机械工程材料作业题解析.docx

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机械工程材料作业题解析

第一章作业

1、试述下列力学性能指标的定义：

（1）弹性模量；

定义：

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。

单位：

达因每平方厘米。

意义：

弹性模量可视为衡量材料

（2）比例极限；

拉伸曲线中OE段，材料在不偏离应力与应变正比关系（胡克定律）条件下所能承受的最大应力。

即应力-应变曲线图中直线段的最大应力值。

（3）屈服点；

具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。

若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。

屈服点的单位为N/mm2（MPa）。

（4）屈服强度；

屈服强度：

是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。

对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。

大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。

（5）抗拉强度；

抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。

符号为Rm（GB/T228-1987旧国标规定抗拉强度符号为σb），单位为MPa。

（6）延伸率和断面收缩率；

延伸率（δ）是描述材料塑性性能的指标——延伸率δ和截面收缩率ψ。

延伸率即试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数：

δ=ΔL/L×100%。

材料的塑性指标之一。

材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率，老标准JB/T6396-1992中用ψ表示，新标准JB/T6396-2006中用Z表示，单位为%。

（7）疲劳极限；

材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限。

（8）断裂韧性；

指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

（9）冲击韧性。

冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）

2、画出退火低碳钢的拉伸图，并根据拉伸图说明金属拉伸时的变形和断裂过程。

分为四个阶段：

 阶段1（oab）——弹性变形阶段 oa段：

直线阶段 ab段：

极微量塑性变形 

阶段2（bcd）段——屈服变形 

阶段3（dB）段——均匀塑性变形阶段 

阶段4（BK） 段——局部集中塑性变形（颈缩）

3、何谓金属材料疲劳？

疲劳曲线有几种？

金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。

材料的疲劳特性曲线有两种：

σ-Ν曲线和等寿命曲线。

4、试述各种韧性的定义及其表达式。

断裂韧性材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。

它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。

是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。

是应力强度因子的临界值。

常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。

例如应力-应变曲线下的面积。

韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。

冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。

冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。

冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。

ak=Ak/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。

第二章作业

1、什么是过冷度？

为什么金属结晶时一定要有过冷度？

过冷度：

理论结晶温度与实际结晶温度之差（可以参考金属学与热处理第二章）

金属结晶需要过冷度原因：

液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。

从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。

根据可知当过冷度为零时临界晶核半径Rk为无穷大，临界形核功（）也为无穷大。

临界晶核半径Rk与临界形核功为无穷大时，无法形核，所以液态金属不能结晶。

晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。

过热 工件在淬火时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫做过热 由于过热不仅在淬火后得到粗大死亡马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹。

因此过热的工件强度和韧性下降，易于脆性断裂。

  轻微的过热可以延长回火时间来补救  严重的过热需要进行细化晶粒退火，然后再重新淬火。

过烧 奥氏体晶界出现熔化或者发生氧化的现象  过烧是严重的加热缺陷 一旦过烧无法补救  工件报废

2、过冷度与冷却速度有什么关系？

它对金属结晶后的晶粒大小有什么影响？

1、冷却速度越快，材料的过冷度也会相应的增加，可以通俗的理解为随着冷却速度的增加，材料的结晶形核过程会有相应的时间滞后性，就会造成过冷度增加。

2、随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。

3、过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。

3、列举几种实际生产中采用的细化铸造晶粒的方法。

1、添加微量元素或孕育剂，使铸态下得到细小的晶粒

2、增加凝固过程的冷去速度，可在铸态下获得细小晶粒。

3、通过锻造，打破铸态晶粒，获得细小的晶粒。

4、细化的晶粒与粗大的晶粒相比，钢材具有更好的力学性能。

4、试分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程和显微组织上的异同点。

5、现有两种铁-碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%，铁素体量站25%；另一种合金的显微组织中珠光体量占92%，二次渗碳体量占8%。

这两种合金各属于哪一类合金？

其含碳量各为多少？

一、第一类由于是由珠光体+铁素体组成，所以从铁碳相图上面可以判断其是亚共析钢，其碳的质量分数可以根据杠杆定律计算如下，设含碳量为X，珠光体量用WP表示，铁素体量用WF表示，则列公式如下：

WF（X-0.0218）=WP（0.77-X）由于珠光体量占75%,铁素体量占25%，

即：

25%（X-0.0218）=75%（0.77-X）

解得X=0.58295，即含碳量为0.58295%的钢，大约相当于60号碳素弹簧钢或碳素结构钢。

二、第二类由于是由珠光体+二次渗碳体组成，所以从铁碳相图上面可以判断其是过共析钢，其碳的质量分数可以根据杠杆定律计算如下，设含碳量为X，珠光体量用WP表示，二次渗碳体量用WFe3C表示，则列公式如下：

WP（X-0.77）=WFe3C（6.69-X）由于珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%，

即：

92%（X-0.77）=8%（6.69-X）

解得X=1.2436，即含碳量为1.2436%的钢，大约相当于T12碳素工具钢。

第二章还可以做

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1、金属常见的晶格类型是什么？

体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格

2、在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（）

3、简述金属晶体中缺陷的类型

点缺陷：

沿三个方向的尺寸很小，溶质原子、间隙原子、空位。

线缺陷：

沿两个方向的尺寸很小，第三个方向上的尺寸很大，甚至可贯穿整个晶体，指位错。

面缺陷：

沿一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸很大，如晶界，相界。

体缺陷：

在三个方向上的尺寸都较大，但不是很大，如第二相粒子，显微空洞。

4、什么是点阵参数?

立方晶系的空间点阵特征是什么?

5、面心立方结构和密排六方结构金属中的原子堆垛方式和致密度是否有差异?

请加以说明。

6、根据缺陷相对于晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类?

简述这几类缺陷的特征。

为何会发生交互作用?

这种交互作用如何影响力学性能?

7、单相金属或合金各晶粒间的界面一般称之为晶界，通常晶界又分为小角度晶界和大角度晶界两大类，试问：

划分为两类晶界的依据是什么

注：

以上三项至少做其中一项