机械工程材料课后答案

机械⼯程材料课后答案

⼯程材料习题

1、抗拉强度：是材料在破断前所能承受的最⼤应⼒。

屈服强度：是材料开始产⽣明显塑性变形时的最低应⼒。

塑性：是指材料在载荷作⽤下，产⽣永久变形⽽不破坏的能⼒

韧性：材料变形时吸收变形⼒的能⼒

硬度：硬度是衡量材料软硬程度的指标，材料表⾯抵抗更硬物体压⼊的能⼒。

刚度：材料抵抗弹性变形的能⼒。

疲劳强度：经⽆限次循环⽽不发⽣疲劳破坏的最⼤应⼒。

冲击韧性：材料在冲击载荷作⽤下抵抗破坏的能⼒。

断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能⼒。2 、材料的弹性模量与塑性⽆关。

3 、四种不同材料的应⼒应变曲线，试⽐较抗拉强度，屈服强度，刚度和塑性。

由⼤到⼩的顺序，抗拉强度： 2 、 1 、 3 、 4 。屈服强度： 1 、 3 、 2 、 4 。刚度：1 、3 、2 、4 。塑性：3 、2 、4 、1 。4、常⽤的硬度测试⽅法有⼏种？这些⽅法测出的硬度值能否进⾏⽐较？

布⽒、洛⽒、维⽒和显微硬度。由于各种硬度测试⽅法的原理不同，所以测出的硬度值不能直接进⾏⽐较。5、以下⼯件应该采⽤何种硬度试验法测定其硬度？

（1）锉⼑：洛⽒或维⽒硬度（2）黄铜轴套：布⽒硬度（3）供应状态的各种碳钢钢材：布⽒硬度（4）硬质合⾦⼑⽚：洛⽒或维⽒硬度（5）耐磨⼯件的表⾯硬化层：显微硬度6、反映材料承受冲击载荷的性能指标是什么？不同条件下测得的这些指标能否进⾏⽐较？

怎样应⽤这些性能指标？

冲击功或冲击韧性。由于冲击功或冲击韧性代表了在指定温度下，材料在缺⼝和冲击载荷共同作⽤下脆化的趋势及其程度，所以不同条件下测得的这种指标不能进⾏⽐较。冲击韧性是⼀个对成分、组织、结构极敏感的参数，在冲击试验中很容易揭⽰出材料中的某些物理现象，如晶粒粗化、冷脆、热脆和回⽕脆性等，故⽬前常⽤冲击试验来检验冶炼、热处理以及各种加⼯⼯艺的质量。此外，不同温度下的冲击试验可以测定材料的冷脆转变温度。同时，冲击韧性对某些零件（如装甲板等）抵抗少数⼏次⼤能量冲击的设计有⼀定的参考意义。7、疲劳破坏时怎样形成的？提⾼零件疲劳寿命的⽅法有哪些？

产⽣疲劳断裂的原因⼀般认为是由于在零件应⼒集中的部位或材料本⾝强度较低的部位，如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、⼑痕等缺陷，在交变应⼒的作⽤下产⽣了疲劳裂纹，随着应⼒循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效⾯积不断减⼩，当减⼩到不能承受外加载荷的作⽤时，零件即发⽣突然断裂。

可以通过以下途径来提⾼其疲劳抗⼒。改善零件的结构形状以避免应⼒集中；提⾼零件表⾯加⼯光洁度；尽可能减少各种热处理缺陷(如脱碳、氧化、淬⽕裂纹等)；采⽤表⾯强化处理，如化学热处理、表⾯淬⽕、表⾯喷丸和表⾯滚压等强化处理，使零件表⾯产⽣残余压应⼒，从⽽能显著提⾼零件的疲劳抗⼒。8、断裂韧性是表⽰材料何种性能的指标？为什么要在设计中要考虑这些指标？

断裂韧性表⽰材料抵抗裂纹扩展的能⼒。

断裂韧性的实⽤意义在于：只要测出材料的断裂韧性，⽤⽆损探伤法确定零件中实际存在的缺陷尺⼨，就可以判断零件在⼯作过程中有⽆脆性开裂的危险；测得断裂韧性和半裂纹

长度后,就可以确定材料的实际承载能⼒。所以，断裂韧性为设计、⽆损伤探伤提供了定量的依据。

1、晶体：物质的质点（分⼦，原⼦或离⼦）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质的晶体

⾮晶体：是指组成物质的质点不呈空间有规则周期性排列的的固体。

晶格：表⽰晶体中原⼦排列形式的空间格⼦叫做晶格

晶胞：从晶格中确定⼀个最基本的⼏何单元来表达其排列形式的特征，组成晶格的这种最基本的⼏何单元。叫做晶胞

晶格常数：晶胞的各边尺⼨a，b，c叫做晶格常数

致密度：致密度是指晶胞中原⼦所占体积与该晶胞体积之⽐。

晶⾯指数：表⽰晶⾯的符号叫做晶⾯指数

晶向指数：表⽰晶向的符号叫做晶向指数

晶体的各向异性：由于晶体中不同晶⾯和晶向上原⼦的密度不同，因此在晶体上不同晶⾯和晶向上原⼦结合⼒就不同，从⽽在不同晶⾯和晶向上显⽰出不同的性能。

点缺陷:是指在晶体中形成的空位和间隙原⼦

⾯缺陷:其特征是在⼀个⽅向尺⼨上很⼩，另外两个⽅向上扩展很⼤，也称⼆维缺陷，晶界、相界、孪晶界和堆垛层错都属于⾯缺陷。

线缺陷:晶格中⼀部分晶体相对另⼀部分晶体局部滑移，已滑移部分的交界线为位错线，即线缺陷。

亚晶界:相邻亚晶粒之间的界⾯称为亚晶界。

位错:晶格中⼀部分晶体相对于另⼀部分晶体的局部滑移。已滑移部分和未滑移部分的交界线成为位错

亚晶粒：是实际⾦属晶体中，⼀个晶粒的内部，其晶格位向并不是像理想晶体那样完全⼀致，⽽是存在许多尺⼨更⼩，位向差也很⼩的⼩晶块，它们相互镶嵌成⼀颗晶粒，这些⼩晶块称为亚晶粒。

单晶体:当⼀块晶体内部位向完全⼀致时。我们称这块晶体为单晶体

多晶体 :由许多彼此位向不同的晶粒组成的晶体结构成为多晶体

固溶体:当合⾦由液态结晶为固态时，组成元素间会像合⾦溶液那样相互溶解。形成⼀种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原⼦的新相，成为固溶体

⾦属间化合物: 凡是由相当程度的⾦属键结合，并具有明显⾦属特性的化合物，成为⾦属化合物

固溶强化：通过溶⼊某种溶质元素形成固溶体⽽使⾦属的强度，硬度升⾼的现象叫做固溶强化

结合键:是指由原⼦结合成分⼦或固体的⽅式和结合⼒的⼤⼩，结合键分为化学键和物理键两⼤类，化学键包括⾦属键、离⼦键和共价键；物理键即范德华⼒。2、⾦属键，离⼦键，共价键及分⼦键结合的材料其性能有何特点？

⾦属键，⼤量⾃由电⼦，良好导电导热性，⼜因⾦属键的饱和性⽆⽅向性，结构⾼度对，故有良好的延展性。

离⼦键，正负离⼦的较强电吸引，导致⾼硬度，⾼熔点，⾼脆性，因⽆⾃由电⼦，固态导电性差。

共价键，通过共⽤电⼦对实现搭桥联系，键能⾼，⾼硬度，⾼熔点，⾼介电性。

分⼦键，因其结合键能低，低熔点，低强度，⾼柔顺性。3、常见的⾦属晶体结构有哪⼏种？它们的原⼦排列和晶格常数有什么特点？α-Fe，δ-Fe，Cr，V ，γ-Fe，Cu，Ni，Pb ，Mg，Zn各属何种晶体结构？

有体⼼⽴⽅，⾯⼼⽴⽅，密排六⽅三种，

体⼼⽴⽅晶格的晶胞通常只⽤⼀个晶格常数a表⽰，它的每个⾓上和晶胞中⼼都排列⼀个原⼦，⾯⼼⽴⽅晶格也只⽤⼀个晶格常数表⽰，它的每个⾓上和晶胞的六个⾯的中⼼都排列⼀个原⼦。密排六⽅晶格有两个晶格常数，⼀个是柱体的⾼度c，另⼀个是六边形的边长a，它的每个⾓上和下，下底⾯的中⼼都排列⼀个原⼦，另外在晶胞中⼼还有三个原⼦。

α-Fe，δ-Fe，Cr，V属体⼼，γ-Fe，Cu，Ni，Pb属⾯⼼，

Mg，Zn属密排六⽅。

4、已知Fe的原⼦直径为2.54*10-10m，求Fe的晶格常数。并计算1mm3Fe中的原⼦数。

由√3/4a=r有a=（2.54*10-10/2）/√3/4=2.933*10-10（m）故α-Fe的晶格常数为 2.933*10-10m。1mm3中α-Fe的原⼦数

（1*10-3）3*2/（2.933*10-10）3 =7.927*1019个。5、注意晶⾯指数与晶向指数的求法：晶⾯对各轴的截距，倒数，⽐例

晶向在原点引出，随意⼀点坐标，⽐例6、画出⽴⽅晶格中（110）晶⾯与（111）晶⾯。并画出在晶格中和（110）（111）晶⾯上原⼦排列情况完全相同⽽空间位向不同的⼏个晶⾯。

7、为什么单晶体具有各向异性？⽽多晶体在⼀般情况下不显⽰各向异性？

这是因为单晶体在各个晶⾯和晶向上原⼦排列密度是有差异的，所以在晶体中不同晶⾯和晶向上原⼦结合⼒不同，从⽽在不同晶⾯和晶向上显⽰出晶体的各向异性。⽽多晶体是由众多细⼩的晶粒所构成的集合体，各个晶粒的晶轴取向是随机分布的。这样，通常测出多晶体的性能在各个⽅向上表⽰是不同晶粒的平均性能，所以不显⽰各向异性的。8、试⽐较α-Fe与γ-Fe晶格的原⼦排列紧密程度和容碳能⼒。

α-Fe的原⼦排列密度为0.68，

γ-Fe的原⼦排列密度为0.74，

由于γ-Fe的晶格间隙较⼤，所以，γ-Fe的渗碳能⼒⼤于α-Fe。9、⾦属的晶体结构由⾯⼼⽴⽅转变为体⼼⽴⽅时，其体积变化如何？为什么？

体积会膨胀，这是因为α-Fe的体⼼致密度⼩于γ-Fe。10、实际⾦属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响？

有点缺陷（空位、间隙原⼦），是⾦属中原⼦扩散的主要⽅式之⼀，对热处理过程很重要

线缺陷（位错）⾦属晶体中的位错线往往⼤量存在，相互连接呈⽹状分布

⾯缺陷（晶界、亚晶界）会引起晶格能量的提⾼，并使⾦属的物理化学和机械性能发⽣显著地变化。

⼀般来说，缺陷密度越⾼，位错滑移阻⼒越⼤，材料强度、硬度越⾼，塑性、韧性越低。11、简述固溶体和⾦属间化合物在晶体结构与机械性能⽅⾯的区别。

固溶体形成的是⼀种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原⼦的新相，⾦属间化合物是由相当程度的⾦属间结合，并具有明显⾦属特性的化合物。

固溶体的强度韧性和塑性之间能有较好的配合，所以对综合机械性能要求较⾼的结构材料，⾦属化合物通常能提⾼合⾦的强度，硬度和耐磨性，会降低塑性和韧性。12、固溶体可分为⼏种类型？形成固溶体后对合⾦的性能有什么影响？为什么？

两种。置换型和间隙型。

形成固溶体后，由于溶质原⼦造成的晶格畸变，固溶体会产⽣所谓固溶强化现象，即强度、硬度上升，塑性、韧性下降。电阻率逐渐升⾼，导电性逐渐下降，磁矫顽⼒升⾼等等。固溶强化的产⽣是由于溶质原⼦融⼊后，要引起溶剂⾦属的晶格产⽣畸变，进⽽使位错移动时所收到的阻⼒增⼤的缘故。13、⾦属间化合物有⼏种类型？它们在钢中起什么作⽤？

有正常价化合物（离⼦化合物、共价化合物），电⼦化合物和间隙化合物。正常价化合物和电⼦化合物在合⾦中⼀般可作为强化相。能提⾼钢的强度，硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。间隙化合物起细化晶粒的作⽤14、⾼分⼦化合物在结构上有哪些特点？

1.⼀般⾼分⼦化合物的分⼦量都⼗分巨⼤，

2.。⾼分⼦化合物的分⼦是由许许多多结构相

同的链节所组成。3组成⾼分⼦链的所有原⼦之间的结合键都属共价键15、陶瓷材料的主要键性有哪些？各有什么特点？

主要键型有离⼦键与共价键的混合键，构成陶瓷的的是晶相，玻璃相，⽓相

晶相：由某些固溶体或化合物组成，晶向常常不⽌⼀个，⽽是多相多晶体

玻璃相：⾮晶态的低熔点固体相

⽓相：陶瓷内孔隙中的⽓体

晶相分类及特点：氧化物的特点是较⼤的氧离⼦紧密堆积（如六⾓紧密堆积和⽴⽅紧密堆积），较⼩的正离⼦则填充它们的孔隙内。数⽬相等的氧离⼦和⾦属离⼦组成的氧化物结构（如MgO，CaO等）属简单的⾯⼼⽴⽅晶格，当两种离⼦的数⽬不等时，则可形成其他类的晶体结构。

常见的含氧酸盐为硅酸盐，特点是不论何种硅酸盐，硅总是在四个氧离⼦形成的四⾯体的中⼼，形成（SiO4）四⾯体。四⾯