工程材料与热处理 第1章作业题参考答案

1．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。

σe、σs、σ r 0.2、σb、δ、ψ、a k 、σ-1、HRA、HRB、HRC、HBS(HBW)。

σe是弹性极限，是材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值；

σs是屈服强度，是材料产生屈服现象时的最小应力值；

σ r 0.2是以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度；

σb是抗拉强度，是材料断裂前所能承受的最大应力值；

δ是伸长率，试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比；

ψ是断面收缩率，是试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比；

a k是冲击吸收功，摆锤冲击试验中摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击吸收功；

σ-1是材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力；

HRA、HRB、HRC是洛氏硬度由于不同的压头和载荷组成的几种不同的洛氏硬度标尺而产生的三种表示方法；

HBS(HBW)是布氏硬度，用淬火钢球做压头测得的硬度用符号HBS表示，用硬质合金做压头测得的硬度用符号HBW表示。

2．低碳钢试样在受到静拉力作用直至拉断时经过怎样的变形过程?

由最初受力时的弹性变形到超过屈服极限的塑性变形到最后超过抗拉强度后的断裂。

3．某金属材料的拉伸试样l0=100mm，d0=10mm。拉伸到产生0.2％塑性变形时作用力(载荷)F0.2=6.5×103N；F b=8．5×103N。拉断后标距长为l l=120mm，断口处最小直径为

d l=6.4mm，试求该材料的σ0.2、σb、δ、ψ。

σ0.2= F0.2/ s0=(6.5×103)/π×（10/2）2

=82.8MPa

σb= F b/ s0=(8.5×103)/π×（10/2）2

=108.28MPa

δ=(l l- l0)/ l0×100%=20%

ψ=( s0- s1)/ s0=[π×（10/2）2-π×（6.4/2）2]/π×（10/2）2=59.04%

4．钢的弹性模量为20.7×104MPa，铝的弹性模量为6.9×104MPa。问直径为2.5mm，长12cm 的钢丝在承受450N的拉力作用时产生的弹性变形量(Δl)是多少?若是将钢丝改成同样长度的铝丝，在承受作用力不变、产生的弹性变形量(Δl)也不变的情况下，铝丝的直径应是多少?

Δl=F×l/(E×A)=5.3×10-2mm

根据变形量相等，所以E钢×A钢= E铝×A铝

易求得d铝=4.33mm

5．某钢棒需承受14000N的轴向拉力，加上安全系数允许承受的最大应力为140MPa。问钢棒最小直径应是多少?若钢棒长度为60mm、E=210000MPa，则钢棒的弹性变形量(Δl)是多少?

σe= F e/ s0, 所以最小直径d,有π（d/2）2= F e/σe

d=11.28mm

Δl=F×l/(E×A)=0.04mm

6．试比较布氏、洛氏硬度的特点，指出各自最适用的范围。下列几种工件的硬度适宜哪种硬度法测量：淬硬的钢件、灰铸铁毛坯件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度。

布氏硬度：

具有较大的压头和较大的试验力,得到压痕较大，因而能测出试样较大范围的性能。与抗拉强度有着近似的换算关系。测量结果较为准确。对材料表面破坏较大，不适合测量成品。测量过程复杂费事。适合测量灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料，适用于原料及半成品硬度测量。

洛氏硬度：

采用测量压入深度的方式，硬度值可直接读出，操作简单快捷，工作效率高。然而由于金刚石压头的生产及测量机构精度不佳，洛氏硬度的精度不如维氏、布氏。适用于成批量零部件检测，可现场或生产线上对成品检测。

灰铸铁毛坯件适宜用布氏硬来测量；淬硬的钢件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度适宜用洛氏硬度来测量。

7．若工件刚度太低易出现什么问题?若是刚度可以而弹性极限太低易出现什么问题?

工件如果刚度太低则会在受力时较容易产生弹性变形，弹性变形过大。如果刚度可以而弹性极限太低则会在受力时比较容易塑形变形。

8．指出下列硬度值表示方法上的错误。12HRC～15HRC、800HBS、230HBW、550N／mm2HBW、70HRC～75HRC、200N／mm2HBS。

12HRC～15HRC，HRC的表示范围是20~70；

800HBS，HBS的表示范围小于450；

230HBW，HBW的表示范围是450~650；

550N／mm2HBW，不需要单位N／mm2

70HRC～75HRC，HRC的标尺使用范围是20～70HRC

200N／mm2HBS，不需要单位N／mm2

9．根据GB700—88《碳素结构钢》的规定牌号为Q235的钢σb≥235MPa、δ5≥26％（短试棒求得的伸长率，代号为δ5，试棒的标距等于5倍直径长试棒求得的伸长率）。现对进厂的一批Q235钢材采用d0=10mm的标准短试样进行拉伸试验，测得的试验数据是Fs=20KN，断后标距长l k=65mm。试问这批钢材合格否?

σs=F s/S0=254.78MPa，δ5=(l k-l0)/ l0×100%=30%

所以这批钢材合格。

10．在图样上，为什么只用硬度来表示对机件的力学性能要求?

硬度是衡量材料软硬程度的指标，表示金属在不大的体积内抵抗变形或破裂的能力，是重要的力学性能指标。材料的硬度与强度之间有一定的换算关系，根据硬度可以大致估计材料的强度；硬度试样方法简单、迅速，不需要专门的试样，不损坏工件，因此，在机械设计中，零件的技术条件往往标注硬度。

11．判断下列说法是否正确，并说出理由。

(1)材料塑性、韧性愈差则材料脆性愈大。

(2)屈强比大的材料作零件安全可靠性高。

(3)材料愈易产生弹性变形其刚度愈小。

(4)伸长率的测值与试样长短有关，δ5>δ10

(5)冲击韧度与试验温度无关。

(6)同一材料的σ-1，一般都小于σs。

(7)较低表面粗糙度值，会使材料的σ-1值降低。

(8)材料综合性能好，是指各力学性能指标都是最大的。

(9)材料的强度与塑性只要化学成分一定，就不变了。

（1）正确，材料的脆性是指其在外力作用下，无明显塑性变形而破坏的性质。材料的塑性是指在外力作用下，产生较显著变形而不被破坏的性质。两者是相反的。

（2）不正确，屈强比大的材料可靠性高（塑性变形小）但安全性能下降。

（3）正确，刚度是零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

（4）正确，可证明（略）

（5）不正确，材料的冲击韧度会随着温度变化而变化

（6）正确，材料的疲劳强度时指材料在低于屈服极限的交变应力作用下，经过无数次应力循环而不断裂的最大应力值。

（7）不正确，材料的疲劳强度与表面粗糙度有关，降低表面粗糙度，提高疲劳强度。

（8）不正确，材料的综合性能好说明各力学性能指标适中

（9）不正确，还跟物理条件有关，比如温度，压力。

12. 工程材料按化学组成特点可分为哪几大类，什么是结构材料和功能材料？

常用的机械工程材料按化学组成可分为：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料。

用于制造实现运动和传递动力的零件材料称为结构材料。

用于制造实现特殊功能（光、电、磁、热、声等）的零件材料称为功能材料。

13.15钢从钢厂出厂时，其力学性能指标应不低于下列数值：σb=375MPa、σs=225MPa、δ5=27%、ψ=55%。现将某厂购进的15钢制成d0=10mm的圆形截面短试样，经过拉伸试验后，测得F b=33.81kN、F s=20.68kN、l k=65mm、d k=6mm，试问这批15钢的力学性能是否合格？为什么？

解：σs=Fs/S0=20.68*10^3/[π*(10/2）^2]=263.44MPa

σb=Fb/S0=33.81*10^3/[π*(10/2）^2]=430.7MPa

根据体积可以求得l0=23.4mm

σ5=(lk-l0)/ l0*100%=(65-50)/50*100%=30%

ψ=(S0-Sk)/S0*100%=[π（10/2）^2-π(6/2)^2]/π(10/2)^2*100%=64%

经检验以上各项数据均不低于标准，所以力学性能合格。

14.下列各种工件应该采用何种硬度试验方法来测定硬度？写出硬度符号。

（1）锉刀

（2）黄铜轴套

（3）供应状态的各种碳钢钢材

（4）硬质合金的刀片

（5）耐磨工件的表面硬化层

（1）采用洛氏硬度测量，硬度符号为HRC

（2）采用布氏硬度测量，硬度符号为HB

（3）采用布氏硬度测量，硬度符号为HB

（4）采用洛氏硬度测量，硬度符号为HRA

（5）采用洛氏硬度测量，硬度符号为HRA。

15.有关零件图图纸上，出现了以下几种硬度技术条件的标注方法，问这种标注是否正确？为什么？

（1）600～650HBS

（2）230HBW

（3）12～15HRC

（4）70～75HRC

（5）HRC55～60kgf/

（6）HBS220～250 kgf/

（1）不正确，HBS适合于测量布氏硬度小于450的材料

（2）不正确，HBW适合于测量布氏硬度值为450～650的材料

（3）不正确，HRC的标尺使用范围是20～70HRC

（4）不正确，HRC的标尺使用范围是20～70HRC

（5）不正确，55～60应该在HRC的前面，而且无需后面的单位

（6）不正确，220～250应该在HBS的前面，而且无需后面的单位。

16.有一紧固螺栓使用后发现有塑性变形（伸长），试分析材料的哪些性能指标没有达到要求。

屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。所以材料的屈服强度性能指标没到达要求。

17.试根据材料手册查出10钢、20钢、30钢、40钢、50钢、60钢的σs（或σr 0.2）、σb、δ5、

10钢20钢30钢40钢50钢60钢

σs205 Mpa 245 Mpa 295 Mpa 335 Mpa 375 Mpa 400 Mpa

σb335 Mpa 410 Mpa 490 Mpa 570 Mpa 630 Mpa 675 Mpa

δ531% 25% 21% 19% 14% 12%

ψ55% 55% 50% 45% 40% 35%

a k不填41J 63J 47J 31J

以上为10~60钢依次为：σs（或σ r 0.2）、σb、δ5、ψ、a k的曲线

18. A k的含义是什么？有了塑性指标为何还要测定a k?

A k是冲击吸收功，金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度a k，将冲

击吸收功除以试样缺口底部横截面积，即得到冲击韧度值。冲击吸收功愈大，表明材料

韧性愈好。实际上A k值的大小就代表了材料韧性的高低，故目前国际上许多国家直接用冲击吸收功作为冲击韧度的指标。塑性是在缓慢加载即静载荷下的力学性能指标，而冲击韧度是在冲击载荷作用下的力学性能指标，两者有联系又有区别。

19．疲劳破坏是怎样产生的？提高零件疲劳强度的方法有哪些？

疲劳破坏是机械零件在交变应力作用下长时间工作产生的。

提高疲劳强度的方法很多，如设计时，尽量避免尖角、缺口和截面突变，可避免应力集中引起的疲劳裂纹;还可以通过降低表面粗糙度和采用表面强化的方法（如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等）来提高疲劳强度。

20．金属材料有哪些工艺性能？哪些金属与合金具有优良的可锻性？哪些金属与合金具有优良的可焊性？

答：金属材料的工艺性能：（1）铸造性能，（2）锻造性能，（3）焊接性能，（4）热处理工艺性能，（5）切削加工性能

纯金属铜和铝等有色金属、低碳钢具有优良的可锻性

低碳钢具有良好的焊接性能。