机械工程材料沈莲课后习题答案文档格式.docx
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（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：
设备简单，测试简单、迅速，并不损坏被测零件。
测得的硬度值重复性较差，对组织偏析材料尤为明显。
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？
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。
重复应力曲线图
12、试画出疲劳曲线，并说明疲劳曲线所表示的含义。
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。
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。
?
＝79?
50?
100％?
58％50
?
52?
2.452
76％2?
5
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。
面心立方晶格的致密度?
3原子数?
单个原子的体积单个晶胞的体积?
2?
44?
3.14?
a?
34?
0.74?
a3
2、什么是过冷度？
它对结晶过程和晶粒度的影响规律如何？
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。
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：
t
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。
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。
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。
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？
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？
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？
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？
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
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？
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。
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：
℃as?
727?
fp?
fe3c?
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。
ae?
lc?
1148℃
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。
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fe3c；
组织组分是：
f和p。
′′亚共晶白口铸铁中的相组分是：
f和fe3c；
p、fe3cⅡ和le
相同点：
在常温固态下，碳钢与白口铸铁的相组分都是f和fe3c。
形成fe3c的母相不同，形态不同。
4、画出简化的fe-fe3c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。
（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。
2314（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：
0.77?
0.40?
48％0.77?
0.0218
0.40?
0.0218p?
52％0.77?
0.0218f?
t/℃
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+fe3c，其相对量为：
f?
6.69?
94％6.69?
【篇二：
机械工程材料作业整理】
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失效：
在使用过程中因零件的外部形状尺寸和内部结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象称为失效。
失效方式：
（1）过量变形失效：
a、过量弹性变形b、过量塑性变形
（2）断裂失效：
a、韧性断裂b、脆性断裂c、低应力断裂
d、疲劳断裂e、蠕变断裂f、介质加速断裂
（3）表面损伤失效：
a、磨损失效b、腐蚀失效c、表面接触疲劳
（4）物理性能降级：
电磁、热等性能衰减
2.静载性能指标有哪些？
它们分别与那种失效形式关联？
1、刚度和强度指标
刚度：
弹性模量
强度：
比例极限，弹性极限，屈服强度，抗拉强度，断裂强度
2、弹性和塑形指标
弹性：
弹性能
塑形：
断后伸长率，断面收缩率
3、硬度指标
失效形式强度：
断裂、塑性变形
塑性：
塑性变形
过量弹性变形
硬度：
磨损
韧性和疲劳强度：
断裂
3.过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？
如何预防？
失效的责任主要在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。
过量弹性变形产生变形的主要原因是材料刚度不够。
预防途径：
1．选择合适的材料或结构
2．确定适当的匹配尺寸
3．采用减少变形影响的转接件，比如在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹性变形的有害影响。
过量塑性变形产生变形的主要原因是材料的弹性极限，屈服强度不够。
1．降低实际应力：
降低工作应力；
减少残余应力；
降低应力集中。
2．提高材料的屈服强度：
通过合金化、热处理等方法。
4.何谓冲击韧性？
如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？
冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，即反映材料承受外来冲击负荷而不断裂的抵抗能力。
冲击韧性指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。
材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当温度低于韧脆转变温度时，材料由韧性状态变为脆性状态的现象，称为低温脆性。
从试样结果看（参见沈莲《机械工程材料》第三版p10图1-4）冲击韧性高的材料的低温脆性倾向小。
但如果在低温条件下使用的零件，设计要考虑冲击韧性和韧脆转变温度。
作业二
1.何谓断裂韧性？
影响脆断的主要因素有哪些？
材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。
是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
通常主要以断裂韧度来衡量。
影响脆断的主要因素有：
1、加载方式和材料本质：
冶金缺陷会引起冷脆，比如过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；
有害杂质元素沿晶界偏聚，减弱了晶界结合力等。
2、温度和加载速度：
降低使用温度和增加加载速度都会引起材料脆断倾向增大。
3、应力集中
压力容器钢:
ac=（170/（1.77*1000）=0.0092m2铝合金:
ac=（25/（1.77*400）=0.0012m
由于压力容器钢的零件允许存在的裂纹最大尺寸大于铝合金的，所以压力容器钢更适合做压力容器。
3.查资料，到现场（汽车系、机械系、材料系实验室），从下列汽车零件中任选一种，
分析它在使用中的主要失效形式，你选材时主要考虑哪些主要力学性能，为什么？
变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身），发动机中的活塞，发动机缸体，发动机缸盖，曲轴，半轴，减振弹簧（钢板弹簧）
常见汽车零件的工作条件及失效形式：
1、齿轮工作条件、失效形式及性能要求
齿轮是汽车中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。
（1）工作条件
1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；
2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的交变接触力及强烈的摩擦；
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击；
（2）主要失效形式
1）疲劳断裂主要发生在齿根。
它是齿轮最严重的失效形式；
2）齿面磨损；
3）齿面接触疲劳破坏；
4）过载断裂；
（3）性能要求
1）高的弯曲疲劳强度
2）高的接触疲劳强度和耐磨性
3）齿轮心部要有足够的强度和韧性
4）较好的热处理性能，热处理变形小。
2.汽车发动机曲轴的工作条件、失效形式及性能要求
1）承受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。
2）曲轴颈与轴承发生滑动摩擦
3）承受一定的冲击载荷
1）疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用
2）磨损失效轴颈严重磨损
（3）对曲轴用材料性能要求
1）高的强度；
2）一定的冲击韧度；
3）足够的弯曲、扭转疲劳强度；
4）足够的刚度；
轴径表面有高的硬度和耐磨性。
3、汽车弹簧零件的工作条件、失效形式及性能要求
1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受很大的弯曲应力或扭转应力。
2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用
1）刚度不足引起的过度变形
2）疲劳断裂
（3）对弹簧用材性能要求
2）高的疲劳强度
3）好的表面质量
4）良好的耐蚀性和耐热性
2
4、半轴零件的工作条件、失效形式及性能要求
（1）半轴的工作条件
1）工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；
2）轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；
3）轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；
4）多数轴会承受一定的过载载荷。
（2）半轴的失效方式
1）长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；
2）大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；
3）与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。
（3）半轴的性能要求
1）综合机械性能：
足够强度、塑性和一定韧性，以防过载断裂、冲击断裂；
2）高疲劳强度，对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；
3）表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；
4）足够淬透性，良好切削加工性能，价格便宜。
5、活塞零件的工作条件、失效形式及性能要求
（1）活塞的工作条件
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。
1）活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500k以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700k，且温度分布很不均匀；
2）活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达3～5mpa，柴油机高达6～9mpa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；
3）活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。
活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。
（2）活塞失效形式
1）活塞顶面裂纹；
2）活塞环槽过度磨损；
3）活塞销座裂纹，销孔咬合；
4）环岸和裙部脆断。
（3）活塞的性能要求
1）要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。
2）导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分的散热能力,受热面积小。
3）活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。
4）温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。
5）热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。
6、发动机缸体零件的工作条件、失效形式及性能要求
（1）发动机缸体的工作条件
缸体通常在处于高温、高载荷、磨损剧烈的状态下工作，承受较大的热冲击作用和承受较大的压力，同时工作在液体油的沉浸下，工作环境潮湿。
（2）发动机缸体失效形式
1）过量变形；
2）缸体渗漏
（3）发动机缸体的性能要求
1）要有足够高的刚度、强度、硬度，高的耐磨性；
2）配气机构能够准时的进气排气，气缸内密封性好，无漏油；
3）缸体工作时内部高压高温，因此需要有良好的散热条件；
4）良好的减震性；
4）发动机缸体形状复杂，因此要便于成型。
7、发动机缸盖零件的工作条件、失效形式及性能要求
（1）发动机缸盖的工作条件
缸盖安装在缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。
它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。
（2）发动机缸盖失效形式
过量塑性变形，拆卸后重装密封性下降；
（3）发动机缸盖的性能要求
1）高的高温强度；
2）好的密封性；
3）良好的导热性；
4）发动机缸盖形状复杂，因此要便于成型。
8、汽车车身的工作条件、失效形式及性能要求
（1）汽车车身的工作条件
汽车车身既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。
它主要起的是支撑作用以及防止在行驶过程中损坏和驾驶人在冲击过程中受到伤害的作用。
由于长期暴露在空气中，所以要求有一定的防腐蚀作用，当然其形状的设计也要符合一定的力学规律，即减少在行驶过程中的受力，用以降低损耗。
（2）汽车车身的失效形式
1）一般在长时间工作后由于受到内部震动影响容易出现部分部位脱焊的状况，直接导致失效；
2）部分区域应力集中发生非弹性变形、扭曲；
3）磨损、锈蚀也是其常见的一种失效形式。
（3）汽车车身的性能要求
由于汽车车身具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，所以要求有以下性能：
1）足够的强度；
2）良好的塑性和韧性，良好的冲压性能；
3）一定的刚性和尺寸稳定性；
4）良好的焊接性能；
作业3
根据其工作条件，此轴失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，也可能出现冲击过载断裂，塑性变形或高温蠕变。
从失效分析看，设计时需要考核力学性能指标：
高的疲劳强度，防止疲劳断裂；
优良的综合力学性能，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，防止塑性变形和冲击过载断裂；
轴颈处具有高的硬度和耐磨性，防止磨损失效；
高的蠕变抗力、耐蚀性等。
2、实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型，它们分别对金属材料力学性能有何影响？
试分别
举一例在实际生产（生活）的应用。
实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。
根据缺陷在晶体中分布的几何特点,可将其分为3大类,即点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷会使周围的晶格发生畸变，进而使位错运动时阻力增大，从而引起材料强度、硬度上升，塑性、韧性下降。
生产中固溶强化就是利用此原理，比如热处理（淬
火）；
加合金元素固溶于奥氏体、铁素体、马氏体中，产生固溶强化。
位错是一种及重要的晶体缺陷，它对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用，塑性变形就其原因就是位错的运动，而强化金属材料的基本途径之一就是阻碍位错的运动。
深入了解位错的基本性质与行为，对建立金属强化机制将具有重要的理论和实际意义。
金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。
如果位错运动受到的阻碍较大，则材料强度、硬度就会较高。
实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。
比如生产中的表面喷丸强化技术。
面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。
晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化。
比如，生产中的孕育处理，加合金元素细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条等。
3、何谓过冷度？
为什么结晶需要过冷度？
它对结晶后晶粒大小有何影响？
过冷度是指金属其熔点（理论结晶温度）与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。
过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
根据热力学第二定律，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。
从液、固金属自由能g与温度t的关系曲线可知，二曲线相交点对应的温度称为平衡结晶温度。
在低于平衡结晶温度时，固体的自由能低于液体的自由能，液体结晶为固体为自发过程，所以要使液体结晶，就必须具有一定的过冷度，以提供结晶的驱动力，过冷度愈大，液体结晶的倾向愈大。
过冷度愈大，冷却速度越大，生核速率就越大，晶粒就越细小
作业四
1、根据铁碳相图指出渗碳体的种类、形成过程及对铁碳合金力学性能的影响。
根据铁碳相图渗碳体一般分为5种
一次渗碳体（从液体相中析出）其呈白色条带状分布在莱氏体之间。
二次渗碳体（从奥氏体中析出），沿奥氏体晶界网状分布。
沿原始奥氏体晶界析出且呈网状分布，从而勾划出奥氏体晶界，故成网状的二次渗碳体。
当奥氏体转变成珠光体后，二次渗碳体便呈连续网状分布在珠光体的边界上。
三次渗碳体（从铁素体中析出），其分布在铁素体晶界上，但因量少、极分散，一般看不到。
共晶渗碳体是由液态铁碳合金中直接结晶出来的；
由于液体原子活动能力强，故共晶渗碳体常以树枝状形态生长，而且比较粗大；
由于形成共晶渗碳体的液态合金碳含量较高（4.3%），故合金中共晶渗碳体的量大。
共析渗碳体是由固态下（奥氏体中）形成的；
以比较细小的片状形式存在；
由于形成共析渗碳体的合金的碳含量较低
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