工程材料课后习题答案

1、工程材料课后习题答案第一章（1） 答：用钢铁制造的日常用品有金属水龙头和金属水管，自行车上的车身、龙头、链条、轴承，站架，汽车的车身、车桥、发动机等大部分零部件，铁门，防盗网等等。用有色金属制造的日常用品有铜线、铅字、焊锡、铝壶等等。用有色金属制造的日常用品有飞机发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架；人造骨骼；铝合金门框；硬币等等。（2） 答：金属材料的力学性能是材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。常见的性能指标有弹性（弹性极限）、塑性（伸长率和收缩率）、冲击韧性、强度（屈服强度和抗拉强度）、硬度和疲劳强度。（3） 答：先是弹性变形阶段（Oe 段）；然后是屈服阶段（es 段）；再是强化阶段

2、（sb 段）；最后是缩颈阶段（bk 段）。如图所示。（4） 答：布氏硬度测量所得的硬度值比较准确、稳定。适用于测量退火、正火、调质钢，铸铁及有色金属的硬度（软材料）。洛氏硬度测试过程简单、迅速，适用范围广，压痕小，但精确度不如布氏硬度的测量结果。适用于硬质合金、表面硬化层钢、淬火钢等。维氏硬度压痕轮廓较清晰，具有较高的对线精确度，测量精确度较高。适应于精密仪表中的薄件、小件以及镀层、渗碳、渗氮层等的硬度测定。（5）答：对。脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。塑性和韧性愈差，脆性就愈大。对。刚度是材料力学中的名词，定义为施力与所产生变形量的比值，表示材料或

3、结构抵抗弹性变形的能力。越容易产生弹性变形，则刚度愈小。错。伸长率的测值与试样的长径比有关。错。冲击韧性与试验温度有一定的关系，因为试样在某种组织状态下（BCC），冲击韧性将随温度的变化而变化。对。s是屈服极限，是材料发生屈服现象时对应的应力值；-1是指材料在可经受无数次应力循环而不被破快的应力值，-1一般都在弹性变形阶段。对。表面粗糙度对承受交变载荷的零件的疲劳强度影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度波谷处容易形成疲劳源，产生疲劳裂纹。并且表面粗糙度越大，表面划痕越深，其抗疲劳破坏能力越差。错。材料的强度与塑性均属于“组织敏感量”，在化学成分一定的情况下，将随材料的组织变化而变化。错。零件

4、在工作时，材料变形不仅与自身的强度有关，还与设备使用环境、设备使用程度、操作者熟练程度等工况有很大的关系。第二章（1）答：单晶体是原子排列方位完全一致的一个晶粒，由于在不同晶向上原子密度不同，原子间的结合力不同，因而导致在单晶体中的各个方向上性能差异。对于多晶体中的任意一个晶粒来看，基本满足单晶体的特征，呈现各向异性，但是在多晶体系统中，单一晶粒的各向异性已经被周围其他位向的晶粒所“干扰”或“抵消”，整个多晶系统呈现其各向同性。（2）答：常见的金属晶格类型有但三种，即体心立方、面心立方和密排六方。前二种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。-Fe、Pb、V 属于体心立方结构；ß-Fe、A

5、l、Cu、Ni 属于面心立方结构。Cr、Mg、Zn 属于密排六方结构。（3）答：点缺陷是指呈点状分布的缺陷，包含有空位、间隙原子和置换原子等，它对材料中的原子扩散、固态相变，以及材料的物理性能（电阻、体积、密度）等都会产生重大影响。过饱和的点缺陷还可以提高材料的强度 线缺陷是各种类型的位错。对材料的变形、扩散以及相变起着非常大的作用。特别它很好地解释了塑性变形的微观机理，使我们了解到滑移是借助于位错的运动来实现的。当位错密度不高的情况下，位错支持了滑移，材料的塑性很好，但是当位错密度达到了较高的水平时，位错间的相互作用会造成位错的彼此“纠缠”，使滑移运动受阻，这时表现出材料的塑性变形的抗力提高

6、，材料的强度提高。 金属晶体中面缺陷主要有晶界、亚晶界、孪晶界和相界等。比如：晶界处原子的平均能量比晶内高，在高温时，晶粒容易长大。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。单位体积中的晶粒数目越多，晶界面积越大，晶格畸变越严重，材料的强度越高，同时材料的塑性也较好（同样的变形量可以分散到更多的晶粒中去进行，说明材料可以承受更大的变形量）。（4） 解：依题意，如下图所示：晶面指数为（061）。（5）（6）解：Cu 为面心立方结构。a=b=c=(2.56×2)/ 2A =3.62A = = =90°面心立方n=41mm 3 中Cu中的原子数为 4 × 1 ×10 -

7、9 m 3 /(3.62×3.62×3.62×10 -30 )8.43×10 19（7）答：因为-Fe为面心立方晶格，一个晶胞含4个原子；-Fe冷却到912 后转变为-Fe后，变成体心立方晶格，一个晶胞含2个原子，尽管-Fe的晶格常数大于 -Fe的晶格常数，但多的体积部分抵不上因原子排列不同-Fe变成 -Fe体积增大的变化部分。故-Fe冷却到912后转变为 -Fe时体积反而增加。（8）（9） 答：面心立方晶格中原子排列密度最大的晶面是111晶面族中的所有晶面。111晶面族中有 8 个晶面，独立存 - - -在的有 4 个，它们是：（111）、（111）、

8、（111）、（111）面心立方晶格中原子排列密度最大的晶向是<110>晶向族中的所有晶向。（略）第三章（1）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

9、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。（2）答：共晶反应是指一定成分的液相在一定温度下，转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。 包晶反应是指在一定温度下，一定成分的固相与包围它的成分一定的液相相互作用，形成一个一定成分的固相的反应。 共析反应是指一定成分的固相在一定温度下， 转变为两种成分不同结构不同的固相的反应。 异同点：三个反应都是在恒温过程，反应时都必须具

10、备温度和成分条件。不同的是共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应； 共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 （3）答：一次渗碳体：碳含量大于 4.3时，在LFe 3 C两相区内结晶析出的初生Fe 3 C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148）以上，形貌为大的片（其间为共晶组织）。碳含量于 4.3%6.69%是其典型成分区间。二次渗碳体：碳含量大于 0.77时，在AFe 3 C两相区内析出的Fe 3 C为二次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148）与共析温度（727）之间，形貌以网状为典型。碳含量于 0.77%6.69是

11、其典型成分区间。三次渗碳体：FFe 3 C两相区内析出的Fe 3 C为三次渗碳体，形成温度于共析温度（727）以下，形貌为细片状或粒状。共晶渗碳体：于共晶温度（1148）形成的共晶组织（AFe 3 C）中的Fe 3 C体。形貌为片状的共晶组织形貌。碳含量约为 4.3%。共析渗碳体：于共析温度（727）形成的共析组织（F+Fe 3 C)中的Fe 3 C，形貌为片状的共析组织形貌。碳含量约为 0.77%。（4） 解：20%A合金如图：      合金在1点以上全部为液相，当冷至1点时，开始从液相中析出固溶体，至2点结束，23点之间合金全部

12、由固溶体所组成，但当合金冷到3点以下，由于固溶体的浓度超过了它的溶解度限度，于是从固溶体中析出二次相A，因此最终显微组织：+A II 。相组成物：+A； A =（90-80/90）×100%=11%； =1- A =89%。组织组成物：+A II； =89%； A II =1- =11%。（5）解：设此钢的含碳量为 x%,根据杠杠定律:(x-0.0008）/(6.69-0.0008)×100%=18%。故含碳量约为 1.2%，该合金为过共析钢（6）答：低碳钢塑性、韧性好，有一定强度，具有优良的冷成型性能。T10、T12 含碳量为 1.0%,1.2%，在钢中当含碳量超过 1.

13、0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状使钢的脆性增加，塑性韧性不断下降，而硬度呈直线上升。绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而 65Mn 或65 钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。T10、T12 属于碳素工具钢，含碳量为 1.0%,1.2%，因为在钢中当含碳量超过 1.0%时，所析出的二次渗碳体在晶界形成连续的网络状使钢的脆性增加，受冲击能力下降。T10韧性中等，通常用作钳工钢锯条；T12 韧性低，用于制造不受冲击的工具，如锉刀等。热轧温度低于结晶温度以下发生塑

14、性变形时，由于晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属的强度和硬度升高，塑性和韧性降低，故轧制时有时开裂。铸造要求结晶温度间隔小、流动性好、分散缩孔少。常选用铁碳相图中结晶共晶成分附近的合金。共晶点的含碳量为 4.3%。而钢的含碳量一般小于 2.11%。钢中 F 较多，塑性好。容易加工成型。当钢加热到 10001250，组织为单相奥氏体（A）,可锻性好，当温度在 800以下时，会析出渗碳体，由于渗碳体脆而硬，不宜锻造。第四章（1）区别：1）变形距离滑移的距离是原子间距的整数倍，而孪晶带中相邻原子面的相对位移是原子间距的分数倍。2）变形方向滑移时晶体位向不变，而孪晶位向发生

15、变化，与未变形部分形成镜面对称。3）所需临界切应力孪生比滑移大得多4）变形速度孪生的变形速度比滑移大得多，接近声速。5）变形量孪生变形量小（10%6) 变形种类面心立方结构一般不发生孪生，而易滑移。密排六方结构易发生孪生变形。（6）冷加工，通常指金属的切削加工，即用切削工具从金属材料（毛坯）或工件上切除多余的金属层，从而使工件获得具有一定形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。如车削、钻削、铣削、刨削、磨削、拉削等。在金属工艺学中，与热加工相对应，冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。冷加工变形抗力大，在使金属成形的同时，可以利用加工硬化提

16、高工件的硬度和强度。冷加工适于加工截面尺寸小，加工尺寸和表面粗糙度要求较高的金属零件。 热加工，在高于再结晶温度的条件下使金属材料同时产生塑性变形和再结晶的加工方法。热加工通常包括铸造、热扎、锻造和金属热处理等工艺，有时也将焊接、热切割、热喷涂等工艺包括在内。热加工能使金属零件在成形的同时改善它的组织，或者使已成形的零件改变结晶状态以改善零件的机械性能。对于低熔点的金属材料，如铅、锌、锡等，其再结晶温度低，在室温下对它们进行的塑性加工，也属于热加工。第五章（1） 答：再结晶退火。目的：使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。细化晶粒，均匀组织，消除内

17、应力，降低硬度以消除加工硬化现象。组织：等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的铁素体和珠光体。球化退火。由于T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬

18、度，均匀组织、改善切削加工性。组织：粒状珠光体和球状渗碳体。（2） 目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，提高硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的大量铁素体和少量索氏体。目的：细化晶粒，均匀组织，消除网状Fe3C，为球化退火做组织准备，消除内应力。组织：索氏体和球状渗碳体。（3）略（4） 45钢小轴（要求综合机械性能），工件的淬火温度为850左右，回火温度为500650左右，其回火后获得的组织为回火索氏体 ，大致的硬度2535HRC。60钢弹簧，工件的淬火温度为850左右，回火温度为350500左右，其回火后获得的组织为回火屈氏体 ，大致的硬度4048HRC。

19、0;T12钢锉刀，工件的淬火温度为780左右，回火温度为150250，其回火后获得的组织为回火马氏体 ，大致的硬度60HRC。（5） 因为860加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却后得到的马氏体晶粒较粗大。因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，使 奥氏体中含碳量增加，降低钢的Ms和Mf点，淬火后残余奥氏体增多。因为加热温度860已经超过了Accm，此时碳化物全部溶于奥氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少780加热淬火后合适。因为含碳量为1.2%的碳钢属于过共析钢，过共析碳钢淬火加热温度Ac1+（3050），而780在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。第六章（1） 碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，比较重