2-1工程材料第2章分析
工程材料徐自立主编课后习题答案
工程材料徐自立主编课后习题答案第一章材料的性能1-1什么是金属材料的力学性能？金属材料的力学性能包含哪些方面?所谓力学性能，是指材料抵抗外力作用所显示的性能。
力学性能包括强度刚度硬度塑性韧性和疲劳强度等1-2什么是强度？在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有哪些？他们在工程应用上有什么意义？强度是指材料在外力作用下，抵抗变形或断裂的能力。
在拉伸试验中衡量金属强度的主要指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度的意义在于：在一般机械零件在发生少量塑性变形后，零件精度降低或其它零件的相对配合受到影响而造成失效，所以屈服强度就成为零件设计时的主要依据之一。
抗拉强度的意义在于：抗拉强度是表示材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。
脆性材料在拉伸过程中，一般不产生颈缩现象，因此，抗拉强度就是材料的断裂强度，它表示材料抵抗断裂的能力。
抗拉强度是零件设计时的重要依据之一。
1-3什么是塑性？在拉伸试验中衡量塑性的指标有哪些？塑性是指材料在载荷作用下发生永久变形而又不破坏其完整性的能力。
拉伸试验中衡量塑性的指标有延伸率和断面收缩率。
1-4什么是硬度？指出测定金属硬度的常用方法和各自的优缺点。
硬度是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。
生产中测定硬度最常用的方法有是压入法，应用较多的布氏硬度洛氏硬度和维氏硬度等试验方法。
布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试材料的平均硬度，股实验结果较精确，特别适用于测定灰铸铁轴承合金等具有粗大经理或组成相得金属材料的硬度；压痕较大的另一个优点是试验数据稳定，重复性强。
其缺点是对不同材料需要换不同直径的压头和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦；因压痕大，不宜测试成品和薄片金属的硬度。
洛氏硬度试验法的优点是：操作循序简便，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验；采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属厚薄不一的式样的硬度，因而广泛用于热处理质量检验。
其缺点是：因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的结果不够准确；此外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接进行比较。
工程材料第二版习题(1-2)章答案
塑性变形的的物理本质： 塑性变形的的物理本质： 滑移和孪生共同产生的塑性变形。 滑移和孪生共同产生的塑性变形。 P24 滑移是晶体的一部分相对另一部分做整 体刚性移动。孪生是在切应力的作用下， 体刚性移动。孪生是在切应力的作用下，晶 体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面 孪生面） （孪生面）产生一定角度的切变
2-13、晶粒大小对金属性能有何影响？细化 13、晶粒大小对金属性能有何影响？ 晶粒方法有哪些？ 晶粒方法有哪些？ p17 答： 在一般情况下,晶粒愈小,则金属的强度. 在一般情况下,晶粒愈小,则金属的强度.塑 性和韧性愈好. 性和韧性愈好. 细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一， 细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一， 晶粒愈细，强度和硬度愈高， 晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性韧性 愈好。 愈好。 细化晶粒方法有： 细化晶粒方法有： 增大过冷度； 2.变质处理 变质处理； 3.附加振 增大过冷度； 2.变质处理； 3.附加振 动或搅动等方法； 动或搅动等方法；
5、晶粒 p11 晶粒---每个小晶体具有不规则的颗粒状外形。 ---每个小晶体具有不规则的颗粒状外形 晶粒---每个小晶体具有不规则的颗粒状外形。 何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？ 2-2、何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？ 常用金属的晶体结构是什么？划出其晶胞， 常用金属的晶体结构是什么？划出其晶胞， 并分别计算起原子半径、配位数和致密度？ 并分别计算起原子半径、配位数和致密度？ 1、空间点阵 p9 空间点阵-----为了便于分析各种晶体中的原子 空间点阵---为了便于分析各种晶体中的原子 排列及几何形状, 排列及几何形状,通常把晶体中的原子假想为 几何结点,并用直线从其中心连接起来,使之 几何结点,并用直线从其中心连接起来, 构成一个空间格子。 构成一个空间格子。
哈工大工程材料第1、2章
技术设计
（方案设计的具体化）
施工设计 （工作图、商品化设计等）
还应通过产品试制和产品试验来验证技术可行性。 较长的设计开发周期，较大的研发工作量。
60
2.2 机械制造装备设计的类型
2.2.2 变型设计
1、适应型设计: 原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保
持不变，改变或更换部分部件或结构，形成所谓 的变型产品。
2.1.3 精密化 零件精度和质量从微米级发展到亚微米级乃
至纳米级。 ● 提高装备本身的精度（设计与制造） ● 误差源的控制与误差补偿
“母性原则”和“创造性原则”
54Βιβλιοθήκη 2.1 机械制造装备设计的要求
2.1.4 自动化
可以减少制造过程的人工干预，保证产品质量及 其稳定性，同时可以提高劳动生产率和减轻工人劳 动强度。
成组夹具——根据成组加工工艺的原则，针对一组尺寸相近、 结构形状相似、工艺相似零件而设计的组内通用夹具。
组合夹具——是由预先制造好的标准元件和通用部件，按照 工序加工要求组装而成的夹具。
随行夹具——是在自动线和柔性制造系统中使用的一类夹具。
37
1.3 机械制造装备的类型
（3）模具 是用来将材料填充在其形腔中，以获得所需要
主要内容以典型的机械制造装备——金属切削机床为研究 对象，重点介绍机床的总体设计、传动系统设计、主轴组 件、支承件和导轨等方面的基本知识、设计原理和设计方 法。
50
第2章 机械制造装备设计方法
• 机械制造装备设计的要求 • 机械制造装备设计的类型 • 机械制造装备设计的方法 • 机械制造装备设计的评价
● 农业机械 ● 动力机械 ● 运输机械
● 矿山机械 ● 化工机械 ● 林业与木工机械 ● 食品机械 ● 医疗机械 ● 纺织机械 ● 服装机械 ● 制造装备
工程材料习题2-1
工程材料第一章一、名词解释晶体晶格晶胞晶面晶向晶体结构各向异性各向同性合金组元二元合金相固溶体金属化合物组织工艺性能使用性能单体晶体：原子（分子或者离子）在三维空间有规则地周期性重复排列的物体晶格：通过金属原子（原子）的中心画出的许多直线构成的空间格架晶胞：能反应该晶格特征的最小组成单元晶面：通过晶体中原子中心的平面晶向：通过原子中心的直线所代表的方向晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式各向异性：金属晶体不同方向的性能不同各项同性：金属晶体各个方向的性能一样合金：一种金属元素和另一种或几种金属元素，通过熔化或其他方式结合在一起所形成的具有金属特征的物质组元：组成合金的独立的、最基本的单元二元合金：由两个组元组成的合金相：在金属或合金中，具有一定化学成分和一定金属结构的均匀组成部分固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相金属化合物：合金组元相互作用形成晶格类型和特征完全不同于任一组元的新相组织：材料内部所有的微观组成工艺性能：制造工艺过程中材料适应加工的性能使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能单体：构成高分子化合物的低分子化合物二、填空题1、三种常见金属的晶体结构为体心立方、面心立方和密排六方。
2、体心立方晶胞中原子个数为2；面心立方晶胞中原子个数为4；密排六方晶体胞中原子个数为 6 。
3、同非金属相比，金属的主要特性是具有确定的熔点、各向异性。
4、晶体与非晶体结构上的最根本的区别是原子在三维空间的排列是否规则。
5、一般可把材料的结合键分为离子键、分子键、共价键和金属键四种。
6、一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。
7、高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类工程塑料、合成纤维、合成橡胶和胶黏剂。
8、固态物质按其原子（离子或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体；固态金属一般情况下均是晶体。
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
工程材料-第二章 金属材料的凝固与固态相变
T/℃
L
K'
tx X
L+α
X'
a α
b 因此，两相的相对质量百分比为：
Qα KX QL X K
X
或 QL • KX Qα • X K
K
X'
L
α
QL
Q
A
X K X' B
上式与力学中的杠杆定律相似，因
ωB /% →
此称之为杠杆定律。
支点为合金的成分点，两个端点为给定温度时两相的成分
提示： 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点
1500 1400
相区：两个单相区、一个两相区 。 1300
T/℃
单相区 L相：液相，Cu和Ni
形成的液态溶体
1200
1100a 1083 1000
L a1
L+α
c1
α
α相：Cu和Ni形成的
900
无限固溶体
0 20 40 60
Cu
1455 c 80 100
Ni
两相区 L + α 相区
Cu-Ni匀晶相图
组元： 组成合金最基本的、独立的物质。
合金系 ：有两个或两个以上的组元按不同配比，配制出 一系列不同成分、不同性能的合金。这一系列合金构成了 一个合金系统，简称合金系。
相：成分相同，结构相同，与其他部分有界面分开的均匀组 成部分。 组织：指显微镜所观察到的材料的微观形貌。
合金结晶过程复杂， 用合金相图来分析。
T/℃
L
K′
b
X
tx
L+α
X′
则 QL + Q =1 QLX + Q X′ =K 解方程组得
吉林大学工程材料第2章 金属的塑性变形和再结晶
注意：这种各向异性，是伪各向异性。是多晶粒的位 向趋同造成的。
（四） 出现残余内应力
塑性变形不均匀导致产生平衡于金属内部的应力。外力的变形 功〉90％ →热，〈10％的功→内应力。 有三种内应力。
1、晶粒正常长大： 再结晶后的晶粒均匀、稳速地长大的现象。发生在
再结晶晶粒细小且均匀时。（希望的长大方式）
2、晶粒异常长大： 再结晶后的晶粒不均匀，急剧长大的现象。在再结晶
粒大小不均时，大晶粒吞并小晶粒，将得到异常粗大的 晶粒，也称“二次再结晶”。
d晶↑ 晶界面积↓ 能量↓∴晶粒长大是自发的 过程。因为粗晶是弱化，所以要避免晶粒长大，特别要 避免晶粒的异常。
(1) 外力（P）分解为正应力（）和切应力（）。 正应力引起弹性变形，而不能造成塑性变形。正应力 超过原子间结合力时晶体发生断裂。
(2) 切应力作 用下晶面相 对位移，外 力去除后位 移不能恢复。 塑性变形只 能在切应力
（）作用下 才能发生。
P
P
P
P
P ： 载荷 ：正应力 ：切应力
（3）热加工制品不如冷加工制品尺寸精确、表面粗 糙度低。 （4） 薄或细的加工制品，由于温降快，尺寸精度差， 不宜采用热加工。
第二章 结束
表2－3 0.45%C钢热轧后机械性能 与流线方向的关系
方向 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) ψ(%) αk(KJ/M2)
平行 701 垂直 659
460
17．5 62．8
608
431
10．0 31．0
294
四 、热加工的不足
机械工程材料总结
第一章金属材料的力学性能1.基本概念强度：金属材料在静力作用下，抵抗永久变形和断裂的性能。
1）：屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的最低应力值。
2）：抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应力值。
硬度：衡量金属材料软硬程度的指标1）：布氏硬度HBW 2）：洛氏硬度HR 3）：维氏硬度HV刚度：工程上将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度区别：刚度是抵抗弹性变形的能力，硬度是抵抗局部塑性变形的能力。
塑性：金属材料在静力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。
屈服的基本特征：应力几乎不变，应变却不断增加，从而产生明显的塑性变形断裂的基本形式：脆性断裂、韧性断裂韧性断裂：在断裂前有明显的塑性变形的断裂。
脆性断裂：在尚未发生明显的塑性变形时已断裂的断裂。
第二章．金属与合金的结构1.基本概念晶体：原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。
非晶体：原子（或分子）无规则的堆积在一起。
空间点阵：原子或分子按一定的几何规律作周期性的排列固溶体：合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成均匀相，称为固溶体。
中间相：两种元素形成的新相合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质。
相（基本相）：合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。
组织（P）：组织是观察到的在金属及合金内部组成相的大小、方向、形状、分布及相互结合状态。
2.基本理论（2）了解典型晶胞密排面和密排晶向的画法。
（3）固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同可分为：间隙固溶体和置换固溶体。
按溶质在溶剂的溶解度不同可分为：有限固溶体和无限固溶体。
（4）缺陷的分类和代表类型1）：点缺陷-----空位和间隙原子2）：线缺陷-----位错3）：面缺陷-----晶界和亚晶界第三章．金属与合金的结晶（1）基本概念结晶：金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶过程。
机械工程材料(第二版)课后习题答案
2－1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？－Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？答：常见晶体结构有3种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni⑶密排六方：Mg、Zn2---7为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。
第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。
答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。
原因是：（1）强度高：Hall-Petch公式。
晶界越多，越难滑移。
（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。
（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。
4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15天，然后再精加工。
试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。
4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn的最低再结晶温度分别为:TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W在1000℃时为冷加工，Sn在室温下为热加工4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。
《工程材料》第一章第二节 材料的结合方式及工程材料键性
要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
下晶体和非晶体iO2的结构
非晶态
第二节 材料的结合方式 及工程材料键性
一 、结合键
● ●
原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 一般可把结合键分为
离子键、共价健、金属键和分子键四种。
1. 离子键 正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们 十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定 的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
2. 共价键
由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代 表性的共价晶体为金刚石。属于共价晶体的还有 SiC、Si3N4、BN等化合物。
共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬 度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。
3. 金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使
全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。
二、工程材料的键性
1. 金属材料
工程应用的金属材料，原子间的结
合键基本上为金属键，皆为金属晶 体材料。
2. 陶瓷材料
存在有一定成分的共价键，但离子
键是主要的。
3. 高分子材料
大分子内的原子之间由很强的共价 键结合，而大分子与大分子之间的结 合力为较弱的范特瓦尔斯力。
三、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件
金属键无所谓饱和性和方向性。
金属键的特性
1. 良好的导电性和导热性。 2. 正的电阻温度系数。
绝大多数金属具有超导性，即 在温度接近于绝对零度时电阻 突然下降，趋近于零。
3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
工程材料 第2版课件PDF 版02
02—金属的晶体结构
与缺陷
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第二章 金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =
×
bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中
机械工程材料-2章2 晶体结构、结晶与相图
碳存在于八面体间隙中
500个晶胞中最多有1个碳原子。
铁素体性能：Rm = 230MPa, A = 50%,
50～80HBS。
奥氏体( A )
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 面心立方晶格。1148℃时固溶度最大， 2.11%，727℃时固溶度为0.77%。固溶 度最大时：
C原子 2.11 / 12 14 2.11 ＝ 0.10059 Fe原子 (100 2.11) / 56 3 97.89
不同晶格金属的滑移系
晶格
体心立方
面心立方
密排六方
晶胞
滑移面
滑移 方向 滑移系 数量
6个
2个 6×2＝12
4个
3个 4×3＝12
1个
3个 1×3＝3
外力P使单晶体零件内部在 如图所示的滑移面和滑移方向上 发生了滑移，下面求此滑移方向 上的切应力分量τc的大小。
P 横截面 A A A / cos
Fe3C塑性极差，合金的塑性变形全部 由F提供。所以随碳含量的增大，F量不断 减少时，塑性连续下降。到合金成为白口 铸铁时，塑性就接近于零。
3 Fe-FeC3相图的应用
1)在选材方面的应用
若需要塑性、韧性高的材料，应选用低 碳钢 (Wc=0.10%～0.25%)； 需要强度、塑性及韧性都较好的材料， 应选用中碳钢 (Wc=0.25%～0.60%)； 当要求硬度高、耐磨性好的材料时，应 选用高碳钢 (Wc=0.60%～1.3%)。 例如：铸造成型的零件尽量选择共晶成 分合金。问：不锈钢水杯？锉刀？
奥 氏 体
液 相
碳在铁中最大溶解度点
P（0.0218，727）：α-Fe 中 E（2.11，1148）：γ-Fe 中 Q（0.0008，RT）：室温下 F（6.69,1148) 渗碳体 K (6.69,727) 渗碳体 S（0.77，727）：共析（A＋F ＋Fe3C） C（4.3，1148）：共晶（ A ＋L ＋Fe3C）
工程力学--材料力学(北京科大、东北大学版)第4版习题答案
第一章参考答案1-1：解：(a):N1=0,N2=N3=P(b):N1=N2=2kN(c):N1=P,N2=2P,N3= -P(d):N1=-2P,N2=P(e):N1= -50N,N2= -90N(f):N1=0.896P,N2=-0.732P注（轴向拉伸为正，压缩为负）1-2：解：σ1=2118504P kNS dπ==35.3Mpaσ2=2228504P kNS dπ==30.4MPa ∴σmax=35.3Mpa1-3：解：下端螺孔截面：σ1=19020.065*0.045P S =15.4Mpa上端单螺孔截面：σ2=2PS =8.72MPa上端双螺孔截面：σ3= 3PS =9.15Mpa∴σmax =15.4Mpa1-4：解：受力分析得：F1*sin15=F2*sin45F1*cos15=P+F2*sin45∴σAB=11FS=-47.7MPaσBC=22FS=103.5 MPa1-5：解:F=6PS1=h*t=40*4.5=180mm2S2=(H-d)*t=(65-30)*4.5=157.5mm2∴σmax=2FS =38.1MPa1-6:解: (1)σAC =-20MPa,σCD =0,σDB =-20MPa;△ l AC =NL EA =AC LEA σ=-0.01mm△ l CD =CD LEA σ=0△ L DB =DB LEA σ=-0.01mm(2) ∴AB l ∆=-0.02mm1-7:解:31.8127AC AC CB CB P MPa S P MPa S σσ==== AC AC AC L NL EA EA σε===1.59*104, CB CB CB L NL EA EA σε===6.36*1041-8:解:Nll EAl l ε∆=∆= ∴NEA ε=62.54*10N EA N ε∴==1-9：解：208,0.317E GPa ν==1-10：解：[][]max 59.5MPa σσ=<1-11：解：（1）当45oα=，[]11.2σσ=>强度不够 （2）当60oα=，[]9.17σσ=< 强度够 1-12：解：[]360,200200200*1013.3100*150*10Y p kNS P kNS MPa A σσ-==∴=====<∑1-13：解：[]max 200213MPa MPa σ=<1-14：解： 1.78, 1.26d cm d cm ==拉杆链环1-15 解：BC F ==70.7 kN70.70.505140F S FS σσ=∴=== 查表得： 45*45*31-16解：(1)[]2401601.5ss n σσ===MPa[][]24P SP dσσπ≤∴≤24.4D mm∴=(2)2119.51602P P MPa MPa S d σπ===≤⎛⎫ ⎪⎝⎭1-17 解：（1） 2*250*6154402D F P A N π⎛⎫=== ⎪⎝⎭78.4AC F MPa S σ== 300 3.8378.4s n σσ∴===[][]''''60*3.14*15*1542390F S F S Nσσ===='61544014.521542390F n F ===≈1-18 解：P=119kN1-19 解：::3:4:535()44AB BC AB BC S P S S P S P =∴==拉，[][][]112841123484AB AB S A kN S P kN P kN σ=====同理所以最大载荷 84kN1-20 解： P=33.3 kN1-21 解：71,,12123A B C P F F P F P ===1-22 解：10MAX MPa σ=-1-23 解：A B X R R R =∴==∑t r l l ∆=∆ t A B l l tα∆= 21211111223533131.3cd R AC DB CD AC CD CD AF CD MAX Rl Rl l l l l EA EA Rl Rl Rl l EA EA EA EA t EA t R l S MPa A ααασ∆=∆+∆+∆=+=+=∴====第二章习题2-1 一螺栓连接如图所示，已知P=200 kN ， =2 cm ，螺栓材料的许用切应力[τ]=80Mpa ，试求螺栓的直径。
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案
工程材料及成形技术基础课课后习题参考答案第一章：1-1 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？答：机械零件在工作条件下可能承受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用（单负荷或复合负荷的作用）。
力学负荷可使零件产生变形或断裂；热负荷可使零件产生尺寸和体积的改变，产生热应力，热疲劳，高温蠕变，随温度升高强度降低（塑性、韧性升高），承载能力下降；环境介质可使金属零件产生腐蚀和摩擦磨损两个方面、对高分子材料产生老化作用。
1-3 σs、σ0.2和σb含义是什么？什么叫比强度？什么叫比刚度？答：σs－P s∕F0,屈服强度，用于塑性材料。
σ0.2－P0.2∕F0,产生0.2％残余塑性变形时的条件屈服强度，用于无明显屈服现象的材料。
σb－P b∕F0,抗拉强度，材料抵抗均匀塑性变形的最大应力值。
比强度－材料的强度与其密度之比。
比刚度－材料的弹性模量与其密度之比。
思考１－１、１－２.2-3 晶体的缺陷有哪些？可导致哪些强化？答：晶体的缺陷有：⑴点缺陷——空位、间隙原子和置换原子，是导致固溶强化的主要原因。
⑵线缺陷——位错，是导致加工硬化的主要原因。
⑶面缺陷——晶界，是细晶强化的主要原因。
2-5 控制液体结晶时晶粒大小的方法有哪些？答：见P101.3.4.2液态金属结晶时的细晶方法。
⑴增加过冷度；⑵加入形核剂（变质处理）；⑶机械方法（搅拌、振动等）。
2-8 在铁-碳合金中主要的相是哪几个？可能产生的平衡组织有哪几种？它们的性能有什么特点？答：在铁-碳合金中固态下主要的相有奥氏体、铁素体和渗碳体。
可能产生的室温平衡组织有铁素体加少量的三次渗碳体（工业纯铁），强度低塑性好；铁素体加珠光体（亚共析钢），珠光体（共析钢），珠光体加二次渗碳体（过共析钢），综合性能好；莱氏体加珠光体加二次渗碳体（亚共晶白口铸铁），莱氏体（共晶白口铸铁），莱氏体加一次渗碳体（过共晶白口铸铁），硬度高脆性大。
第二章(1)金属的结构与结晶
细化晶粒的途径
❖ 提高冷却速度、增大过冷度过冷度对N、G的影响
V冷
△T
N/G 晶粒细小
V 在铸造生产中，用金属型代替砂型，增 冷 大金属型的厚度，降低金属型的预热温度等
❖ 变质处理：加入一些细小变质剂，增大形核率，
减低长大速率。
❖ 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
晶体缺陷 ( crystal defect )
点缺陷
线缺陷 面缺陷
点缺陷(point defБайду номын сангаасct)
空位 (vacancy)
间隙原子 (gap atom)
置换原子 (substitutional atom)
a. 空位：晶格中某些缺排原 子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙 中的原子。可以是基体金属 原子，也可以是外来原子。
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {110} 6 <111> 4 面心立方晶格 {111} 4 <110> 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面:﹛110﹜，数量: 6
体心立方晶格 密排方向:<111>，数量: 4
密排面:﹛111﹜，数量: 4
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度 和韧性。为了提高金属的力学性能，希 望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核
(完整版)工程力学(静力学与材料力学)第四版习题答案
静力学部分第一章基本概念受力图2-1 解：由解析法，23cos 80RX F X P P N θ==+=∑12sin 140RY F Y P P N θ==+=∑故： 22161.2R RX RY F F F N =+=1(,)arccos 2944RY R R F F P F '∠==o v v2-2解：即求此力系的合力，沿OB 建立x 坐标，由解析法，有123cos45cos453RX F X P P P KN ==++=∑o o13sin 45sin 450RY F Y P P ==-=∑o o故： 223R RX RY F F F KN =+= 方向沿OB 。
2-3 解：所有杆件均为二力杆件，受力沿直杆轴线。
（a ） 由平衡方程有：0X =∑ sin 300AC AB F F -=o0Y =∑ cos300AC F W -=o0.577AB F W =（拉力） 1.155AC F W =（压力）（b ） 由平衡方程有：0X =∑ cos 700AC AB F F -=o0Y =∑ sin 700AB F W -=o1.064AB F W =（拉力）0.364AC F W =（压力）（c ） 由平衡方程有：0X =∑ cos 60cos300AC AB F F -=o o0Y =∑ sin 30sin 600AB AC F F W +-=o o0.5AB F W = (拉力)0.866AC F W =（压力）（d ） 由平衡方程有：0X =∑ sin 30sin 300AB AC F F -=o o0Y =∑ cos30cos300AB AC F F W +-=o o0.577AB F W = (拉力)0.577AC F W = (拉力)2-4 解：（a ）受力分析如图所示：由0x =∑ 22cos 45042RA F P -=+o15.8RA F KN ∴= 由0Y =∑ 22sin 45042RA RB F F P +-=+o7.1RB F KN ∴=(b)解：受力分析如图所示：由 0x =∑ cos 45cos 45010RA RB F F P --=o o0Y =∑sin 45sin 45010RA RB F F P -=o o联立上二式，得： 22.410RA RB F KNF KN ==2-5解：几何法：系统受力如图所示三力汇交于点D ，其封闭的力三角形如图示所以： 5RA F KN = （压力） 5RB F KN =（与X 轴正向夹150度） 2-6解：受力如图所示：已知，1R F G = ，2AC F G =由0x =∑ cos 0AC r F F α-=12cos G G α∴=由0Y =∑ sin 0AC N F F W α+-=22221sin N F W G W G G α∴=-⋅=--2-7解：受力分析如图所示，取左半部分为研究对象由0x =∑ cos 45cos 450RA CB P F F --=o o0Y =∑sin 45sin 450CB RA F F '-=o o 联立后，解得： 0.707RA F P = 0.707RB F P =由二力平衡定理 0.707RB CB CB F F F P '===2-8解：杆AB ，AC 均为二力杆，取A 点平衡由x =∑cos 60cos300AC AB F F W ⋅--=o o0Y =∑sin 30sin 600AB AC F F W +-=o o联立上二式，解得：7.32AB F KN=-（受压）27.3AC F KN=（受压）2-9解：各处全为柔索约束，故反力全为拉力，以D ，B 点分别列平衡方程（1）取D 点，列平衡方程由x =∑sin cos 0DB T W αα-=DB T Wctg α∴==（2）取B 点列平衡方程：由0Y =∑sin cos 0BDT T αα'-=230BD T T ctg Wctg KN αα'∴===2-10解：取B 为研究对象：由0Y =∑sin 0BC F P α-=sin BC P F α∴=取C 为研究对象：由x =∑cos sin sin 0BCDC CE F F F ααα'--=由0Y =∑ sin cos cos 0BC DC CE F F F ααα--+=联立上二式，且有BCBC F F '= 解得：2cos 12sin cos CE P F ααα⎛⎫=+⎪⎝⎭取E 为研究对象：由0Y =∑ cos 0NH CEF F α'-=CECE F F '=Q 故有：22cos 1cos 2sin cos 2sin NH P PF ααααα⎛⎫=+= ⎪⎝⎭2-11解：取A 点平衡：x =∑sin 75sin 750AB AD F F -=o o0Y =∑cos 75cos 750AB AD F F P +-=o o联立后可得： 2cos 75AD AB PF F ==o取D 点平衡，取如图坐标系：x =∑cos5cos800ADND F F '-=o ocos5cos80NDAD F F '=⋅oo由对称性及ADAD F F '=cos5cos5222166.2cos80cos802cos 75N NDADP F F F KN '∴===⋅=o o o o o2-12解：整体受力交于O 点，列O 点平衡由x =∑cos cos300RA DC F F P α+-=o0Y =∑sin sin 300RA F P α-=o联立上二式得：2.92RA F KN=1.33DC F KN=（压力） 列C 点平衡x =∑405DC AC F F -⋅=Y=∑305BC ACF F+⋅=联立上二式得： 1.67ACF KN=（拉力）1.0BCF KN=-（压力）2-13解：（1）取DEH部分，对H点列平衡x=∑05RD REF F'=Y=∑05RDF Q-=联立方程后解得：5RDF Q=2REF Q'=（2）取ABCE 部分，对C 点列平衡x =∑cos 450RE RA F F -=o0Y =∑sin 450RB RA F F P --=o且RE REF F '=联立上面各式得： 22RA F Q =2RB F Q P=+（3）取BCE 部分。
工程材料第二章知识点
工程材料第二章金属材料组织和性能的控制一、名词解释。
一次结晶过冷度二次结晶自发晶核非自发晶核同素异构转变变质处理相图支晶偏析扩散退火变质处理共晶反应组织（组成物）变形织构加工硬化再结晶临界变形度热处理过冷奥氏体退火马氏体淬透性淬硬性调质处理滑移再结晶冷加工热加工过冷度实际晶粒度本质晶粒度淬火回火正火一次结晶：通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶过冷度：理论结晶温度与开始结晶温度之差叫做过冷度，它表明金属在液体和固态之间存在一个自能差二次结晶：金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶（或金属的同素异构转变）自发晶核：从液体结构内部由金属原子本身自发长出的结晶核心叫做自发晶核非自发结晶：杂质的存在常常能够促进晶核形成，依附于杂质而生成的晶核叫做非自发结晶同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变变质处理：指在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非自发晶核的数量或者阻止晶核的长大，以细化晶粒和改善组织相图：是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示意图，也称为平衡图或状态图支晶偏析：固溶体在结晶过程中冷却过快，原子扩散不能充分形成成分不均匀的固溶体的现象扩散退火：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火共晶反应：有一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应组织（组成物）：指合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分。
组织组成物可以是单相，或是两相混合物变形织构：金属塑性变形很大（变形量达到70%以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，这种结构叫做形变织构加工硬化：金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化再结晶：变形后的金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉成（或压扁）破碎的晶粒通过重新形核和长大变成新的均匀、细小的等轴晶，这个过程称为再结晶临界变形度：再结晶时使晶粒发生异常长大的预先变形度称做临界变形度热处理：是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺过冷奥氏体：从铁碳相图可知，当温度在A1（PSK线/共析反应线）以上时奥氏体是稳定的，能长期存在，当温度降到A1以下后，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体（过冷A）退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）热处理工艺叫做退火-马氏体：碳在α－Fe中的过饱和固溶体淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性淬硬性：钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性调质处理：通常把淬火加高温回火称为调质处理滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动的过程叫做滑移冷加工：在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工热加工：在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工实际晶粒度：某一具体的热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度本质晶粒度：钢加热到（930±10℃），保温8h，冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度淬火：将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火回火：钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1(PSK线/共析反应线)以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火正火：钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）、Ac1（对于共析钢）和Accm（对于过共析钢）以上30~50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火一次渗碳体是从液相包晶过程中直接析出二次渗碳体是从奥氏体中析出三次渗碳体是从铁素体中析出珠光体：铁素体+渗碳体高温莱氏体Le（A+Fe3C）：奥氏体+渗碳体低温莱氏体Le’(P+Fe3CⅡ+Fe3C)：珠光体+二次渗碳体+渗碳体二、填空。
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第二章 材料的结构
物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 决定了物质的性能。
原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称 为结构。
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C60
1
一、晶体结构的基本概念
2/19
1、晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主
要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件 下晶体和非晶体可互相转化。
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晶态
非晶态
金属的结构 机械与汽车工程学院
SiO2的结构
2
2、晶格与晶胞
319
⑴ 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。
的三维空间
格架。直线
的交点（原
子中心）称
结点。由结
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2、实际金属的晶体结构 ⑴ 单晶体与多晶体
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。
多晶体：
纯铁组织
晶粒：实际使用的金属材料
是由许多彼此方位不同、外
形不规则的小晶体组成，这
晶 粒
示
些小晶体称为晶粒。
意 图
变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
25/48
c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
2020/10/空17位
间隙原机子械与汽车工程学小院 置换原子
大置换原子
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空位和间隙原子引起的晶格畸变
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2020/10/17
机械与汽车工程学院
21/48
铅锭宏观组织
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沿晶断口
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晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
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23/48
⑵ 晶体缺陷 晶格的不完整部
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9/48
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径：r 3 a 4
原子个数：2
配位数： 8
致密度：0.68
常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
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10/19
10/48
11/19
体心立方晶格的参数
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正交
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
立方晶系：a=b=c，===90
单斜
六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
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三斜/10
⑸ 原子半径：晶胞中原
6/19
子密度最大方向上相邻
原子间距的一半。
⑹ 晶胞原子数：一个晶 胞内所包含的原子数目。
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出 半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多 余原子面的边缘就是刃型位错。
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/10
② 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相
对于另一部分晶体发生局部 滑移，滑移面上滑移区与未 滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。
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刃型位错 机械与汽车工程学院
螺型位错
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刃型位错和螺型位错
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刃位错的形成
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点形成的空
间点的阵列
称空间点阵
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/10
4/19
⑵ 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
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4
⑶ 晶格常数：晶
立方
胞个边的尺寸 a、
b、c。
六方
各棱间的夹角用
、、表示。
四方
⑷ 晶系：
菱方
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
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面心立方晶格的参数
19/19
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⑶ 密排六方晶格
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密排六方晶格
17/19
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r 1 a
2
原子个数：6
配位数： 12
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⑵ 面 心 立 方 晶 格
2020/10/17
铜
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面心立方晶格
13/19
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13/48
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面心立方晶格
晶格常数：a
原子半径：r 2 a
4 原子个数：4 配位数： 12
致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
价电子云
金属键示意图
具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。
常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方
(fcc)和密排六方(hcp)晶格。
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⑴ 体 心 立 方 晶 格
纯铁（α-Fe）10
体心立方晶格
位称晶体缺陷。
实际金属中存在 着大量的晶体缺 陷，按形状可分 三类，即点、线、 面缺陷。
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a. 空位：晶格中某些 缺排原子的空结点。
b. 间隙原子：挤进晶 格间隙中的原子。可 以是基体金属原子， 也可以是外来原子。
20体20/心10立/17方的四面体和八面体间隙机械与汽车工程学院
致密度：0.74
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
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密排六方晶格的参数
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19/19
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一天坐公交车，前面一个美女上车后对司机说：“师傅，我今天没 带钱，亲你一口就当投币了好么？”司机说好的，那个美女就亲了 一口司机然后去后面坐下了。另一个女汉子在后面看的清楚，上车 后按住司机一顿狂亲，抬起头说“我也没带钱，亲你这么多，就当 我投币了呗！”那个司机都吓哭了，“你前面那个是俺媳妇啊！”
⑺ 配位数：晶格中与任 一原子距离最近且相等 的原子数目。
⑻ 致密度：晶胞中原子
本身所占的体积百分数。
2020/10/17
机械与汽车工程学院
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二、金属的晶体结构
7/19 正离子
1、纯金属的晶体结构
金属原子是通过正离子与自
由电子的相互作用而结合的，
称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。