第五章 机械工程材料
《机械工程材料》复习习题及答案
第一章材料的性能1．1 名词解释δb δb δsδ0.2 δ-1 a k HB HRC1．2 填空题1．材料常用的塑性指标有(延伸率)和(断面收缩率)两种，其中用(延伸率)表示塑性更接近材料的真实变形。
2．检验淬火钢成品件的硬度一般用( 洛氏)硬度，检测退火件、正火件和调质件的硬度常用(布氏)硬度，检验氮化件和渗金属件的硬度采用(维氏)硬度试验。
3．材料的工艺性能是指( 铸造)性能、(锻造)性能、(焊接)性能、(切削加工)性能和(热处理)性能。
4．工程上常用金属材料的物理性能有( 熔点)、(密度)、（导电性）、(磁性)和(热膨胀性)等。
5．表征材料抵抗冲击载荷能力的性能指标是(冲击韧性ak )，其单位是( J/cm2 )。
1．3 简答题2．设计刚性好的零件，应根据何种指标选择材料?采用何种材料为宜?3．常用的硬度方法有哪几种?其应用范围如何?这些方法测出的硬度值能否进行比较?1．4 判断1．金属的熔点及凝固点是同一温度。
( 错)2．导热性差的金属，加热和冷却时会产生内外温度差。
导致内外不同的膨胀或收缩，使金属变形或开裂。
( 对)3．材料的强度高，其硬度就高，所以刚度大。
( 错)4．所有的金属都具有磁性，能被磁铁所吸引。
( 错)5．钢的铸造性比铸铁好，故常用来铸造形状复杂的工件。
( 错)1．5 选择填空1．在有关零件图图纸上，出现了几种硬度技术条件的标注方法，正确的标注是( D )。
(a)HBS650—700 (b)HBS＝250—300Kgf/mm2(c)HRCl5—20 (d) HRC 45—702．在设计拖拉机缸盖螺钉时应选用的强度指标是( a )。
(a) δb (b) δs(c) δ0.2(d) δp3．在作疲劳试验时，试样承受的载荷为( c )。
(a)静载荷(b)冲击载荷(c)交变载荷4．洛氏硬度C标尺使用的压头是( b )。
(a)淬硬钢球(b)金刚石圆锥体(c)硬质合金球5．表示金属密度、导热系数、导磁率的符号依次为( d )、( f )、( c )。
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。
机械设计基础各章知识点
机械设计基础各章知识点第一章：机械设计基础概述机械设计基础是机械工程学科的基础内容，是机械设计的理论和基本方法。
它包含了机械设计的基本原理、基本方法和基本规范，并介绍了机械设计的基本流程和设计过程中常用的软件和工具。
机械设计基础的学习对于理解和掌握机械设计的核心思想和基本技能具有重要意义。
第二章：机械工程材料机械工程材料是机械设计中非常重要的一部分内容。
机械工程材料主要包括金属材料、非金属材料和复合材料。
金属材料包括钢、铁、铝、铜等，非金属材料包括陶瓷、聚合物等。
机械工程材料的选择应根据设计要求、使用条件和成本等因素进行综合考虑。
第三章：机械零件设计机械零件设计是机械设计中的关键环节。
机械零件设计应遵循设计规范和原则，确保零件的功能和性能满足设计要求。
机械零件设计需要考虑零件的材料选择、尺寸设计、工艺性和可制造性等问题。
在进行机械零件设计时，还需要考虑零件与其他零件的配合、连接和传递力的问题。
第四章：机械传动基础机械传动是机械设计中的常见问题，它是将动力从一个部件传递到另一个部件的过程。
机械传动有很多种形式，包括齿轮传动、链传动、皮带传动等。
机械传动的设计需要考虑传动效率、传动比、传动扭矩和传动功率等因素。
第五章：机械结构设计机械结构设计是机械设计的一个重要方面。
机械结构设计包括机架、支撑件、外壳等结构的设计。
机械结构的设计应考虑结构的刚性、强度、稳定性和装配性等因素。
第六章：机械设计中的涉及计算机械设计中经常涉及到各种各样的计算。
比如，机械设计中常用的计算有力学计算、热传导计算、流体力学计算等。
机械设计中的计算需要掌握相应的计算方法和工具，以确保设计的正确性和可靠性。
第七章：机械设计中的创新方法机械设计中的创新方法是提高设计质量和效率的关键。
机械设计中的创新方法包括设计思维、设计过程和设计工具等。
在机械设计中，创新方法可以提高设计的可操作性、可靠性和适应性，同时也能够减少设计的时间和成本。
总结：机械设计基础各章知识点涵盖了机械设计的核心内容和基本方法。
机械工程材料第二版课后答案
1－3 现有一碳钢制支架刚性不足，采用以下三种方法中的哪种方法可有效解决此问题？为什么？①改用合金钢；②进行热处理改性强化；③改变该支架的截面与结构形状尺寸。
答：选③，改变该支架的截面与结构形状尺寸。
因为金属材料的刚度决定于基体金属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、冷热加工等方法使之改变。
1－4 对自行车座位弹簧进行设计和选材，应涉及到材料的哪些主要性能指标？答：强度、弹性、疲劳极限。
1－9 传统的强度设计采用许用应力[σ]= σ0.2/n,为什么不能一定保证零件的安全性？有人说：“安全系数n越大，零件工作时便越安全可靠。
”，你怎样认识这句话？答：传统的强度设计采用[σ]= σ0.2/n ，都是假设材料是均匀无缺陷的，而实际上材料中存在着既存或后生的微小宏观裂纹，因此在实际的强度设计中还应考虑材料抵抗脆性断裂的力学性能指标—断裂韧度（KI），只考虑许用应力[σ]= σ0.2/n 是不能保证零件的安全性的。
“n越大，零件越安全”也是不对的，因为[σ]= σ0.2/n,n增大就会使[σ]降低而牺牲材料的强度，将塑性和韧性取大一些，导致[σ]偏低而零件的尺寸与重量增加，浪费了原材料。
1－11 一般认为铝、铜合金的耐蚀性优于普通钢铁材料，试分析在潮湿性环境下铝与铜的接触面上发生腐蚀现象的原因。
答：潮湿环境下铝与铜的接触面上会发生电化学腐蚀，因为这时铝与铜的接触面因电极电位不同存在着电极电位差而发生电化学腐蚀。
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、Zn2-2 已知－Fe的晶格常数（a=3.6 ）要大于－Fe的晶格常数（a=2.89 ）,但为什么－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积反而增大？答：－Fe冷却到912℃转变为－Fe时体积增大，是因为转变之后面心立方的－Fe转变为体心立方的－Fe时致密度变小。
机械工程材料_沈莲_05章_铸铁
一、石墨化过程
铸铁中的碳元素除了少部分固溶于铁素体和奥 氏体，还可以以渗碳体（Fe3C）化合物和游离态 的石墨（Graphite）两种形式存在。
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。
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电气信息工程学院
机械工程材料
机械工程材料
若将含有铸铁成分的铁碳合金从液态以极其缓 慢的平衡状态进行冷却时，则其组织转变将按照 Fe-G相图进行，且石墨化过程可分为三个阶段。
第一阶段，液态石墨化阶段。从液体中直接析 出的石墨和在1154℃时通过共晶转变而形成的共
晶石墨。L4.26 2.08 G共晶
第二阶段，中间石墨化阶段。是从1154℃~ 738℃的冷却过程中，自奥氏体中析出的石墨。
1. 化学成分的影响
铸铁中的C和Si是促进石墨化的元素，它们的 含量越高，石墨化过程越易进行。
此外，P、Al、Cu、Ni、Co等元素也会促进石 墨化；而S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素则阻碍 石墨化。
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第五章 铸铁
CAST IRON
机械工程材料
铸铁：碳的质量分数Wc大于2.11%（一般为 2.5%~5.0%）的铁碳合金。详尽地说，铸铁中也 含有Si（硅）、Mn（锰）、S（硫）、P（磷）等 其他元素。
铸铁
白口铸铁 P Fe3CII Ld Ld Fe3CI Ld 灰口铸铁 F G F P G P G
图5-2中，实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示 Fe-G相图。
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电子课件-《机械加工基础》-A02-25849 第五章 工程材料及金属热处理
第五章 工程材料及金属热处理
２. 铸铁 铸铁的含碳量一般在 2.5％ ~ 4.0％ 之间。 (１) 铸铁的分类 １) 白口铸铁。 ２) 灰铸铁。 ３) 可锻铸铁。 ４) 球墨铸铁。 ５) 合金铸铁。
第五章 工程材料及金属热处理
(２) 灰铸铁 １) 灰铸铁的优点。 ①优良的铸造性。 ②良好的切削加工性。 ③优良的减摩性。 ④良好的消振性。 ⑤较低的缺口敏感性。 ２) 灰铸铁的牌号。 灰铸铁的牌号由 “ HT” + 数字表示。
(２) 合金钢的分类 １) 按用途不同，合金钢可分为合金结构钢、 合金工具钢和特殊性能 钢。 ２) 按合金元素总含量不同，合金钢可分为低合金钢、 中合金钢和高 合金钢。 (３) 合金钢的牌号 １) 合金结构钢。 其采用两位数字 ( 含碳量) + 元素 ( 或汉字) + 数字表 示。 ２) 合金工具钢。 其采用一位数字 + 元素符号 + 数字表示。 ３) 特殊性能钢。 其特殊性能钢的牌号与合金工具钢的表示方法相同。
第五章 工程材料及金属热处理
３. 碳素钢的牌号及用途 (１) 碳素结构钢的表示方法 碳素结构钢的牌号由字母 “ Q” 、 屈服强度数值、 质量等级符号、 脱氧方法符号四部分组成。 (２) 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的牌号用该钢平均含碳量的万分数来表示，如果钢中 的含锰量较高(wMn ＝ 0.7％ ~ 1.2％ ) ，要在牌号后面标出元素符号 “ Mn” 。 (３) 碳素工具钢 碳素工具钢的牌号以汉字 “ 碳” 的汉语拼音字母 “ T” 及后面含碳 量的千分数表示。
第五章 工程材料及金属热处理
３. 常用硬质合金 (１) 钨钴类硬质合金 主要成分为碳化钨及钴。 其代号用 “ YG” + 钴含量的百分数表示。 (２) 钨钴钛类硬质合金 它的主要成分为碳化钨、 碳化钛及钴。 其代号用 “ YT” + 碳化钛的 百分数表示。 (３) 通用硬质合金 以碳化钽或碳化铌取代 YT 类硬质合金中的一部分碳化钛制成。 万能硬质合金代号用 “YW” + 顺序号表示。
《机械工程材料(第4版)》第5章
答案：C
解题过程：第三阶段不进行，不会析出α。
3、下列哪种材料的疲劳性能对缺口敏感度的影响(q值)最小（）
A.灰铸铁B.碳钢C.合金钢D.陶瓷材料
答案：A
解题过程：灰铸铁q值很低的原因是其组织中的石墨片本身就是一种缺口，所以对试样表面缺口反而不敏感。
4、铸铁中wSi每增加1%，共晶点碳的质量分数相应（）
A.增加1/3B.降低1/3C.增加0.4倍D.降低0.4倍
答案：B
解题过程：略。
5、那个选项具有与中碳钢媲美的性能，可以制造发动机曲轴。（）
A.球墨铸铁B.灰铸铁C.可锻铸铁D.蠕墨铸铁
答案：A
解题过程：略。
二、判断题
1、可锻铸铁中的石墨是在铸造冷却过程中形成的。（）
答案：Y
解题过程：略。
三、填空题
1、铸铁中除了Fe和C以外的主要元素是______________。
答案：Si
2、铸铁的石墨化：_________________________________________________。
答案：铸铁组织中析出碳原子，形成石墨的过程称为铸铁的石墨化过程。
3、影响铸铁石墨化的两个主要因素是___________________和_____________________；其对石墨化的影响趋势分别是____________________________和______________________。
《工程材料基础》课后测试试卷
《工程材料基础》课后测试试卷第五章
一、单项选择题
1、下列材料中适合作汽车减速器壳的是（）
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。
工程材料第五章作业答案
1.画出Fe-Fe3C相图，指出图中S、E、GS、SE、PQ、PSK和ECF 各点线的含义，并标注各区域的相组成物或组织组成物。
略2.何谓铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）？铁素体（F）：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。
奥氏体（A）：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
渗碳体（Fe3C）：C与Fe的化合物。
珠光体（P）：铁素体与渗碳体的机械混合物。
3.在Fe-Fe3C相图上，指出碳在α-Fe和γ-Fe中的溶解度曲线，并指出它们的溶碳范围。
α-Fe：0～0.0218%γ-Fe：0～2.11%4.分别画出含碳为0.45%、0.77%、和1.0%的铁碳合金的结晶过程和室温组织。
w C=0.45%，亚共析钢w C=0.77%，共析钢：w C=1.0%，过共析钢：5.计算下列问题（1）0.6%C钢中的珠光体和铁素体各占多少？（2）1.2%C钢中的珠光体和渗碳体（二次）各占多少？6.某钢试样在显微镜下观察，发现珠光体占40%，铁素体占60%，试问这是什么成分的钢？首先由题设可知，该钢为亚共析钢。
设碳含量为x：求出x=0.32，即该钢为0.32%C的亚共析钢。
7.写出下列牌号钢材所属种类，含碳量和主要用途：45、50、T8、T12A。
45：平均碳含量为0.45%的优质碳素结构钢。
50：平均碳含量为0.50%的优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制比较严格，塑韧性较好，多用于制造较重要零件。
T8：平均碳含量为0.8%的碳素工具钢。
T12A：平均碳含量为1.2%的高级碳素工具钢。
碳素工具钢含碳量较高，适用于制作工具。
8.解释下列名词α-Fe、α相与铁素体、γ-Fe、γ相与奥氏体α-Fe：具有体心立方晶格的Fe。
α相与铁素体：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格γ-Fe：具有面心立方晶格的Fe。
γ相与奥氏体：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
机械工程材料 第五、六章 工业用钢和铸铁
相当于是在Q235的基础上多添加了0.6～0.8%的 Mn。 3应用 桥梁钢构、船用钢板、车用钢板等。
5-3
南京长江大桥中的钢结构
上海卢浦大桥
5-3
5-3
“利丰南海”—2005年温州地区造 船企业在本土建造的第一艘万吨级 （11000T）国际航线集装箱船
温州船舶建造企业制造—2.3万吨散货 船瑞盛10号，2007年12月25日上午在乐清市 七里港顺利下水
5-1
合金工具钢
用“数字＋元素符号＋数字”表示
例：
9 Mn 2
表示该钢含有钒元素，平均wV小于 1.5% 表示该钢含有锰元素，平均wMn为2%
V
表示wC的千分之几
滚动轴承钢
用“G＋数字”表示
例： G
Cr 1 5
表示该钢含有铬元素，平均wCr为1.5%
“滚动轴承钢”的汉语拼音字头
5-1
不锈钢
第五章 工业用钢
钢的分类、编号、杂质元素 结构钢、工具钢、特殊性能钢
5-1
钢 ：以铁为主要元素，碳一般在2.11%以下并含有其他元素的材料
工业用钢中的元素： 主要元素：碳； 常存元素：锰、硅、硫、磷； 偶存元素：铜、钛、钒、稀土元素； 隐存元素：氧、氢； 合金元素：铬、镍、钨、钼、钒、钛、锰、硅、铜、磷 等。 （Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、Cu、Co、 N、B、RE；）
wMn对区的影响
wCr对区的影响
5-2
3、合金元素对钢的热处理的影响
①对奥氏体化的影响 除Ni、Co外，大多数合金元素都延缓钢的奥氏体化过程。 它们阻碍C、Fe的扩散，因此合金钢的A化温度较高、时间较长。 ②对奥氏体晶粒度的影响 除Mn外，几乎所有合金元素都细化晶粒。 以碳化物的细化晶粒效果最显著，阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。 ③对钢的淬透性的影响 除Co外，大多数合金元素，都提高淬透性。 ④对钢的回火稳定性的影响
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。
机械工程材料 第三版 第五章 铁碳合金相图
② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
㈠工业纯铁的 结晶过程
合 金 液 体 在 1-2
点间转变为， 3-4 点 间 → ， 5-6 点 间 → 。 到7点，从中
析出Fe3C。
L+ H B
J
N +
+ S
工业纯铁的结晶过程
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
㈡ 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2点间转变
为。到S点
发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
共析钢的结晶过程
珠光体在光镜下呈指纹状. 变结束时，珠光体中相的
相对重量百分比为：
Q
SK PK
6.69 0.77 6.69 0.0218
88.8%,
Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
机械工程材料 第五章 钢的热处理.答案
30s
650 550
2s
40s
2s 5s
10s
2、C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵
坐标之间的距离为
孕育期。
孕育期越小，过冷
奥氏体稳定性越小.
孕育期最小处称C
曲线的“鼻尖”。
碳钢鼻尖处的温度
为550℃。
在鼻尖以上, 温度较 高，相变驱动力小.
在鼻尖以下，温度
较低，扩散困难。
从而使奥氏体稳定
为板条与针状的混合
组织。
0.2%C 0.45%C 1..2%C
3、马氏体的性能 高硬度是马氏体性 能的主要特点。 马氏体的硬度主要 取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬
C%
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
度增加。
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。
合金元素对马氏体硬度的影响不大。
℃
温 度 ，
共析钢奥氏体化曲线（875℃退火）
体成分趋于均匀。
共析钢奥氏体化过程
亚共析钢和过共析钢的奥 氏体化过程与共析钢基本
相同。但由于先共析 或
二次Fe3C的存在，要获得
全部奥氏体组织，必须相
应加热到Ac3或Accm以上.
二、奥氏体晶粒长大及其影响因素
1、奥氏体晶粒长大 奥氏体化刚结束时的 晶粒度称起始晶粒度, 此时晶粒细小均匀。
(a)940淬火+220回火（板条M回+A‘少）(b)(c)(d)940淬火+820、780、750淬火（板条M+条状F+A’少） (e)940淬火+780淬火+220回火（板条M回+条状F+A‘少）(f)780淬火+220回火（板条M回+块状F）
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。
机械工程材料 第五章作业(铁碳相图)
高温莱氏体:是奥氏体和渗碳组织体组成的机械混合物.
低温莱氏体:它是珠光体和渗碳组织体组成的机械混合物.
＜4.3C%
＝4.3%C
＞4.3%C
5一3 分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、
共析渗碳体的异同之处。答案如下：
◆一次渗碳体：Fe3CⅠ是从液相中析出，室温下在组织中以白色 板条状分布在莱氏体的基体上。 ◆二次渗碳体：Fe3CⅡ是从奥氏体中析出，在高温下以白色网状 分布在奥氏体的晶界上。在室温温下以白色网状分布在珠光 体的晶界上。 ◆三次渗碳体：Fe3CⅢ是从铁素体中析出，室温下以白色网状分 布在铁素体的晶界上。 ◆共晶渗碳体：Fe3C晶是从共晶成分（4.3%C）液体中析出， 室温、高温下在组织中为白色基体。 ◆共析渗碳体：Fe3C析是从共析成分（0.77%C）奥氏体中析出， 室温下在组织中为黑色片状。
5一4 根据Fe一Fe3C相图计算，室温下，WC分别为0.2％和1.2％的 钢中组织组成物的相对量。
F=(0.77-0.2/0.77-0.02)×100%=0.76=76% Fe3CⅡ=（1.2-0.77/2.11-0.77)×100% = 0.32 = 32% P =1- Fe3CⅡ%=1-32%= 68%
(3)绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时 用钢丝绳（用WC为0.60%,、0.65%、0.70％的钢等制成）。 答案：因前者要求塑性好易变性，应选用铁丝。 后者要求强度高。应选用0.6-0.7%C的钢丝制作。
(4）在1100℃时，WC = 0.4％的碳钢能进行锻造，而wc＝4.0％的 铸铁不能进行锻造。 答案：因碳钢在1100 ℃时变成单一奥氏体组织，易锻造成型。 而铸铁在1100 ℃时不能变成单一奥氏体组织，它是奥氏 体和渗碳体组成的机械混合物，锻造易开裂，故铸铁不 能进行锻造只能铸造。 (5）在室温下，WC = 0.8％的碳钢比WC = 1.2％的碳钢强度高。 答案：因0.8%C在室温下组织中没有脆性大的二次渗碳体 （Fe3CⅡ）。故强度高
机械工程材料：第五章 铁碳合金相图及碳钢
Q
5K 100% PK
组织组成物的相对重量为
QP
P5 PS
100%，Q
5S PS
100%
室温下相的相对重量
百分比为：
Q6 QFe3C QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008
Q
6L QL
100% QFe3C
S’
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
QP
Q6 QS '
C 0.0008 100%, 0.77 0.0008
从 Fe-FesC 相图中可知 ,铸 钢的凝固温度区间较宽 ,故流动性 差 ,化学成分不均匀 ,易形成分散 缩孔 。一般采用提高浇注温度来 改善流动性 , 这样会使高温奥氏 体晶粒粗大 ,且冷却速度又比较 快 , 迫使铁素体沿奥氏体一定晶 面以针状组织析出 , 这种组织称 为魏氏组织(如图所示) 。
同素异晶转变：固态金属随温度的变化，由一种晶体结构转变成另一种晶 体结构的过程。 具有同素异晶转变的金属：Fe、Co、Ti、Mn Sn等。
二、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元 Fe、 Fe3C
⒉相
液相L、高温铁素体δ 、奥氏体A（ ）、 （低温）铁素体F （ ）、渗碳体Fe3C （Cm）
(1)铁素体 （符号：F） 碳在体心立方的α-Fe或δ-Fe的晶格间隙中形成的间隙固溶体。
三铁碳合金相图a1538铁的熔点c1148含碳量43共晶点d1227渗碳体的熔点e1148含碳量211碳在奥氏体中最大溶解度点s727含碳量077共析点p727含碳量00218碳在铁素体中最大溶解度点q室温含碳量00008室温时碳在铁素体中最大溶解度点1特性点g912铁的同素异构转变点2特性线ecf共晶反应线psk共析反应线符号abcd液相线es碳在奥氏体中的溶解度线符号acmpq碳在铁素体中的溶解度线gs冷却时奥氏体开始析出铁素体加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线符号fefe工业纯铁含碳量000218亚共析钢含碳量00218077共析钢含碳量077
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25
5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶 根据回复再 结晶原理， 分析冷变形 金属焊缝周 围区域的组 织结构和性 能？
26
5.1形变强化 金属的热加工
• 冷加工：再结晶温 度以下的塑性加工 过程 • 热加工：再结晶温 度以上的塑性加工 过程
加工硬化和回复再
结晶同时发生动 态回复和动态再结 晶
s o K 1
d
•材料晶粒细化，强度升高， 其韧性也会升高---与其它强 化机制所不同的特点 根据目前的知识，指出获得细晶粒的 工程方法？
46
5.4细晶强化
晶粒大小对不同材料的强度的影响试验曲线
47
5.4细晶强化
细晶强化机制
• 晶界强度高，晶粒细化，晶界 增多，材料宏观强度升高强度。 因此细晶强化也称晶界强化 • 晶粒细化，在载荷相同时，每 个晶粒所分担的载荷较小，因 此在材料本征强度相同时，材 料宏观强度高 • 晶粒细化，当宏观变形相同时， 每个晶粒的变形量较小，以致 宏观材料受载变形断裂时吸收 的外力做功更多，韧性高
14
5.1形变强化 塑性变形对金属组织结构的影响
1.形成纤维组织
15
5.1形变强化
塑性变形对金属组织结构的影响
2. 形成形变织构
16
5.1形变强化
塑性变形对金属组织结构的影响
2. 形成形变织构
17
5.1形变强化
塑性变形对金属组织结构的影响
3. 亚结构细化 随着变形量的增 加，位错交织缠 结，在晶粒内形 成胞状亚结构， 叫形变胞 4. 点阵畸变严重 金属在塑性变形中产生 大量点阵缺陷（空位、 间隙原子、位错等）， 使点阵中的一部分原子 偏离其平衡位置，而造 成的晶格畸变。
39
5.3 第二相强化
时效状态与性能：时效合金的性能随时效 状态而变化
40
5.3 第二相强化
根据固溶时 效原理，分 析时效合金 焊缝周围区 域的组织结 构和性能？
41
5.3 第二相强化
粉末冶金原理、工艺与强化机制
概念
工艺过程
利用金属粉末或金属粉末与非金属粉末 的混合物作原料，经过压制成型和烧结 两个主要工序来生产各种金属制品的方 法 粉末的制备、压制成型、烧结及后处理 将细小、强硬的第二相颗粒与金属基体 相均匀混合烧结成一体，以致第二相弥 散于金属基体中，达到弥散强化的效果
冷变形金属的回复与再结晶
•回复：冷塑性变形金属在加热时，在光学显微组织发 生改变前所产生 的某些亚结构和性能的变化过程 •亚结构变化：点缺陷密度下降；位错组态分布规则化， 数量有所降低 •性能变化：大大降低残余应力、物理化学性能稳定化
21
5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶
•再结晶：冷变形金属加 热温度高于回复温度时， 在变形组织的基体上产 生新的无畸变晶核，并 长大成等轴晶粒，逐渐 取代全部变形组织的过 程，称为再结晶 •最低再结晶温度： T再(K)=(0.35~0.5)Tm(K)
溶质原子类型
第五章 工程材料的强化理论
5.1形变强化 5.2固溶强化 5.3 第二相强化 5.4细晶强化
35
5.3 第二相强化
当第二相以细小弥散的微粒均 匀分布于基体相中时，将阻碍 位错运动, 产生显著的强化作用 如果第二相微粒是通过过饱和 固溶体的时效处理而沉淀析出 并产生强化 第二相微粒是通过粉末冶金方 法加入并起强化作用
２．时效 经固溶处理的合金 在室温或一定温度 下加热保持一定时 间，使过饱和固溶 体趋于某种程度的 分解脱溶并生成第 二相分布于基体中
38
5.3 第二相强化
时效的一般过程
过饱和固溶体→饱和α1固溶体＋溶质富集区 →饱和α2固溶体＋亚稳相
→饱和α固溶体＋平衡相
组织结构变化： • 由单相固溶体（高固溶度）转变为弥散相＋固溶体 （低固溶度）双相或多相组织 • 时效过程中可能有多种亚稳相析出 • 时效工艺变化，时效析出相的大小、分布有所变化
3
第五章 工程材Biblioteka 的强化理论5.1形变强化 5.2固溶强化 5.3 第二相强化 5.4细晶强化
4
5.1形变强化
单晶体的塑性变形过程和特点：
• 金属单晶体抛光样品塑性变形后，表面形貌： 平行线、台阶滑移和滑移带 • 金属单晶体塑性变形的基本方式：滑移和孪生
滑移 滑移系
5
5.1形变强化
滑移: 晶体一部分在切应力作用下 在某晶面上沿着一定晶体取向与 对应部分产生相对滑动的现象
48
5.4细晶强化
细化晶 粒方法 1. 对铸态使用的合金：合理控制冶 铸工艺，如增大过冷度、加入变质 剂、进行搅拌和振动等 2. 对热轧或冷变形后退火态使用的 合金：控制变形度、再结晶退火温 度和时间 3. 对热处理强化态使用的合金：控 制加热和冷却工艺参数, 利用相变重 结晶来细化晶粒
49
42
强化机制
5.3 第二相强化
粉 末 冶 金 工 艺 过 程
43
第五章 工程材料的强化理论
5.1形变强化 5.2固溶强化 5.3 第二相强化 5.4细晶强化
44
5.4细晶强化
•显微硬度测量：晶界硬度高 •拉伸形貌：晶界变形小，变 形抗力大
试验现象
45
5.4细晶强化
细晶强化特点 •材料的宏观强度与其晶粒尺 寸的平方根成反比
滑移应力：切应力 F F cos k A0 As cos F cos cos A0 s cos cos (取 向 因 子 ）
• 临界分切应力：外力作用使滑移系上的晶体产生滑移变 形的最小应力，取决于金属本性 • 单晶体的屈服强度取决于临界分切应力和取向因子
6
5.1形变强化
7
5.1形变强化
•滑移的能量原理：金属塑性变形遵从能量最 低原理。滑移只能从一定晶面和晶体方向上 进行
滑移面：原子排列最密排面。晶面间距最大， 切变变形所需要的分切应力最小 滑移方向：原子排列最密排方向。此时原子间 距最小，原子滑移变形从一个稳定位臵至下一 个稳定位臵所经距离最小，外力做功小
《机械工程材料》
主讲教师：吴宜勇
电话：86412462
1
主要内容
绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
材料的内部结构 结晶与显微组织 工程材料的力学性能 工程材料的物理、化学性能 工程材料的强化理论 钢的热处理与马氏体相变强化 钢铁材料 有色金属及其合金
2
第五章 工程材料的强化理论
27
5.1形变强化
金属的热加工对组织结构的影响
１改善铸态组织缺陷
可使铸态组织中的气 孔、疏松及微裂纹焊 合，提高金属致密度， 某些高合金钢中的莱 氏体和大块初生碳化 物可被打碎并使其分 布均匀等。
２出现纤维组织
在热加工过程中铸 态金属的偏析、夹 杂物、第二相、晶 界等逐渐沿变形方 向延展，在宏观工 件上勾画出一个个 线条，这种组织也 称为纤维组织。
刃位错的运动
螺位错的运动
混合位错的 运动
10
5.1形变强化
孪生条件:当金属中滑移系较少或晶体取向不利于滑 移，位错不能开动时，可进行孪生变形。 孪生过程：晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 与晶向产生一定角度的均匀切变过程 ，导致变形 孪生切应力远高于滑移临界分切应力，但变形速度快
11
5.1形变强化
19
5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶
• 冷变形金属的稳定性：处于能量较高的 亚稳定状态 • 变形不均匀性导致残余应力不均匀分布 • 冷变形金属加热后结构和性能变化在工 程中的应用 • 冷变形金属加热后，随加热温度升高发 生回复、再结晶和晶粒长大过程，最 终冷变形组织消失。
20
5.1形变强化
•异常再结晶：由于变形不均匀使再结晶形核长大过程 不均匀，而产生异常长大，再结晶晶粒粗大。变形程 度在临界变形度以下时，易于产生异常再结晶 •晶粒长大：再结晶完成后，继续保温晶粒会继续长大
正常长大：均匀长大 异常长大：由于杂质或第二相溶解，使部分晶粒无约束长大
24
5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶
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5.1形变强化 金属的热加工
29
5.1形变强化 金属的热加工
30
第五章 工程材料的强化理论
5.1形变强化 5.2固溶强化 5.3 第二相强化 5.4细晶强化
31
5.2固溶强化
实践观察 Cu-Ni固溶体合金 的力学性能（强度 和塑性）随固溶度 变化规律
32
5.2固溶强化
固溶强化现象 溶质原子溶入金属 基体而形成固溶体， 使金属的强度、硬 度升高，塑性、韧 性有所下降，这一 现象称为固溶强化。 固溶强化原因 由于溶质原子造成 了固溶体的点阵畸 变，其应力场将与 位错应力场发生弹 性交互作用并阻碍 位错运动，这是产 生固溶强化的主要 原因。
22
5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶
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5.1形变强化
冷变形金属的回复与再结晶
•再结晶晶粒大小控制：
塑性变形程度：变形程度越大，再结晶晶粒尺寸越小 变形温度：塑性变形温度高，变形能小，再结晶晶粒较粗大 原始晶粒尺寸：始晶粒越细，再结晶晶粒越细 杂质与合金元素：杂质一般起到细化晶粒的作用 退火温度：变形相同时，再结晶退火温度越高，晶粒粗大
33
5.2固溶强化
固 溶 强 化 的 主 要 影 响 因 素
溶质原子浓度 溶质/溶剂原 子尺寸差 溶质原子浓度越高，强化作 用也越大 溶质溶剂原子尺寸相差越大， 强化效果越显著 1. 溶质原子造成球对称的点阵 畸变，其强化约为G/10 2. 溶质原子造成非球对称的点 阵畸变，其强化约为G的几倍
34
多晶体的塑性变形特点 不同时性 不均匀性 协调性
只有处在有利位向（取向 每个晶粒的变形量各不相 因子最大）的晶粒的滑移 多晶体的塑性变形是通过 同，而且由于晶界的强度 系才能首先开动 各晶粒的多系滑移来保证 高于晶内，使得每一个晶 相互协调性。根据理论推 粒内部的变形也是不均匀 算，每个晶粒至少需要有 的。 五个独立滑移系。