第1-3章作业作业题(分组用).docx

第1章作业班级:4小组编写小组K他廖员簟名:题号1I2I3I4I5IT78I9口0_11_12_13_总分得分I1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1.1 .（10分）分析三大材料的结合键类型并由此归纳其导电性、强度和塑性特点。金属材料：以金属键为主，具有良好的导电性，较高的强度和良好的塑性和韧性。无机非金属材料：以离子键和共价键为主，具有良好的绝缘性，较高的强度和低塑性和高脆性。有机高分子材料：以共价键为主，氢键和范德瓦尔斯键为辅，优良的电绝缘性，强度低，塑性较低。2 .（10分）为什么单晶体具有各向异性而多晶体在一般情况下不显示各向异性？“因为单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列密度不同,造成原子间结合力不同,因而在不同方向上的性能各异;而多晶体是由很多个位向不同的单晶体所组成,各个晶粒在整块金属内的空间位向是任意的,整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能均值因而一般不显示各向异性。”3 .（10分）金属常见的晶格类型有哪几种？画出它们的晶胞，每个晶胞内分别有几个原子？配位数是几？如何计算原子半径金属常见的晶格类型有3种，分别是体心立方晶格，面心立方晶格，密排六方晶格。3)指Q立石晶格.面I啦方晶格原孑数什伙才二2个翻Z数3,骷利)二叔敦龈以矢仄制诲N<ob2骷数.以计划叫4弊数17.,原耕径丫二号鼠卿梭”频入席QyM飞。码为密排六方尉祐.4.扁敌力12切出二Q数.12源鹤径,Y二如瓣反OqIf4.(5分)在立方晶胞中画出下列晶面和晶向：(110)(101)(111)、Oi1.、111。(110)(101)(111)Oi1.1115.(5分)写出六方晶系的ioii晶面族中所有晶面的密勒指数。在六方晶胞中画出ui2omIi01晶向和(IOi1.)晶面。,IoF相隔族忡牖翻眼辆物(IOT1.)(TO1.1.).(oi1.)(OH1.)(1101)(TIOi)6.（10分）分别在一个体心立方和面心立方晶胞内画出所有穿过该晶胞（不含顶点）的（II1.）和（I1.O）晶面，并由此（不直接用晶面间距计算公式）计算（UD和（IIO）晶面的晶面间距。（设晶格常数为。）体心立方晶胞（I1.1.）晶面间距为根号3a6面心立方晶胞（I1.1.）晶面间距为根号3a3（110）晶面间距为根号3a3（110）晶面间距为根号3a67 .（10分M-Fe原子间距最小的3个方向是哪三个晶向族？分别计算它们的原子间距。晶面间距最大的3个晶面是哪3个晶面族？分别计算它们的晶面间距。计算-Fe的原子半径和理论密度。（自己查-Fe的晶格常数）8 .（10分）-Fe原子间距最小的3个方向是哪三个晶向族？分别计算它们的原子间距。晶面间距最大的3个晶面是哪3个晶面汉族？分别计算它们的晶面间距。计算-Fe的原子半径和理论密度。（自己查y-Fe的晶格常数）9 .（5分）在实际晶体中存在哪几种晶体缺陷?分别描述它们的几何特征（定义），它们对金属的强度有何影响？10 .（5分）在图示的ABCD位错环，位错环内还是环外是多出的原子面？补全图中的切应力，位错在切应力作用下将如何运动（参考弗兰克-瑞德位错源）。11 .（5分）已知珠光体的抗拉强度是600MPa,铁素体的抗拉强度是240MPa,要求抗拉强度是420MPa,问应选用哪种钢？（钢号：10、15、20、25、30、35、40、45、50,对应的WC=O1，0.15%,0.20%,）12 .（5分分）通过查资料画出石墨和金刚石的晶胞，它们分别属于哪个晶系？简要说明两者的性能特点及性能不同的原因（主要考虑结合键和晶体结构特点）。13 .（10分）对底心正方有a=bWc（如图），写出v1.21的所有晶向。给出丫心的点阵间距计算公式和力夕晶码间距计算公式（查相关资料）。万，F第2章作业班级:第一小组编辑:小组其他成员签名:1. （10分）说明材料的凡、RPO.2、Rm和4、Z的物理意义和工程意义。Re弹性极限，材料发生微量塑性变形时的应力值。（强度指标）当应力略小于Re时，材料拉伸所产生的的变化不足以影响到宏观上的尺寸变化，即性能不会发生改变，可以反复使用无穷多次而不断裂。，工程意义）RpO2屈服强度，一般工程上以发生0.2%非比例变形对应的应力值为该材料的规定塑性延伸强度。（强度指标）旭股速度是工程技术上的力学性能指标之一,也是大多数机械零件选材和设计的依据,传统的赧度设计方法，对韧性材料.也屈服娱度为标准'工S意义1Rm：抗拉强度，试样断裂前的最大应力。（强度指标抗拉强度股为材料的断裂强度,只要应力小于抗拉强度Rm就不会发生断裂,抗拉强度是机械工程设计和选材的爪要指标.般性材料；RPO.2（Rs）3nhax,86性材料：RnRax,n是安全系数，假不应小于2,RmaX是设计的最大应力。'工程怠义；A：断后延伸率,A=（H-Io）/10*100%Z：断面收缩率,Z=（SO-S1）SO*100%（AZ为塑性指标）工程武义.生产上可以通过塑性变形而成型，通常有锻造、轧制、冲压、滚压等塑性成型方法，采用这些方法可以制备出金属板材、型材、零件毛坯等.可以通过塑性变形提高金属强度，丝（线）材、板材在成型的同时提高其强度。缓解应力集中提高使用安全性。2. （10分）分析金属塑性变形、回复、再结晶和晶粒长大后的组织、强度、塑性和韧性？金属塑性变形：金属晶体在外力作用下，随着变形量的增加，晶粒外形由原先的等轴晶粒逐渐改变为沿变形方向被拉长或压扁的晶粒。当变形量很大时，各晶粒被拉成纤维状，位错密度也会增加，亚结构细化，形成亚晶粒，亚结界阻碍位错运动，因此产生变形结构。随着塑性变形量的增加，金属的强度、硬度升高,塑性、韧性下降。回复：回复后纤维组织无显著变化，仍为纤维状或扁平状回复随温度进步升高或时间延长，亚结晶上的位错进步减少，从而亚晶粒合并长大。在回复过程中，位错胞中的位错在残余应力作用下发生反向运动而与异号位错反应而消失，位错密度降低，因而强度、硬度略有下降,塑性略有提高，仍然保留了加工硬化，但回复阶段电阻明显下降：第一类内应力基本可以消除，第二类内应力部分消除。再结晶：在形变较小的金属中，变形不均匀，位错密度不同，变形大的晶粒内位错密度高，畸变能大。再结晶过程中变形晶粒通过形核长大，逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒，使强度、硬度明显下降,塑性、韧性明显提高,完全消除了加工硬化。晶粒长大：（1）正常长大，再结晶刚刚完成，得到细小的无畸变等轴晶粒，当升高温度或延长保温时间时，晶粒仍可继续长大，晶粒均匀连续的生长。（2）异常长大，形成粗大的晶粒及非常不均匀的组织，结构明显，产生各向异性；优化磁导率；晶粒大小不均匀，性能不均匀，降低强度和韧性、塑性:晶粒粗大，提高表面粗糙度。3. （10分）多晶体的塑性变形与单晶体的塑形变形有何异同？为什么常温下晶粒越细小，不仅强度、硬度越高，而且塑性、韧性也越富？异：单晶体产生塑性变形,只与其晶体内部位错滑移有关；除非在微尺度下，塑性变形会转变为由位错形核主导；多晶体由许多位向不同的晶粒组成，晶粒与晶粒之间是晶界，不仅需要考虑晶粒内部的位错滑移，还要考虑晶粒之间的变形协调，即要考虑晶间变形。多晶体塑性变形具有以下特点：各晶粒不同时变形，各晶粒变形的不均匀性，各晶粒变形之间相互协调。同：（）多晶体的塑性变形与单晶体的塑形变形都与晶体内部位错滑移有关。原因：金属晶粒越细，晶界面积越大，位错障碍越多，需要协调的具有不同位向的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而导致金属强度和便度越高。（2）金属的晶粒愈细,单位体积内的晶粒数就越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，这样因局部应力集中而引起材料开裂的几率较小,使材料在断裂前就有可能承受较大的塑性变形,得到较大的伸长率、断面收缩率和具有较高的冲击载荷抗力。在强度和塑性同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，增加了韧性。因此晶粒越细，其塑拄和睦也越好。4. （10分）简述四种强化原理。（1）固溶强化原理：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力，使强度提高。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度与硬度，而其韧性和塑性却有所下降。（2）细晶强化原理：合金的晶粒越细小，内部晶粒和晶界的数目就越多。细晶强化利用晶界上原子排列的不规则性，原子能量高的这特点，对材料进行强化。根据霍尔一一佩奇关系式，晶粒的平均直径越小，材料的屈服强度越高（3）位错强化原理：一是位错缠结形成亚晶界产生强化作用，二是随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生一种难以运动的固定割阶，成为后续位错运动的障碍，造成位错缠结，增加位错运动阻力，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。无论哪种强化机制，强化作用随位错密度提高而增大。（4）第二相强化原理：对固溶体而言，除了通过固溶强化，细晶强化和位错强化来提高强度外，还可以在固溶体内增加细小粒状第二相提高强度，当固溶体基体上分布有第二相粒子时，位错运动受到粒子阻碍而弯曲，需要增大应力才能通过粒子，在粒子周困留下一个位错环，使切应力阻力增加。如果第二相粒子可以变形，则位错可能切过第二相粒子，位错切过粒子，增加了新的表面,需要吸收额外能量，增加了位错运动阻力，起到了强化作用。当第二相为以下几种状态时网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C,降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，第二相的数量越多，时塑性的危害越大；第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。5. （18分，每小题3分）设A1.原子半径为0.143nm,临界切应力Ek=O5MPa°（1）画出A1.的晶胞，计算A1.的晶格常数和理论密度。A1.为面心立方金属，原子个数为4,a为晶格常数,A1.原子半径R=2a4=0.I43nm,计算得晶格常数a=0.40447nm理论密度=4*26.98/6.02*1O23*(4.0447*10-8)3=2.7092(gcm3)(2)计算A1.的111和110的晶面间距和v1.1.的原子间距。A1.为面心立方晶格晶面间距d111=a/12+12+12=3a3d1.1.=a212+12+0=a22=2a4原子间距d1.1.1.=J"2+八2+"2二百ad1.1.=2+22=2a2（3）设拉力轴分别为x、y和Z轴，分别写出滑移系并计算屈服强度Hs。（4）如果同时在X和y轴加同样大小的拉应力，给出可能的滑移系并计算屈服强度Rs。（5）如果同时在X轴加拉应力H和），轴加压应力-R给出可能的滑移系并计算屈服强度Hs。（6）如果同时在x、y和Z轴加同样大小的拉应力，给出可能的滑移系并计算屈服强度Hs。6. （12分，每小题3分）如图所示，两个长度相等的试棒，a的直径为6mm,b的最大直径IOmm,最小直径6mm,b的理论应力集中系数为2.5,用相同材料加工而成。回答以下问题。（1）材料是陶瓷材料，做拉伸试验，拉断a需要50kN力。问拉断b需要多大力？（2）材料是金属材料，做拉伸试验，用a测得性能为b,因RpO.2=700MPa,Rm=IoOOMPa,A=I5%。用b做拉伸，抗拉强度大概X是多少？（3）材料是金属材料，做拉伸试验，用a测得性能为RPO2=Rm=2000MPa°b的Rm大概是多少？（4）零件上的缺口有哪些危害？7. （10分）直径d=4m,高4m,厚度=15mm的压力容器，额定压强p=1.5MPa°在轴向（高度方向）的焊缝上有一半椭圆裂纹，a=9mm,/C=1.5a1.z2（=/?*d!21t。有A、B两种钢板，性能为，A：HPO.2=400MPa,Rm=600MPa,K1.C=2000MPammRB：RpO片1600MPa,Rm=2100MPa,/Cc=900MPamm,z2o（1） （2分）计算额定压强时裂纹尖端的应力场强度因子。（2） （3分）在不考虑裂纹情况下只考虑强度，选哪种材料好（简要说明理由）。（3）（5分）考虑实际情况，选哪种材料好？选该材料时，当压强为多大时裂纹失稳扩展（爆炸）。8.（20分）设纯铁的临界切应力诔=5MPa。拉力轴分别是100和123方向，分别写出滑移系并计算屈服强度。班级:第一小组编辑:第3章作业小组其他成员签名:1. （6分）已知900°C和950时碳在奥氏体中的扩散系数分别是857x1.042和i5.62x1.（2m2s,计算Do和Qo2. （每小题5分，共20分）已知A组元的熔点为1000oC,B组元的熔点为700C,B溶解到A中形成固溶体，其最大溶解度为15%B,最小溶解度为2%B,A溶解到B中形成固溶体，其最大溶解度为15%A,最小溶解度为1%A,1.、a、。三相共存温度为500,且液相的成分为50%B,600时各相的自由能-成分曲线如图所示。（1）用作图法确定600时各相的成分并标在相图上。（2）画出完整的相图并标出各个相区。（3）计算30%B的合金刚冷到共晶转变温度时a和1.的质量分数以及共晶转变结束时。、夕相的质量分数和a初、（a+）共品组织的质量分数。（4）计算30%B的合金室温时a和B相的质量分数及am/U和（a+）.组织的质量分数。V×f3. （20分）（1）（5.5分）将1.、6、丫、a和7个两相区,卜.1538符号填在Fe-Fe3C相图内。南二（2） （3.5分）将碳的质量分数范围填在空格内：13oop-_工业纯铁、亚共析钢、纪80°共析钢、过共析钢、sU600亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共：一晶白口铸铁。>-.1.,（3） （5分）给出铁素体（F）、珠光体（P）、二次I'1.渗碳体（Fe3Cn）、室温莱氏体（1.d'）和一次渗碳体Q产J-I¾（Fe3Ci）的计算公式（设含碳量为WC），注明各公0式中WC的取值范围。9。八_（4） （6分）计算Fe3J的最大值并将F、P、Fe3C>o-八方二（AO0.772.11¼v%4.36.691.dFe3C与WC的关系画在图中（3分）。写出恒温转变的名称、反应式和碳的质量分数范围（3分）。4. （10分，每小题5分）已知99%Cu、0.5%Cr>0.5%Fe合金在Ioo（TC为单相固溶体,950C时Cr和Fe在Cu中的溶解度为05%,室温下，Cr和Fe均不溶解到CU中。（1）采用哪种工艺方法（画出工艺曲线，注明大概温度，冷却方式），可以使该合金导电性最差而强度比纯铜的强度高并简要说明原因。-（2）采用哪种工艺方法（画出工艺曲线，注明大概温度，冷却方式），可以使该合金导电性降低的不多而强度比纯铜的强度有显著提高并简要说明原因。时间/h5. （10分）根据铁碳相图说明为什么钢可以进行锻造，而白口铸铁和灰口铸铁都不能进行锻造？6. （10分）用45钢制造的锻件，锻造过程中温度大概降低150C,计算45钢大概的A3温度，选用多高温度开始锻造比较合适？温度高了或低了有何弊端？7. （8分）根据合金化原理，分析比较15钢和09Mn,16Mn和15MnTi,15MnV和UMnMoTi的强度。8. （8分）有直径分别为30、80、15Omm的三种轴，用三种材料制造：45、40Cr和42CrM0。给出三种轴与材料的关系并简要说明理由。9. （8分）在淬火+低温回火状态下，TIO钢和CrWMn（含碳量约1%）相比，哪个耐磨性高？哪个允许使用的温度高？哪个可以用于制造更大尺寸的工具？都要简要说明理由。