机械工程材料第2章
《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。
机械工程材料习题及参考解答
– 10．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。 （×）
院
– 11．晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。
（√）
机械工程材料 第二章 金属的结构
（四） 选择正确答案
– 1． 正的电阻温度系数的含义是：
a温．度随增温高度电升阻高减导小电。性增大；√b．随温度降低电阻降低；c．随
位错密度提高，变形抗力增大。 – 2． 滑移的实质是 位错的运动 。
– 3． 金属塑性变形的基本方式是 滑移和孪生 。
– 4． α - Fe发生塑性变形时，其滑移面和滑移方向分别是
中
｛110｝和〈111〉 。
南
– 5． 影响多晶体塑性变形的两个主要因素是 晶界 和 晶粒 。
大 学 机 电
– 6． 变形金属的最低再结晶温度是指 当变形度达到一定大小 后，金属的再结晶温度趋于某一稳定值时的温度 ，其数值 与熔点间的大致关系为 TR≈（0.35－0.4）Tm 。
– 4． 错位分两种，它们是刃型位错和 螺旋位错，多余半原子面
中
是 刃型 位错所特有的。
南 大
– 5． 在立方晶系中，｛120｝晶面族包括 ( 120)、(120)、(120)、
学
(120)、(120)、(12 0 )、(1 20 )、(120)
等
机 电 工
– 6． 点缺陷 有 空位和 间隙原子 两种；面缺陷中存在大量 的 位错 。
（×）
– 2． 金属多晶体是由许多结晶方向相同的单晶体组成的。 （×）
– 3． 因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数，
所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。
（√）
– 4． 在立方晶系中，（123）晶面与[12]晶向垂直。
机械工程材料双语课件第二章
Fatigue strength
§2 Iron-carbon phase diagram
铁碳合金相图
Phase and Phase diagrams （相与相图）
•Phase：a region that differs in its state, microstructure， and /or composition from another region.
两组元在液态下无限溶解，固态下有限 溶解的二元合金相图。
The characteristics of eutectic system （共晶相图特点）：
eutectic reaction(共晶反应)
Eutectic reaction equation
共晶反应式
Eutectic system
（共晶相图）
Toughness What’s the relationship between the
value of ak and toughness? ak ↑，toughness↑
Questions for you
4. When a metal is subjected to repetitive stresses ， even when the stress is much lower than that which the metal can withstand under a static stress, the metal will fail to work. What do we call this phenomenon?
（共析相图）
The eutectoid reaction takes place completely in the solid state.
机械工程材料第二章金属塑性变形与再结晶
4. 再结晶与重结晶
相同点：晶粒形核、长大的过程。
不同点： （1）再结晶转变前后的晶格类型没有发生变化， 重结晶时晶格类型发生改变。 （2）再结晶是对冷塑性变形的金属而言的，没有 发生冷塑性变形的金属不存在再结晶问题。
三、晶粒长大 再结晶刚刚完成后的晶粒是无畸变的等轴晶粒， 如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒之间就 会通过晶界的迁移相互吞并而长大。
➢ 产生残余应力。
（二）其他性能
塑性变形影响金属的物理、化学性能， 如电阻增大，导磁率下降，耐腐蚀性能 降低。 密度、导热系数下降。
三、残余应力（约占变形功的10％）
（一）宏观内应力（第一类内应力） 原因：由工件不同部位的宏观变形不均匀而引起的。 作用范围：作用于整个工件。
金属棒弯曲变形后 的残余应力
正火组织
带状组织
金属冷拉拔后 的残余应力
（二）微观内应力（第二类内应力） 原因：晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀引起的。 作用范围：与晶粒尺寸相当。
（三）点阵畸变（第三类内应力）80-90%
原因：晶体缺陷而引起的畸变应力。 作用范围：约几百到几千个原子范围内。
金属强化 主要原因
➢第一类、第二类残余应力： 弊：对金属材料的性二、塑性变形对金属性能的影响
（一）力学性能 加工硬化（形变强化）:随着冷塑性变形量 的增加，金属的强度、硬度升高，塑性、韧 性下降的现象。
工业纯铜
45钢
➢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。
链条板的轧制
材料为Q345（16Mn) 钢 的自行车链条经过五 次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形 量为65%。
原始横截面积的百分比。
Ψ=
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。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
《机械工程材料》-机械工业出版社-第3版内容总结
《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。
机械工程材料：第二章 金属的晶体结构与结晶
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。
机械工程材料课后习题答案_(王忠)
思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
机械工程材料-2章 晶体结构、结晶
晶胞原子数与原子半径
致密度与配位数
2.1.4 晶向指数与晶面指数
1 晶向指数
我们把任何两个或多个原子所在直线所指 的方向，称为晶向。 〖例1〗计算图（a）中的AB的晶向指数。 解：①选晶胞的三条棱边建立X、Y、Z坐标 轴，以晶格常数a b c 为坐标轴的度量单位。从坐 标轴的原点O引一条有向直线OC，平行于待定晶 向AB； ②在所引的有向直线上任取一点C（为方便 起见，通常取距原点最近的阵点），求出该点C 在三坐标轴的坐标值,C(1/2,1/2, 1)。 ③将三个坐标值按比例化简为最小简单整数， 并加上方括号，表示为［u v w］=[1 1 2]，即为 所求的晶向指数。整数之间不用标点分开。如果 u、v、w中有某一数为负，则将负号用上划线的 形式标注于该数之上。 AB的晶向指数为[1 1 2]。
例如：石墨是靠分子键结合， 硬度很低。塑料也是靠分子键结 合，强度较低。
由于范德瓦尔斯引力很弱， 所以分子晶体的结合力很小，熔 点很低，硬度也很低。
5 结合力与结合能
当大量原子结合成固体时，为 使晶体具有最低的能量，以保持其 稳定状态，原子之间也必须保持一 定的平衡距离，这就是固态金属中 的原子趋于规则排列的原因。 当原子间以离子键或共价键结 合时，原子达不到紧密排列状态， 这是由于这些结合方式对周围的原 子数有一定的限制之故。
体心立方
面心立方
密排六方
2.1.6 实际金属的晶体结构
若整个晶体完全是晶胞规则重 复排列的，这种晶体为理想晶体。 实际晶体中，由于各因素的影 响，总会存在一些不完整、原子排 列偏离理想状态的区域，这些区域 称为晶体缺陷。 按缺陷在空间的几何形状和尺 寸不同，缺陷分为：
点缺陷
晶体缺陷
线缺陷
机械工程材料习题及参考解答
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
– 3． 在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学 性能，试从过冷度对结晶基本过程的影响，分析细化晶粒、提 高金属材料使用性能的措施。 –解：由于过冷度越大，晶粒越细，因而能增加过冷度的 措施均有利于细化晶粒，主要是增加冷却速度。
机械工程材料 第三章 金属的结晶
机械工程材料 第二章 金属的结构
（四） 选择正确答案
– 1． 正的电阻温度系数的含义是： a．随温度升高导电性增大；b．随温度降低电阻降低；c．随 √ 温度增高电阻减小。 – 2． 晶体中的位错属于： a．体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。 √ – 3． 亚晶界是由： a．点缺陷堆积而成；b．位错垂直排列成位错墙而构成； √ c．晶界间的相互作用构成。 – 4． 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： a．<100>；b．<110>；c．<111>。 √ – 5． 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： a．｛100｝；b．｛110｝；c．｛111｝。 √ – 6． α-Fe和γ-Fe分别属于什么晶格类型： a．面心立方和体心立方；b．体心立方和面心立方；c．均 √ 为面心立方d．均为体心立方。
机械工程材料 第二章 金属的结构
（三） 是非题
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
– 1． 因为单晶体是各乡异性的，所以实际应用的金属材料在 各个方向上的性能也是不相同的。 （×） – 2． 金属多晶体是由许多结晶方向相同的单晶体组成的。 （×） – 3． 因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数， 所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。 （√） – 4． 在立方晶系中，（123）晶面与[12]晶向垂直。 （√） – 5． 在立方晶系中，（111）与（11）是相互平行的两个晶面。 （×） – 6． 在立方晶系中，（123）晶面与（12）晶面属同一晶面族。 – 7． 在立方晶系中，原子密度最大的晶面间的距离也最大。 （√） – 8． 在金属晶体中，当存在原子浓度梯度时，原子向各个方 （×） 向都具有相同的跃迁几率。 – 9． 因为固态金属的扩散系数比液态金属的扩散系数小得多， （√） 所以固态下的扩散比液态下的慢得多。 （×） – 10．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。 – 11．晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。 （√）
机械工程基础第二章思考题答案
第二章练习1．何谓奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体，它们的性能如何?奥氏体：以符号“A”表示。
它是碳溶解于中的间隙固溶体。
由于奥氏体通常是高温组织，强度、硬度不高，塑性非常好。
因此在锻造或轧钢时，常把钢材加热到奥氏体状态进行。
铁素体：用符号“Ｆ”表示。
它是碳溶解于中的间隙固溶体。
铁素体的性能接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性很好，所以具有铁素体组织多的低碳钢，能够进行冷变形、轧制、锻造和焊接。
渗碳体：以分子式“ ”表示。
它是铁和碳形成的金属化合物，具有复杂的晶格类型。
其性能是硬度高、强度低、塑性几乎为零，是硬而脆的物质，故不能单独使用，而是在铁碳合金中以强化相的形式出现。
渗碳体的形状、大小、分布和数量对铁碳合金的性能有极大的影响。
珠光体：以符号“P”表示，它是铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量为0.77%。
具有较高的强度（σb=800MPa）和硬度（HBS=230），但塑性较铁素体低（δ=12%）。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物叫做莱氏体，含碳量为4.3%用符号表示，它只在高温(727℃以上)存在。
在727℃以下时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，用符号表示。
莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高(HB>700)，塑性极差。
2．何谓铁碳合金相图?铁碳合金状态图是研究铁碳合金在平衡状态下的组织随温度和成分变化的图形。
掌握它就能对钢和生铁的内部组织及其变化规律有一个较完整的概念，以便更好地利用它为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。
3．什么是亚共析钢、共析钢和过共析钢，这3种钢在室温下的组织有什么不同?亚共析钢：含碳量小于0.77%的钢，常温组织为F+P，如Q235A钢，45号、15号钢等中、低碳钢。
共析钢含碳量为0.77%的钢，常温组织为P。
如T8钢，T8A钢。
过共析钢：含碳量在0.77%~2.11%之间的钢，常温组织为P+ Fe3C ，如T10钢，T12A钢等。
机械工程材料课件(ppt)
内部原子的排列是否有规则； 晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点； 晶体具有各向异性，而非晶体呈各向同性。
晶体 非晶体
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 1.金属晶体结构的基本概念
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 1.金属晶体结构的基本概念 晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。 晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。 晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c
晶格常数：底面边长a， 底面间距c， c/a=1.633 原子半径：a/2 原子个数：6 配位数：12 致密度：0.74 常见金属： Be、Mg、Zn、Cd、 - Ti等
密排六方晶格
r四=0.29 r原子 r八=0.15 r原子
r四=0.225 r原子 r八=0.414 r原子
r四=0.225 r原子 r八=0.414 r原子
第二章 金属材料的基础知识
机械工程材料课件 (ppt)
SDUST
机械工程材料
优选机械工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ材料课件
第一节 金属的晶体结构 第二节 合金的相结构 第三节 纯金属的结晶 第四节 合金的结晶 第五节 铁-碳合金相图
第一节 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 晶体：凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体。
非晶体：凡内部原子无规则排列的物质称为非晶体。
α-Fe等
体心立方晶格
第一节 金属的晶体结构
二、金属的晶体结构
2.典型的晶体结构
面心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径： 原子个数：4 配位数：12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Cu、Al、Ni、Au、 Ag、Pt等
面心立方晶格
第一节 金属的晶体结构 二、金属的晶体结构 2.典型的晶体结构 密排六方晶格
第2章-材料的力学行为
拉伸试验机
拉伸试样的颈缩现象
6
拉伸曲线
F (σ)
op段：比例弹性变形阶段
pe段：非比例弹性变形阶段
s段（平台或锯齿）：屈服阶段
es p
sb段：均匀塑性变形阶段，是 强化阶段
b点：形成了“缩颈”
bk段：非均匀变形阶段，承载
下降，到k点断裂
o
b k
ΔL（ε）
低碳钢的拉伸曲线
（外力F-变形量ΔL曲线 及应力σ -应变ε曲线）
29
1、滑移变形的特点 ： ⑴ 滑移只能在切应力的作用下 发生。产生滑移的最小切应力 称临界切应力。
30
F
⑵ 滑移常沿晶体中原
子密度最大的晶面和
滑
移
晶向发生。因原子密
方 向
度最大的晶面和晶向
之间原子间距最大，
滑
结合力最弱，产生滑
移 面
移所需切应力最小。
9
2.1.2 材料的硬度
硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕 或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指样、不损坏工件，因此在生产和 科研中得到广泛应用。 分类：测定硬度的方法很多，压入法测定的硬度值表征 材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛
2
材料的性能
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能 工艺性能
铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
3
使用性能：为保证机械零件或工具正常工作，材料 应具备的性能，它包括物理性能（如导电性、导热 性、热膨胀性等）、化学性能（如抗腐蚀性、抗氧 化性等）和力学性能。 工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中，材料 适应各种冷、热加工和热处理的性能，它包括铸造、 锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺 性等。 力学性能：材料在外力作用下所显示的性能，又称 机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性 等。
机械工程材料第二章碳钢
面心立方晶格
• 3、密排六方晶格
• 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个 呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。 因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高 度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上 和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶 胞中间还有三个原子。
• 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶 胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所 共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密 排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝ 6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
• 位错：晶格中一部分晶 体相对于另一部分晶体 发生局部滑移，滑移面 上滑移区与未滑移区的 交界线称作位错。分为 刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺 型位错
刃位错的形成
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某 处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入 晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。
为研究方便，把原子（离子或分子）抽象为 规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。 结点在空间的排列方式称为空间点阵。
点阵中的结点所组成的平面 代。表晶体中的原子平面，称 为晶面。点阵中的结点按照 直线排列代表晶体中的原则 列，称为晶向。把点阵中的 结点用一系列平行直线连接 起来构成空间格子称为晶格。
密排六方晶格
晶体缺陷
晶体缺陷：实际晶体中与理想的点阵结构发 生偏差的区域；不影响晶体结构的基本特性， 少数原子排列特征发生改变，周期性势场畸 变。
点缺陷：0维，空位、间隙原子 异类原子
线缺陷：一维，位错 面缺陷：二维，晶界、相界、表面
• ① 点缺陷
• 空间三维尺寸 都很小的缺陷。
空位 间隙原子 置换原子
工程材料与机械制造基础-第2章
图 低碳钢的σ-ε曲线
图 低碳钢的σ-ε曲线 图 铸铁的σ-ε曲线
第一阶段oe：弹性阶段。弹性极限：σe 第二阶段es：屈服阶段。屈服极限：σs 第三阶段sb：强化阶段。强度极限：σb 第四阶段bz：缩颈阶段(截面积减小,载荷下降) 。z：试样断裂。
(1)延伸率（伸长率）
L L1 L0 100%
屈服强度：
s
Ps F0
(MPa)
抗拉强度：
b
Pb F0
(MPa)
s /b
叫屈强比，一般为0.65-0.75。 屈强比越小，可靠性越高。 屈强比越大，强度利用率越高，可靠性降低。
金属材料的强度与其化学成分和工艺过程 ，尤其是热处理工艺有密切的关系。
如: (1)纯金属的抗拉强度低
纯铁为200MPa，铜为60MPa,铝为40MPa (2)铁碳合金：退火状态下
σ-1 —— 疲劳强度, MPa
δ —— 伸长率、延伸率 αK —— 冲击韧性,J/cm2
7.比较45HRC 650HBW 800HV 240HBS的大小。 答：800HV >650HBW>45HRC>240HBS
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2420 .10.24Saturday , October 24, 2020 人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。1 7:50:38 17:50:3 817:50 10/24/2 020 5:50:38 PM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20. 10.2417 :50:381 7:50Oc t-2024- Oct-20 加强交通建设管理，确保工程建设质 量。17:50:3817 :50:381 7:50Saturday , October 24, 2020 安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2420.1 0.2417:50:3817 :50:38 October 24, 2020 踏实肯干，努力奋斗。2020年10月24 日下午5 时50分 20.10.2 420.10. 24 追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 0月24 日星期 六下午5 时50分 38秒17 :50:382 0.10.24 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 下午5时 50分20 .10.241 7:50Oc tober 24, 2020 作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2 020年1 0月24 日星期 六5时50 分38秒 17:50:3 824 October 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午5时50 分38秒 下午5 时50分1 7:50:38 20.10.2 4 专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20. 10.2420 .10.241 7:5017:50:381 7:50:38 Oct-20 牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月24日 星期六5 时50分 38秒Sa turday , October 24, 2020 相信相信得力量。20.10.242020年10月 24日星 期六5 时50分3 8秒20. 10.24
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零件
热锻
机加工
零件
冷轧、拔、冲
（机加工）
零件
2.1.1 材料凝固与结晶的条件
（1）熔融液体的粘度（内因）——是材料
内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表 示了液体中发生相对运动的难易程度。
聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为
金属晶体
（2）冷却速度（外因）——冷速越大，则在
单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低， 而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。
单晶体与多晶体示意图
金属锑锭的组织示意图
2.2 二元相图的基本类型
有关相图的基本概念： 合金状态 一定条件下合金有哪几个相组成 相变 临界点 相变的温度 相图 反映在平衡条件下，合金的状态同温度、
成分之间关系的图形。
2.2.1 相图的建立
热分析法建立Cu-Ni 二元合金相图的过程
用热分析法建立Cu-Ni相图
2.化学变质处理 3.增强液体流动法
2.4.2 定向凝固技术
单晶体的制备
1.尖端形核法 2.垂直提拉法
做无差错能手，向零缺陷迈进。20.12. 220.12. 2Wedn esday , December 02, 2020
天长地久有时尽，9000推行无绝期。1 7:27:28 17:27:2 817:27 12/2/20 20 5:27:28 PM
形成条件：固态为有限固溶体，发生共晶反应。
1. 相图分析
（1）共晶相图的形成
（2）相区与基本相 （3）特性线与特性点
MEN水平线——共晶线(三相区)
LE 183℃M N
2.典型合金的平衡结晶过程
（1）有限固溶体合金Ⅰ （2）共晶成分的合金Ⅱ （3）亚共晶成分合金Ⅲ （4）过共晶成分合金Ⅳ
（1）有限固溶体合金Ⅰ
第 2章 材料的制备与相图
Chapter2 Materials Manufacture and Phase Diagrams
2.1 材料的制备过程 2.2 二元相图的基本类型 2.3 典型二元相图的应用——Fe-C相图分析 2.4 凝固与结晶理论的应用
2.1 材料的制备过程
冶炼
铸锭
铸造
铸件
焊接 热轧 板、型、管、线材 机加工
（a）冷却曲线
（b）测定的相图
2.2.2 匀晶相图
特点：两组元在液态、固态下均可以任意比
例互溶（无限固溶体） Cu-Ni、Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等
1. 相图分析 •特性点 •特性线 •相区•基本相
2. 固溶体合金的平衡结晶过程分析
Cu-Ni合金的显微组织示意图
固溶体合金的平衡结晶规律
过冷度的影响因素 冷速↑ T↑
不同冷速下的冷却曲线示意图
自由能与温度的关系曲线
金属结晶的 能量条件
⑶ 纯金属结晶的普遍规律——不断形成晶 核与晶核不断长大的连续过程
形核的方式:
① 自发形核 以液态金属中的结构起伏为基础 ② 非自发形核 依赖于液体中的固体质点
晶核长大方式
① 平面方式长大 ② 以树枝晶方式长大为主
适用条件：
仅适用于两相区，用来 求两个平衡相的化学成分 和相对百分含量。
4.不平衡结晶——枝晶偏析
概念: 不平衡条件下,先结晶出的固 溶体和后结晶出的固溶体成分不同, 这种在一个晶粒内出现的成分不均匀 现象称为枝晶偏析。
（a）不平衡结晶； （b）不平衡结晶的组织
消除办法:扩散退火(均匀化退火)
2.2.3 共晶相图
2.4 凝固与结晶理论的应用
2.4.1 铸态晶粒度的控制 晶粒度:晶粒大小 用晶粒的平均面积或平均直径
来表示 晶粒度对性能的影响——细晶强化 晶粒度的影响因素
形核率（N） N ↑ 晶粒细化 长大速度（G） G ↓ 晶粒细化
N G↑ 则晶粒细化
控制晶粒度的方法：
1.控制过冷度
T ↑ N G ↑
低温浇注 金属型代替砂型 水冷铸铁 局部加冷铁
（4）过共晶成分的合金
1
过共晶合金的冷却曲线及组织
3.两种填写相图的方法
以相组分形式填写的相图
3.两种填写相图的方法
标明组织组分的铅-锡合金相图
2.2.4 包晶相图的特征
Fe-C相图包晶部分
4.包晶相图的特征
2.2.5 具有稳定化合物的相图
2.2.6 具有共析反应的相图
2.2.7 二元合金相图与性能之间的关系
1.合金的使用性能与相图的关系
合金的性能与相图的关系
2.合金的工艺性能与相图的关系
合金铸造性能与相图的关系
预习
准备 “2.3 铁碳合金相图分析”
内容的课堂讨论
参见“学习指导”P16~17中的
课堂讨论（铁碳合金相图）提纲
进行充分准备。
2.3 铁碳合金相图分析
铁碳相图讨论总结
一、相、相组分、组织、组织组分的关系 1 相=相组分(相组成物） 2 组织是由相组成的 3 组织组分一定是组织， 但组织不一定等于组织组分， 组织=各组织组分总和
二、含碳量对铁碳合金平衡组织与 性能的影响
⑴ 对平衡组织的影响 ⑵ 对力学性能的影响
Wc不同，F和Fe3C的相对量不同； Fe3C的形态不同，导致性能不同
Fe3C的形态对性能的影响：
共析 Fe3C呈片状—↑强度、硬度 ↓塑性、韧性 Fe3CⅡ呈网状——↓ ↓强度、塑性、韧性 共晶 Fe3C为连续基体—— ↑硬度 ↓强度、塑性、韧性
冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非 晶合金。
2.1.2 金属材料的制备
1.金属的冶炼 2.纯金属的结晶规律
⑴ 液态金属的结构特点（结晶的充分条件）
液态金属中存在 短程有序原子集团
结构起伏 (相起伏)
⑵ 金属结晶的必要条件 过冷度 T Tm Tn 过冷是结晶的必要条件
热分析法测定金属结晶温度
1 2 3
10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织
（1）有限固溶体合金Ⅰ
杠杆定律的应用 在kth温度下，计算 α和βⅡ的百分含量
（2）共晶成分的合金Ⅱ
共晶合金的冷却曲线及室温下的组织
（3）亚共晶成分合金Ⅲ
11
2 2’
亚共晶合金的冷却曲线及组织
（3）亚共晶成分合金Ⅲ
初晶的截取位置及相应的组织形貌
(与纯金属相比)
（1）变温结晶 （2）在结晶过程中，两平衡相的成分
和相对百分含量是不断变化的。液相的 成分沿着液相线变化，固相的成分沿着 固相线变化；此间的任一温度瞬时，都 可应用杠杆定律计算液固两相的相对百 分含量。
3. 杠杆定律 及其应用
内容表述:在合金相图的两相 区内,若温度一定,则该温度 下两平衡相的成分及两平 衡相的相对量是一定的,且 两相相对量之比等于各自 相距较远的线段之比。