位数是____，晶胞中原子数为___，把原子视为半径为r的刚性球时，原子的半径是点阵常数a的关系为_________。