机械工程师模拟考题

第二章工程材料2.1金属材料1.材料的基本力学性能主要包括哪此内容？答：力学性能主要指标有硬度、强度、塑性、韧性等。硬度：制造业中，通常采用压入法测量材料的硬度，按试验方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬度（HR）、维氏硬度（HV），表达材料表面抵抗外物压入的能力。布氏硬度（HB）是用一定载荷交淬火钢球压入试样表面，保持规定时间后卸载，测得表面压痕的面积后，计算出单位面积承受的压力，为布氏硬度值（HB），单位是kgf/mm2,通常不标注；布氏硬度(HB)测试法一般用于HB450。洛氏硬度(HR)以压痕深浅表示材料的硬度。洛式硬度有三种标尺，分别记为HRA、HRB和HRC，采用不同的压头和载荷。生产中按测试材料不同，进行选择，有色金属和火正火钢，选用HRB，淬火钢选用HRC；硬质合金、表面处理的高硬层选用HRA进行测量。维氏硬度(HV)根据单位压痕表面积承受的压力定义硬度值，压头为锥角136度金钢石角锥体，载荷根据测试进行选择，适用对象普遍。肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定义为一定重量的具有金钢石圆头和钢球的标准冲头从一定高度落下，得到的回跳高度与下落高度的比值，适用于大型工作的表面硬度测量。强度：常的强度指标为屈服强度бs，通过拉伸试验确定，定义为材料开始产生塑性变形的应力，其大小表达材料抵抗塑性变形的能力，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用б0.2表示。抗拉强度бb是材料产生最大均匀变形的应力。бb对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。设计时以抗拉强度确定许用应力，即[б]＝бb/K（K为安全系数）。塑性：通过拉伸试验确定塑性指标，包括伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ），分别定义为断裂后试样的长度相对伸长和截面积的相对收缩，单位是％。它们是材料产生塑性变形重新分布而减小应力集中的能力的度量。δ和Ψ值愈大则塑性愈好，金属材料具有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件。塑性还可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然断裂。韧性：冲击韧度指标αk或Ak表示在有缺口时材料在冲击载荷下断裂时塑性变形的能力及所吸收的功，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，单位为kgfm/cm2。2.设计中的许用应力[б]与材料的强度有何关系？如何确定设计中的许用应力？答：设计中规定零件工作应力б必须小于许用应力[б]，即屈服强度除以安全系数的值б≤[б]＝бs÷K，式中K——安全系数，бb对设计塑性低的材料，如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的具有直接意义。设计时以抗拉强度бb确定许用应力，即[б]＝бb÷K（K为安全系数）。3.简述低碳钢、中碳钢和高碳钢的划分标准及其各自的性能特点。答：低碳钢（Wc为0.10％～0.25％），若零件要求塑性、韧性好，焊接性能好，便如建筑结构、容器等，应选用低碳钢；中碳钢（Wc为0.25％～0.60），若零件要求强度、塑性、韧性都较好，具有综合机械性能，便如轴类零件，应选用中碳钢；高碳钢（Wc为0.60％～1.30％），若零件要求强度硬度高、耐磨性好，例如工具等，应选用高碳钢。4.简述铁碳相图的应用。（P28相图21-2）答：（1）为选材提供成份依据Fe-Fe3C相图描述了铁碳合金的平衡组织随碳的质量分数的变化规律，合金性能和碳的质量分数关系，这就可以根据零件性能要求来选择不同成份的铁碳合金。（2）为制订热加工工艺提供依据Fe-Fe3C相图总结了不同成份的铁碳合金在缓慢冷却时组织随温度变化的规律，这就为制订热加工工艺提供了依据。a.铸造根据Fe-Fe3C相图可以找出不同成份的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度。b.锻造根据Fe-Fe3C相图可以确定锻造温度。始轧和始锻温度不能过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化（称为过烧）。一般控制在固相线以下100～200℃。一般对亚共析钢的终轧和终锻深度控制在稍高于GS线（A3线）；过共析钢控制在稍高于PSK线（A1线）。实际生产中各处碳钢的始锻和始轧温度为1150～1250℃，终轧和终锻温度为750～850℃。c.焊接可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。d.热处理热处理的加热温度都以相图上的临界点A1、A3、Acm为依据。5.常材料硬度的测定法有哪三种？它们主要适应于检验什么材料？答：（1）硬度（HB）测定法：布氏硬度测定是用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(kgf或N)，将其压入试样表面，经规定保持时间t(s)后卸除试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕球形面积A（mm2）。布氏硬度（HB）就是试验力F除以压痕球形面积A所得的商。布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度为钢件退火、正火和调质后的硬度。（2）洛式硬度（HR）试验：洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛式硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角?＝120°的金钢石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。常的三种洛式硬度如表2.1-2所示。洛氏硬度试验常用于检查淬火后的硬度。标尺符号压头类型总试验力F(N)测量硬度范围应用举例AHRA金钢石圆锥5.88422-88硬质合金、表面薄层硬化钢BHRB￠1.558钢球980.720-100低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁CHRC钢金石圆锥147120-70淬火钢、高硬铸件、珠光体可锻铸铁（3）维氏硬度（HV）试验：维氏硬度试验适用于常规材料，其压头是两对面夹角?＝136°的金钢石四棱锥体。压头在试验力F（N）的作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压前，经一定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均年度并计算压痕的表面积A（mm2），得到HV＝0.1891F÷d2。6.请画表列出常金属材料的分类。答：钢碳素结构钢合金结构钢碳素工具钢合金工具钢不锈钢耐热钢耐磨钢低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠轴承钢铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁合金铸铁铝合金铸造铝合金变速铝合金超硬铝合金锻铝合金防锈铝合金硬铝合金铜合金黄铜青铜锌黄铜铝黄铜锰黄铜锰铁黄铜锡青铜铝青铜铍青铜7.材料选用的主要依据是什么？答：在设计和制造工程结构和机构零件时，考虑材料的使用性能、材料的工艺性能和经济性。（1）根据材料的使用性能选材：使用性能是零件工作过程中所应具备的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能），它是选材最主要的依据。在选材时，首先必须准确地判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标及具体数值并进行选材。具体方法如下：a.分析零件的工作条件，确定使用性能b.进行失效分析，确定零件的主要使用性能c.根据零件使用性能要求提出对材料性能（力学性能、物理性能、化学性能）的要求。通过分析、计算转化成某此可测量的实验室性能指标和具体数值，按这些性能指标数据查找手册中各类材料的性能数据和大致应用范围进行选材。（2）根据材料的工艺性能选材：工艺性能表示材料加工的难易程序。所以材料应具有良好的工艺性能，即工艺简单，加工成形容易，能源消耗少，材料利用率高，产品质量好。主要应考虑以下工艺性：a.金属铸造性能b.金属压力加工性能c.金属机械加工性能d.金属焊接性能e.金属热处理工艺性能（3）根据材料的经济性选材：选材必须考虑经济性，使生产零件的总成本降低。零件的总成本包括制造成本（材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费）和附加成本（零件寿命，即更换零件和停机损失费及维修费等）。2.2其它工程材料1.工程塑料一般具有哪些特性和主要用途？答：工程塑料是指在工程中做结构材料的塑料，这类塑料一般具有较高机械强度，或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能，因而可代替金属做某些机械零件。表2.2-1常热塑性工程塑料的性能和应用名称聚酰胺（PA,尼龙）聚四氟乙烯（PTFE塑料王）ABS塑料聚甲醛（POM）聚碳酸酯性能特点耐冷热、耐磨、耐溶剂、耐油、强韧；易吸湿膨账磨擦系数小、化学稳定性好、耐腐蚀、耐冷热、良好电绝缘性耐热、耐冲击；耐腐蚀性差耐热、耐疲劳、耐磨；成型尺寸精度差冲击韧度、尺寸稳定性、低温性能、绝缘性和加工成型性均好、高透光率、化学稳定性差应用轴承、齿轮、叶片、衬套阀门、管接头、护套、衬里等汽车、家电、管道、玩具、电器等制品轴承、齿轮、叶片等机械零件、防弹玻璃、灯罩、防护面罩表2.2-2常用热工程塑料的性能和应用名称酚醛塑料环氧塑料性能特点强度和刚度大，尺寸稳定。耐热性，耐磨性、耐腐蚀性和绝缘性；性脆易碎，抗冲击强度低强度高、耐热性、绝缘性和加工成型性好；成本高，固化剂有毒性应用电器开关、插头、外壳、齿轮、凸轮、皮带轮、手柄、耐酸泵塑料模具、精密量具、绝缘器材、层压塑料、浇注塑料2.简述工程塑料零件的工艺流程。答：3.什么是陶瓷材料？陶瓷材料有哪此特点？答：陶瓷是无机非金属材料，是用粉状氧化物，碳化物等，通过成型和高温烧结而制成。陶瓷材料是多相多晶材料，结构中同进存在着晶体相、玻璃相和气相，各组成相的结构、数量、形态、大小和颁均对陶瓷性能有显著影响。陶瓷材料具有高硬度（1500HV）、耐高温（溶点2000℃）、抗氧化（在1000℃高温下不氧化）、耐腐蚀（对酸、碱、盐有良好的耐蚀性）以主其他优良的物理、化学性能（优于金属的高温强度和高温蠕变能力，热膨胀系数小。热导率低，电阻率高，是良好的绝缘体，化学稳定性高等）。陶瓷材料是脆性材料，故其抗冲击韧度和断裂韧度都很低。陶瓷材料的抗压强度比其抗拉强度大得多（约为抗拉强度的10～40倍），大多数工序陶瓷材料的弹性模量都比金属高。由于工程陶瓷材料硬度高，常采用洛式硬度HRA、HT45N、小负荷维氏硬度或洛氏硬度表示。4.特种陶瓷的分类和基本性能特点。答：特种陶瓷类别氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷碳化硅陶瓷氮化硼陶瓷金属陶瓷基本性能特点强度硬度高；耐高温；高的抗蠕变能力；耐蚀性和绝缘性好。缺点是脆性大，不能受热冲击硬度高，磨擦系数小，有自润滑性和耐磨性，蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性好；化学稳定性好，优异的电绝缘性能高温强度高，导热性好；其稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性好；且耐放射元素的幅射耐热性和导热性好，膨胀系数低，抗热振性和热稳定性好；高温绝缘性好，化学稳定性好，有自润滑性，耐磨性好以金属氧化物（Al2O3等）或碳化物（如TiC、WC、TaC等）粉料，再加入适量的粘接刘（如Co、Cr、Ni、Fe、Mo等）通过粉末冶金的方法制成，具有某些金属性质的陶瓷，它是制造万具、模具和耐磨零件的重要材料5.什么是纳米材料？纳米材料有哪些主要的特性？答：纳米是一个长度计量单位，一纳米相当于十亿分之一米。当物质颗粒小到纳米级后，这种物质就可称为纳米材料。由于纳米颗粒在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此在陶瓷增韧、磁性材料、电子材料和光学材料等领域具有广泛的应用前景。添加纳米粉体的材料与相同组成的普通粉体材料相比，材料的万分本身虽然并未改变，但活性增强，主要表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大，材料重量只是钢的十分之一，但是它的强度却是钢的100倍。人们通过改变塑料、石油、纺织物的原子、分子排列，使它们具有透气、耐热、高强度和良好的弹性等特征。例如被称为纳米材料中的“乌金“的碳纳米管具有非常奇异的物理化学性能。它的尺寸只有头发丝的十万分之一，但是它的导电率是铜的1万倍；它的强度是钢的100倍，而重量只有钢的六分之一，由于其强度是其他纤维的20倍，具有经受10万Mpa而不被破碎的奇异效果。2.3热处理1、简述钢的热处理工艺方法和目的。答：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，改变钢的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺称为钢的热处理工艺。恰当的热处理工艺不仅可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，除低内应力，使组织均匀化；还可改善铸、锻件毛坯组织、降低硬度，便于切削加工