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 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。 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。 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。 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。 金属材料 金属键 高分子材料 共价键和分子键 离子键或共价键 陶瓷材料 复合材料 — 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 布氏硬度 选用 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。 可测量较高硬度的材料（如一般淬火处理的钢或工具钢），也可测量硬度不太洛氏硬度 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。 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。 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。 维氏硬度 其他
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δ、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：
①工业纯铁：wC≤0.0218%， 组织为F+Fe3CIII
亚共析钢：0.0218% 亚共晶（白口）铸铁：2.11% 由F和Fe3C两相构成的铁碳合金的室温平衡组织，随着含碳量的增加其变化规律为： F（+少量Fe3CIII）→F+P→P→P+ Fe3CII（网状）→P+ Fe3CII+Ld’ →Ld’ →Ld’+Fe3CI 随着含碳量的增加，组织组成发生相应的变化，硬度增加，塑韧性降低；强度的变化是先增加后降低，大约在含碳量为0.9%时为最大值。合金中组织的不同引起的性能差异很大，这与Fe3C的存在形式密切相关，当他与F（基体）构成片层状的P组织时，合金的强度和硬度均随含碳量增加而增加，而当Fe3C以网状分布在晶界上时，不仅使塑韧性降低，也使强度降低；当Fe3C以粗大形态存在时（Ld’或Fe3CI），塑韧性和强度会大大降低。 2.11 从铁一碳相图的分析中回答： （1）随碳质量百分数的增加，硬度、塑性是增加还是减小？ 答：随着含碳量的增加，硬度增加，塑韧性降低；因为随含碳量增加Fe3C数量越来越多。 （2）过共析钢中网状渗碳体对强度、塑性的影响怎样？ 答：对基体产生严重的脆化，使强度和塑性下降。 （3）钢有塑性而白口铁几乎无塑性？ 答：钢是以塑韧的F为基体，而白口铁是以硬脆的Fe3C为基体，所以钢有塑性，而白口铁几乎无塑性。 （4）哪个区域熔点最低？哪个区域塑性最好？ 答：共晶白口铸铁熔点最低。A区塑性最好。 2.13 根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因： （1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢硬度高； 答：因为钢的硬度随含碳量的增加而增加。 （2）在室温下含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢强度高； 答：含碳量超过0.9%后，Fe3C以网状分布在晶界上，从而使钢的强度大大下降。 （3）低温莱氏体的塑性比珠光体的塑性差； 答：因为低温莱氏体是由共晶Fe3C、Fe3CII和珠光体组成，因此比起但纯的珠光体来说，其塑性要差。 （4）在1100℃，含碳量0.4%的钢能进行锻造，含碳量4.0%的生铁不能锻造； 答：因为在1100℃，含碳量0.4%的钢处于A单相区，而含碳量4.0%的生铁处于A+ Fe3CII+Ld’； （5）钢铆钉一般用低碳钢制成； 答：钢铆钉需要有良好的塑韧性，另外需要兼有一定的抗剪切强度，因而使用低碳钢制成； （6）钳工锯0.8%C、1.0%C、1.2%C等钢材比锯0.1%C、0.2%C钢材费力，锯条容易磨损； 答：0.8%C、1.0%C、1.2%C中的含碳量高，组织中的Fe3C的含量远比0.1%C、0.2%C钢中的含量高，因此比较硬，比较耐磨； （7）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于铸造成型； 答：铸铁的熔点低，合金易熔化、铸造过程易于实施；钢的含碳量比铸铁低，通过加热可进入单相固溶体区，从而具有较好的塑性、较低的变形抗力，不易开裂，因此适宜于压力加工成形。 第3章 工程材料成形过程中的行为与性能变化 思考题与习题P81 3、金属晶粒大小对机械性能有什么影响？如何控制晶粒的大小？P67～P68 答：机械工程中应用的大多数金属材料是多晶体。同样的金属材料在相同的变形条件下，晶粒越细，晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，在常温下使用的金属材料，一般晶粒越细越好。 晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中可能形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。 细化晶粒的方法有： 1）增大过冷度——提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒； 2）加入形核剂——可促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的； 3）机械方法——用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或使长大中的树枝状晶断落，进入液相深处，成为新晶核形成的基底，因而可以有效地细化晶粒。 4、金属铸锭通常由哪几个晶区组成？它们的性能特点如何？P69～P70 答：金属铸锭的宏观组织由由三个晶区组成的，由外至里分别是细等轴晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区。其性能特点如下： （1）表面细等轴晶区：晶粒细小，有较高的致密度，其力学性能也较好。但因其厚度太小，往往在随后的机械加工过程中去除，因而对铸锭总体性能的影响可以忽略不计。 （2）柱状晶区：柱状晶区的各个晶粒平行地向中心长大，彼此互相妨碍，不能产生发达的分枝，结晶后的组织比较致密。但晶粒较粗大，晶粒间交界处容易聚集杂质形成脆弱区，受力时容易沿晶界开裂。因此，柱状晶的力学性能具有较明显的各向异性。一般铸件中应尽量限制出现较大的柱状晶区。 （3）中心等轴晶区：等轴晶的分枝比较发达，凝固后容易形成显微缩松，晶体致密度较低，但杂质元素在等轴晶间的分布比较均匀，不会出现明显的各向异性，铸锭晶间的缩松还可在后续的压力加工过程中焊合。因此，对于铸锭和一般使用条件下的铸件，希望获得等轴晶组织。 6.室温下，对一根铁丝进行反复弯曲—拉直试验，经过一定次数后，铁丝变得越来越硬，试分析原因。如果将这根弯曲—拉直试验后的铁丝进行一定温度的加热后，待冷至室温，然后再试着弯曲，发现又比较容易弯曲了，试分析原因。 答：铁丝进行反复弯曲—拉直的过程是塑性变形的过程，在经过一定次数后铁丝产生了加工硬化，因此强度硬度越来越高；若进行一定温度的加热后，变形的铁丝发生了回复再结晶，加工硬化消除，硬度降低，所以又比较容易弯曲了。 7、什么是金属的回复和再结晶过程？回复和再结晶过程中金属的组织性能发生了哪些变化？P75 答：回复：塑性变形后的金属加热时，开始阶段由于加热温度不高，原子获得的活动能力较小，只能进行短距离的扩散，金属的显微组织仍保持纤维组织，力学性能也不发生明显的变化。在这一阶段内，原子的短距离扩散使晶体在塑性变形过程中产生的晶体缺陷减少，晶格畸变大部分消除，材料中的残余应力基本消除，导电性和抗腐蚀能力也基本恢复至变形前的水平。 再结晶：把经历回复阶段的金属加热到更高温度时，原子活动能力增大，金属晶粒的显微组织开始发生变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒，由拉长的纤维状晶粒转变成等轴晶粒。这种变化经历了两个阶段，即先在畸变晶粒边界上形成无畸变晶核，然后无畸变晶核长大，直到全部转化为无畸变的等轴晶粒。该过程无相变发生，也为原子扩散导致的形核、长大过程，因此称为再结晶。金