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1、 工程材料工程材料 20132013 春春 习题及习题及参考答案参考答案 张建斌，郭铁明，贾建刚，季根顺 兰州理工大学兰州理工大学 材料学院材料学院 第一章第一章 1 名词解释 弹性变形：变形随负荷增加而增加，去除外力，变形完全恢复，称为弹性变 形。 塑性变形：外力去除后不能恢复的变形。 强度与比强度： 强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力；比强 度是强度与密度的比值。 刚度与比刚度：刚度是指材料的弹性模量 E，即应力与应变的比值(/)； 比 刚度是指 E 与密度的比值。 塑性：塑性是材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。 硬度：表示材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。 冲
2、击韧性： 在一定温度下，材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击 韧性。 疲劳极限： 材料承受的交变应力 越大，材料断裂前承受的交变应力的循 环次数 N 越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏， 此应力值称为材料的疲劳极限（或叫疲劳强度） 。 材料的加工性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的能力，反映了材料加 工的难易程度。 结构材料： 主要是利用其力学性能，用于制造实现运动和传递动力的零件，或以 受力为主的构件。 功能材料： 主要是利用物质独特的物理性质、化学性质以及生物功能等而制 成的一类材料。 复合材料： 复合材料是由两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结 合
3、起来而得到的一种多相固体材料。 2. 说明下列力学性能指标的含义： （1）s和 0.2 ：屈服强度，其中 0.2是指试件标距范围内产生 0.2%塑性变形时的应力值 作为该材料的屈服强度（0.2也叫条件屈服强度） （2）b ：b称为抗拉强度，它是材料抵抗均匀变形和断裂所能承受的最大应力值 （3） 和 ：断面收缩率和延伸率 （4）-1 ：疲劳极限或称疲劳强度 （5）HBS 和 HBW：布氏硬度，当压头为淬火钢球时用 HBS 表示，当压头选为硬质合金球 时用 HBW 表示。 （6）HRC：洛氏硬度 （7）KIC：断裂韧性 3 机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作 用？ 工程
4、构件与机械零件在工作条件下可能受到力学负荷、 热负荷或环境介质的 作用。在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂等；在热负荷作 用下，将产生热胀冷缩，导致尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的 升高、零件的承载能力下降，温度降低、零件脆化等；环境介质的作用主要表现 为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。 4 常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？ （1） 金属材料 金属材料具有良好的综合力学性能（强度和塑性等） 、导电性、导热性和工 艺性能等， 并呈特有的金属光泽， 可大量用作结构材料， 部分也可用作功能材料。 但是在特别高的温度以
5、及特殊介质环境中，由于化学稳定性问题，一般金属材料 难以胜任。此外，地球上金属材料的资源有限。 （2） 高分子材料的特征 高分子材料（也称高聚物）具有高弹性、一定耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性及 重量轻等优良性能，而且易于成形，加工性好，原料来源丰富，在工业中得到广 泛应用。但高分子材料强度、硬度低，耐热性很差，尺寸稳定性低，易老化，使 应用又受到一定限制。 （3） 陶瓷材料的特征 陶瓷的熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝 缘、热膨胀系数小等优点，在现代工业中已得到愈来愈广泛的应用。脆性大及不 易加工成形，使陶瓷材料的应用受到较大的限制。 （4） 复合材料 复合材料最大的优
6、点是具有单一材料所不具备的优异性能， 可按需要进行人 为设计、制造。能充分发挥其组成材料各自长处的同时，又在一定程度上克服了 它们的弱点。与单一的金属、陶瓷及高分子材料相比，复合材料具有更为广阔的 应用前景，但目前（性能高的复合材料）昂贵的价格是制约其应用的主要因素。 5 什么是塑性？衡量塑性的指标有哪些？塑性好的材料有什么实际意义? 塑性是指材料产生变形而不破坏的能力。材料的常用塑性指标有延伸率和断面收缩率。 降低应力集中，抵抗局部过载，提高零件的可靠性；良好的塑性有利于压力加工。 6 拉伸试样为低碳钢圆棒标准短试样（10 mm、长 50 mm） ，试样发生屈服时的最高载荷为 31400N，
7、 试样产生缩颈前的最高载荷为 53000N，拉断后试样长 79mm，缩颈处最小直径为 4.9mm，求其 s、b、 和 。 （答案略） 7 常用哪几种硬度试验？如何选用？硬度试验的优点何在？ 1）布氏硬度 压痕面积大，测量结果误差小，且与强度之间有较好的对应关系，故有代表 性和重复性。但同时也因压痕面积大而不适宜于成品零件以及薄而小的零件。此 外，还因测试过程相对较费事，故也不适合于大批量生产的零件检验。布氏硬度 常用于低、中硬度的退火状态下钢材、铸铁，有色金属及调质钢的硬度测试。 2）洛氏硬度 洛氏硬度的优点是操作迅速简便，压痕较小，几乎不损伤工作表面，故应用 最广。但因压痕较小，使代表性、重
8、复性较差，数据分散度也较大。其中 HRA 用于测量高硬度材料, 如硬质合金、 表淬层和渗碳层。 HRB 用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC 用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火 钢等。 3）维氏硬度 HV 维氏硬度所加负荷较小，主要用于薄工件或薄表面硬化层的低、中、高硬度 测试。 4）其它硬度 （略） 硬度试验有以下优点：试验设备简单，操作迅速方便；试验时一般不破 坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺 寸的零件；硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐 磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度等而免做复杂的拉伸实验（强
9、韧性 要求高时则例外） ；材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、 切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；硬度能较 敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加 工质量。 10 图 1-13 为五种材料的应力一应变曲线：为 45 钢，为铝青铜，为 35 钢，为硬铝，为纯铜。 试问：当应力为 30MPa 时各材料处于什么状态? 为 45 钢处于弹性变形状态；为铝青铜处于加工硬化状态；为 35 钢处于屈服状态；为硬铝处 于加工硬化状态；为纯铜：断裂 11 下列各种工件或钢材可用那些硬度试验法测定其硬度值? (1)车刀、 锉刀 （HRA， H
10、V） (2)供货状态的各种碳钢钢材 （HRC） (3) 硬质合金刀片 （HRA） (4)铝合金半成品（HBS） (5)耐磨工件的表面硬化 层（HV） 第二章第二章 1 名词解释： 晶体：内部的原子（或分子）呈周期性规则排列的物质称为晶体。 非晶体：内部的原子（或分子）不呈周期性规则排列的物质称为晶体。 合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的固态物质。 组元：组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。 相：合金中具有一定化学成分且晶体结构相同，具有相同的物理和化学性能，与其它部 分有明显分界的均匀组成部分称为相。 置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格中一些溶剂原子就形成置换固溶体。 间隙固溶
11、体：溶质原子溶入溶剂晶格间隙位置形成的固溶体。 固溶强化：通过加入溶质元素形成固溶体，使合金强度和硬度升高的现象称为固溶强化。 细晶强化：常温下，金属晶粒越细，则单位体积的晶界面积越大，其强度、硬度就越高，这 是由于晶界增加了位错移动阻力的缘故；同时，在相同变形量下，晶粒越细的金属，其晶粒 间变形越均匀，应力集中越小，使其塑性、韧性越好，这就是所谓的细晶强韧化。 弥散强化：细小粒状第二相弥散分布于基体上，阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大， 使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅略有下降，即所谓弥散强化。 2 常见的金属晶格有哪几种？试画出它们的晶胞结构。 体心立方，面心立方，密排六方 4 实际金
12、属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？ 按其几何特征可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三种。 点缺陷的存在破坏了晶格的规则性，造成晶格的歪扭、产生。是导致固溶强化的主要原 因。空位和间隙原子的存在还利于内部原子的扩散。金属的塑性变形主要由位错运动引起，金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑 性越高性越高。 5 什么是固溶体？什么是金属间化合物？它们的结构特点和性能特点各是什么? 固溶体是溶质原子溶入固态金属溶剂中形成的
13、与溶剂金属具有相同晶体结构的合金相。 固溶体的晶体结构和溶剂的相同， 但因溶质原子的溶入引起晶格常数的改变， 并导致晶格畸 变，使塑性变形抗力增大，从而使合金的强度和硬度增高，塑性降低。 金属间化合物是金属与金属元素之间，或者金属与类金属（以及部分非金属）元素之间 形成的具有金属特性的化合物， 金属间化合物的晶体结构与其组元的晶体结构完全不同。 金 属间化合物一般具有很高的熔点、高的硬度和较大的脆性。合金中出现金属间化合物时，可 提高材料的强度、硬度和耐磨性，但使塑性降低。适当数量与分布的金属间化合物可作为强 化相。固溶体基体上弥散分布着细小的金属间化合物是导致材料产生弥散强化(时效强化或 沉
14、淀强化)的原因。 6 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？ 通过加入溶质元素形成固溶体，使合金强度和硬度升高的现象称为固溶强化。 溶质原子的溶入引起晶格常数的改变，并导致晶格畸变，使塑性变形抗力增大，从而使 合金的强度和硬度增高，塑性降低。晶格畸变的程度越大，则固溶强化作用越强。溶质原子 和溶剂原子的半径差别越大， 晶格畸变的程度就越大； 间隙原子比置换原子能引起更大的晶 格畸变，其固溶强化作用更为明显。 7 什么叫共晶反应和共析反应？两种反应得到的组织有何不同之处？ 所谓共晶反应， 是指在一定的共晶温度下， 共晶成分的液体合金中同时结晶出两种成分 一定的固相的反应。 在一定温度下由一种
15、成分一定的固相转变成完全不同的两种成分一定的 固相的反应称为共析反应，生成的产物为共析组织（或共析体） 。 由于共析反应是在固态下进行的， 原子扩散较困难， 所以共析产物比共晶产物要细密得 多。 9 铁碳合金中主要的相是哪几个？两个最主要的恒温反应是什么， 其生成的室温组织是什么？它们的性能有什 么特点？ Fe-Fe3C 相图中存在五种基本相：液相（L） 、高温铁素体相（）、奥氏体相（A 或 ） 、 铁素体相（F 或 ）和渗碳体相（Fe3C） 。 在 ECF 水平线（1148）发生共晶转变 cFeA 32.114.3 L。转变产物为渗碳体基体上分布 着一定形态、数量的奥氏体的机械混合物（共晶体
16、） ，称为莱氏体，以符号“Ld”表示。莱 氏体在随后的冷却过程中，其中的奥氏体成分沿 ES 线变化，并析出二次渗碳体；到达 PSK 线时，余下的奥氏体则发生共析转变，最后得到的组织为低温莱氏体 Ld ，性能硬而脆。 在 PSK 线（727，A1线）发生共析转变 cFeFA 30.02180.77 。转变产物为铁素体基体上 分布着一定数量、形态的渗碳体的机械混合物（共析体） ，称为珠光体，以符号“P”表示。 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。 10 由铁碳相图可将铁碳合金分为哪几类？其室温平衡组织是什么？ 由 Fe-Fe3C 相图可将铁碳合金分为以下几类。 工业纯铁：wC0.0218% 室温平衡组织为 F+Fe3CIII 亚共析钢：0.0218%wC0.77% 室温平衡组织为 F+P(F+
