工程材料課后習(xí)題答案

1、 .參考答案第 1章 機(jī)械工程對(duì)材料性能的要求思考題與習(xí)題 p201.3、機(jī)械零件在工作條件下可能承受哪些負(fù)荷？這些負(fù)荷對(duì)零件產(chǎn)生什么作用？p4工程構(gòu)件與機(jī)械零件（以下簡稱零件或構(gòu)件）在工作條件下可能受到力學(xué)負(fù)荷、熱負(fù)荷或環(huán)境介質(zhì)的作用。有時(shí)只受到一種負(fù)荷作用，更多的時(shí)候?qū)⑹艿絻煞N或三種負(fù)荷的同時(shí)作用。在力學(xué)負(fù)荷作用條件下，零件將產(chǎn)生變形，甚至出現(xiàn)斷裂；在熱負(fù)荷作用下，將產(chǎn)生尺寸和體積的改變，并產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)隨溫度的升高，零件的承載能力下降；環(huán)境介質(zhì)的作用主要表現(xiàn)為環(huán)境對(duì)零件表面造成的化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕及摩擦磨損等作用。1.4 整機(jī)性能、機(jī)械零件的性能和制造該零件所用材料的力學(xué)性能間是什么

2、關(guān)系？p7機(jī)器的整機(jī)性能除與機(jī)器構(gòu)造、加工與制造等因素有關(guān)外，主要取決于零部件的結(jié)構(gòu)與性能，尤其是關(guān)鍵件的性能。在合理而優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)上，機(jī)器的性能主要由其零部件的強(qiáng)度及其它相關(guān)性能來決定。機(jī)械零件的強(qiáng)度是由結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素、材料因素和使用因素等確定的。在結(jié)構(gòu)因素和加工工藝因素正確合理的條件下，大多數(shù)零件的體積、重量、性能和壽命主要由材料因素，即主要由材料的強(qiáng)度及其它力學(xué)性能所決定。在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，主要是根據(jù)零件失效的方式正確選擇的材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能判據(jù)指標(biāo)來進(jìn)行定量計(jì)算，以確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和零件的尺寸。1.5常用機(jī)械工程材料按化學(xué)組成分為幾個(gè)大類？各自的主要特征是什么？ p1

3、7機(jī)械工程中使用的材料常按化學(xué)組成分為四大類：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料。材料結(jié)合鍵優(yōu)點(diǎn)：良好的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)度和塑性等）、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和工藝性能等，并呈特有的金屬光澤。缺點(diǎn)：在特別高的溫度以及特殊介質(zhì)環(huán)境中，由于化學(xué)穩(wěn)定性問題，一般金屬材料難以勝任。金屬鍵優(yōu)點(diǎn)：具有高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性及重量輕等優(yōu)良性能，而且易于成形。缺點(diǎn)：耐熱差，尺寸穩(wěn)定性低，強(qiáng)度硬度低，易老化。優(yōu)點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣和熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：脆性大、不易加工成形。優(yōu)點(diǎn)：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能，可按需要進(jìn)行人為設(shè)計(jì)、制造。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴提

4、示：強(qiáng)度、塑性、化學(xué)穩(wěn)定性、高溫性能、電學(xué)、熱學(xué)方面考慮回答。. .1.7、常用哪幾種硬度試驗(yàn)？如何選用 p18？硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)何在 p11？硬度試驗(yàn)選用常用于退火狀態(tài)下的鋼材、鑄鐵、有色金屬及調(diào)質(zhì)鋼的硬度測試（即材料硬度可測量較高硬度的材料（如一般淬火處理的鋼或工具鋼），也可測量硬度不太洛氏硬度 高的材料（如調(diào)質(zhì)鋼）等，并且測量中壓痕小、不易損傷零件表面。組織粗大且不均勻的材料，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確、重復(fù)性差。用于薄工件或薄表面硬化層的硬度測試。顯微硬度用于材料微區(qū)硬度（如單個(gè)維氏硬度晶粒、夾雜物、某種組成相等）的測試。莫氏硬度用于陶瓷和礦物的硬度測定。其他邵氏硬度常用于橡膠、塑料的硬度測定。硬

5、度試驗(yàn)有以下優(yōu)點(diǎn)：l 試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作迅速方便；l 試驗(yàn)時(shí)一般不破壞成品零件，因而無需加工專門的試樣，試驗(yàn)對(duì)象可以是各類工程材料和各種尺寸的零件；l 硬度作為一種綜合的性能參量，與其它力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、耐磨性之間的關(guān)系密切，由此可按硬度估算強(qiáng)度而免做復(fù)雜的拉伸實(shí)驗(yàn)（強(qiáng)韌性要求高時(shí)則例外）；l 材料的硬度還與工藝性能之間有聯(lián)系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作為評(píng)定材料工藝性能的參考；l 硬度能較敏感地反映材料的成分與組織結(jié)構(gòu)的變化，故可用來檢驗(yàn)原材料和控制冷、熱加工質(zhì)量。l （提示：設(shè)備簡單；試樣方便（無需專門加工）；在一定范圍可與力學(xué)性能、工藝性能建立聯(lián)系；工程中常用

6、）. .第 2章 材料的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征思考題與習(xí)題 p552.7 在鐵碳合金中主要的相是哪幾個(gè)？兩個(gè)最主要的恒溫反應(yīng)是什么？其生成的組織是什么？它們的性能有什么特點(diǎn)？答：鐵碳合金相圖中共有五個(gè)基本相，即液相l(xiāng)、鐵素體相 f、高溫鐵素體相 、奧氏體相 a及滲碳體相 fe3c。在 ecf 水平線（1148）發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 l4.3a2.11+fe3c。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為滲碳體基體上分布著一定形態(tài)、數(shù)量的奧氏體的機(jī)械混合物（共晶體），稱為萊氏體，以符號(hào)“l(fā)d”表示，性能硬而脆。在 psk線（727）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 a0.77f0.0218+fe3c。轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體基體上分布著一定數(shù)量、形態(tài)的滲碳體的機(jī)械混

7、合物（共析體），稱為珠光體，以符號(hào)“p”表示。珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。2.9 根據(jù)鐵碳相圖對(duì)鐵碳合金進(jìn)行分類，試分析不同鐵碳合金成分、室溫平衡組織及性能之間關(guān)系。答：由 fec相圖可將鐵碳合金分為以下幾類：工業(yè)純鐵：wc0.0218%，組織為 f+fe3ciii亞共析鋼：0.0218%wc0.77%， 組織為 f+p(f+fe3c)鋼 共析鋼：wc=0.77%，過共析鋼：0.77%wc2.11%，組織為珠光體 p(f+fe3c)組織為 p+ fe3cii（網(wǎng)狀）亞共晶（白口）鑄鐵：2.11%wc4.3%， 組織為 p+ fe3cii+ ld（白口）鑄鐵 共晶（

8、白口）鑄鐵：wc=4.3%，組織為 ld (a+ fe3c)或 ld過共晶（白口）鑄鐵：4.3%wc0.8%）,以形成大量碳化物，保證高硬度、高耐磨性。較多 w與 mo（10%）,產(chǎn)生 w2c、mo2c等細(xì)小彌散硬化，保證熱硬性。4%cr，淬透性。加 v，提高硬度、耐磨性。熱處理特點(diǎn)：先在 730870之間預(yù)熱，1200-1300 高溫淬火，三次 560回火（為了消除淬火鋼中大量的殘余奧氏體（可達(dá)30%左右），使合金碳化物彌散析出，以保證具有高的熱硬性）,組織回火馬氏體+碳化物+殘余 a；6266hrc。典型鋼種：w6mo5cr4v2、w9mo3cr4v、w18cr4v。14、填寫下表，說明表

9、中鑄鐵牌號(hào)的類別、符號(hào)和數(shù)字的含義、組織特點(diǎn)和用途。類別灰鑄鐵灰鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度值鋼基體（f、fp、 主要用于制造承壓件或p）上分布著一些片 受力較小、不太重要的零狀石墨灰鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度值 孕 育 鑄 鋼基體（p）上分布著較細(xì)片狀石墨黑心可鍛鑄鐵，最小抗拉 可 鍛 鑄 鋼基體（f、p）上 常用于制造形狀復(fù)雜、承件。ht250kth35010強(qiáng)度最小斷后伸長率分布著一些團(tuán)絮狀 受一定沖擊的薄壁件石墨. .ktz70002qt45010qt7002同上珠光體可鍛鑄鐵，最小抗 可 鍛 鑄 p 基體上分布著一拉強(qiáng)度最小斷后伸長率球墨鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度、最小斷后伸長率球 墨 鑄 鋼基體（主要 f）

10、 用來制造一些受力復(fù)雜，上分布著一些球狀 對(duì)強(qiáng)度、韌性和耐磨性要石墨 求高的零件.球 墨 鑄 鋼基體（主要 p） 同上，但性能要求更高一上分布著一些球狀 點(diǎn)。如汽、柴油機(jī)曲軸、石墨 車床主軸、球墨鑄鐵，最小抗拉強(qiáng)度、最小斷后伸長率15、填寫下表，指出表中金屬材料的類別、牌號(hào)或代號(hào)的含義、特性和主要用途（。建議去掉特性，主要用途簡寫，寫出最主要的即可）主要用途用于制造高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和要求具有較高心部韌性（即表硬心韌）的零件形狀復(fù)雜的深沖零件，散熱器外殼、裝璜件結(jié)構(gòu)零件優(yōu)質(zhì)碳素結(jié) 含碳量 0.45%含碳量 0.45%，mn%1.5%滾動(dòng)軸承鋼 g滾動(dòng)軸承；含碳量 1%左右， 軸承，冷作模具c

11、r%1.5%w%6%；mo %5%；cr %4%； 高速切削刀具v%2%普通碳素結(jié) q-屈服強(qiáng)度；235屈服強(qiáng)度 普通結(jié)構(gòu)件合金工具鋼 c%0.9%；si %1.5%；cr % 量刃具用鋼1.5%c%0.6%；si %2%；mn % 主要用作彈簧1.5%. .第 7章 工程設(shè)計(jì)、制造與材料選擇習(xí)題答案1、零件失效有哪些類型？試分析零件失效的主要原因。答案參考 p200202答：機(jī)器零件的失效可以分為過量變形失效、斷裂失效和表面損傷失效。每一類失效又可細(xì)分為若干具體的失效形式。失效的主要原因有以下四個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)1）應(yīng)力計(jì)算錯(cuò)誤表現(xiàn)為對(duì)零件的工作條件或過載情況估計(jì)不足造成的應(yīng)力計(jì)算錯(cuò)誤。2）

12、熱處理結(jié)構(gòu)工藝性不合理 熱處理結(jié)構(gòu)工藝性是指零件結(jié)構(gòu)對(duì)熱處理工藝性的影響及零件結(jié)構(gòu)對(duì)失效的影響。如把零件受力大的部位設(shè)計(jì)成尖角或厚薄懸殊等，這樣導(dǎo)致應(yīng)力集中、應(yīng)變集中和復(fù)雜應(yīng)力等，從而容易產(chǎn)生不同形式的失效。（2）選材與熱處理1）選材錯(cuò)誤料牌號(hào)選擇不當(dāng)、錯(cuò)料、混料，均會(huì)造成零件的熱處理缺陷或力學(xué)性能得不到保證和使用壽命下降。2）熱處理工藝不當(dāng)材料選擇合理，但是熱處理工藝或是熱處理操作上出現(xiàn)了毛病，即使零件裝配前沒有報(bào)廢，也容易早期失效。3）治金缺陷夾雜物、偏析、微裂紋、不良組織等超標(biāo)，均會(huì)產(chǎn)生廢品和零件失效。（3）加工缺陷冷加工和熱加工工藝不合理會(huì)引起加工的缺陷，缺陷部位可能成為失效的起源。如

13、切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度值太高，存在較深的刀痕；由于熱處理或磨削工藝不當(dāng)造成的磨削回火軟化或磨削裂紋；應(yīng)力集中部位的圓角太小，或圓角過渡不好；零件受力大的關(guān)鍵部位精度偏低，運(yùn)轉(zhuǎn)不良，甚至引發(fā)振動(dòng)等，均可能造成失效。（4）裝配與使用裝配時(shí)零件配合表面調(diào)整不好、過松或過緊、對(duì)中不好、違規(guī)操作、對(duì)某些零件在使用過程中未實(shí)行或未堅(jiān)持定期檢查、潤滑不良以及過載使用等，均可能成為零件失效的原因。2、選材三原則是什么？零件選材時(shí)應(yīng)注意什么問題？答案參考 p202205答：選材三原則是使用性能原則、工藝性原則、經(jīng)濟(jì)性原則。使用性能原則使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機(jī)器完成其功能的基本保證。使用

14、性能可由力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能表征。機(jī)械零件主要是力學(xué)性能。工藝性原則是指材料經(jīng)濟(jì)地適應(yīng)各種加工工藝而獲得規(guī)定使用性能或形狀的能力。經(jīng)濟(jì)性原則選材要講經(jīng)濟(jì)效益，要考慮多項(xiàng)成本。零件選材時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：在多數(shù)情況下優(yōu)先考慮使用性能，工藝性和經(jīng)濟(jì)性原則次之。有些力學(xué)性能指標(biāo)（如 、 、 、k ）可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算； 、 等不能直接b0.2-1ic用于計(jì)算，而是用于提高零件的抗過載能力，以保證零件工作安全性。k設(shè)計(jì)時(shí)確定的主要力學(xué)性能指標(biāo)是零件應(yīng)該具備的性能，在查閱手冊(cè)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)鋼材的性能指標(biāo)時(shí)，要注意手冊(cè)上給出的組織狀態(tài)：如果零件的最終狀態(tài)與手冊(cè)上給出的相同，可直接引用；否則，還要查閱其

15、它手冊(cè)、文獻(xiàn)資料或進(jìn)行針對(duì)性的材料力學(xué)性能試驗(yàn)。手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)給出的力學(xué)性能數(shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)小尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果，引用這些數(shù)據(jù)時(shí)要注意尺寸效應(yīng)。. .由于材料的成分是一個(gè)范圍，試樣毛坯的供應(yīng)狀態(tài)可以有多種，因此即使是同一牌號(hào)的材料，性能也不完全相同。國際標(biāo)準(zhǔn)和原冶金部部頒標(biāo)準(zhǔn)給出的熱軋或正火狀態(tài)的力學(xué)性能范圍或最低值，其數(shù)據(jù)可靠；而技術(shù)資料、論文中指出的數(shù)據(jù)一般是平均值，使用時(shí)要加以注意。同一材料的不同供應(yīng)或加工狀態(tài)（如鑄造、鍛造、冷變形等）對(duì)數(shù)據(jù)影響很大。選材時(shí)要同時(shí)考慮所選材料的成型加工方法。不同的成型方法會(huì)對(duì)零件設(shè)計(jì)、零件加工路線、零件熱處理方法、零件使用性能及零件成本等帶來重要影響。

16、7、如鏜桿選用 38crmoal 制造，其工藝路線如下：下料鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工去應(yīng)力退火粗磨氮化精磨研磨，試從力學(xué)性能和成分的角度說明選擇 38crmoal 的原因及各熱處理工序的作用。答：38crmoal 為中碳調(diào)質(zhì)鋼，為氮化專用鋼。從力學(xué)性能角度上，鏜桿工作時(shí)承受較大沖擊載荷，而表面要求具有高硬度、高耐磨性，且尺寸精度高，故選擇氮化專用鋼；成分上，38crmoal 為中碳鋼，cr 提高淬透性，使心部能獲得韌性較好的低碳馬氏體，還可產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；mo 可形成穩(wěn)定碳化物，阻止奧氏體晶粒長大，其細(xì)晶強(qiáng)韌化作用；mo 和 al 促進(jìn)滲氮，mo 還防止高溫回火脆性。熱處理工序的作用：退火：消除鍛造應(yīng)力，改善組織；調(diào)質(zhì)：獲得心部良好的綜合力學(xué)性能；為氮化做組織準(zhǔn)備；