工程材料课后布置习题的参考解答doc.docx

1、工程材料课后布置习题的参考解答doc科学出版社工程材料课后布置习题（参课件）的参考解答第1章 机械工程对材料性能的要求1名词解释：参考书上相应部分。3机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷 或环境介质的作用。有时只受到一种负荷作用，更多时候将受到两种或三种负荷的同时作用。 在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承 载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学、电化学腐蚀及摩擦磨损等作用

2、。4常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？ 机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。材料结合键主要特征金属材料金属键优点：良好的综合力学性能（强度和塑性等）、导电性、导 热性和工艺性能等，并呈特有的金属光泽。缺点：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定 性问题，一般金属材料难以胜任。高分子材料共价键和 分子键优点：具有较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及重量轻 等优良性能，而且易于成形。缺点：耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。陶瓷材料离子键或 共价键优点：熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐 蚀、耐

3、磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。缺点：脆性大、不易加工成形。复合材料多种键复合优点：具有单一材料所不具备的优异性能，可按需要进行人 为设计、制造。缺点：价格昂贵提示：按强度、塑性等力学性能，化学稳定性、高温性能、电学、热学等方面特性回答。7常用哪几种硬度试验？如何选用？硬度试验的优点何在？硬度试验选用布氏硬度常用于退火状态下的钢材、铸铁、有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度 相对偏中低水平的）。不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。洛氏硬度可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢），也可测量硬度不太 高的材料（如调质钢）等，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。组织粗大且

4、不均匀的材料，测量结果不够准确、重复性差。维氏硬度维氏硬度多用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试。显微硬度用于材料微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等）的测试。其他莫氏硬度用于陶瓷和矿物的硬度测定。邵氏硬度常用于橡胶、塑料的硬度测定。硬度试验有以下优点：试验设备简单，操作迅速方便；试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料 和各种尺寸的零件；硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切， 由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能

5、等， 因而可作为评定材料工艺性能的参考；硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热 加工质量。（提示：设备简单；试样方便（无需专门加工）；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立 联系；工程中常用）11下列各种工件或钢材可用那些硬度试验法测定其硬度值？（1）车刀（钢制）、锂刀用洛氏硬度HRC； 供货状态的各种碳钢钢材用布氏硬度HBS或HBW； 硬质合金刀片用维氏硬度HV或洛氏硬度HRA；（4）铝合金半成品用布氏硬度HBS或HBW；耐磨工件的表面硬化层用维氏硬度HV或洛氏硬度HRAo第2章 材料的组成和内部结构特征1名词解释：参考书上相应部分。9在铁碳合金中主要的相

6、是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么？其生成的组织是什 么？它们的性能有什么特点？答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相L、铁素体相F、高温铁素体相6、奥氏 体相A及渗碳体相Fe3C o在ECF水平线（1148C）发生共晶转变L4.3-A2.11+Fe3C。转变产物为渗碳体基体上 分布着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体），称为莱氏体，以符号Ld”表示， 性能硬而脆。在PSK线（727 C）发生共析转变A0.77-F0.0218+Fe3Co转变产物为铁素体基体上分布着 一定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体），称为珠光体，以符号“P”表示。珠光体的 强度较高，塑性、韧性和硬度介于

7、渗碳体和铁素体之间。10根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之 间关系。答：由FeC相图可将铁碳合金分为以下几类：%1工业纯铁：wC0.0218%, 组织为F+Fe3CIII组织为 F+P（F+Fe3C）组织为珠光体P（F+Fe3C）组织为P+ Fe3CII （网状）r 亚共析钢：0.0218%wC0.77%,%1钢共析钢：wC=0.77%,I 过共析钢：0.77%wC2.11%,亚共晶（白口）铸铁：2.11%wC4.3%, 组织为 P+Fe3CII+Ld%1（白口）铸鉄共晶（白口）铸铁：wC=4.3%,组织为Ld（A+Fe3C）或Ld 过共晶（白口）铸铁

8、：4.3%wC6.69%,组织为Ld + Fe3CI由F和Fe3C两相构成的铁碳合金的室温平衡组织，随着含碳量的增加其变化规律为：F (+少量 Fe3CIII) F+PtPtP+Fe3CII (网状)P+Fe3CII+LdLdfLcT+Fe3CI 随着含碳量的增加，组织组成发生相应的变化，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是 先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大, 这与Fe3C的存在形式密切相关，当Fe3C与F (基体)构成片层状的P组织时，合金的强 度和硬度均随含碳量增加而增加，而当Fe3C以网状分布在晶界上时，不仅使塑韧性降低， 也使强度降低；当

9、Fe3C以粗大形态存在时(Ld，或Fe3CI),塑韧性和强度会大大降低。13从铁一碳相图的分析中回答：(1)随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？答：随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；因为随含碳量增加Fe3C数量越来越多。(2)过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。(3)钢有塑性而白口铁几乎无塑性？答：钢是以塑韧的F为基体，而白口铁是以硬脆的Fe3C为基体，所以钢有塑性，而白口 铁几乎无塑性。(4)哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？答：共晶白口铸铁熔点最低。A区塑性最好。14根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：(1

10、)含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高；答：因为钢的硬度随含碳量的增加(即硬相Fe3C数量增加)而增加。(2)在室温下含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢强度高；答：含碳量超过0.9%后，Fe3C以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。(3)低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；答：因为低温莱氏体是由粗大、脆性的共晶Fe3C、Fe3CII和珠光体组成，因此比起但 纯的珠光体来说，其塑性要差。(4)在1100C,含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造；答：因为在1100C,含碳量0.4%的钢处于A单相奥氏体区，而含碳量4.0%的生铁处 于A+ Fe3CII

11、+Ld亚共晶区；(5)钢钾钉一般用低碳钢制成；答：钢钏钉需要有良好的塑韧性，另外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成；(6)钳工锯0.8%C、1.0% C等钢材比锯0.1%C、0.2%C钢材费力，锯条容易磨损；答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，组织中的Fe3C的含量远比0.1%C、0.2%C钢 中的含量高，因此比较硬，比较耐磨，较难以锯削；(7)钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成型；答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实施，故而宜于铸造成型；钢的含碳量比铸 铁低，通过加热可进入单相固溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂, 因此适宜于压力

12、加工成形。第3章工程材料成形过程中的行为与性能变化1名词解释：参考书上相应部分。3金属晶粒大小对机械性能有什么影响？细化晶粒的措施有哪些？答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶 粒越细，晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强 度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成 的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时， 如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中可能形成的晶粒数

13、目就越多，因而晶粒也 越小。细化晶粒的方法有：1） 增大过冷度提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒；2） 加入形核剂可促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的；3） 机械方法一用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型 壁上的细晶粒脱落，或使长大中的树枝状晶断落，进入液相深处，成为新晶核形成的基底， 因而可以有效地细化晶粒。5金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的性能特点如何？答：金属铸锭的宏观组织由三个晶区组成的，由外至里分别是细等轴晶粒区、柱状晶粒区和 中心等轴晶粒区。其性能特点如下：（1） 表面细等轴晶区：晶粒细小，有较高的致密度，其力学

14、性能也较好。但因其厚度太小， 往往在随后的机械加工过程中去除，因而对铸锭总体性能的影响可以忽略不计。（2） 柱状晶区：柱状晶区的各个晶粒平行地向中心长大，彼此互相妨碍，不能产生发达的 分枝，结晶后的组织比较致密。但晶粒较粗大，晶粒间交界处容易聚集杂质形成脆弱区，受 力时容易沿晶界开裂。因此，柱状晶的力学性能具有较明显的各向异性。一般铸件中应尽量 限制出现较大的柱状晶区。（3） 中心等轴晶区：等轴晶分枝比较发达，凝固后容易形成显微缩松，晶体致密度较低， 但杂质在等轴晶间的分布比较均匀，不会出现明显的各向异性，铸锭晶间的缩松还可在后续 的压力加工过程中焊合。因此，对于铸锭和一般使用条件下的铸件，希

15、望获得等轴晶组织。7.室温下，对一根铁丝进行反复弯曲一拉直试验，经过一定次数后，铁丝变得越来越硬， 试分析原因。如果将这根弯曲一拉直试验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷至室温， 然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析原因。答：铁丝进行反复弯曲一拉直的过程是塑性变形的过程，在经过一定次数后铁丝产生了加工 硬化，因此强度硬度越来越高；若进行一定温度的加热后，变形的铁丝发生了回复、再结晶， 加工硬化消除，硬度降低，所以又比较容易弯曲了。8什么是金属的回复和再结晶过程？回复和再结晶过程中金属的组织性能发生了哪些变 化？答：回复：塑性变形后的金属加热时，开始阶段由于加热温度不高，原子获得的活动能力较 小，只能进行短距离的扩散，金属的显微组织仍保持纤维组织，力学性能也不发生明显的变 化。在这一阶段内，原子的短距离扩散使晶体在塑性变形过程中产生的晶体缺陷减少，晶格 畸变大部分消除，材料中的残余应力基本消除，导电性和抗腐蚀能力也基本恢复至变形前的 水平。再结晶：把经历回复阶段的金属加热到更高温度时，原子活动能力增大，金属晶粒的显微组 织开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，由拉长的纤