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1习题一一、简答题1.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？（1）力学负荷——零件受到的各种外力加载，在力学负荷作用条件下，零件将产生变形（如弹性变形、塑性变形等），甚至出现断裂。（2）热负荷——在热负荷作用下，温度变化使零件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。2.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？机器是零件(或部件)间有确定的相对运动、用来转换或利用机械能的机械。机器一般是由零件、部件(为若干零件的组合，具备一定功能)组成一个整体，因此一部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，尤其是关键件的材料性能。零件的性能由许多因素确定，其中材料因素(如材料的成分、组织与性能等)、加工工艺因素(各加工工艺过程中对零件性能的所产生的影响)和结构因素(如零件的形状、尺寸、与连接件的关系等)起主要作用。此外,使用因素也起较大作用。在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的功用、寿命、体积和重量主要由材料因素所决定。材料的性能是指材料的使用性能和工艺性能。材料的使用性能是指材料在使用过程中所具有的功用，包括力学性能和理化性能。3.σs、σb、σ0.2的含义是什么？什么叫比强度？什么叫比刚度？σs屈服强度（屈服时承受的最小应力）σb拉伸强度（静拉伸条件下的最大承载能力）屈服强度σ0.2：有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力。比强度：强度与其表观密度的比值。比刚度：弹性模量与其密度的比值4.什么叫材料的冲击韧度？冲击韧度有何工程应用？其与断裂韧度有何异同点？（1）脆性材料：冲击韧度值低；韧性材料：冲击韧度值高。（2）冲击韧度随试验温度的降低而降低。基于材料的低温脆性，对于压力容器及寒冷地区的桥梁船舶、车辆等用材，必须做低温冲击试验。（3）断裂韧度：材料抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力。二、复习范围1.什么是材料的力学性能，主要的力学性能材料在外力或能量以及环境因素(温度、介质等)作用下表现出的各种性能称为力学性能。弹性、强度、塑性、硬度、断裂韧度、冲击韧度、疲劳特性、高温力学性能。22.用什么指标表达材料的塑性此时若取消外加载荷，试样的变形不能完全消失，将保留一部分残余的变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。屈服时承受的最小应力称为屈服强度，反映了材料对明显塑性变形的抗力。3.什么是材料的加工工艺性能？包括哪几类？制造工艺过程中材料适应加工处理的性能，反映了材料加工的难易程度。铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。二、思考题机械工程材料的力学性能有四大指标（强度、硬度、塑性和韧度），而在机械零件设计图样上对力学性能的技术要求为何往往只标注硬度值？硬度试验有多种方法，该如何选用？硬度测试有以下优点：①试验设备简单，操作迅速方便；②试验时一般不破坏成品零件，因而无须加工专门的试样，测试对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；③硬度作为一种综合的性能参量,与其他力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，特别是对塑性材料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）；④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;⑤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、热加工制品的质量要求。故硬度测试在很多情况下，可以完成其他力学性能试验所不能完成的工作，故广泛应用。习题二31.概念晶体结构：晶体中原子在三维空间长程有序的具体排列方式。晶格：一种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶胞：组成晶格的最小几何单元（最小的平行六面体）。晶格常数：取晶胞角上的某一结点作为原点，沿其三条棱边坐标轴，并以三棱边的长度a、b、c及各边间的夹角a、β、γ这六个参数来表示晶胞的形状与大小。其中，三棱边的长度a、b、c称为晶格常数。致密度（K）：描述晶格内部原子排列密集程度的参数，即晶胞中原子本身所占总体积与该晶胞的体积之比×K=晶胞原子数原子的体积晶胞的体积晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶向：本质上代表晶体中原子与邻近原子的相对位置关系。（沿某晶向最邻近原子间的距离）（沿某一晶向上单位长度的原子数）单晶体：晶体内部晶格位向完全一致、仅由一个晶粒组成的晶体。多晶体：由许多外形不规则的单晶体组成的。晶粒：组成多晶体的外形不规则的微小晶体。晶界：结构相同而取向不同晶粒之间的界面。各向异性：由于密度的差异，引起相互间结合力大小的不同，从而导致金属在不同方向上表现出不同的性能。同素异构：少数金属（如铁、锡、钛等）在晶态时，其晶格类型会随温度而改变。2.全属常见的晶格形式有哪几种？如何计算每种晶胞中的原子数？（1）体心立方、面心立方、密排六方。（2）晶胞体内的原子：1晶面上的原子：12立方晶胞中结点处：18六方晶胞中结点处：16体心立方晶格N=8×18+1=2面心立方晶格N=8×18+6×12=44密排六方晶格N=12×16+2×12+3=63.已知α-Fe的晶格常数为0.289nm，试求出晶体中(110)、(111)的晶面间距。此题需要知道α-Fe的晶格结构，晶格常数代表什么，（110）（111）晶面的空间位置是什么。注：（1）体心立方晶格（α-Fe）的晶格常数只用一个a表示。（2）面心立方晶格（γ-Fe）的晶格常数也只用一个a表示。（3）密排六方晶格的晶格常数用正六边形底面的边长a和晶胞的高度c表示。（4）晶向指数：用[uvw]表示晶向中的某一个方向。（5）晶面指数：（hkl）分别为晶面与空间中三个坐标轴的截距的倒数。不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上，以免出现零截距。如果我选的坐标系满足截距不为0，同一个面不同坐标系下他的结果也不一样是那个晶面族。54.在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值相同，例如(111)与[111]，(110)与[110]等，问：该晶面与晶向间存在着什么关系?垂直5.在图2-1中，绘出以下晶面和晶向，并标出各自的晶面指数和晶向指数。晶面：ABCD（100）、ABGH（110）、AFH（111）、IJKL（110）。晶向：AB[100]、AC[011]、AG[̅11]、AM[̅21]。6.在图2-2中，求出坐标原点为（0，0，0）及（0，1，0）时，阴影面的晶面指数。(010)(010)图2-1图2-27.写出体心立方晶格中的{110}晶面族所包含的晶面，并绘图表示。参看图2-11，一共4个8.金属实际晶体结构中存在哪些缺陷？每种缺陷的具体形式如何？点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷：空位、间隙原子、置换原子线缺陷：位错面缺陷：晶界、亚晶界、相界9.已知银的原子半径为0.144nm，求其晶格常数。知道了银的晶格类型，原子半径公式，即可求注：（1）三种晶格的原子半径r可以用下式表示:6体心立方晶格3=4rα面心立方晶格2=4rα密排六方晶格1=2rα（2）银属于面心立方晶格。10.单晶体与多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，而多晶体材料通常不表现出各向异性？答:(1)整块物质都由原子或分子按一定规律作周期性重复排列的晶体称为单晶体。整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的，这样的物体叫做多晶体；单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。（2）在单晶体中沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同,这就使单晶体具有各向异性。而多晶由很多单晶构成,而且自排布无规律,所以各项异性相当于存在于各个方向,也就是没有各向异性了。11.画出体心立方、面心立方晶格中原子最密的晶面和晶向，并写出其相应的指数。12.何谓凝固？何谓结晶？物质熔体能否凝固为晶体主要取决于何种因素？凝固：物质从液态经冷却转变为固态的过程，凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体。结晶：通过凝固形成晶体物质的过程。熔体能否凝固为晶体主要取决于熔融液体成分和熔融液体的冷却速度。熔体凝固时，在过冷度非常大的情况下熔体温度非常低，原子扩散能力降低，形核率和长大率均降低为零，此时熔体不能凝固为晶体。713.什么是过冷度？通常把金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象称为结晶时的过冷现象，并把理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn的差值称为过冷度ΔT，即ΔT=T0-Tn，14.何谓自发形核与非自发形核？它们在结晶条件上有何差别？自发形核：在一定过冷度下，由液态金属内部一定尺寸的短程有序原子集团自发成为结晶核心的过程。非自发形核：利用实际金属融体中不可避免而含有的难熔悬浮固体杂质微粒，在一定的过冷度下，液态金属优先依附在这些微粒表面上形核并长大的过程。非自发形核是在现成基底上进行，减小了形核功，只需要较小的过冷度就能实现。15.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶后的晶粒大小有何影响？冷却速度越快，过冷度越大，晶粒越细小16.在实际生产中，常采用哪些措施来控制晶粒大小？非自发形核17.什么是合金？什么是相？固态合金中的相是如何分类的？相与显微组织有何区别和联系?合金：由一种金属元素与另一种或几种元素经熔炼、烧结或其他方法结合在起而形成的具有金属特性的物质。相：合金中化学成分、晶体结构皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分。根据相的晶格是否与某一组元的晶格相同，合金相分为固溶体、金属化合物。相是指金属或合金中具有相同化学成分，相同晶体结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分；组织是合金的均匀组成部分，有些相本身就是组织，有些多种固溶体或金属化合物组成的均匀混合物也是组织，它们满足化学成分固定、结构固定、有界面与其它组织分开等要求，在光学显微镜下独立存在等特征。18.何谓间隙固溶体？何谓间隙化合物？试比较二者在形成条件上的异同点。间隙固溶体：形成固溶体时，溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中。间隙化合物：由原子半径较大的过渡族金属元素与原子半径较小（小于0.1nm）的非金属元素（如C、B、N、H等）相互作用而形成的。19.说明固溶体与金属化合物的晶体结构特点，并指出二者在性能上的差异。（1）在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是以分子式来表示其组成。（2）在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性能。820.何谓组元、成分、合金系、相图？二元合金相图表达了合金的哪些关系？有哪些实际意义？二元合金相图表达了平衡状态下合金系中合金成分、温度、合金相之间的关系。根据二元合金相图，可以知道不同成分的合金在室温下的平衡组织，可以知道合金冷却时发生的相变，并能预测合金性能的变化规律。21.何谓合金的组织组成物及相组成物？指出ωsn=30%的Pb-Sn合金在183“C下全部结晶完毕后的组织组成物及相组成物。组织组成物：见图3-23，相组成物：α，β，L22.什么是共晶反应？什么是共析反应？它们各有何特点？试写出相应的反应通式。共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中，在一定恒温下同时结晶出两种成分和结构都不同的固相的反应,即：L；共析反应：由一种固相在恒温下同时转变成两种新的固相的反应，可以表示为：；匀晶反应：从液态中析出固溶体的反应，反应式：L。23.默绘Fe-Fe3C相图，并填出各区组织，标明重要的点、线、成分及温度。图中组元碳的质量分数为什么仅研究到6.69%?当Wc＞6.69%时，铁碳合金又硬又脆没有应用价值，因此铁碳合金相图只有Wc≤6.69%这一部分。（1）图中基本相910(2)图中的特征点（3）图中的特征线11（4）图中的相区1224.解释以下名词（1）铁素体；（2）奥氏体；（3）渗碳体；（4）珠光体；（5）莱氏体。①铁素体：碳固溶于α－Fe中形成的间隙固溶体，用F或α表示；②奥氏体：碳固溶于γ－Fe中