机械工程材料第2章
机械工程材料习题答案
第六章 钢的热处理
2、何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本质粗晶粒钢的细？
答： wC0.45%碳钢属于低碳钢，室温平衡组织为F+P，其中F和P相对含量分别为：
wF%0.77 0. 77 0.4542%
硬因度此和，伸该长碳率钢等的性硬能度指为标：符合加w合P法%则。 00..747558%
伸长率为：
H 4 5H PV P % H FV F % 1 8 0 5 8 % 8 4 2 % 1 0 4 .4 3 .3 6 1 0 7 .7 6
增加，材料硬度增加、塑性下降，强度在~ wC0.90% 时最高，之后下降。
因此，Rm（ σb）： wC0.20%< wC1.20%< wC0.77% HBW： wC0.20%< wC0.77%< wC1.20% A： wC1.20%< wC0.77%< wC0.20%
4、计算碳含量为wC0.20%的碳钢的在室温时珠光体和铁素体的相对含量。
B 将（ α+β ）II 视为一种组织构成项：
WαI=
W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
WαI= W（α+β）II=
61.9-30 61.9-19 30-19 61.9-19
=74.36% =25.64%
则在（ α+β ）II中含有多少α和多少β相？
2、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答： 固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大。 弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶体为基体再有适量的金属间化合物均 匀细小弥散分布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用金属间化合物来强化合金的方式为 弥散强化。 加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错运动阻力，引起塑性变形抗力的增加， 提高合金的强度和硬度。 区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使 位错运动阻力增大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金；而加 工强化是通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；三者相比， 通过固溶强化得到的强度、硬度最低，但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，但塑 韧性最差，弥散强化介于两者之间。
机械工程材料与热加工工艺1第二章
fcc 4 12 74% 0.41r γ-Fe.AI.Cu. 最紧排列
bcc 2 8 68% 0.29r α-Fe.Cr.W. 次紧排列
hcp 6 12
74% 0.41r Mg.Zn.Be 最紧排列
三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷
1. 单晶体 多晶体
单晶体具有各向异性
晶体的各向异性： 晶体不同方向上的性能差异
工业用金属一般是多晶体---- 多个单晶体（晶粒） 组成 呈现出各向同性
几个名词：晶界
亚晶粒:晶粒内部不同晶格位向的区域.
亚晶界
2、实际金属的晶体缺陷
金属中原子排列的不完整性 (1)点缺陷—空位,间隙原子（离位原子）.
置换 原子 特点：三维尺寸都很小 (2)线缺陷—位错（位错线） 特点：二维尺寸都很小，另一维尺寸相对较长 以位错密度表示 “ρ” 单位 cm/cm3或cm2 (3)面缺陷—晶界,亚晶界 “亚晶”（界） 特点：一维尺寸很小，另二维尺寸相对较大 晶体缺陷并非一成不变
┗溶质原子溶入溶剂中形成的固溶体,使金
属的强度.硬度升高的现象称为固溶强化。
一种强化方式，提高材料机性的主要途径 之一
固溶体σb↑. HB↑,但仍不高,仍保持相当δ.ak,工 业常用作基本相,还需强化相---金属化合物。
2.金属化合物
合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它 的晶体结构.性能.熔点与两组元都不同，并具有金 属特征，这种相称为金属化合物 。
二元合金相图的基本类型
各组元仍保持原来的晶格类型；强度.硬度高于单 一固溶体，但塑性、可锻性不如单一固溶体。 ∴ 锻钢先加热→单一固溶体（A），再锻打。
组织----显微镜下看到的具有一定形貌或形态的部 分称为组织。有单相.多相
机械工程材料双语课件第二章
Fatigue strength
§2 Iron-carbon phase diagram
铁碳合金相图
Phase and Phase diagrams （相与相图）
•Phase：a region that differs in its state, microstructure， and /or composition from another region.
两组元在液态下无限溶解，固态下有限 溶解的二元合金相图。
The characteristics of eutectic system （共晶相图特点）：
eutectic reaction(共晶反应)
Eutectic reaction equation
共晶反应式
Eutectic system
（共晶相图）
Toughness What’s the relationship between the
value of ak and toughness? ak ↑，toughness↑
Questions for you
4. When a metal is subjected to repetitive stresses ， even when the stress is much lower than that which the metal can withstand under a static stress, the metal will fail to work. What do we call this phenomenon?
（共析相图）
The eutectoid reaction takes place completely in the solid state.
机械工程材料习题及参考解答
♦ 变质处理
机械工程材料 第三章 金属的结晶
♦ （二） 填空题
– 1． 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个 过程是 形核和 长大 。 – 2． 在金属学中，通常把金属从液态过渡为固体晶态的转变称 为 结 晶 ；而把金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变 称为 同素异构转变 。 – 3． 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 促进形核，细化晶粒 。 – 4． 液态金属结晶时，结晶过程的推动力是 自由能差降低（△F） ， 阻力是 自由能增加 。 – 5． 能起非自发生核作用的杂质，必须符合 结构相似，尺寸相当 的原则。 – 6． 过冷度是指 理论结晶温度与实际结晶温度之差 ，其表示符 号为 △T 。 – 7． 过冷是结晶的 必要 条件。 – 8． 细化晶粒可以通过 增加过冷度 和 加变质剂 两种途径实现。 – 9． 典型铸锭结构的三个晶区分别为： 细晶区、柱状晶区和等轴晶区。
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
机械工程材料 第二章 金属的结构
♦ （二） 填空题
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
– 1． 同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性， 良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。 – 2． 晶体与非金属最根本的区别是 晶体内部的原子（或离子） 是按一定几何形状规则排列的，而非晶体则不是 。 – 3． 金属晶体中最主要的面缺陷是 晶界 和 亚晶界 。 – 4． 错位分两种，它们是刃型位错 和 螺旋位错，多余半原子面 是 刃型 位错所特有的。 0 1 2 – 5． 在立方晶系中，｛120｝晶面族包括 ( 20)、(1 0)、(12 )、 等 (1 2 0)、(1 2 0)、(1 2 0 )、(1 20 )、(120) – 6． 点缺陷 有 空位和 间隙原子 两种；面缺陷中存在大量 的 位错 。 4 2 – 7． γ-Fe、α-Fe的一个晶胞内的原子数分别为 和 。 – 8． 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 快得多。
机械工程材料作业答案
第一章材料的结构与金属的结晶1．解释下列名词：变质处理P28；细晶强化P14；固溶强化P17。
5．为什么单晶体具有各向异性P12，而多晶体在一般情况下不显示各向异性P13？答：因为单晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致。
而在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各项异性，但各个晶粒在整块金属中的空间位向是任意的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。
6．在实际金属中存在哪几种晶体缺陷P13？它们对力学性能有何影响P14？答：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
缺陷的存在对金属的力学性能、物理性能和化学性能以及塑性变形、扩散、相变等许多过程都有重要影响。
7．金属结晶的基本规律是什么P25？铸造(或工业)生产中采用哪些措施细化晶粒？举例说明。
P27~P28答：金属结晶过程是个形核、长大的过程。
（1）增大过冷度。
降低金属液的浇筑温度、采用金属模、水冷模、连续浇筑等。
（2）变质处理。
向铝合金中加入钛、锆、硼；在铸铁液中加入硅钙合金等。
（3）振动和搅拌。
如机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
第二章金属的塑性变形与再结晶1．解释下列名词：加工硬化P40；再结晶P43；纤维组织P38。
2．指出下列名词的主要区别：重结晶、再结晶P43答：再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化，故称为再结晶；而重结晶时晶格类型发生了变化。
另外，再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。
5．为什么常温下晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越好？P38答：晶粒愈细，单位体积内晶粒数就愈多，变形是同样的变形量可分散到更多的晶粒中发生，以产生比较均匀的变形，这样因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小，使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形，得到较大的伸长率和具有较高的冲击载荷抗力。
6．用冷拔铜丝制作导线，冷拔后应如何处理？为什么？P42答：应该利用回复过程对冷拔铜丝进行低温退火。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
机械工程材料-2章 晶体结构、结晶
晶胞原子数与原子半径
致密度与配位数
2.1.4 晶向指数与晶面指数
1 晶向指数
我们把任何两个或多个原子所在直线所指 的方向，称为晶向。 〖例1〗计算图（a）中的AB的晶向指数。 解：①选晶胞的三条棱边建立X、Y、Z坐标 轴，以晶格常数a b c 为坐标轴的度量单位。从坐 标轴的原点O引一条有向直线OC，平行于待定晶 向AB； ②在所引的有向直线上任取一点C（为方便 起见，通常取距原点最近的阵点），求出该点C 在三坐标轴的坐标值,C(1/2,1/2, 1)。 ③将三个坐标值按比例化简为最小简单整数， 并加上方括号，表示为［u v w］=[1 1 2]，即为 所求的晶向指数。整数之间不用标点分开。如果 u、v、w中有某一数为负，则将负号用上划线的 形式标注于该数之上。 AB的晶向指数为[1 1 2]。
例如：石墨是靠分子键结合， 硬度很低。塑料也是靠分子键结 合，强度较低。
由于范德瓦尔斯引力很弱， 所以分子晶体的结合力很小，熔 点很低，硬度也很低。
5 结合力与结合能
当大量原子结合成固体时，为 使晶体具有最低的能量，以保持其 稳定状态，原子之间也必须保持一 定的平衡距离，这就是固态金属中 的原子趋于规则排列的原因。 当原子间以离子键或共价键结 合时，原子达不到紧密排列状态， 这是由于这些结合方式对周围的原 子数有一定的限制之故。
体心立方
面心立方
密排六方
2.1.6 实际金属的晶体结构
若整个晶体完全是晶胞规则重 复排列的，这种晶体为理想晶体。 实际晶体中，由于各因素的影 响，总会存在一些不完整、原子排 列偏离理想状态的区域，这些区域 称为晶体缺陷。 按缺陷在空间的几何形状和尺 寸不同，缺陷分为：
点缺陷
晶体缺陷
线缺陷
机械工程材料习题答案
机械工程材料习题答案第二章作业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。
机械工程材料习题及参考解答
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– 3． 在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学 性能，试从过冷度对结晶基本过程的影响，分析细化晶粒、提 高金属材料使用性能的措施。 –解：由于过冷度越大，晶粒越细，因而能增加过冷度的 措施均有利于细化晶粒，主要是增加冷却速度。
机械工程材料 第三章 金属的结晶
机械工程材料 第二章 金属的结构
（四） 选择正确答案
– 1． 正的电阻温度系数的含义是： a．随温度升高导电性增大；b．随温度降低电阻降低；c．随 √ 温度增高电阻减小。 – 2． 晶体中的位错属于： a．体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。 √ – 3． 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。 – 4． 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： a．<100>；b．<110>；c．<111>。 √ – 5． 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： a．｛100｝；b．｛110｝；c．｛111｝。 √ – 6． 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。
机械工程材料 第二章 金属的结构
（三） 是非题
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– 1． 因为单晶体是各乡异性的，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． 因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数， 所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。 （√） – 4． 在立方晶系中，（123）晶面与[12]晶向垂直。 （√） – 5． 在立方晶系中，（111）与（11）是相互平行的两个晶面。 （×） – 6． 在立方晶系中，（123）晶面与（12）晶面属同一晶面族。 – 7． 在立方晶系中，原子密度最大的晶面间的距离也最大。 （√） – 8． 在金属晶体中，当存在原子浓度梯度时，原子向各个方 （×） 向都具有相同的跃迁几率。 – 9． 因为固态金属的扩散系数比液态金属的扩散系数小得多， （√） 所以固态下的扩散比液态下的慢得多。 （×） – 10．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。 – 11．晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。 （√）
机械工程基础第二章思考题答案
第二章练习1．何谓奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体，它们的性能如何?奥氏体：以符号“A”表示。
它是碳溶解于中的间隙固溶体。
由于奥氏体通常是高温组织，强度、硬度不高，塑性非常好。
因此在锻造或轧钢时，常把钢材加热到奥氏体状态进行。
铁素体：用符号“Ｆ”表示。
它是碳溶解于中的间隙固溶体。
铁素体的性能接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性很好，所以具有铁素体组织多的低碳钢，能够进行冷变形、轧制、锻造和焊接。
渗碳体：以分子式“ ”表示。
它是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的晶格类型。
其性能是硬度高、强度低、塑性几乎为零，是硬而脆的物质，故不能单独使用，而是在铁碳合金中以强化相的形式出现。
渗碳体的形状、大小、分布和数量对铁碳合金的性能有极大的影响。
珠光体：以符号“P”表示，它是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0.77%。
具有较高的强度（σb=800MPa）和硬度（HBS=230），但塑性较铁素体低（δ=12%）。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫做莱氏体，含碳量为4.3%用符号表示，它只在高温(727℃以上)存在。
在727℃以下时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，用符号表示。
莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高(HB>700)，塑性极差。
2．何谓铁碳合金相图?铁碳合金状态图是研究铁碳合金在平衡状态下的组织随温度和成分变化的图形。
掌握它就能对钢和生铁的内部组织及其变化规律有一个较完整的概念，以便更好地利用它为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。
3．什么是亚共析钢、共析钢和过共析钢，这3种钢在室温下的组织有什么不同?亚共析钢：含碳量小于0.77%的钢，常温组织为F+P，如Q235A钢，45号、15号钢等中、低碳钢。
共析钢含碳量为0.77%的钢，常温组织为P。
如T8钢，T8A钢。
过共析钢：含碳量在0.77%~2.11%之间的钢，常温组织为P+ Fe3C ，如T10钢，T12A钢等。
机械工程材料-思考与练习题答案
能
10. 金属再结晶后的晶粒大小与（ ）和（ ）有关。预先变形度；再结晶温度
11. 工业金属不能在（ ）变形度进行变形，否则再结晶后的晶粒（ ），使机械性能（ ）。
２-10％临界；粗大；降低
12. 铸钢锭经过热轧后，粗大的晶粒会（ ），缩松、气孔等缺陷会（ ），并且还会出现
（
）组织。细化；焊合；流线或纤维
晶粒细化
16. 金属热加工纤维组织是（ ）呈纤维状，此种组织的机械性能呈现（ ）。夹杂物及枝晶
偏析；方向性
17. 钢的锻造温度高于（
）温度，故属于（ ）加工。再结晶；热
18. 材料的弹性模量愈高，其刚度愈（ ）。刚度（ ）通过热处理改变；材料一定时，可通
过（ ）和（
）的方法来提高零件的刚度。高；不能；增加零件的横截面积；
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A，去应力退火 B，再结晶退火 C，完全退火 D，重结晶退火
3. 实测的晶体滑移需要的临界分切应力值比理论计算的小，这说明晶体滑移机制是（ ）。B
A，滑移面的刚性移动 B，位错在滑移面上运动 C，空位、间隙原子迁移 D，晶界迁移
A，属于热加工 B，属于冷加工 C，不是热加工或冷加工 D，无法确定
7. 晶体滑移总是沿着（ ）晶面和晶向进行。A
A，原子密度最大的 B，与外力成 45 度的 C，任意的 D，原子密度最小的
8. 为了提高零件的机械性能，通常将热轧圆钢中的流线（纤维组织）通过（
）。C
A，热处理消除 B，切削来切断 C，锻造使其分布合理 D，锻造来消除
相作用。∨ 5. 金属化合物以细小颗粒或片状均匀分布在固溶体中会使强度提高，化合物愈细小、分布愈均
机械制造基础第二章1
G
H
h
F
5. 疲劳强度 1 ） 交变应力（ 周期性应力）。 应力的大小、 交变应力（ 周期性应力 ） 应力的大小 、 方向周期性变化。 方向周期性变化。
2）疲劳。 构件在低于屈服强度的交变应力作 ）疲劳。 用下，经过较长时间工作而发生突然断裂， 用下，经过较长时间工作而发生突然断裂，而 无明显的塑性变形的现象。 无明显的塑性变形的现象。
3 ） 维氏硬度HV。 测试的基本原理与布氏硬度相同，但 维氏硬度HV。 测试的基本原理与布氏硬度相同， HV 压头采用锥面夹角136 的金刚石正四棱锥体， 136° 压头采用锥面夹角136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度 试验所用载荷小，压痕深度浅， 试验所用载荷小 ， 压痕深度浅 ， 适用于测量零件薄的表 面硬化层的硬度。试验载荷可任意选择， 面硬化层的硬度 。 试验载荷可任意选择 ， 故可测硬度范 围宽，工作效率较低。 围宽，工作效率较低。 4.韧性 韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力 冲击吸收功， 冲击吸收功，冲击韧度
高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 高分子和陶瓷材料的某些力学性能不如金属， 但具有金属材料不具备的某些特性，如耐腐蚀、电 但具有金属材料不具备的某些特性， 如耐腐蚀、 绝缘、隔音、减震、耐高温、质轻、来源丰富、 绝缘 、 隔音 、减震、 耐高温、质轻 、来源丰富 、 价 成形加工容易等优点，近年发展较快。 廉、成形加工容易等优点，近年发展较快。
图1-8 圆形拉伸试样
拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1-9所示， 拉伸曲线：以低碳钢为例，其拉伸曲线如图1 所示， 负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。 负荷为纵坐标，绝对伸长量为横坐标。 1.强度 拉伸曲线 oe 段是直线， 段是直线 ， 金属材料处在弹性变形阶 段 ， 应力与应变成正比例 关系， 服从虎克定律， 关系 ， 服从虎克定律 ， 其 比值称弹性模量， 比值称弹性模量 ， 是衡量 材料抵抗弹性变形能力的 指标。 指标。
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）
机械工程材料课件(ppt)
内部原子的排列是否有规则； 晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点； 晶体具有各向异性，而非晶体呈各向同性。
晶体 非晶体
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 1.金属晶体结构的基本概念
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 1.金属晶体结构的基本概念 晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。 晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。 晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c
晶格常数：底面边长a， 底面间距c， c/a=1.633 原子半径：a/2 原子个数：6 配位数：12 致密度：0.74 常见金属： Be、Mg、Zn、Cd、 - Ti等
密排六方晶格
r四=0.29 r原子 r八=0.15 r原子
r四=0.225 r原子 r八=0.414 r原子
r四=0.225 r原子 r八=0.414 r原子
第二章 金属材料的基础知识
机械工程材料课件 (ppt)
SDUST
机械工程材料
优选机械工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ材料课件
第一节 金属的晶体结构 第二节 合金的相结构 第三节 纯金属的结晶 第四节 合金的结晶 第五节 铁-碳合金相图
第一节 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 晶体：凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体。
非晶体：凡内部原子无规则排列的物质称为非晶体。
α-Fe等
体心立方晶格
第一节 金属的晶体结构
二、金属的晶体结构
2.典型的晶体结构
面心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径： 原子个数：4 配位数：12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Cu、Al、Ni、Au、 Ag、Pt等
面心立方晶格
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 2.典型的晶体结构 密排六方晶格
机械工程材料复习题
《机械工程材料》复习题第一章：金属得力学性能一、填空1、金属材料的性能包括和；使用性能主要有、、，工艺性能主要有、、。
2、常用的力学性能判据有：、、、和。
3、强度是指金属和的能力，塑性变形是指金属、发生不能，也称为永久变形。
4、强度的主要判据有、和；其符号分别为、和表示。
5、塑性是指金属材料断裂前发生的能力；一般δ或ψ值越大，。
6、硬度的试验方法较多，生产中常用的是、和。
7、500HBW5/750表示用直径为mm，材料为球形压头，在N压力下，保持s，测得硬度值为。
8、写出下列力学性能指标符号：屈服点、抗拉强度、洛氏硬度C标尺、断后伸长率、断面收缩率、冲击韧度及疲劳强度。
二、判断1、弹性变形能随载荷的去除而消失。
（）2、所有金属材料在拉伸试验时都会出现显著的屈服现象。
（）3、材料的屈服点值越小，则允许的工作应力越高。
（）4、做布氏硬度试验时，当试验条件相同时，其压痕直径越小，材料的硬度越低。
（）5、铸铁的铸造性能比钢好，故常用来铸造形状复杂的工件。
（）三、选择1、拉伸试验时，试样拉断前所能承受的最大拉应力称为（）。
A、屈服点B、抗拉强度C、弹性极限2、金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）。
A、塑性B、硬度C、强度四、名词解释1、内力与应力：2、弹性变形与塑性变形：3、屈服点与规定屈服点：4、疲劳强度与抗拉强度：五、问答题P10 1、6、10第二章：纯金属与合金的晶体结构一、填空：1、内部的原子按一定几何形状做有规则的重复排列；内部的原子无规律的堆积在一起。
晶体具有和的特征。
2、常见金属晶格类型有、和三种。
α—Fe属于晶格，γ—Fe 晶格，Zn 晶格。
3、根据晶体缺陷的几何形态、特点，可将其分为以下三类：、、、各种缺陷处及其附近晶格均处于，直接影响到金属的力学性能，使金属的、有所提高。
4、合金是指或、（或金属与非金属元素）组成的具有的新物质。
5、按合金组元间相互作用不同合金在固态下的相结构分为和两类。
工程材料与机械制造基础-第2章
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
屈服强度：
s
Ps F0
(MPa)
抗拉强度：
b
Pb F0
(MPa)
s /b
叫屈强比，一般为0.65-0.75。 屈强比越小，可靠性越高。 屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。
金属材料的强度与其化学成分和工艺过程 ，尤其是热处理工艺有密切的关系。
如: (1)纯金属的抗拉强度低
纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa (2)铁碳合金：退火状态下
σ-1 —— 疲劳强度, MPa
δ —— 伸长率、延伸率 αK —— 冲击韧性,J/cm2
7.比较45HRC 650HBW 800HV 240HBS的大小。 答：800HV >650HBW>45HRC>240HBS
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020 人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。1 7:50:38 17:50:3 817:50 10/24/2 020 5:50:38 PM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.2417 :50:381 7:50Oc t-2024- Oct-20 加强交通建设管理，确保工程建设质 量。17:50:3817 :50:381 7:50Saturday , October 24, 2020 安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2417:50:3817 :50:38 October 24, 2020 踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午5 时50分 20.10.2 420.10. 24 追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午5 时50分 38秒17 :50:382 0.10.24 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 下午5时 50分20 .10.241 7:50Oc tober 24, 2020 作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2 020年1 0月24 日星期 六5时50 分38秒 17:50:3 824 October 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午5时50 分38秒 下午5 时50分1 7:50:38 20.10.2 4 专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20. 10.2420 .10.241 7:5017:50:381 7:50:38 Oct-20 牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月24日 星期六5 时50分 38秒Sa turday , October 24, 2020 相信相信得力量。20.10.242020年10月 24日星 期六5 时50分3 8秒20. 10.24
《机械工程材料(第4版)》第二章教案
第二章碳钢碳钢是以铁元素为基再加入少量碳元素所组成的合金。
碳钢不仅价格便宜，而且性能优良，所以碳钢是机械工业中使用最为广泛的一种金属材料。
碳钢的成分不同，内部组织不同，内部组织不同，力学性能不同。
所以，碳钢的成分、组织与力学性能之间有着紧密的联系。
为能弄清这些联系，首先需要了解纯铁的组织和性能。
第一节纯铁的组织和性能一、纯铁的结晶过程金属通常是在液态下进行冶炼的，由液态金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶过程。
由于物质结晶时会放出热量（结晶潜热），所以，利用这种放热现象，便可间接判断金属的结晶情况。
1、过冷现象和过冷度把液态纯铁倒进坩锅里进行冷却，用热电偶来记录坩锅温度与时间的变化，能得到一条纯铁结晶的冷却曲线。
看图，温度坐标上标注的To温度，是纯铁的平衡结晶温度，或称理论结晶温度。
由于理论结晶温度是液态纯铁与固态纯铁共存的平衡温度，所以，当液态纯铁被冷到这个温度时不会发生结晶，不会放出结晶潜热，坩锅的温度会继续下降。
由于液态纯铁被冷到Tn温度时就会发生结晶，所以，这个Tn温度就是纯铁的实际开始结晶温度。
由于结晶一旦开始，便会放出结晶潜热，能够完全补尝液态纯铁在冷却时所散失的热量，所以坩锅的温度不仅不会继续下降，还会稍有回升。
当结晶时的放热和冷却时的散热达到平衡时，纯铁的结晶便会在恒温下进行。
当结晶结束不再放出热量时，坩锅的温度又继续降低。
可见，纯铁结晶时，实际开始结晶温度是低于理论结晶温度的，这种现象，称为过冷现象。
任何金属结晶时都会存在过冷现象，因为这是物质结晶的必要条件。
而Tn与To之间的温度差△T＝To－Tn,称为过冷度。
金属结晶时的过冷度大小，不仅取决于金属的性质和纯度，还取决于液态金属的冷却速度。
U↑，原子的扩散越来不及进行，Tn↓，△T↑。
实际结晶过程必须要在理论结晶温度以下才能进行的现象。
用热力学的观点则能得到很好地解释。
热力学定律指出：一个状态的稳定性是由该状态的自由能高低所决定的。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
机械工程材料课后习题参考答案
机械工程材料思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
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2.2.4 包晶相图的特征
Fe-C相图包晶部分
机械工程材料第2章
4.包晶相图的特征
机械工程材料第2章
2.2.5 具有稳定化合物的相图
机械工程材料第2章
2.2.6 具有共析反应的相图
机械工程材料第2章
2.2.7 二元合金相图与性能之间的关系
1.合金的使用性能与相图的关系
合金的性能与相图的关机系械工程材料第2章
¬ 聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为
金属晶体
¬ （2）冷却速度（外因）——冷速越大，则在
单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低， 而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。 ¬ 冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非 晶合金。
机械工程材料第2章
2.1.2 金属材料的制备
1.金属的冶炼 2.纯金属的结晶规律 ¬ ⑴ 液态金属的结构特点（结晶的充分条件）
机械工程材料第2章
金属锑锭的组织示意图
机械工程材料第2章
2.2 二元相图的基本类型
有关相图的基本概念： ¬ 合金状态 一定条件下合金有哪几个相组成 ¬ 相变 ¬ 临界点 相变的温度 ¬ 相图 反映在平衡条件下，合金的状态同温度、
成分之间关系的图形。
机械工程材料第2章
2.2.1 相图的建立
¬ 热分析法建立Cu-Ni 二元合金相图的过程
↑
↑
低温浇注 金属型代替砂型 水冷铸铁 局部加冷铁
2.化学变质处理
3.增强液体流动法
机械工程材料第2章
2.4.2 定向凝固技术
机械工程材料第2章
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/18
机械工程材料第2章
机械工程材料第2章
用热分析法建立Cu-Ni相图
（a）冷却曲线
（b）机械工测程材定料第的2章 相图
2.2.2 匀晶相图
¬ 特点：两组元在液态、固态下均可以任意比
例互溶（无限固溶体） ¬ Cu-Ni、Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等
¬ 1. 相图分析 ¬ •特性点 •特性线 •相区•基本相
2. 固溶体合金的平造性能与相图的关系
机械工程材料第2章
预习
¬准备 “2.3 铁碳合金相图分析”
¬
内容的课堂讨论
¬
参见“学习指导”P16~17中的
¬ 课堂讨论（铁碳合金相图）提纲
¬ 进行充分准备。
机械工程材料第2章
2.3 铁碳合金相图分析
机械工程材料第2章
铁碳相图讨论总结
一、相、相组分、组织、组织组分的关系 1 相=相组分(相组成物） 2 组织是由相组成的 3 组织组分一定是组织， 但组织不一定等于组织组分， 组织=各组织组分总和
机械工程材料第2章
机械工程材料第2章
Cu-Ni合金的显微组织示意图
机械工程材料第2章
固溶体合金的平衡结晶规律
(与纯金属相比)
¬ （1）变温结晶 ¬ （2）在结晶过程中，两平衡相的成分
和相对百分含量是不断变化的。液相的 成分沿着液相线变化，固相的成分沿着 固相线变化；此间的任一温度瞬时，都 可应用杠杆定律计算液固两相的相对百 分含量。
¬ 1. 相图分析
¬ （1）共晶相图的形成
机械工程材料第2章
（2）相区与基本相 （3）特性线与特性点
MEN水平线——共晶线(三相区)
机械工程材料第2章
2.典型合金的平衡结晶过程
¬（1）有限固溶体合金Ⅰ ¬（2）共晶成分的合金Ⅱ ¬（3）亚共晶成分合金Ⅲ ¬（4）过共晶成分合金Ⅳ
机械工程材料第2章
（1）有限固溶体合金Ⅰ
1 2 3
¬ 10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织
机械工程材料第2章
（1）有限固溶体合金Ⅰ
杠杆定律的应用 在kth温度下，计算 α和βⅡ的百分含量
机械工程材料第2章
（2）共晶成分的合金Ⅱ
¬ 共晶合金的冷却曲线及室温下的组织
机械工程材料第2章
（3）亚共晶成分合金Ⅲ
11
概念: 不平衡条件下,先结晶出的固 溶体和后结晶出的固溶体成分不同, 这种在一个晶粒内出现的成分不均匀 现象称为枝晶偏析。
¬ （a）不平衡结晶； （b）不平衡结晶的组织 机械工程材料第2章
¬ 消除办法:扩散退火(均匀化退火)
机械工程材料第2章
2.2.3 共晶相图
形成条件：固态为有限固溶体，发生共晶反应。
机械工程材料第2章
2020/11/18
机械工程材料第2章
2.1 材料的制备过程
冶炼
铸锭
铸造
铸件
焊接 热轧 板、型、管、线材 机加工
零件
热锻
机加工
零件
冷轧、拔、冲
（机加工）
零件
机械工程材料第2章
2.1.1 材料凝固与结晶的条件
¬ （1）熔融液体的粘度（内因）——是材料
内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表 示了液体中发生相对运动的难易程度。
2 2’
¬
亚共晶合金的冷却曲线及组织 机械工程材料第2章
（3）亚共晶成分合金Ⅲ
初晶的截取位置及相应的组织形貌
机械工程材料第2章
（4）过共晶成分的合金
1
¬
过共晶合金的冷却曲线及组织 机械工程材料第2章
3.两种填写相图的方法
以相组分形式填写的相图
机械工程材料第2章
3.两种填写相图的方法
¬ 标明组织组分的铅-锡合金相图 机械工程材料第2章
液态金属中存在 短程有序原子集团
结构起伏 (相起伏)
机械工程材料第2章
⑵ 金属结晶的必要条件
过冷度
过冷是结晶的必要条件
热分析法测定金属结晶温度 机械工程材料第2章
过冷度的影响因素 冷速↑ ↑
不同冷速下的冷却曲线示意图 机械工程材料第2章
自由能与温度的关系曲线
金属结晶的 能量条件
机械工程材料第2章
机械工程材料第2章
二、含碳量对铁碳合金平衡组织与 性能的影响
⑴ 对平衡组织的影响 ⑵ 对力学性能的影响
Wc不同，F和Fe3C的相对量不同； Fe3C的形态不同，导致性能不同
Fe3C的形态对性能的影响：
共析 Fe3C呈片状——↑强度、硬度 ↓塑性、韧性 Fe3CⅡ呈网状——↓ ↓强度、塑性、韧性 共晶 Fe3C为连续基体—— ↑硬度 ↓强度、塑性、韧性
机械工程材料第2章
3. 杠杆定律 及其应用
内容表述:在合金相图的两相 区内,若温度一定,则该温度 下两平衡相的成分及两平 衡相的相对量是一定的,且 两相相对量之比等于各自 相距较远的线段之比。
适用条件：
仅适用于两相区，用来 求两个平衡相的化学成分 和相对百分含量。
机械工程材料第2章
4.不平衡结晶——枝晶偏析
机械工程材料第2章
2.4 凝固与结晶理论的应用
2.4.1 铸态晶粒度的控制 晶粒度:晶粒大小 用晶粒的平均面积或平均直径
来表示 晶粒度对性能的影响——细晶强化 晶粒度的影响因素
形核率（N） N ↑ 晶粒细化 长大速度（G） G ↓ 晶粒细化
↑ 则晶粒细化
机械工程材料第2章
控制晶粒度的方法：
1.控制过冷度
⑶ 纯金属结晶的普遍规律——不断形成晶 核与晶核不断长大的连续过程
机械工程材料第2章
形核的方式:
① 自发形核 以液态金属中的结构起伏为基础 ② 非自发形核 依赖于液体中的固体质点
机械工程材料第2章
晶核长大方式
① 平面方式长大 ② 以树枝晶方式长大为主
机械工程材料第2章
单晶体与多晶体示意图