机械工程材料第3版答案

第一章 金属材料的力学性能

1、在测定强度上ζs 和ζ0.2有什么不同？

答：ζs 用于测定有明显屈服现象的材料，ζ0.2用于测定无明显屈服现象的材料。

2、什么是应力？什么是应变？它们的符号和单位各是什么？

答：试样单位截面上的拉力称为应力，用符号σ表示，单位是MPa 。

试样单位长度上的伸长量称为应变，用符号ε表示，应变没有单位。

3、画出低碳钢拉伸曲线图，并指出缩颈现象发生在拉伸图上哪一点？断裂发生在哪一点？

若没有出现缩颈现象，是否表示试样没有发生塑性变形？

答： b 点发生缩颈现象，k 点发生断裂。

若没有出现缩颈现象，试样并不是没有发生塑

形性变，而是没有产生明显的塑性变形。

4、将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形？怎样判断它的变形性质？

答：将钟表发条拉直是弹性变形，因为当时钟停止时，钟表发条恢复了原状，故属弹性变形。

5、在机械设计时采用哪两种强度指标？为什么？

答：（1）屈服强度。因为大多数机械零件产生塑性变形时即告失效。

（2）抗拉强度。因为它的数据易准确测定，也容易在手册中查到，用于一般对塑性变形

要求不严格的零件。

6、设计刚度好的零件，应根据何种指标选择材料？采用何种材料为宜？材料的E 值愈大，

其塑性愈差，这种说法是否正确？为什么？

答：应根据弹性模量选择材料。要求刚度好的零件，应选用弹性模量大的金属材料。

金属材料弹性模量的大小，主要取决于原子间结合力（键力）的强弱，与其内部组织关系不大，而材料的塑性是指其承受永久变形而不被破坏的能力，与其内部组织有密切关系。两者无直接关系。故题中说法不对。

7、常用的硬度测定方法有几种？其应用范围如何？这些方法测出的硬度值能否进行比较？ 答：工业上常用的硬度测定方法有：布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法。

其应用范围：布氏硬度法应用于硬度值HB 小于450的毛坯材料。

洛氏硬度法应用于一般淬火件、调质件。

维氏硬度法应用于薄板、淬硬表层。

采用不同方法测定出的硬度值不能直接比较，但可以通过经验公式换算成同一硬度后，再进行比较。

0 s b ζ ε k

8、布氏硬度法和洛氏硬度法各有什么优缺点？各适用于何种场合。下列情况应采用哪种硬

度法测定其硬度？

答：布氏硬度法：（1）优点：压痕面积大，硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度

较洛氏硬度法高。

（2）缺点：测试费时，且压痕较大，不适于成品、小件检验。

（3）应用：硬度值HB 小于450的毛坯材料。

洛氏硬度法：（1）优点：设备简单，测试简单、迅速，并不损坏被测零件。

（2）缺点：测得的硬度值重复性较差，对组织偏析材料尤为明显。

（3）应用：一般淬火件，调质件。

库存钢材—布氏硬度 ； 锻件—布氏硬度 ； 锉刀—布氏硬度

台虎钳钳口—洛氏硬度 ； 硬质合金刀头—洛氏硬度 黄铜轴套 ——布氏硬度 供应状态的各种碳钢钢材——布氏硬度 硬质合金刀片——洛氏硬度

9、疲劳破坏是怎样形成的？提高零件疲劳寿命的方法有哪些？为什么表面粗糙和零件尺寸 增大能使材料的疲劳强度值减小？为什么疲劳断裂对机械零件潜在着很大的危险性？交变应力和重复应力区别何在？

答：由于材料表面或内部有缺陷，这些缺陷处的局部应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而断裂。这些微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承载的有效面积减少，以致不能承受所加载荷而突然断裂。

提高疲劳寿命的方法，就是消除或减少疲劳源及延缓疲劳裂纹的扩展。一般在结构上避免应力集中；制定合理的工艺；使材料得到韧性组织，减少内部缺陷；降低表面粗糙度，避免表面不划伤、腐蚀；强化表面，在材料表面形成压应力。

表面粗糙易形成疲劳源。零件尺寸增大，其内部组织不易均匀，也易存在夹杂物等各种缺陷，这些易形成疲劳源，并加快疲劳裂纹的扩展。

因为材料在受到远低于屈服应力的外力作用下，在没有明显塑性变形的条件下，产生的突然断裂，属低应力脆断。

12、试画出疲劳曲线，并说明疲劳曲线所表示的含义。

答：

疲劳曲线表明，金属材料承受的交变应力越大，则材料断裂时应力循环次数越少。反之，应力循环次数越大。

0 交变应力曲线图

重复应力曲线图 ζ N O

13、拉伸试样的原标距为50mm ，直径为10mm ，拉伸试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若断后的标距为79mm ，缩颈区的最小直径为4.9mm ，求该材料的伸长率和断面收缩率的值。

答： ％％＝5810050

5079=?-δ ％765

45.2522

2=??-?=πππψ

第二章 材料凝固与结晶

1、求出体心和面心立方晶格的致密度。

74.04214.334433=???? ????=?=

a a 单个晶胞的体积单个原子的体积原子数面心立方晶格的致密度

2、什么是过冷度？它对结晶过程和晶粒度的影响规律如何？

答：过冷度就是理论结晶温度和实际结晶温度相差的度数。

在一般冷却条件下，过冷度愈大，结晶过程进行的愈快。过冷度增加，形核率和长大速度同时增加，但形核率增加的更快，所以随着过冷度的增加，晶粒细化。

3、什么是同素异晶转变？试画出纯铁的冷却曲线，并指出室温和1100℃时的纯铁晶格有什

么不同？分析曲线中出现“平台”的原因。

答：随温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变。

纯铁的冷却曲线：

室温纯铁晶格：体心立方体晶格 1100℃纯铁晶格：面心立方晶格

1538℃铁发生了结晶，1394℃和912℃铁发生了重结晶，结晶放出的热量与冷却散失的热量相等，使冷却曲线上出现了水平线。

4、简述实际金属晶体和理想晶体在结构和性能上的主要差异。

答：结构上：实际金属晶体为多晶体，理想晶体为单晶体。

性能上：实际金属晶体表现为各向同性，理想晶体表现为各向异性。

T （℃） 1538 1394 912 γ-Fe δ-Fe α-Fe

0 t

5、常见的金属晶体结构有哪些？它们的原子排列和晶格常数各有什么特点？α-Fe 、γ-Fe Al 、Cu 、Ni 、Cr 、V 、Zn 各属于何种晶体结构？

答：常用的晶体结构有：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

体心立方晶格:立方体中心和立方体结点各占有一个原子，a=b=c ，α＝β＝γ＝90°

面心立方晶格:立方体六个表面中心和立方体结点各占有一个原子。 a=b=c ，α＝β＝γ＝90° 密排六方晶格:六方晶格的上、下底面中心和六方柱体的结点各占有一个原子,六方柱体中心有三个原子构成等边三角形。 晶格常数a=b ≠c ， α＝β＝120° ， γ＝90°。

α-Fe 、Cr 、V 属于体心立方晶体；γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 属于面心立方晶格；Mg 、Zn 属于密排六方晶格。

6、液态金属结晶时，细化晶粒的方法有哪些？晶粒大小对材料的力学性能有何影响？ 答：液态金属结晶时，细化晶粒的方法有：（1）加快冷却速度，增加过冷度；

（2）变质处理； （3）附加振动。

晶粒愈细小，材料的强度、硬度、塑性、韧性愈高；反之愈低。

7、实际金属晶体中存在哪些缺陷？对性能有什么影响？

答：实际金属晶体中有点、线、面三类缺陷。

晶体缺陷使晶体的连续性受到破坏，所以实际晶体的强度仅是理想晶体计算强度的万分之几。但在实际晶体中存在缺陷是不可避免的，而且缺陷使晶格畸变，使材料强度提高，塑性有所下降，同时还使材料的电阻增加、耐蚀性降低。

8、形核有几种？何为变质处理？

答：形核有自发形核和非自发形核两种。

变质处理又称非自发形核，即在液态金属中加一定量的难熔金属或合金，以增加形核率，达到细化晶粒的目的。加入的物质称变质剂。

9、金属同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处？

答：相同点：发生了结晶，产生了相变，晶格结构发生了改变。

不同点：液态金属结晶由液态转变成固态，金属同素异构转变由固态转变成固态。

10、判断下列情况下是否有相变：

（1）液态金属结晶 （2）晶粒粗细的变化 （3）同素异构转变

答：液态金属结晶、同素异构转变产生了相变；晶粒粗细的变化没有相变的产生。

第三章 铁碳合金

1、间隙固溶体和间隙相在晶体结构和性能上的差别是什么？

答：间隙固溶体的晶格与溶剂的晶格相同，溶质原子的含量可在一定范围内变化；间隙相晶格类型简单，与任一组元的晶格均不相同，组元的成分比例确定。

间隙固溶体是固溶体，具有综合力学性能；间隙相是金属间化合物，具有极高的硬度、熔点和脆性。

2、什么是共析转变和共晶转变？试以铁碳合金为例，说明这两种转变过程及其显微组织的特征。

答：合金的共析转变是一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种或两种以上一定成分的新固相的转变。

对于铁碳合金，共析转变是碳含量为0.77％的奥氏体在727℃同时析出一定成分的铁素体和渗碳体的转变。

反应式为：

()C Fe F A p ℃s 3727+??→?

显微组织的特征：由于铁素体和渗碳体在恒温下同时析出，两相互相制约生长，因此，形成铁素体和渗碳体层片交替排列的细密的机械混合物——珠光体。

合金的共晶转变是一定成分的液相在一定温度下同时析出两种或两种以上一定成分的不同固相的转变。

对于铁碳合金，共晶转变是碳含量为4.3％的液相在1148℃同时析出碳含量为2.11％的奥氏体和渗碳体的转变。

反应式为： ()C Fe A L E ℃

C 31148+??→? 显微组织的特征：由于奥氏体和渗碳体在恒温下同时形成，因此，形成在渗碳体基体上弥散分布奥氏体的鱼骨状机械混合物——莱氏体。

3、合金中相组分与组织组分区别何在？指出亚共析钢与亚共晶白口铸铁中的相组分与组织组分。指出碳钢与白口铸铁在常温固态下相组分的异同之处。

答：合金中的相组分是指成分相同、结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分；合金中的组织是指相的组合。

亚共析钢的相组分是：F 和Fe 3C ； 组织组分是：F 和P 。

亚共晶白口铸铁中的相组分是：F 和 Fe 3C ；′组织组分是：P 、 Fe 3C Ⅱ和L e ′

相同点：在常温固态下，碳钢与白口铸铁的相组分都是F 和Fe 3C 。

不同点：形成Fe 3C 的母相不同，形态不同。

4、画出简化的Fe-Fe 3C 相图中的钢部分相图，标出各特性点的符号，并进行以下分析：

（1）标注出相图中空白区域的组织组分和相组分；

（2）分析特性点P 、S 、E 、C 的含义；

（3）分析碳含量为0.4％的亚共析钢的结晶过程，并计算其在室温下的组织组分和相组分

的相对量；

（4）指出碳含量为0.2％、0.6％、1.2％的钢在1400℃、1100℃、800℃时奥氏体中碳的

质量分数。

答：（2）P 点：727℃，碳含量为0.0218％，碳在铁素体中达到的最大溶解度点，也是共析

转变时析出的铁素体成分点；

S 点：727℃，碳含量为0.77％，共析转变点；

E 点：1148℃，碳含量为2.11％，碳在奥氏体中达到的最大溶解度点，也是共晶转变

时结晶的奥氏体成分点；

C 点：1148℃，碳含量为4.34％，共晶转变点。

（3）碳含量为0.4％的亚共析钢的结晶过程为：L →L+A →A →F+A →P+F

碳含量为0.4％的亚共析钢在室温下的组织是P+F ，其相对量为：

％％F 481000218

.077.040.077.0≈?--= ％％P 521000218.077.00218.040.0≈?--= 或： P = 1- F = 1- 48％ = 52％ 碳含量为0.4％的亚共析钢在室温下的相是F+Fe 3C ，其相对量为： ％％F 941000218

.069.640.069.6≈?--= 1 2 3 4 T/℃ 1 2

3

4

4 0 t

％％C Fe 61000218

.069.60218.040.03≈?--= 或： Fe 3C = 1- F = 1- 94％ = 6％

6、现有两种铁碳合金，其中一种合金的显微组织中珠光体量占75％，铁素体体量占25％； 另一种合金的显微组织中珠光体量占92％，二次渗碳体量占8％。问这两种合金各属于哪一类合金？其碳的质量分数各为多少？

答：第一种合金的组织组成物为P+F ，属于亚共析钢。两种组织的含碳量分别为：C F ≈0，C P ＝0.77％；合金的含碳量为：

％％％％F C P ＝C C F P Ⅰ

58.02507577.0=?+?=?+? 由此可见，亚共析钢的含碳量主要取决于组织中珠光体的含量，可忽略铁素体中的含碳量。

第二种合金的组织组成物为P+Fe 3C ，属于过共析钢。两种组织的含碳量分别为： C P ＝0.77％，C Fe3C Ⅱ＝6.69％；合金的含碳量为：

％％％％C Fe C P ＝C C ⅡC Fe P ⅡⅡ25.1869.69277.033=?+?=?+?

由此可见，过共析钢的含碳量主要取决于组织中珠光体和二次渗碳体的含量，题中8％二次渗碳体碳含量占合金含碳量的43.2％，说明了高碳相渗碳体的数量对合金含碳量有重要影响。

7、已知铁素体的硬度为80HBS ，渗碳体硬度为800HBW 。根据两相混合物的合金性能变化规律，计算珠光体的硬度。又为什么实际测得的珠光体硬度都要比计算结果高？

答：珠光体的相组分为F+ Fe 3C ，其相对量为：

％％C Fe 121000218

.069.60218.077.03=?--=

％％F 881000218.069.677.069.6=?--= 故珠光体硬度HB = F ×80+Fe 3C ×800 = 88％×80 + 12％×800 = 166.4

因为实际的晶体内部有缺陷，增加了晶体的强度、硬度，所以实际值比理论值高。