工程材料习题和练习

《工程材料》习题集材料工程系金属材料工程教研室编辑：石继红、马红岩2006/11/01第一章金属材料的机械性能思考题及习题1．解释下列常用机械性能指标，并说明它们的含义及在工程上的意义。σb、σs、σ0.2、σ－1、δ、Ψ、αK、HB、HRC、HRB。2．通常提高金属材料的强度往往降低其塑性，试根据强度和塑性指标的含义说明是否材料的强度高塑性就一定低？3．布氏硬度和洛氏硬度常用来测什么材料？某一钢件毛坯，压头用Φ10mm钢球，载荷为3000公斤，测得压坑直径为3.34mm，问HB、HRC、σb各是多少？4．说明洛氏硬度的测试原理。5．某合金由α＋β两相组成。如果α％＝50％，HBα＝40，HBβ＝72，试求出该合金的大致硬度。6．何谓K1？何谓K1c？两者有何区别？7．简介冲击弯曲试验的试验方法和冲击韧度的计算方法。8．45钢板在一定热处理后，K1c为20.3～20.9MNm－3/2（30～35），穿透裂纹长度2a＝2mm，为使零件工作安全，实际工作应力应为多少？9．某零件的最大工作应力为700MPa，其材料的K1c为60MNm－3/2，实际测出该零件存在4mm长的裂纹，问此零件是否可以继续使用?10．用Q235钢制成的拉伸试棒，直径为Φ10mm，标距长度为50mm，屈服时拉力为18840N，断裂前最大拉力为35320N，将试棒拉断后接起来，量得标距长度为75mm，断裂处端面直径为Φ6.7mm。问此Q235钢的屈服强度σS、抗拉强度σb、伸长率δ和断面收缩率ψ各是多少？11．低碳钢、中碳钢、灰铸铁和球墨铸铁的拉伸曲线如题1-2图所示。据此：（1）估计这四种材料的σS、σb、及δ值；（2）计算这四种材料的E值并加以比较。题1-2图12．σS和σ0.2的含义是什么？有何异同？其值大小对材料的冷变形性能和使用性能有什么影响？0.057006005004003002001000σ(MPa)中碳钢球墨铸铁低碳钢灰铸铁I51015202530ε(%)I放大100中、低碳钢50球墨铸铁灰铸铁13．什么叫缩颈现象？拉伸试验时，如果试棒不出现缩颈现象，是否就意味着这种材料没有发生塑性变形？14．题1-5图中所示：①为0.45％C碳钢，②为铝青铜，③为0.35％C碳钢，④为硬铝，⑤为纯铜的拉伸曲线。试棒直径均为Φ10mm，标距长度均为100mm。（1）当应力为380MPa时，各试棒处于何种状态？此时若将载荷去除，各试棒的应变值约为多少？（2）一根用0.35％C碳钢制成的轴，使用中发现在弹性变形范围内有较大的弯曲变形，此时如果轴的材料减小？若轴的弯曲变形已有塑性变形，也改用上述两种材料，是否可以避免产生塑性变形？15．有一钢制圆棒，承受7000N的拉伸载荷而未产生塑性变形，但此时的应变值不大于0.001mm/mm。问该圆棒的截面积最小应是多少？其屈服强度最低是多少？[提示：可根据关系式σe=Eεe进行计算。]16．在车床上车削长轴，采用两顶尖装夹，车削后总是发现轴的两端直径小而中间直径大。试分析产生这种现象的原因，并提出消除这种现象的方法。17．在镗孔中，由于镗杆变形的原因，使镗孔后孔的尺寸总是小于预定的尺寸。已知镗杆是用中碳钢制成的，且镗削后镗杆并未发现变形，试说明：（1）这一现象是因镗杆的何种机械性能不足所引起的；（2）改用高碳钢或经热处理强化的合金钢制造同一尺寸的镗杆，是否可以避免上述现象；（3）是否可改用灰铸铁或球墨铸铁来制造这根镗杆？并说明理由。题1-5图18．金属材料的弹性变形和塑性变形各有何特点？当金属材料处于塑性变形形状时，有无弹性变形？当处于弹性变形状态时，有无塑性变形？19．某种钢材的抗拉强度是550MPa，制成截面尺寸为19mm×31mm的棒料，拉断时的载荷为25×104N，断面尺寸为12.5mm×20mm。问：（1）该棒料能承受的最大载荷是多少？（2）断裂前的最大条件应力和真实应力各为多少？（3）塑性指标是多少？20．下列硬度要求或写法是否妥当？若有不妥处应如何改正？（1）HBS470～520；（2）HBW180～240；（3）HRC70～75；05101520253035404550Δl(mm)P(103N)605040302010①②③④⑤（4）HRC12～15；（5）HRC450～500MPa。21．同一材料用不同的硬度测定方法所测得的硬度值有无确定的对应关系？为什么？有两种材料的硬度分别为45HRC和200HB，问哪一种材料硬？22．下列说法是否准确？若不准确，应如何改正？（1）机器种的零件在工作时，材料强度高的不会变形，材料强度低的一定会产生变形。（2）材料的强度高，其塑性就低；材料的硬度高，其刚性就大。（3）材料的弹性极限高，所产生的弹性变形量就较大。23．有甲乙两种钢材，甲的硬度大于乙的硬度，分别制成完全相同的零件，且均在弹性范围内受到相同的拉力，问哪种钢材制成的零件所产生的弹性变形可能大些？为什么？24．现用某牌号的中碳钢钢板，冷弯制成图示的U形试样。在弯制过程中，钢板的外沿出现裂纹（如题1-15图），试问这是由于材料的何种机械性能不合要求而造成的？为了避免钢板外沿开裂，分析应如何选择钢板的牌号。题1-15图25．在机械设计中，冲击值为什么不直接用于强度计算，一般只作为选材的参考？26．机器零件在什么情况下会产生疲劳断裂？疲劳断裂的断口有何特征？27．某厂原用08钢板生产控制台的面板，现为了减轻产品的重量，决定改用一种强度较高而厚度较薄的钢板。为判断新钢板材料的工艺性能，先将08钢板放在成形压头上压成所要求的形状，测得其最大的拉伸应变为4％。然后将另一薄钢板进行拉伸试验，观察到它有6％的均匀伸长。于是就认为新材料具有足够的塑性，完全可以代替08钢板。但经试生产后，发现用薄钢板制造的面板均出现裂纹，这是什么原因？上述的判断忽视了什么问题？[提示：注意最大拉伸应变与均匀伸长的区别。]28．用直径均为Φ6mm的低碳钢丝与弹簧钢丝各一根作锯割和弯曲试验，得出如下表所示的结果。表内所出现的现象与材料的哪种机械性能指标有关？钢丝材料锯割90°冷弯回弹180°弯曲有无裂纹冷弯热弯低碳钢易小无无弹簧钢难大有无a/2裂纹心杆钢板a第二章金属的结构思考题及习题2.1解释名词金属键、晶体、晶格、晶胞、晶格常数、单晶体、多晶体、晶粒、晶界、致密度、晶体的各向异性、刃型位错、固溶体、金属化合物2.2填空题1．同非金属相比，金属的主要特性是()。2．晶体与非晶体结构上的最根本的区别是()。3．在立方晶系中，｛120｝晶面族包括()等晶面。4．γ-Fe的一个晶胞内的原子数为()。2.3是非题间隙固溶体一定是无限固溶体。()2.4选择正确答案1．晶体中的位错属于：a.体缺陷；b.面缺陷；c.线缺陷；d.点缺陷2．在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：a.100；b.110；c.111；d.｛111｝3．在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：a.｛100｝；b.｛110｝；c.｛111｝；d.｛120｝4．固溶体的晶体结构：a.与溶剂相同；b.与溶质相同；c.为其它晶型5．间隙相的性能特点是：a.熔点高、硬度低；b.硬度高、熔点低；c.硬度高、熔点高2.5综合分析题1．在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和[211]、[120]晶向。2．在立方晶体中、一晶面在z轴的截距为3；在y轴的截距为1/2；且平行于x轴；一晶面上两点坐标为：x=y=z=0和x=1/2、y=0、z=1。分别求出晶面指数和晶面指数，并绘图表示。3．在立方晶系中，作图表示下列晶面和晶向：（123）；﹝123﹞；（112）；﹝112﹞；（110）；﹝110﹞。4．常见金属的晶体结构有几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？其原子半径和致密度各为多少？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn、Ti各属何种晶体结构？5．画出体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格中原子最密的晶面和晶向。（1）写出它们的晶面指数和晶向指数。（2）求出它们的原子密度（晶面原子密度以2a原子数表示；晶向原子密度以a原子数表示）。（3）晶胞中具有与这种相同原子排列的晶面有几个？这种晶面上有几个最密排的晶向？（平行的除外）。6．已知α-Fe的晶格常数a=2.87×10-10m，试求出α-Fe的原子半径和致密度。7．在常温下，已知铜的原子直径d=2.55×10-10m，求铜的晶格常数，并计算1mm3体积中有多少个Cu原子？。8．试证明密排六方结构的轴比c/a＝1.633。9．金属的原子为何作规则排列？原子离开平衡位置将引起什么变化？10．实际的工程金属与理想晶体在结构、性能上有什么区别？实际金属中存在哪些晶体缺陷？它们在结构上各有何特点？对性能有什么影响?11．什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么?12．间隙固溶体和间隙相有什么不同?13．假定其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小。（1）金属型浇注与砂型浇注；（2）生产薄壁铸件与厚壁铸件；（3）浇注时采用振动或不采用振动措施。14．铁在912℃发生同素异构转变，如果原子半径不变，试求此体积的变化？第三章金属的结晶思考题及习题3.1解释名词过冷度、非自发生核、变质处理3.2填空题1．结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，这两个过程是()和()。2．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是()。3．液态金属结晶时，结晶过程的推动力是(),阻力是()。4．过冷度是指()，其表示符号为()。5．典型铸锭结构的三个晶区分别为()、()和()。3.3是非题1．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。()2．室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。()3．在实际金属和合金中，自发生核常常起着优先和主导的作用。()4．当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不同的位向，故结晶后形成的枝晶是一个多晶体。()3.4选择正确答案1．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：a.越高；b.越低；c.越接近理论结晶温度2．为细化晶粒，可采用：a.快速浇注；b.加变质剂；c.以砂型代金属型3.5综合分析题1．金属结晶的条件和动力是什么?过冷度与冷却速度有何关系？2．金属结晶的基本规律是什么?3．晶粒大小对金属材料的性能有什么影响？常用细化晶粒的方法有哪些？为什么这些方法能够使晶粒细化？4．何谓同素异构转变？简述它与液态金属结晶的异同。5．如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下铸件晶粒的大小：(1)金属模浇注与砂模浇注；(2)变质处理与不变质处理；(3)铸成薄件与铸成厚件；(4)浇注时采用震动与不采用震动。6．为什么钢锭希望尽量减少柱状晶区?第四章二元合金相图思考题及习题4.1解释名词组元、相、铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、相组成物、组织组成物、石墨化、孕育(变质)处理、球化处理、可锻化退火、石墨化退火4.2填空题1．共晶反应式为()，共晶反应的特点是()。2．珠光体的本质是()。3．一块纯铁在912℃发生α-Fe→γ-Fe转变时，体积将()。4．在铁碳合金室温平衡组织中，含Fe3CII最多的合金成分点为()，含Le′最多的合金成分点为()。5．用显微镜观察某亚共析钢，若估计其中的珠光体含量体积分数为80%，则此钢的碳的质量分数为()。6．灰口铸铁中碳主要以()的形式存在，可用来制造()。7．可锻铸铁中石墨的形态为()，可用来制造()。8．球墨铸铁中石墨的形态为()，可用来制造()。9．蠕墨铸铁中石墨的形态为()，可用来制造()。10．影响石墨化的主要因素是()和()。11．球墨铸铁的强度、塑性和韧性均较普通灰口铸铁高，这是因为()。12．HT200牌号中HT表示()，数字200表示()。13．生产球墨铸铁选用()作为球化剂。4.3是非题1．平衡结晶获得的质量分数为20%Ni的Cu-Ni合金比质量分数为40%Ni的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。()2．一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β）,它由三相组成。()3．铁素体的本质是碳在α-Fe中的间隙相。()4．20钢比T12钢的