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。