工程材料课后习题答案.pdf
. . 参考答案 第 1 章机械工程对材料性能的要求 思考题与习题P20 1.3 、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？p4 工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）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。有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。 在 力学负荷 作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂； 在 热负荷 作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载 能力下降； 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。 1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7 机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能， 尤其是关键件的性能。在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及 其它相关性能来决定。 机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。在结构因素和 加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要 由材料的强度及其它力学性能所决定。 在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来 进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。 1.5 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？ p17 机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、 高分子材料、 陶瓷材料和复合材料。 材料结合键主要特征 金属材料金属键 优点： 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。 缺点：在特别高的温度以及特殊介质环境中，由于化学稳定 性问题，一般金属材料难以胜任。 高分子材料 共价键和分 子键 优点： 具有高弹性、 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。 缺点： 耐热差，尺寸稳定性低，强度硬度低，易老化。 陶瓷材料 离子键或共 价键 优点： 熔点高、硬度高、化学稳定性高，具有耐高温、耐腐 蚀、耐磨损、绝缘和热膨胀系数小的特点。 缺点： 脆性大、不易加工成形。 复合材料 优点：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。 缺点： 价格昂贵 提示：强度、塑性、化学稳定性、高温性能、电学、热学方面考虑回答。 . . 1.7 、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？ 硬度试验选用 布氏硬度 常用于退火状态下的钢材、铸铁、 有色金属及调质钢的硬度测试（即材料硬度 相对偏中低水平的） 。 不适宜于测量硬度较高的零件、成品零件及薄而小的零件。 洛氏硬度 可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢），也可测量硬度不太 高的材料（如调质钢）等，并且测量中压痕小、不易损伤零件表面。 组织粗大且不均匀的材料，测量结果不够准确、重复性差。 维氏硬度 用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试。显微硬度用于材料微区硬度（如单个 晶粒、夹杂物、某种组成相等）的测试。 其他 莫氏硬度用于陶瓷和矿物的硬度测定。 邵氏硬度常用于橡胶、塑料的硬度测定。 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 可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强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。 （提示： 设备简单； 试样方便 （无需专门加工） ；在一定范围可与力学性能、工艺性能建立联系； 工程中常用） . . 第 2 章材料的组成和内部结构特征 思考题与习题P55 2.7在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？其生成的组织是什么？它们 的性能有什么特点？ 答：铁碳合金相图中共有五个基本相，即液相L、铁素体相F、高温铁素体相 、奥氏体相A及 渗碳体相Fe3C 。 在 ECF水平线（ 1148）发生共晶转变L4.3 A2.11+Fe3C。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），称为莱氏体，以符号“ Ld” 表示，性能硬而 脆。 在 PSK线（ 727）发生共析转变A0.77 F0.0218+Fe3C。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。 2.9 根据铁碳相图对铁碳合金进行分类，试分析不同铁碳合金成分、室温平衡组织及性能之间关系。 答：由 Fe C相图可将铁碳合金分为以下几类： 工业纯铁：wC 0.0218%，组织为 F+Fe3CIII 亚共析钢： 0.0218%0.8%）, 以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。 较多 W与 Mo （10% ）, 产生 W2C 、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。 4%Cr ，淬透性。 加 V，提高硬度、耐磨性。 ?热处理特点：先在730 870之间预热，1200-1300 高温淬火，三次 560 回火（为 了消除淬火钢中大量的残余奥氏体（可达30% 左右） ，使合金碳化物弥散析出，以保证具有高的热硬 性） ,组织回火马氏体+碳化物 +残余 A；6266HRC 。 ?典型钢种： W6Mo5Cr4V2 、W9Mo3Cr4V 、W18Cr4V 。 14、填写下表，说明表中铸铁牌号的类别、符号和数字的含义、组织特点和用途。 铸铁牌号符号和数字的含义类别组织特点应用 HT150 灰铸铁， 最小抗拉强度值 灰铸铁 钢基体（ F、FP、 P）上分布着一些片 状石墨 主要用于制造承压件或 受力较小、不太重要的零 件。 HT250 灰铸铁， 最小抗拉强度值孕 育 铸 铁 钢基体 （P ）上分布 着较细片状石墨 同上 KTH350 10 黑心可锻铸铁， 最小抗拉 强度最小断后伸长 率 可 锻 铸 铁 钢基体（ F、P）上 分布着一些团絮状 石墨 常用于制造形状复杂、承 受一定冲击的薄壁件 . . KTZ700 02 珠光体可锻铸铁， 最小抗 拉强度最小断后伸 长率 可 锻 铸 铁 P 基体上分布着一 些团絮状石墨 同上 QT450 10 球墨铸铁，最小抗拉强 度、最小断后伸长率 球 墨 铸 铁 钢基体（主要F） 上分布着一些球状 石墨 用来制造一些受力复杂， 对强度、韧性和耐磨性要 求高的零件 . QT700 2 球墨铸铁，最小抗拉强 度、最小断后伸长率 球 墨 铸 铁 钢基体（主要P） 上分布着一些球状 石墨 同上，但性能要求更高一 点。如汽、柴油机曲轴、 车床主轴、 15、填写下表，指出表中金属材料的类别、牌号或代号的含义、特性和主要用途。（建议去掉特 性，主要用途简写，写出最主要的即可） 材料牌号或 代号 类别牌号或代号含义 主要用途 20Cr 合金渗碳钢碳含量 0.2%；Cr% 1.5% 用于制造高耐磨性、 高疲劳强度和要求具有较 高心部韧性（即表硬心韧）的零件 H68 普通黄铜H-黄铜 ;68-Cu%为 68% 形状复杂的深冲零件，散热器外壳、装璜件 45 钢优质碳素结 构钢 含碳量 0.45% 结构零件 65Mn 弹簧钢含碳量 0.45%，Mn% 1.5% 主要用作弹簧 GCr15 滚动轴承钢G 滚动轴承；含碳量 1% 左右， Cr% 1.5% 轴承，冷作模具 W6Mo5Cr4V2 高速钢W% 6% ；Mo % 5% ；Cr % 4% ； V% 2% 高速切削刀具 Q235 普通碳素结 构钢 Q-屈服强度； 235屈服强度 值 普通结构件 1Cr18Ni9Ti 不锈钢C% 0.1%；Cr %18% ；Ni % 9% ；Ti%1.5% 化工设备，装饰型材 38CrMoAl 调质钢C% 0.38%；Cr % 1.5%；Mo % 1.5%；Al%1.5% 氮化用钢 20CrMnMo 渗碳钢C% 0.2%；Cr % 1.5%；Mn % 1.5%；Mo% 1.5% 多用于齿轮 9SiCr 合金工具钢C% 0.9%；Si % 1.5%；Cr % 1.5% 量刃具用钢 60Si2Mn 弹簧钢C% 0.6%；Si % 2% ；Mn % 1.5% 主要用作弹簧 . . 第 7 章工程设计、制造与材料选择 习题答案 1、零件失效有哪些类型？试分析零件失效的主要原因。答案参考 P200202 答： 机器零件的失效可以分为过量变形失效、断裂失效和表面损伤失效。每一类失效又可细分为 若干具体的失效形式。 失效的主要原因有以下四个方面： （ 1）设计 1）应力计算错误表现为对零件的工作条件或过载情况估计不足造成的应力计算错误。 2）热处理结构工艺性不合理热处理结构工艺性是指零件结构对热处理工艺性的影响及零 件结构对失效的影响。如把零件受力大的部位设计成尖角或厚薄悬殊等，这样导致应力集中、应变 集中和复杂应力等，从而容易产生不同形式的失效。 （ 2）选材与热处理 1）选材错误料牌号选择不当、错料、混料，均会造成零件的热处理缺陷或力学性能得不到 保证和使用寿命下降。 2）热处理工艺不当材料选择合理，但是热处理工艺或是热处理操作上出现了毛病，即使零 件装配前没有报废，也容易早期失效。 3）治金缺陷夹杂物、偏析、微裂纹、不良组织等超标，均会产生废品和零件失效。 （ 3）加工缺陷 冷加工和热加工工艺不合理会引起加工的缺陷，缺陷部位可能成为失效的起源。 如切削加工缺陷主要指敏感部位的粗糙度值太高，存在较深的刀痕；由于热处理或磨削工艺不 当造成的磨削回火软化或磨削裂纹；应力集中部位的圆角太小，或圆角过渡不好；零件受力大的关 键部位精度偏低，运转不良，甚至引发振动等，均可能造成失效。 （ 4）装配与使用 装配时零件配合表面调整不好、过松或过紧、对中不好、违规操作、对某些零件在使用过程中 未实行或未坚持定期检查、润滑不良以及过载使用等，均可能成为零件失效的原因。 2、选材三原则是什么？零件选材时应注意什么问题？答案参考 P202 205 答： 选材三原则是使用性能原则、工艺性原则、经济性原则。 使用性能原则使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用 性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。 工艺性原则是指材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。 经济性原则选材要讲经济效益，要考虑多项成本。 零件选材时应注意的几个问题： 在多数情况下优先考虑使用性能，工艺性和经济性原则次之。 有些力学性能指标（如b、0.2、-1、KIC）可直接用于设计计算；、k等不能直接 用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性。 设计时确定的主要力学性能指标是零件应该具备的性能，在查阅手册转化为相应钢材的性能 指标时，要注意手册上给出的组织状态：如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接引用； 否则，还要查阅其它手册、文献资料或进行针对性的材料力学性能试验。 手册或标准给出的力学性能数据是在实验室条件下对小尺寸试样的试验结果，引用这些数据 时要注意尺寸效应。 . . 由于材料的成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此即使是同一牌号的材料， 性能也不完全相同。国际标准和原冶金部部颁标准给出的热轧或正火状态的力学性能范围或最低值， 其数据可靠；而技术资料、论文中指出的数据一般是平均值，使用时要加以注意。 同一材料的不同供应或加工状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数据影响很大。 选材时要同时考虑所选材料的成型加工方法。不同的成型方法会对零件设计、零件加工路线、 零件热处理方法、零件使用性能及零件成本等带来重要影响。 7、如镗杆选用38CrMoAl 制造，其工艺路线如下： 下料锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨研磨，试从 力学性能和成分的角度说明选择38CrMoAl 的原因及各热处理工序的作用。 答： 38CrMoAl 为中碳调质钢，为氮化专用钢。 从力学性能角度上，镗杆工作时承受较大冲击载荷，而表面要求具有高硬度、高耐磨性，且尺 寸精度高，故选择氮化专用钢； 成分上， 38CrMoAl 为中碳钢， Cr 提高淬透性，使心部能获得韧性较好的低碳马氏体，还可产生 固溶强化； Mo可形成稳定碳化物，阻止奥氏体晶粒长大，其细晶强韧化作用；Mo和 Al 促进渗氮， Mo还防止高温回火脆性。 热处理工序的作用： 退火：消除锻造应力，改善组织； 调质：获得心部良好的综合力学性能；为氮化做组织准备； 去应力退火：消除加工应力； 氮化：提高表面硬度和耐磨性。 8、指出下列工艺路线的错误： （ 1）高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸时效粗加工半精加工时效精加工； （ 2）高频表面感应加热淬火零件，使用退火圆料：下料粗加工高频淬火、回火半精加工 精加工； （ 3）渗碳零件：锻调质精加工半精加工渗碳、淬火、回火。 答：正确工艺如下： 高精度精密机床床身，选用灰铸铁：铸粗加工时效半精加工时效精加工； 高频表面感应加热淬火零件：下料调质或正火粗加工半精加工高频淬火、回火精加 工 渗碳零件： 锻正火或退火粗加工半精加工渗碳、淬火、回火精加工
