工程材料第四章
第四章 工程材料 复习题
第四章工程材料复习题一、填空题1、金属的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等指标，其中衡量金属材料在静载荷下机械性能的指标有强度、硬度、塑性。
衡量金属材料在交变载荷和冲击载荷作用下的指标有疲劳强度和冲击韧性。
2、钢以铁、碳为主要元素，其中碳的质量分数为小于2.11%，铸铁是含碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。
3、钢按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。
4、普通质量的结构钢主要用于工程结构和机械零件方面。
5、金属分为黑色金属和有色金属。
6、碳钢的编号为：碳素结构钢采用拼音字母Q和数字表示其屈服强度；优质碳素结构钢用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，如45钢；碳素工具钢用字母T表示；铸造碳钢用ZG代表铸钢二字汉语拼音首位字母。
7、合金钢的编号为：低低合金高强度结构钢由代表屈服点的汉语拼音字母Q；合金结构钢如40Cr表示平均碳的质量分数ωc= 0.40%，平均铬的质量质量分数ωCr<1.5%；滚动轴承在牌号前加G。
8、合金钢是为了改善钢的性能，在钢中加入其他合金元素。
9、合金钢分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
10、铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。
11、灰铸铁的断口呈浅白色，其牌号用符号HT和数字表。
12、球墨铸铁的牌号用符号QT和数字表示。
13、机械零件需要强度、塑性和韧性都较好的材料，应选用中碳钢。
14、碳的质量分数在0.30%～0.55%之间的属于中碳钢。
15、钢的普通热处理（也叫整体热处理）有退火、正火、淬火和回火，钢的表面热处理有表面淬火热处理和化学热处理。
16、降低钢的硬度，改善切削加工性能常用的热处理有退火和正火，若是高碳钢或是高合金钢要采用退火处理。
17、钢淬火常用的冷却介质有水和油，淬火处理的目的是提高工件的强度、强度和耐磨性。
淬火后钢的硬度主要取决于钢的含碳量高低。
18、淬火和高温回火结合的处理称为调质，处理后钢的性能特点是有良好的综合性能，适合轴和齿轮类零件的热处理。
工程材料第四章作业
工程材料第四章作业一、名词解释1、固溶强化2、相组成物、组织组成物3、晶内偏析二、填空1、合金中的基本相结构, 有＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿＿两类。
2、固溶体中含量较多的元素称为＿＿＿＿＿＿, 含量较少的元素称为＿＿＿＿＿, 固溶体的晶格与＿＿＿＿＿＿元素的晶格相同。
3、按＿＿＿＿＿原子在＿＿＿＿＿晶格中所处位置不同, 可将固溶体分为＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿＿两类。
4、二元合金相图中最多可有相平衡共存，在相图中表现为线。
5、二元合金相图中的恒温转变包括＿＿＿＿＿反应、＿＿＿＿＿反应和＿＿＿＿＿反应。
三、判断( ) 1、间隙固溶体一定是无限固溶体。
( ) 2、固溶强化的本质是溶质原子的溶入使溶剂晶格发生了畸变所致。
( ) 3、物质从液态到固态的转变过程称为“结晶”。
( ) 4、合金中的相构成了组织，组织决定了合金的性能。
( ) 5、固溶体合金平衡结晶过程中，由于不同温度结晶出来的固溶体成份不同，因而结晶后所得的固溶体成份也是不均匀的。
( ) 6、合金中的相、相的成分和相对量、组织形态、晶粒大小都可在相图上反映出来。
四、选择1、合金中成分、结构和性能相同的均匀组成部分称为( )。
A、组元；B、相；C、组织2、若A、B两组元形成化合物相, 则该相晶体结构( )。
A、与A相同；B、与B相同；C、与A、B不同3、当非金属原子与金属原子直径比( )时, 将形成间隙相。
A、<.0.59；B、>0.59；C、>0.614、二元相图的杠杆定律用于确定两相区中两相的( )。
A、成份；B、相对重量；C、晶体结构7、两组元在液、固态都无限互溶所构成的相图是( )相图。
A、匀晶；B、共晶；C、包晶8、共折转变的产物属于( )。
A、单相固溶体；B、机械混合物；C、金属化合物9、固溶体合金中产生晶内偏析是因为( )。
A、冷却较快, 原子扩散来不及充分进行；B、结晶时无限缓慢冷却, 使高熔点组元过早结晶；C、结晶过程的温度变化范围太大。
工程材料习题集参考答案(第四章)
习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。
2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。
组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。
两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。
3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。
而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。
当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。
共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。
4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。
5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。
不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。
6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。
影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。
7、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：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。
工程材料力学第四章轴向拉压杆的变形
拉(压)杆的纵向变形 （轴向变形） 基本情况下(等直杆，两端受轴向力)：
纵向总变形Δl = l1-l （反映绝对变形量）
l 纵向线应变 （反映变形程度） l
1
fl
f ( x x)
x
f
l
x
x
沿杆长均匀分布 的荷载集度为 f 轴力图
fx
微段的分离体
y
pbd 2b 0
pd 2
13
所以
pd (2 10 Pa)(0.2m) -3 2 2(510 m)
6
4010 Pa 40 MPa
6
14
2.
如果在计算变形时忽略内压力的影响，则可认为
薄壁圆环沿圆环切向的线应变e(周向应变)与径向截面上
的正应力s 的关系符合单轴应力状态下的胡克定律，即
ν
亦即
- n
低碳钢(Q235)：n = 0.24~0.28。
7
思考：等直杆受力如图，已知杆的横截面面积A和材料的 弹性模量E。
1.列出各段杆的纵向总变形ΔlAB，ΔlBC，ΔlCD以及整个 杆纵向变形的表达式。
2.横截面B, C及端面D的纵向位移与各段杆的纵向总变
形是什么关系？
uB L1
22
作业：4-7,4-91 Pa ~ 2.101011 Pa 200GPa ~ 210GPa
l 1 FN 胡克定律的另一表达形式： l E A
E
←单轴应力状态下的胡克定律
6
横向变形因数(泊松比)(Poisson’s ratio)
单轴应力状态下，当应力不超过材料的比例极限时，
清华大学工程材料第五版第四章
二、按使用范围分类
1. 通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料 2. 工程塑料 和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之 综合工程性能(机械性能、耐热耐寒性能、 三以上。 耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。
如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和 ABS等。 3. 耐热塑料 能在较高温度（100 ℃～200 ℃）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树 脂、环氧树脂等。
七、氨纶 化学名称为聚氨酯纤维，商品名称为氨纶。 由聚酯、芳香族二异氰酸酯聚合，用脂肪族二 胺交联而成。 1、特点 ●高弹性。伸长600%～750%时，回弹率达 95％以上。 2、应用 用作运动衣、游泳衣。与涤纶混纺后，制 作夏季衣服。
4.3
合成橡胶
橡胶 具有极高弹性的高分子材料。
●性能特点 弹性变形量可达100％～1000％，而且回 弹性好，回弹速度快。 橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和 不透气、不透水性。
聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、
尼龙轴套
尼龙拉杆
7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯誉称"透明金属"， ●具有优良的综合性能。冲击韧性和延 性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模 量较高，不受温度的影响； ●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； ●透明度高，可染成各种颜色； ●吸水性小； ●绝缘性能优良，在10 ℃～130 ℃间介 电常数和介质损耗近于不变。
有机玻璃顶棚
二、热固性塑料 1. 酚醛塑料(PE) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂,再加入 添加剂而制得。一般为热固性塑料。 ●具有一定的机械强度和硬度, 耐磨性好； ●绝缘性良好, 耐热性较高，耐蚀性优良。 ●缺点是性脆，不耐碱。
酚醛塑料的应用：
第四章工程材料课后习题
解：我们设薄壁圆管的平均半径和壁厚分别为 R0 和 δ 。微剪力τ dA 对截面圆心（矩心）
的微力矩为 R0τdA ，由构成关系知，该截面的扭矩为
∫ T = A R0τdA
(a)
由于中心对称，τ 沿圆周方向大小不变；又由于管壁很薄，τ 沿壁厚方向也可近似地认为是均
匀分布的。这样一来，式(a)可以写成
4-24 .....................................................................................................................................................16
d = 2R0 − δ，D = 2R0 + δ
横截面的极惯性矩为
Ip
=
π 32
(D4
−
d4)
=
π 32 [(2R0
+
δ)4
−
(2R0
−
δ)4 ]
=
πR0δ 2
(4R02
+
δ2)
由此可得
τ max
=
T Ip
( R0
+
δ) 2
=
T πR0δ (4R02
+δ
2 ) (2R0
+δ
)
=
T (2β + 1) πβδ 3(4β 2 + 1)
第四章 扭 转
题号
页码
4-4 .........................................................................................................................................................1
工程材料第四章作业参考答案
1 、什么是滑移与孪生？一般条件下进行塑性变形时，为什么在锌、镁中易出现孪晶? 而在纯铜中易产生滑移带?答：滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。
体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。
面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
铜是面心立方，锌、镁是密排六方，故在锌、镁中易出现孪晶，而在纯铜中易产生滑移带。
2 、根据纯金属及合金塑性变形的特点，可以有几种强化金属性能的方式？答：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。
单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。
但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。
随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。
加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。
3 、用手来回弯折一根铁丝时，开始感觉省劲，后来逐渐感到有些费劲，最后铁丝被弯断。
试解释过程演变的原因？答：用手来回弯折一根铁丝时，铁丝会发生冷塑性变形。
随着弯折的持续，铁丝的冷塑性变形量会增加，从而发生加工硬化，此时，铁丝的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，故逐渐感到有些费劲。
进一步弯折时，铁丝会因为超过疲劳强度而被弯断。
4 、什么是变形金属的回复、再结晶？再结晶晶粒度受哪些因素的影响?答：回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。
当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整均匀的等轴晶粒。
工程材料第四章习题答案
工程材料作业（4）答案1.解释下列现象:(1) 在相同含碳量下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高。
奥氏体形成分为形核、长大、残余渗碳体溶解，奥氏体均匀化4阶段。
多数合金元素减缓A形成，Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳亲和力大，形成的合金元素的碳化物稳定、难溶解，会显著减慢碳及合金元素的扩散速度。
但为了充分发挥合金元素的作用，又必须使其更多的溶入奥氏体中，合金钢往往需要比含碳量相同的碳钢加热到更高的温度，保温更长时间。
Co、Ni等部分非碳化物形成元素，因增大碳的扩散速度，使奥氏体的形成速度加快。
而Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度的影响不大。
阻碍晶粒长大，合金钢需要更高的加热温度，更长的保温时间，才能保证奥氏体均匀化。
（加热温度升高了，但一般不会引起晶粒粗大：大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。
碳化物形成元素的作用最明显，因其形成的碳化物高温下稳定性高，很难完全溶入奥氏体，未溶的细小碳化物颗粒，分布在奥氏体晶界上，有效的阻止晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
所以，合金钢虽然热处理加热温度高，但一般不用担心晶粒粗大。
强烈阻碍晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr；中等阻碍的：W、Mo、Cr；影响不大的：Si、Ni、Cu；促进晶粒长大的：Mn、P、B）(2) 在相同含碳量下，含碳化物形成元素的合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
回火过程一般分为：马氏体分解、残余奥氏体转变、碳化物类型转变和碳化物长大。
合金元素在回火过程中，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才出现分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度。
因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。
使得合金钢在相同温度下回火时，比同样质量分数的碳钢具有更高的硬度和强度（对工具钢，耐热钢更重要），或在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而韧性更好（对结构钢更重要。
第四章 工程材料 复习资料(学生)
第四章工程材料复习资料一、金属的力学性能1、金属的力学性能是指金属材料在下所表现出来的性能。
它主要包括、、、和。
2、在外力的作用下，材料抵抗和的能力，称为强度。
当承受拉力时，强度特性指标主要是和。
3、在外力的作用下，材料不能恢复的变形称为，产生永久变形而为断裂的能力称为。
4、是指固体材料对外界物体机械作用（压陷、刻划）的局部抵抗能力。
硬度不是金属独立的基本性能，而是反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能指标。
常用的硬度指标有（HBW）、（HBC）和（HV）等。
硬度高的材料强度高，耐磨性能较好，而较差。
5、金属材料抵抗冲击载荷的能力称为。
用A k表示，单位为J。
A k值越大，则材料的韧性就越。
A k值低的材料叫做材料，A k值高的材料叫。
工作时要承受很大的冲击载荷时应选用A k值高的材料制造，如齿轮、连杆。
铸铁的A k值很低，A k值近于零，不能用来制造承受冲击载荷的零件。
6、疲劳强度是指金属材料在无限多次作用下而不破坏的最大应力，或称为。
二、黑色金属材料1、金属材料分为和两大类，常用的黑色金属主要有和两种；常用的有色金属有和两种。
2、钢中的有害元素是，硫产生，磷产生；有益元素是，能提高钢的。
3、钢的分类按化学成分分类碳素钢合金钢按钢的品质分类如碳素结构钢、低合金结构钢按钢的用途分类主要用于制造各种机械零件和工程结构构件优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢和合金工具钢、弹簧钢、轴承钢主要用于制造工具、模具、量具及刃具合金结构钢和工具钢，钢号后面加“A”具有特殊物理和化学性能三、钢的编号分类别编号方法举例类碳钢碳素结构钢Q235AF优质碳素结构钢45、60Mn 碳素工具钢T8A一般工程用铸造碳钢ZG200—400合金钢低合金高强度结构钢Q390A合金结构钢40Cr、30CrMoA、60Si2Mn滚动轴承钢GCr15合金工具钢Cr12MoA、9SiCr不锈钢与耐热钢10Cr7Mn9Ni4N、022Cr17Ni7N四、性能及应用1、碳质量分数而不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
工程材料力学基础第四章
金属的断裂韧度
断裂力学的定义：在承认物件存在宏 观裂纹的前提下，利用弹塑性力学理论， 研究裂纹尖端的应力、应变及应变能的 分布情况，建立了裂纹扩展的各种新的 力学参量、断裂判据及材料断裂韧度。 断裂韧度—材料阻止裂纹扩展的韧 性指标。
第一节 线弹性条件下的金属断裂韧度
线弹性断裂力学分析方法： 应力应变分析方法――K判据 能量分析方法――G判据 一、裂纹扩展的基本型式 1、张开型（I型）裂纹扩展 2、滑开型（II型）裂纹扩展 3、撕开型（III型）裂纹扩展 实际裂纹的扩展往往是上述三种型式的组合，上 述中，I型裂纹最危险
3
裂纹尖端塑性区及修正
在单向拉伸情况下，当外加应力≥σs时，材料就会屈服，但对于含裂 纹构件，由于裂纹前端出现三向应力，此时的屈服条件就必须采用最大 剪应力判据（屈雷斯加判据）或形状改变比能判据（米赛斯判据），通 常采用较多的是米赛斯判据，其表达式为：
(σ1 −σ2 )2 + (σ2 −σ3)2 + (σ3 −σ1)2 = 2σs2
1
F
1
δ
格里菲斯裂纹体的G 格里菲斯裂纹体的GI
在格里菲斯裂纹体中（模型：无限宽板，存在长为2a的 中心穿透裂纹，B=1，拉应力）：
GI =
πaσ
2
E (1 − ν 2 )π a σ GI = E
平面应力
2
平面应变
可见，GI和KI相似，也是应力σ和裂纹尺寸a的复合参量， 只是它们的表示方式和单位不同而已。
KIC和GIC的关系
对于具有长为2a中心穿透裂纹的无限大板：
K
I
= σ
πa
1 −ν 2 G I = σ 2π a E 由此可得平面应变条件 1 −ν 2 G I = K I E 1 −ν 2 G IC = K E 平面应力条件下 G G
工程材料与机械制造基础 第四章 铁碳合金相图及碳素钢
织为单相A （γ）
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
(0.77~2.11%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图
室温下两相的相对重量百分比：
1 2
3 4
3
在2点, 共晶
(A)发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的共晶
体称低温莱氏体, 用
Le’表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。
S
§4-3 铁碳合金的结构和相图
共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。
室温下两相的 相对重量百分 比为：
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
5、共晶白口鉄的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 (A)
与共晶Fe3C的机械混合物, 呈鱼骨状。
Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
第四章工程材料基本知识
用标准试样的冲击吸收功Ak表示
5）疲劳强度
材料在无数次重复“交变应力”作用下，而不引起断裂的最 大应力值
6）耐磨性
材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力 用体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定
退出
回 章 首
（2）工程材料的物理、化学及工艺性能 物理性能：指材料在重力、电磁场、热力等物理因素作用
下所表现出来的性能或属性，包括材料的密度、熔点、导 电性、磁性能、导热性、热膨胀性等
1) 金属材料 : 包括黑色金属（钢铁）和有色金属材料 2) 工程陶瓷 : 由金属和非金属元素的化合物所构成的
各种无机非金属材料 3) 有机高分子材料 ：工程中常见的有塑料、橡胶和胶
粘剂 4) 复合材料 ：将上述两种或多种单一材料人工合成到
一起的材料
退出
2. 工程材料的主要性能
（1）工程材料的力学性能 1）强度 2）塑性 3）硬度 4）冲击韧性 5）疲劳强度 6）耐磨性
化学性能：主要指材料的抗氧化性、耐蚀性和耐酸性等， 反映了材料在常温或高温环境下抵抗各种化学作用的能力。
材料工艺性能：指材料对各种加工工艺的适应性
退出
§4-2常用金属材料
1 . 碳素钢和合金钢
碳素钢 碳素钢工具钢 合金钢 合金钢工具钢
2 . 铸铁
灰铸铁 球墨灰铸铁 可锻铸铁 合金铸铁
3 . 有色金属材料
KT 200, KT 350,
保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点
应用 发动机曲轴、连杆等
退出
• 合金铸铁
代号
KT + H + 数字 + 数字
最小抗拉强度 断后延长率
特点
KT 200, KT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点
工程材料与热处理 第4章 金属的塑性变形与再结晶
一、滑移
滑移只能在切应力 作用下才会发生, 不同金属产生滑移 的最小切应力(称 滑移临界切应力) 大小不同。钨、钼、 铁的滑移临界切应 力比铜、铝的要大。
10
一、滑移
由于位错每移出 晶体一次即造成 一个原子间距的 变形量, 因此晶 体发生的总变形 量一定是这个方 向上的原子间距 的整数倍。
滑移带
17
二、位错滑移机制
通过位错的移动实现滑移时： 1、只有位错线附近的少数原子移动； 2、原子移动的距离小于一个原子间距； 所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；
18
二、位错滑移机制
金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的， 而滑移又是通过位错的移动实现的。所以， 只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进 行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度 提高。金属材料常用的五种强化手段（固 溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、 淬火强化）都是通过这种机理实现的。
35
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 1200 钢 的自行车链条经 1000 过五次轧制，厚度由 3.5mm压缩到1.2mm， 800 总变形量为65%，硬 600 度从150HBS提高到 400 275HBS；抗拉强度从 200 510MPa提高到980MPa； 0 使承载能力提高了将近 一倍。
滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大， 所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金 属的塑性更好。 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬 等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金 属。
15
二、位错滑移机制
滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现 的（1934年提出 ）。
16
二、位错滑移机制
滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移 并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通 过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半 原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动 时, 晶体产生滑移。
工程材料-第四章_二元相图及应用
平衡是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发 生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。 测定相图最常用的方法是热分析法，它要求在合金冷却时，其冷却速 度非常缓慢，从而能够满足热力学平衡的条件。因此相图又称为平衡相 图，平衡图（Equilibrium Diagram）。
第四章 二元相图及应用－§4.2 二元相图的基本类型与分析
2.杠杆定律（Lever Rule）
杠杆定律用于二元合金处于两相 平衡时，两个相的相对量的计算。
x2 x QL 100% x2 x1 x x1 Qα 100% x2 x1
x1 x x2
t
x1 x x2
QL
Q
共晶相图：
两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生 共晶反应的相图。
具有共晶相图的二元合金系：
Pb-Sn、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。
以下以Pb-Sn合金为例对相图进行分析。
第四章 二元相图及应用－§4.2 二元相图的基本类型与分析
L L＋
＋
L＋
Pb-Sn合金相图
状态（State）
指系统中的各相的凝聚状态、相的类型等。
相变（Phase Transformation）
合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。
相平衡（Phase Equilibrium）
如果体系中的各相在较长时间内而不互相转化，则称该体系处于相 平衡状态。
第四章 二元相图及应用
特别提示：
②
1 1 L → ＋ 2 2
Pb-Sn合金相图
合金②结晶完成后在室温下的组织：（ ＋ ）
《土木工程材料》第4章无机胶凝材
01
02
03
原料准备
将石灰石、白云石或贝壳 等原料进行破碎、筛分， 以备后续的煅烧。
煅烧
将破碎、筛分后的原料放 入石灰窑中，在高温下进 行煅烧。
冷却与粉磨
煅烧后的石灰块进行自然 冷却或机械冷却，然后进 行粉磨，以得到生石灰粉 或熟石灰粉。
石灰的性质与应用
性质
石灰具有较高的气硬性，凝固时间长，硬化速度慢，体积收缩较大等性质。
Hale Waihona Puke 水玻璃水玻璃是一种以硅酸钠为主要 成分的无机胶凝材料，具有较
好的耐酸性和耐水性。
水玻璃在土木工程中常用于防 腐工程、防水工程和地坪工程
等。
水玻璃的制备工艺主要包括硅 酸钠溶液的配制和固化等过程 ，其性能受到硅酸钠浓度、固 化条件和添加剂的影响。
水玻璃的优点包括较好的耐酸 性和耐水性、较低的成本和较 好的施工性能等，但同时也存 在固化时释放出有害气体的缺 点。
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05
其他无机胶凝材料
镁质胶凝材料
镁质胶凝材料是一种以氧化镁为主要 成分的无机胶凝材料，具有较高的耐 火性和耐腐蚀性。
镁质胶凝材料的制备工艺主要包括烧 结、熔融和凝结等过程，其性能受到 原材料和工艺条件的影响。
镁质胶凝材料在土木工程中常用于制 作耐火材料、保温材料和装饰材料等。
镁质胶凝材料的优点包括高强度、高 耐火性和低成本等，但同时也存在脆 性较大、易吸湿等缺点。
分类
根据生产工艺的不同，石膏可以分为天然石膏和人工石膏两大类。其中，天然石膏又可以分为生石膏和熟石膏两 种。
石膏的生产工艺
天然石膏的生产工艺
天然石膏经过破碎、磨细、选矿、脱水等工序后，即可得到一定规格的天然石膏粉。
工程材料力学性能 第四章 金属的断裂
金属的断裂知识
断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。 • 失效形断式：磨损、腐蚀和断裂 。断裂的危害最大 。 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性 断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆， 这就常常引起灾难性的破坏事故 • 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、 物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。 研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役 过程中的安全。
二、金属断裂强度
理论断裂强度就是把金属原子分离开所需的最大应 力 金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出， 如图。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为 吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数 时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。如 金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力 越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，
金属中含有裂纹来自两方面：一是在制造 工艺过程中产生，如锻压和焊接等；一是 在受力时由于塑性变形不均匀，当变形受 到阻碍(如晶界、第二相等)产生了很大的 应力集中，当应力集中达到理论断裂强度， 而材料又不能通过塑性变形使应力松弛， 这样便开始萌生裂纹。
ຫໍສະໝຸດ （二）裂纹形成的位错理论
裂纹形成可能与位错运动有关。 1．甄纳—斯特罗位错塞积理论 甄纳(G．zener)1948年提出. 如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处 的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹。
解理断裂过程包括如下三个阶段： 塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大； 裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。
甄纳—斯特罗理论存在的问题： 在那样大的位错塞积下，将同时产生很大切应力 的集中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产 生塑性变形而将应力松弛，使裂纹难以形成。
《工程材料及成形技术基础》任家隆 第4章 常用工程材料
≤0.045 ≤0.045 ≤0.045 ≤0.040 ≤0.035 ≤0.045 ≤0.045
脱 力学性能（不小于） 氧
方 σs/MPa Rm/MPa 法
F、 Z Q195
F、 Z Q215 F、 Q235
Z
315～390 335～410 275～460
Z
T Z
为了保证钢在使用中的可靠性，钢厂都严格按国家标 准控制杂质含量和夹杂物的等级。用户也需对进厂钢 材进行必要的化学成分及杂质的化学分析，对组织和 缺陷及夹杂物作金相检查，对各项力学性能进行测试。
图4-1含碳量（质量分数）对钢的力学性能的影响
碳素钢的分类
碳素钢的分类方法很多，这里主要介绍几种常用的分类方法。
碳素钢
碳钢中常存杂质元素的影响
C是钢中的重要元素，对钢的性能影响最大。第2章中 铁碳合金相图的内容实际上即为钢中碳的质量分数对钢的 组织和性能的影响。
在实际中使用的碳素钢％)并不是单纯的铁碳合金。钢 中还含有少量的Si、Mn、S、P、O、H、N等杂质元素， 这些元素对钢的性能和质量都有很大的影响。下面分别论 述各元素的影响。
性和焊接性很差，但热处理后会
有很高的强度和硬度。图4-1所 示为含碳量（质量分数）对钢的
图4-1含碳量（质量分数）对钢的力学性 能的影响
力学性能的影响。
2.按碳钢的冶金质量等级分类。 主要根据碳钢中所含有害杂质S、P的含量，分为以
下几种：
普通碳素钢：wS≤0.05%、wP≤0.045%； 优质碳素钢： wS≤0.030%、wP≤0.035%； 高级优质碳素钢： wS≤0.020%、wP≤0.030%； 特级优质碳素钢： wS≤0.015%、wP≤0.025%； 通常普通碳素钢冶炼简单，成本低，能保证一定的力
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第四章结构钢及其选用单选题（本大题共23小题）1. 影响钢的冷脆性的主要元素是(B)。
A.SB.PC.MnD.Si2. 20CrMnTi钢根据其所含的碳量和合金元素，在工业上主要作为一种（A）使用。
A.合金渗碳钢B.合金弹簧钢C.合金调质钢D.滚动轴承钢3. 大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用，其中细化晶粒作用最为显著的有（C）。
A.Mn,PB.Mn,TiC.Ti,VD.V,P4. 除（A）元素外，其它合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。
A.CoB.CrC.MnD.Ti5. 20CrMnTi钢中Ti元素的主要作用是（C）。
A.强化铁素体B.提高淬透性C.细化晶粒D.提高回火稳定性6. 合金渗碳钢渗碳后必须进行（C）热处理。
A.淬火+高温回火B.淬火+中温回火C.淬火+低温回火D.淬火+退火7. 要制造一批锉刀，请选择合适的材料（C）。
A.45B.9Mn2VC.T12D.7Cr178. 下列材料中淬硬性高的是（B）。
A.18CrNi3B.9Mn2VC.40CrD.509. 下列材料中油淬临界直径最大的是（A）。
A.25Cr2Ni4WB.20MnVBC.40CrD.65Mn10. 钢中强碳化物形成元素是（C）A.Fe、MnB.Cr、CoC.V、TiD.Si、Mn11. 影响钢的热脆性的主要元素是（A）A.SB.PC.MnD.Si12. 制造手用锯条应当选用（A）A.T12钢经淬火和低温回火B.Cr12Mo钢经淬火低温回火C.65钢淬火后中温回火D.T8钢经淬火和高温回火13. 二次硬化是指（B）的硬化现象。
A.渗碳处理后的二次淬火B.某些钢在回火后硬度进一步提高C.变形过程中强度、硬度升高D.某些钢在淬火后硬度提高14. 40MnVB钢中V元素的主要作用是（B）A.强化铁素体B.细化晶粒C.提高回火稳定性D.提高淬透性15. 40Cr钢根据其所含的碳量和合金元素，在工业上主要作为一种（C）使用。
A.滚动轴承钢B.合金弹簧钢C.合金调质钢D.合金渗碳钢16. 对形状复杂，截面变化大的零件进行淬火时，应选用（A）A.高淬透性钢B.中淬透性钢C.低淬透性钢D.对淬透性能没有要求17. 60Si2Mn钢根据其所含的碳量和合金元素，在工业上主要作为一种（B）使用。
A.滚动轴承钢B.合金弹簧钢C.合金调质钢D.合金渗碳钢18. 对38CrMoAl钢进行渗氮处理，渗氮时的加热温度为（B）A.Ac1以上B.Ac1以下C.Ac3以上D.Accm以上19. 40钢和40Cr钢加热到AC3以上保温，随炉冷后组织为铁素体+珠光体，两种钢中珠光体的相对含量（C）A.相等B.40钢比40Cr钢多C.40Cr 钢比40钢多D.珠光体含量与Cr元素无关20. 以下属于中合金钢的是（C）（WE为合金元素的总含量）A.3％≤WE≤5％B.4％≤WE≤8％C.5％≤WE≤10％D.6％≤WE≤15％21. 20CrMnTi钢的渗C温度范围是（A）A.900～930℃B.800～820℃C.600～650℃D.1000～1050℃22. 合金元素不能做到（D）A.提高钢的回火稳定性B.改变C曲线的位置C.改变S点的位置D.消除第一类回火脆性23. 中碳钢的含碳量为（B）判断题（本大题共23小题）1. 20钢比T12钢的碳质量分数要高。
错误2. 在退火状态（接近平衡组织）45钢比20钢的塑性和强度都高。
错误3. 大部分合金元素溶于奥氏体后，能增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。
正确4. 所有的合金元素都能提高钢的淬透性。
错误5. 合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。
错误6. T8钢与20MnVB相比，淬硬性和淬透性都较低。
错误7. T8钢比T12和40钢有更好的淬透性和淬硬性。
错误8. 调质钢的合金化主要是考虑提高其红硬性。
错误9. 合金元素均在不同程度上有细化晶粒的作用。
错误10. 40Cr钢是合金渗碳钢。
错误11. 20CrMnTi钢是合金调质钢。
错误12. GCr15是专用的合金工具钢。
错误13. 钢中的含硫量增加，其钢的热脆性增加。
正确14. 钢中的含磷量增加，其钢的热脆性增加。
错误15. 钢中的含磷量增加，其钢的冷脆性增加。
正确16. 60Si2Mn钢比T12和40钢有更好的淬透性和淬硬性。
错误17. 20CrMnTi中Cr和Mn的作用是提高钢的淬透性。
正确18. 在退火状态20钢比65钢的塑性和强度都高。
错误19. 钳工锯T8、T12等钢料时比锯10、20钢要费力，且锯条易磨钝。
正确20. 合金结构钢中常用的合金元素有Mn、、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、 B等，其中主加元素是Mn、Si、Cr、Ni。
正确21. 钢中合金元素愈多，则淬火后的硬度就愈高。
错误22. 除Co以外，几乎所有的合金元素都能提高钢的淬透性。
正确23. GCr15是专用的滚动轴承钢。
正确填空题（本大题共6小题）1.碳素钢按含碳量来分类，可分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢，其含碳量分别为：（Wc＜0.25％）、（0.25％≤Wc≤0.6％）、（Wc＞0.6％）（注：请对应填写）。
2.汽车齿轮通常用20CrMnTi钢制造，其含碳量为（0.2% ），锻造之后切削加工之前进行（正火）热处理，最终热处理为（渗碳+淬火+低温回火）。
3.下列渗碳钢中低淬透性的是（20Cr,20Mn2 ），中淬透性的是（20CrMnTi,,20MnTiB ），高淬透性的是（18Cr2Ni4WA ）。
20CrMnTi,20Cr,20Mn2,20MnTiB,18Cr2Ni4WA4.渗碳钢一般含碳量为（0.1—0.25% ），调质钢一般含碳量为（0.25—0.5% ），弹簧钢一般含碳量为（0.5—0.9% ）。
5.合金结构钢中常加入的合金元素有：Cr,Ni,Si,Mn,Mo,B,Ti,V,W等。
其中强烈阻止奥氏体晶粒长大的有（Ti,V），能消除高温回火脆性的有（Mo,W）。
6.下列钢中属于低合金结构钢的是（16Mn,15MnV），属于渗碳钢的是（20CrMnTi），属于调质钢的是（40Cr,40MnVB,40CrNiMo），属于弹簧钢的是（60Si2Mn,65Mn）。
40Cr,20CrMnTi,40MnVB,16Mn,60Si2Mn,15MnV,40CrNiMo,65Mn分析题（本大题共9小题）1.用40Cr钢制造连杆螺栓，试分析：（共15分）1）钢中碳和合金元素的含量及合金元素在钢中的作用（5分）2）画出最终热处理（淬火回火）的工艺曲线，指出所获得的组织。
（5分）。
3）根据工序正确安排生产过程的工艺路线。
（5分）精加工下料退火锻造粗加工调质【答案】：1）40Cr的平均含碳量为0.4%，℃铬的含量为0.8～1.1%。
铬在钢中的主要作用是提高淬透性，其次溶入铁素体可使之强化，且保持较好的韧性。
2）最终热处理工艺曲线见图。
调质处理后的组织是回火索氏体，硬度为（34～38）HRC。
3）下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工2.下列零件应分别采用何种预先热处理和最终热处理？为什么？热处理后的组织分别是什么？（1）某机床变速箱齿轮（模数m=3）要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用 45钢。
（2）机床主轴，要求有良好的综合力学性能，轴颈部分要求耐磨（50～55HRC）材料选用45钢。
【答案】：（1）预先热处理：正火因为心部强度和韧性要求不高，正火处理之后即可达到要求。
且正火比调质处理的工艺简单，热处理的变形小，采用正火处理是合理的。
正火后的组织是细珠光体+少量铁素体。
最终热处理：表面淬火+低温回火因为表面淬火+低温回火后使表面组织发生改变，成为回火马氏体，硬度高，耐磨性好，可达到齿面耐磨的目的。
（2）预先热处理：正火通过正火可细化晶粒，改善切削加工性。
最终热处理：调质处理+轴颈部表面淬火因为机床主轴要求有良好的综合力学性能，而调质处理后的回火索氏体组织综合力学性能。
轴颈部表面淬火并低温回火使获得回火马氏体组织，硬度高（可达50～55HRC），耐磨。
最终热处理后的组织：回火索氏体，轴颈表面是回火马氏体。
3.分析20CrMnTi钢得到下列组织的热处理工艺：（1）板条马氏体；（2）片状珠光体+铁素体；（3）细片状珠光体+均匀分布的铁素体；（4）表面的主要组织是片状回火马氏体，心部的主要组织是索氏体+低碳回火马氏体。
【答案】：（1）热处理工艺：油冷淬火因为20CrMnTi属低碳合金钢，淬透性好，油冷淬火即可获得板条马氏体。
（2）热处理工艺：完全退火因为20CrMnTi属亚共析钢，通过完全退火后可获得接近平衡的组织，即片状珠光体+铁素体。
（3）热处理工艺：正火因为细片状珠光体+均匀分布的铁素体组织是在较快的冷速下获得的，因而采用正火。
（4）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火片状回火马氏体是高碳马氏体的组织形态，20CrMnTi属低碳钢，通过表面渗碳就可提高表面的含碳量，从而使表面在淬火后得到片状马氏体；片状回火马氏体和心部的低碳回火马氏体都是淬火后低温回火得到的。
4.某载重汽车发动机的汽缸盖螺栓，原选用40Cr钢调质处理，硬度为33～35HRC，后改用15MnVB钢880℃油淬、200℃低温回火，硬度为38～41HRC，提高使用寿命1.5倍，试分析原因。
【答案】：载重汽车发动机的汽缸盖螺栓工作时承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力作用，而且应力较均匀地分布在整个截面上。
因此，要求选用全截面能够淬透的，具有一定韧性和足够强度能承受一定能量的周期性的冲击作用的材料。
15MnVB钢淬透性好，可保证全截面淬透。
在进行880℃油淬、200℃低温回火后的组织是低碳回火马氏体，有一定的韧性和较高强度，其强度、硬度（38～41 HRC）比40Cr （33～35 HRC）高，因而15MnVB的小能量多冲抗力比40Cr好，所以能够提高使用寿命1.5倍。
5.汽车齿轮通常用20CrMnTi钢制造，试问：（共17分）1）钢中含碳量及合金元素的主要作用（4分）。
2）根据工序正确安排生产过程的工艺路线（3分）。
锻造、正火、渗碳、下料、车削加工、淬火加低温回火、齿形加工、精加工、3）画出最终热处理（渗碳、淬火、回火）的工艺曲线（5分），指出最终热处理所获得的组织（5分）。
【答案】：1）平均含碳量为0.2%，Cr、 Mn 含量1%左右，T含量0.1%左右。
2）下料→锻造→正火→车削加工→齿形加工→渗碳→淬火加低温回火→精加工3）热处理后表面组织主要是高碳回火马氏体。
心部组织与钢的淬透性和零件尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体和少量铁素体，多数情况下为托氏体、少量回火马氏体及少量铁素体。
6.给下列齿轮零件编制工艺流程，指出热处理方法及其作用，最终热处理后各部位组织和性能。