2机械工程材料 课后答案 西北工业大学.docx
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2机械工程材料课后答案西北工业大学
工程材料习题<习题一>
1、抗拉强度是材料在破断前所能承受的最大应力。
屈服强度是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力。
塑性是指材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力
韧性材料变形时吸收变形力的能力
硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标材料表面抵抗更硬物体压入的能力。
刚度材料抵抗弹性变形的能力。
疲劳强度经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。
冲击韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力。
2、材料的弹性模量与塑性无关。
3、四种不同材料的应力应变曲线试比较抗拉强度屈服强度刚度和塑性。
由大到小的顺序抗拉强度2、1、3、4。
屈服强度1、3、2、4。
刚
度1、3、2、4。
塑性3、2、4、1。
4、常用的硬度测试方法有几种这些方法测出的硬度值能否进行比较
布氏、洛氏、维氏和显微硬度。
由于各种硬度测试方法的原理不同所以测出的硬度值不能
直接进行比较。
5、以下工件应该采用何种硬度试验法测定其硬度
1锉刀洛氏或维氏硬度2黄铜轴套布氏硬度3供应状态的各种碳钢钢材
布氏硬度4硬质合金刀片洛氏或维氏硬度5耐磨工件的表面硬化层显微硬度
6、反映材料承受冲击载荷的性能指标是什么不同条件下测得的这些指标能否进行比较
怎样应用这些性能指标
冲击功或冲击韧性。
由于冲击功或冲击韧性代表了在指定温度下材料在缺口和冲击载荷
共同作用下脆化的趋势及其程度所以不同条件下测得的这种指标不能进行比较。
冲击韧性
是一个对成分、组织、结构极敏感的参数在冲击试验中很容易揭示出材料中的某些物理现
象如晶粒粗化、冷脆、热脆和回火脆性等故目前常用冲击试验来检验冶炼、热处理以及
各种加工工艺的质量。
此外不同温度下的冲击试验可以测定材料的冷脆转变温度。
同时
冲击韧性对某些零件如装甲板等抵抗少数几次大能量冲击的设计有一定的参考意义。
7、疲劳破坏时怎样形成的提高零件疲劳寿命的方法有哪些
产生疲劳断裂的原因一般认为是由于在零件应力集中的部位或材料本身强度较低的部位
如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷在交变应力的作用下产生了疲劳裂纹随着
应力循环周次的增加疲劳裂纹不断扩展使零件承受载荷的有效面积不断减小当减小到
不能承受外加载荷的作用时零件即发生突然断裂。
可以通过以下途径来提高其疲劳抗力。
改善零件的结构形状以避免应力集中提高零件
表面加工光洁度尽可能减少各种热处理缺陷(如脱碳、氧化、淬火裂纹等)采用表面强
化处理如化学热处理、表面淬火、表面喷丸和表面滚压等强化处理使零件表面产生残余
压应力从而能显著提高零件的疲劳抗力。
8、断裂韧性是表示材料何种性能的指标为什么要在设计中要考虑这些指标
断裂韧性表示材料抵抗裂纹扩展的能力。
断裂韧性的实用意义在于只要测出材料的断裂韧性用无损探伤法确定零件中实际存
在的缺陷尺寸就可以判断零件在工作过程中有无脆性开裂的危险测得断裂韧性和半裂纹长度后,就可以确定材料的实际承载能力。
所以断裂韧性为设计、无损伤探伤提供了定量
的依据。
<习题二>
1、晶体物质的质点分子原子或离子在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成
的物质的晶体
非晶体是指组成物质的质点不呈空间有规则周期性排列的的固体。
晶格表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格
晶胞从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征组成晶格的这种最
基本的几何单元。
叫做晶胞
晶格常数晶胞的各边尺寸abc叫做晶格常数
致密度致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。
晶面指数表示晶面的符号叫做晶面指数
晶向指数表示晶向的符号叫做晶向指数
晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同因此在晶体上不同晶面
和晶向上原子结合力就不同从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能。
点缺陷:
是指在晶体中形成的空位和间隙原子
面缺陷:
其特征是在一个方向尺寸上很小另外两个方向上扩展很大也称二维缺陷晶界、
相界、孪晶界和堆垛层错都属于面缺陷。
线缺陷:
晶格中一部分晶体相对另一部分晶体局部滑移已滑移部分的交界线为位错线即
线缺陷。
亚晶界:
相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。
位错:
晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移。
已滑移部分和未滑移部分的交
界线成为位错
亚晶粒是实际金属晶体中一个晶粒的内部其晶格位向并不是像理想晶体那样完全一
致而是存在许多尺寸更小位向差也很小的小晶块它们相互镶嵌成一颗晶粒这些小
晶块称为亚晶粒。
单晶体:
当一块晶体内部位向完全一致时。
我们称这块晶体为单晶体
多晶体:
由许多彼此位向不同的晶粒组成的晶体结构成为多晶体
固溶体:
当合金由液态结晶为固态时组成元素间会像合金溶液那样相互溶解。
形成一种
在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相成为固溶体
金属间化合物:
凡是由相当程度的金属键结合并具有明显金属特性的化合物成为金属
化合物
固溶强化通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度硬度升高的现象叫做固溶
强化
结合键:
是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小结合键分为化学键和物理键
两大类化学键包括金属键、离子键和共价键物理键即范德华力。
2、金属键离子键共价键及分子键结合的材料其性能有何特点
金属键大量自由电子良好导电导热性又因金属键的饱和性无方向性结构高度对
故有良好的延展性。
离子键正负离子的较强电吸引导致高硬度高熔点高脆性因无自由电子固态
导电性差。
共价键通过共用电子对实现搭桥联系键能高高硬度高熔点高介电性。
分子键因其结合键能低低熔点低强度高柔顺性。
3、常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点α-Feδ-Fe
CrVγ-FeCuNiPbMgZn各属何种晶体结构
有体心立方面心立方密排六方三种
体心立方晶格的晶胞通常只用一个晶格常数a表示它的每个角上和晶胞中心都排列一个
原子面心立方晶格也只用一个晶格常数表示它的每个角上和晶胞的六个面的中心都排
列一个原子。
密排六方晶格有两个晶格常数一个是柱体的高度c另一个是六边形的边长
a它的每个角上和下下底面的中心都排列一个原子另外在晶胞中心还有三个原子。
α-Feδ-FeCrV属体心
γ-FeCuNiPb属面心
MgZn属密排六方。
4、已知Fe的原子直径为2.54*10-10m求Fe的晶格常数。
并计算1mm3Fe
中的原子数。
由√3/4a=r有a=2.54*10-
10/2/√3/4=2.933*10-10m故α-Fe的晶格常数
为2.933*10-
10m。
1mm3中α-Fe的原子数
1*10-
33*2/2.933*10-103=7.927*1019个。
5、注意晶面指数与晶向指数的求法晶面对各轴的截距倒数比例
晶向在原点引出随意一点坐标比例
6、画出立方晶格中110晶面与111晶面。
并画出在晶格中和110111晶
面上原子排列情况完全相同而空间位向不同的几个晶面。
7、为什么单晶体具有各向异性而多晶体在一般情况下不显示各向异性
这是因为单晶体在各个晶面和晶向上原子排列密度是有差异的所以在晶体中不同晶面和
晶向上原子结合力不同从而在不同晶面和晶向上显示出晶体的各向异性。
而多晶体是由众多细小的晶粒所构成的集合体各个晶粒的晶轴取向是随机分布的。
这
样通常测出多晶体的性能在各个方向上表示是不同晶粒的平均性能所以不显示各向
异性的。
8、试比较α-Fe与γ-Fe晶格的原子排列紧密程度和容碳能力。
α-Fe的原子排列密度为0.68
γ-Fe的原子排列密度为0.74
由于γ-Fe的晶格间隙较大所以γ-Fe的渗碳能力大于α-Fe。
9、金属的晶体结构由面心立方转变为体心立方时其体积变化如何为什么
体积会膨胀这是因为α-Fe的体心致密度小于γ-Fe。
10、实际金属晶体中存在那些晶体缺陷对性能有什么影响
有点缺陷空位、间隙原子是金属中原子扩散的主要方式之一对热处理过程很重要
线缺陷位错金属晶体中的位错线往往大量存在相互连接呈网状分布
面缺陷晶界、亚晶界会引起晶格能量的提高并使金属的物理化学和机械性能发生显
著地变化。
一般来说缺陷密度越高位错滑移阻力越大材料强度、硬度越高塑性、韧性越低。
11、简述固溶体和金属间化合物在晶体结构与机械性能方面的区别。
固溶体形成的是一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相金属间化合物
是由相当程度的金属间结合并具有明显金属特性的化合物。
固溶体的强度韧性和塑性之间能有较好的配合所以对综合机械性能要求较高的结构材
料金属化合物通常能提高合金的强度硬度和耐磨性会降低塑性和韧性。
12、固溶体可分为几种类型形成固溶体后对合金的性能有什么影响为什么
两种。
置换型和间隙型。
形成固溶体后由于溶质原子造成的晶格畸变固溶体会产生所谓固溶强化现象即强度、
硬度上升塑性、韧性下降。
电阻率逐渐升高导电性逐渐下降磁矫顽力升高等等。
固溶强化的产生是由于溶质原子融入后要引起溶剂金属的晶格产生畸变进而使位错移
动时所收到的阻力增大的缘故。
13、金属间化合物有几种类型它们在钢中起什么作用
有正常价化合物离子化合物、共价化合物电子化合物和间隙化合物。
正常价化合物和
电子化合物在合金中一般可作为强化相。
能提高钢的强度硬度和耐磨性但会降低塑
性和韧性。
间隙化合物起细化晶粒的作用
14、高分子化合物在结构上有哪些特点
1.一般高分子化合物的分子量都十分巨大2.。
高分子化合物的分子是由许许多多结构相
同的链节所组成。
3组成高分子链的所有原子之间的结合键都属共价键
15、陶瓷材料的主要键性有哪些各有什么特点
主要键型有离子键与共价键的混合键构成陶瓷的的是晶相玻璃相气相
晶相由某些固溶体或化合物组成晶向常常不止一个而是多相多晶体
玻璃相非晶态的低熔点固体相
气相陶瓷内孔隙中的气体
晶相分类及特点氧化物的特点是较大的氧离子紧密堆积如六角紧密堆积和立方紧密堆
积较小的正离子则填充它们的孔隙内。
数目相等的氧离子和金属离子组成的氧化物
结构如MgOCaO等属简单的面心立方晶格当两种离子的数目不等时则可形成
其他类的晶体结构。
常见的含氧酸盐为硅酸盐特点是不论何种硅酸盐硅总是在四个氧离子形成的四面体的
中心形成SiO4四面体。
四面体之间又都以共有顶点氧离子相互连接起来。
<习题三>1、解释下列名词的涵义
过冷度晶核形核率N生长速率G凝固结晶自由能差△F变质处理变质剂
合金组元相相图机械混合物枝晶偏析比重偏析相组成物组织组成物平衡
状态平衡相。
答过冷度实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差叫过冷度
晶核形核率N单位时间单位体积液态金属中生成的晶核数目晶核形核数目∕
s·mm3
生长速率G表示晶核形成过程和晶体生长过程的快慢(单位时间内晶核长大的线长度
mm∕s
凝固物质从液态到固态的转变过程统称为凝固
结晶通过凝固形成晶体结构可称为结晶
自由能物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量叫做
自由能
自由能差△F液体结晶时其温度低于理论结晶温度造成液体与晶体间的自由能差
△F=F液-F晶
变质处理在液态金属结晶前加入一些细小的变质剂使金属结晶时的晶核形核率N
增加或生长速率G降低这种细化晶粒的方法称为变质处理
变质剂能够使物质变质的其它物质叫做变质剂
合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素经一定方法所组成
的具有金属特性的物质
组元通常把组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元
相指在没有外力作用下物理、化学性质完全相同成分相同的均匀物质的聚焦态。
相图用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图又称状态图或平
衡图。
机械混合物通过共晶或共析反应形成的混合物叫机械混合物。
枝晶偏析固溶体的结晶一般是按树枝状方式成长的这就使先结晶的枝干成分与后
结晶的分枝成分不同由于这种偏析呈树枝状分布故又称枝晶偏析
比重偏析亚共晶或过共晶合金结晶时若初晶的比重与剩余液相的比重相差很大时
则比重小的初晶将上浮比重大的初晶将下沉。
这种由于比重不同而引起的偏析称为比重
偏析或区域偏析
相组成物有三种铁素体奥氏体渗碳体
组织通常把在镜像显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的部分称为组织
组织组成物由相组成物组成的物质也可以是单一相够成。
平衡状态物质达到的一种稳定的状态。
平衡相指在合金系中达到平衡状态时相对质量和相的浓度不再改变的参与或相
变过程的各相。
2、技术结晶的基本规律是什么晶核的形核率和生长速率受到哪些因素的影响
答金属洁净的基本规律是形核与长大。
受到过冷度的影响随着过冷度的增大晶核的形核率和成长率都增大但形成率的增
长率比成长率的增长快同时外来难溶杂质以及振动和搅拌的方法也会增大形核率。
3、在铸造生产中采取哪些措施控制晶粒大小如果其他条件相同试比较在下列铸造条
件下铸件晶粒的大小。
1、金属模浇注和砂模浇注2、高温浇注与低温浇注
3。
浇注时采用震动与不采用震动
答铸造生产中控制晶粒大小的措施有1、增加过冷度2、孕育处理变质处理3、
附加振动等。
1金属模铸件晶粒小
2低温浇注的晶粒小
3采用振动的晶粒小。
4、何谓共晶反应、包晶反应和共析反应试比较三种反应的异同点。
答共晶反应指一定成分的液体合金在一定温度下同时结晶出成分和晶格均不相同的
两种晶体的反应。
包晶反应指一定成分的固相与一定成分的液相作用形成另一种固相的反应过程。
共析反应有特定成分的单相固态合金在恒定的温度下分解成两个新的具有一
定晶体结构的固相反应。
共同点反应都是在恒温下发生反应物和产物都是具有特定成分的相都处于三相
平衡状态。
不同点共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应共析是一种固相在恒温
下生成两种固相的反应而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反
应。
5、现有A、B两元素组成如图所示的二元匀晶相图试分析以下几种说法是否正确?
为
什么?
l形成二元匀晶相图的A和B两个组元的晶格类型可以不同但原子大小一定要相
等。
2K合金结晶过程中由于固相成分随固相线变化故已结晶出来的固溶体中含B量
总是高于原液相中含B量。
3溶体合金按匀晶相图进行结晶时由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液
相成分都不相同故在平衡状态下固溶体的成分是不均匀的。
答1错
2对在同一温度下做温度线分别与固液相交于一点过交点做垂直线可以看出
与固相线交点处B含量冥想高于另一点。
3错虽然结晶出来成份不同但平衡液体中成份是平衡的。
6、分析部分Mg-Cu相图(如图所示)
(1)填入各区域的组织组成物和相组成物在各区域中是否会有纯Mg相存在?
为什么?
(2)求出30%Cu合金冷却到500℃、400℃时各相的成分和重量百分比。
(3)画出30%Cu合金自液相冷到室温的冷却曲线并注明各阶段的相与相变过程。
答1不会应为Mg与Gu发生化学反应
2
3
7、二元匀晶相图、共晶相图与合金的机械性能、物理性能和工艺性能存在什么关系?
答
8、为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金为什么要进行压力加工的合金常选用单
相固溶体成分的合金?
答①因为共晶体在恒温下进行结晶同时熔点又最低具有较好的流动性在结晶时易形
成集中缩孔铸件的致密度好所以常选用接近共晶成份的合金。
②因为单相固溶体通过选择适当的组成元素和适量的组成关系可以是合金获得较纯金
属高得多的强度和硬度并保持较高的塑性和韧性具有良好的压力加工性能。
9、已知组元A熔点700℃与B熔点600℃在液态无限互溶在固态400℃
时A溶于B中的最大溶解度为20%室温时为10%而B却不溶于A在400℃
时含30%B的液态合全发生共晶反应现要求
(1)绘制A-B合金相图并标注各区域的相组成物和组织组成物
(2)分析15%A、50%A、80%A合金的结晶过程并确定室温下相组成物及组织组成物
的对量
<习题四>
1、解释下列名词
一次渗碳体由液相中直接析出来的渗碳体
二次渗碳体从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体
三次渗碳体从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体共晶渗碳体经共晶反应形成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体
共析渗碳体经共析反应形成的渗碳体即珠光体中的渗碳体
铁素体碳在a-Fe中形成的间隙固溶体
奥氏体碳在y-Fe中形成的间隙固溶体
珠光体由铁素体和渗碳体组成的共析混合物
莱氏体Ld是由奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物
Ld'(P+Fe3Cii+Fe3C)是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上
热脆S在钢中以FeS形式存在FeS会与Fe形成低熔点共晶当钢材在1000-1200压力
加工时会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂钢材将变得极脆这种脆性现象称为热脆
冷脆P使室温下的钢的塑性、韧性急剧下降并使钢的脆性转化、温度有所升高。
使钢变
脆称为冷脆
2简述Fe3C相图中的三个基本反应包晶反应、共晶反应及共析反应写出反应式注出
含碳量和温度。
共析反应冷却到-727℃时具有S点成分的奥氏体中同时折出具有P点成分的铁素体和渗
碳体的两相混合物
r0.77→(727℃)F0.0218+Fe3C6.69
包晶反应冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具有J
点成分的固相A
L0.77+δ0.09→1495℃r0.16
共晶反应1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两
相混合物L4.3→1148℃r2.11+Fe3C6.69
3、画出Fe-Fe3C相图并进行以下分析
(1)标注出相图中各区域的组织组成物和相组成物
(2)分析0.4%C亚共析钢的结晶过程及其在室温下组织组成物与相组成物的相对重量
(2)
4、现有两种铁碳合金(退火状态)其中一种合金的显微组织为珠光体占80%铁素
体占20%另一种合金的显微组织为珠光体占94%二次渗碳体占6%问这两种合金
各属于那一类合金?
其含碳量各为多少?
5、根据Fe-Fe3C相图计算
(1)室温下含碳0.6%的钢中铁素体和珠光体各占多少?
(2)室温下含碳1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体各占。
多少?
(3)铁碳含金中二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
6、现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金它们分别为0.20%C0.4%C
1.2%C3.5%C合金。
根据所学知识可有哪些方法来区别它们?
、
可以金相法区分。
一是看有无莱氏体或石墨组织有即为3.5%C的铁碳合金。
二是看有无二次渗碳体有即为1.2%C的过共析钢。
剩下的两种合金只要比较珠光体的数量即可多者为0.4%C少者为0.2%C的合金。
7根据Fe-Fe3C相图说明产生下列现象的原因
(1)含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高。
(2)低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差
(3)在l100℃含碳0.4%的钢能进行锻造含碳4.0%的生铁不能锻造(4)钢锭在9501100℃正常温度下轧制有时会造成锭坯开裂
(5)一般要把钢材加热到高温(约
10001250℃)下进行热轧或锻造
(6)钢铆钉一般用低碳钢制成
(7)绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝)而起重机吊重物却用60、65、70、75
等钢制成的钢丝绳
(8)钳工锯T8、T10、T12等钢料时比锯10、20钢费力锯条易磨钝
(9)钢适宜于通过压力加工成形而铸铁适宜于通过铸造成形。
1因为渗碳体的体积分数大材料就硬
2低温莱氏体中有大量共晶渗碳体故材料的差
30.4%C的钢在1100℃时为单相奥氏体塑性好故可锻造。
而4.0%C的生铁在1100℃
时为高温莱氏体有共晶渗碳体故不可锻造。
4这是因为有时因冶金质量不高钢中留有低熔点的三元硫共晶在晶界上分布。
在950
1100℃时硫共晶会熔化形成所谓"热脆"现象。
5对低碳钢而言确是如此。
这样可以保证是在单相奥氏体相区内进行压力加工。
6塑性好。
7钢丝中碳量越高钢丝的强度就越大在共析成分以下。
8T8T10T12是工具钢材料中有大量二次渗碳体故难锯。
9铸铁因其成分接近共晶点有良好的流动性故适合铸造而钢因其基体相为α.Fe
铁素体塑性好且高温下可转变为奥氏体塑性更好故适合压力加工。
8钢中常存的杂质元素有哪些对钢的性能有何影响
主要有Si
MnPS等.
Si是有益于提高钢的铁素体的强度主要是固溶强化。
Mn也是有益于提高钢的铁素体的强度主要是固溶强化和形成合金渗碳体。
P提高钢的冷脆转变温度范围不利于钢的韧性。
S主要是引起钢的热脆性这是因为S会在钢中形成低熔点三元硫共晶。
9在平衡条件下45钢、T8钢和T12钢的强度、硬度、塑性和韧性哪个大哪个
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