工程材料及其应用课后答案(西交)

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法。

布氏硬度试验法的优点：因压痕面积较大，能反映出较大围被测试材料的平均硬度，故实验结果较精确，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，不以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；压痕和较小，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。

维氏硬度试验法的优点是：不存在布氏硬度试验时要求试验力与压头直径之间满足所规定条件的约束，也不洛氏硬度试验是不同标尺的硬度无法统一的弊端，硬度值较为精确。

唯一缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。

1-5在下面几种情况下，该用什么法来测试硬度？写出硬度符号。

（1）检查锉刀、钻头成品硬度；（2）检查材料库中钢材硬度；（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层；（4）黄铜轴套；（5）硬质合金刀片；（1）检查锉刀、钻头成品硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

（2）检查材料库中钢材硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。

（3）检查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化层硬度采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

（4）黄铜轴套硬度采用布氏硬度试验来测定，硬度值符号HBW。

（5）硬质合金刀片采用洛氏硬度试验来测定，硬度值符号HRC。

1-6什么是冲击韧性？a K 指标有什么应用意义？冲击韧性是指金属材料在冲击力作用下，抵抗破坏的能力。

冲击韧性a K 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，是一个对成分、组织、结构极敏感的参数。

一般把冲击韧性值a K 低的材料称为脆性材料，把冲击韧性值a K 高的称为韧性材料。

1-7为什么疲劳断裂对机械零件有很大的潜在危险？交变应力与重复应力有什么区别？试举出一些零件在工作中分别存在着两种应力的例子。

疲劳断裂与静载荷作用下得断裂不同，无论是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的脆性断裂，而且往往工作应力低于其屈服强度，固有很大的危险性。

随时间做期性变化的应力称为交变应力，应力每重复变化一次的过程成为一个应力循环。

常见的循环应力有以下几种：(1)对称交变应力，如火车轴的弯曲对称交变应力，曲轴的扭转交变应力。

(2)脉动应力，如齿轮齿根的循环弯曲应力；轴承应力则为循环脉动压应力。

(3)波动应力，如发动机缸盖螺栓的循环应力。

(4)不对称交变应力，如汽车，拖拉机和飞机零件在运行工作时因道路或云层的变化，其变动应力呈随机变化。

第二章 材料的结构2-1：1g 铁在室温和1000℃时各含有多少个晶胞？（Fe 的相对原子质量56） 在室温：铁为体心立结构，每个晶胞中的原子数为2个，所以1g 铁含有的晶胞数为N=56121 A N =A N 1121 1000℃时: 铁为面心立结构，每个晶胞中的原子数为4个，所以1g 铁含有的晶胞数为N=56141 A N =A N 2241 2-2在立晶格中，画出下列晶向和晶面指数：（111），（110），（211）（-111），[111]，[110]，[112]，[-111]。

2-3求面心立晶体中[112]晶向上的原子间距。

d=√(a 2+(√2/2a)2= √(3/2) a2-4单晶体和多晶体有差别？为什么单晶体具有各向异性，多晶体具有各项同性？单晶体是由原子排列位向或式完全一致的晶格组成的；多晶体是由很多个小的单晶体所组成的，每个晶粒的原子位向是不同的。

√因为单晶体各个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，它在各个向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。

2-5简述实际金属晶体和理想晶体在结构与性能上的主要差异。

理想晶体中原子完全为规则排列，实际金属晶体由于多因素的影响，使这些原子排列受到干扰和破坏，部总是存在大量缺陷。

如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。

因此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而使晶体强度增加。

同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻，降低金属的抗腐蚀性能。

2-6简述间隙固溶体和间隙化合物的异同点。

间隙固溶体和间隙化合物都是溶质原子嵌入晶格间隙形成的。

间隙固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而间隙化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。

2-7有两种乙烯和丙烯的共聚物，其组成相同，但其中一种在是温室时是橡胶状的，温度一直降低值约-70时才变硬；而另一种是温室时却是硬而韧又不透明的材料。

试解释他们在结构上的区别。

高聚物在不同温度下有三种力学状态：玻璃态、高弹态、粘流态。

前者在室温下是橡胶态，-70℃时变硬，说明其玻璃态转变温度T g约为-70℃2-8瓷的典型组织由哪几部分组成？他们对瓷性能各起什么作用？瓷材料是多相多晶材料，其结构中同时存在：晶体相（晶相）、玻璃相、气相，各组成相的结构、数量、形态、大小及分布决定了瓷的性能。

晶相是瓷材料的主要组成相，对瓷的性能起决定性作用，晶相的结合键为：离子键、共价键、混合键；且晶体缺陷还可加速瓷的烧结扩散过程，影响瓷性能；瓷晶粒愈细，瓷的强度愈高。

玻璃相在瓷中的作用是：将分散的晶体粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高晶体的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大并填充气间隙；获得一定程度的玻璃特性。

但玻璃相对瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能是不利的。

气相指瓷隙中的气体即气。

它能使瓷强度降低、介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低。

第三章材料的凝固与结晶3-1为什么金属结晶时必须过冷？由热力学第二定律可知：在等温等压条件下，过程自动进行的向总是向着系统自由能降低的向。

即ΔG=GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。

3-2为什么金属结晶时常以枝晶式长大？在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布不均匀，凝固结束时，晶体中成分也不均匀，即有成分偏析现象。

而当成分过冷很大时，固溶体晶体以树枝状生长时，先结晶的枝晶主干溶质浓度低，枝晶外围部分溶质浓度高，形成树枝状偏析。

3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金。

若该合金以及慢速度冷却至室温，求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。

图3-1 Pb-Sn合金相图图3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织由相图（图3-1）可知，成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金（亚共晶合金）以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为：先进行匀晶转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。

极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体α和共晶组织(α+β)。

由于α固溶体的溶解度随温度变化较大，所以先共晶固溶体α中有点状βII析出（图3-2）。

相组成：先共晶α相的相对量为：1-（50-19.2）/(61.9-19.2)=72.13% 共晶组织中的α相占全部合金的相对量：（97.5-6.1.90）/(97.5-19.2)*72.13%=32.82%共晶组织中的β相相对量为1-32.82%=67.18%3-4请根据图3.44分析解答下列问题：（1）分析合金1、2的平衡结晶过程，并会出冷却曲线；（2）说明室温下1、2的相和组织是什么，并计算相和组织的相对含量；（3）如果希望得到的组织为：共晶组织和5%的ß初，求该合金的成分。

解（1）（2）：合金的冷却曲线如图3-3所示。

图3-3 合金I 的冷却曲线其结晶过程为：1以上，合金处于液相；1~2时，L→α，L 和α的成分分别沿液相线和固相线变化，到达2时，全部凝固完毕；2时，为单相α；2~3时，α→βII 。

α→β室温下，I 合金由两个相组成，即α和β相，其相对量为 Mα=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%Mβ=1- Mα=18%I 合金的组织为α+βII ,其相对量与组成物相同。

II 合金的冷却曲线如图3-4所示。

图3-4 合金II 的冷却曲线其结晶过程如下：1以上，合金处于均匀的液相；1~2时，进行匀晶转变L→β初；2时，两相平衡共存，L 0.50==β0.90；2~2，时，剩余液相发生共晶反应：L 0.50==α0.20+β0.902~3时，发生脱溶转变，α→β∏室温下，II 合金由两个相组成，即α相和β相，其相对量为：Mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%Mβ=1- Mα=88%II 合金的组织为：β初+（α+β）共晶；组织组成物的相对量为：m β初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%m （α+β）共晶=1- m β初=25%解(3)：设合金的成分为w B=x，由题意知：mβ初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%所以x=0.52，即该合金成分为w B=0.52.3-5画出相图，标出相区及各主要点的成分和温度，并回答下列问题：（1）45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么?它们从高温平衡冷却到室温要经过哪些转变？45钢室温平衡组织：铁素体α + 珠光体P冷却过程：匀晶转变L0.45→ L0.53+ δ，包晶转变L0.53 + δ → γ0.45，同素异晶转变γ0.45→ α + γ0.77，共析转变γ0.77 → (α +Fe3C)。