所謂力學效能，是指材料抵抗外力作用所顯示的效能。力學效能包括強度剛度硬度塑性韌性和疲勞強度等
1-2什麼是強度？在拉伸試驗中衡量金屬強度的主要指標有哪些？他們在工程應用上有什麼意義？
強度是指材料在外力作用下，抵抗變形或斷裂的能力。在拉伸試驗中衡量金屬強度的主要指標有屈服強度和抗拉強度。
屈服強度的意義在於：在一般機械零件在發生少量塑性變形後，零件精度降低或其它零件的相對配合受到影響而造成失效，所以屈服強度就成為零件設計時的主要依據之一。
抗拉強度的意義在於：抗拉強度是表示材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。脆性材料在拉伸過程中，一般不產生頸縮現象，因此，抗拉強度就是材料的斷裂強度，它表示材料抵抗斷裂的能力。
抗拉強度是零件設計時的重要依據之一。
1-3什麼是塑性？在拉伸試驗中衡量塑性的指標有哪些？
塑性是指材料在載荷作用下發生永久變形而又不破壞其完整性的能力。拉伸試驗中衡量塑性的指標有延伸率和斷面收縮率。
1-4什麼是硬度？指出測定金屬硬度的常用方法和各自的優缺點。
硬度是指材料區域性抵抗硬物壓入其表面的能力。 生產中測定硬度最常用的方法有是壓入法，應用較多的布氏硬度洛氏硬度和維氏硬度等試驗方法。
布氏硬度試驗法的優點：因壓痕面積較大，能反映出較大範圍內被測試材料的平均硬度，股實驗結果較精確，特別適用於測定灰鑄鐵軸承合金等具有粗大經理或組成相得金屬材料的硬度；壓痕較大的另乙個優點是試驗資料穩定，重複性強。其缺點是對不同材料需要換不同直徑的壓頭和改變試驗力，壓痕直徑的測量也比較麻煩；因壓痕大，不以測試成品和薄片金屬的硬度。
洛氏硬度試驗法的優點是：操作循序簡便，硬度值可直接讀出；壓痕和較小，可在工件上進行試驗；採用不同標尺可測定各種軟硬不同的金屬厚薄不一的式樣的硬度，因而廣泛用於熱處理質量檢驗。其缺點是：
因壓痕較小，對組織比較粗大且不均勻的材料，測得的結果不夠準確；此外，用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯絡，不能直接進行比較。
維氏硬度試驗法的優點是：不存在布氏硬度試驗時要求試驗力與壓頭直徑之間滿足所規定條件的約束，也不洛氏硬度試驗是不同標尺的硬度無法統一的弊端，硬度值較為精確。唯一缺點是硬度值需要通過測量壓痕對角線長度後才能進行計算或查表，因此工作效率比洛氏硬度低得多。
1-5在下面幾種情況下，該用什麼方法來測試硬度？寫出硬度符號。
（1）檢查銼刀、鑽頭成品硬度；（2）檢查材料庫中鋼材硬度；（3）檢查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化層；（4）黃銅軸套；（5）硬質合金刀片；
（1）檢查銼刀、鑽頭成品硬度採用洛氏硬度試驗來測定，硬度值符號 hrc。
（2）檢查材料庫中鋼材硬度採用布氏硬度試驗來測定，硬度值符號 hbw。
（3）檢查薄壁工件的硬度或工件表面很薄的硬化層硬度採用洛氏硬度試驗來測定，硬度值符號 hrc。
（4）黃銅軸套硬度採用布氏硬度試驗來測定，硬度值符號 hbw。
（5）硬質合金刀片採用洛氏硬度試驗來測定，硬度值符號 hrc。
1-6什麼是衝擊韌性？ak指標有什麼應用意義？
衝擊韌性是指金屬材料在衝擊力作用下，抵抗破壞的能力。
衝擊韌性ak代表了在指定溫度下，材料在缺口和衝擊載荷共同作用下脆化的趨勢及其程度，是乙個對成分、組織、結構極敏感的引數。一般把衝擊韌性值ak低的材料稱為脆性材料，值高的稱為韌性材料。
1-7為什麼疲勞斷裂對機械零件有很大的潛在危險？交變應力與重複應力有什麼區別？試舉出一些零件在工作中分別存在著兩種應力的例子。
疲勞斷裂與靜載荷作用下得斷裂不同，無論是脆性材料還是塑性材料，疲勞斷裂都是突然發生的脆性斷裂，而且往往工作應力低於其屈服強度，固有很大的危險性。
2-1：1g鐵在室溫和1000℃時各含有多少個晶胞？（fe的相對原子質量56）
在室溫：鐵為體心立方結構，每個晶胞中的原子數為2個，所以1g鐵含有的晶胞數為n==
1000℃時: 鐵為麵心立方結構，每個晶胞中的原子數為4個，所以1g鐵含有的晶胞數為n==
2-2在立方晶格中，畫出下列晶向和晶面指數：（111），（110），（211）（-111），[111]，[110]，[112]，[-111]。
2-3求麵心立方晶體中[112]晶向上的原子間距。
2-4單晶體和多晶體有何差別？為什麼單晶體具有各向異性，多晶體具有各項同性？
單晶體是由原子排列位向或方式完全一致的晶格組成的；多晶體是由很多個小的單晶體所組成的，每個晶粒的原子位向是不同的。
因為單晶體內各個方向上原子排列密度不同，造成原子間結合力不同，因而表現出各向異性；而多晶體是由很多個單晶體所組成，它在各個方向上的力相互抵消平衡，因而表現各向同性。
2-5簡述實際金屬晶體和理想晶體在結構與效能上的主要差異。
理想晶體中原子完全為規則排列，實際金屬晶體由於許多因素的影響，使這些原子排列受到干擾和破壞，內部總是存在大量缺陷。
如果金屬中無晶體缺陷時，通過理論計算具有極高的強度，隨著晶體中缺陷的增加，金屬的強度迅速下降，當缺陷增加到一定值後，金屬的強度又隨晶體缺陷的增加而增加。因此，無論點缺陷，線缺陷和面缺陷都會造成晶格崎變，從而使晶體強度增加。同時晶體缺陷的存在還會增加金屬的電阻，降低金屬的抗腐蝕效能。
2-6簡述間隙固溶體和間隙化合物的異同點。
間隙固溶體和間隙化合物都是溶質原子嵌入晶格間隙形成的。
間隙固溶體的晶體結構與溶劑的結構相同，而間隙化合物的晶體結構不同於組成它的任一組元，它是以分子式來表示其組成。
2-7有兩種乙烯和丙烯的共聚物，其組成相同，但其中一種在是溫室時是橡膠狀的，溫度一直降低值約-70時才變硬；而另一種是溫室時卻是硬而韌又不透明的材料。試解釋他們在結構上的區別。
高聚物在不同溫度下有三種力學狀態：玻璃態、高彈態、粘流態。
前者在室溫下是橡膠態，-70℃時變硬，說明其玻璃態轉變溫度tg約為-70℃
2-8陶瓷的典型組織由哪幾部分組成？他們對陶瓷效能各起什麼作用？
陶瓷材料是多相多晶材料，其結構中同時存在：晶體相（晶相）、玻璃相、氣相，各組成相的結構、數量、形態、大小及分布決定了陶瓷的效能。
晶相是陶瓷材料的主要組成相，對陶瓷的效能起決定性作用，晶相的結合鍵為：離子鍵、共價鍵、混合鍵；且晶體缺陷還可加速陶瓷的燒結擴散過程，影響陶瓷效能；陶瓷晶粒愈細，陶瓷的強度愈高。
玻璃相是一種非晶態固體，是陶瓷燒結時，各組成相與雜質產生一系列物理化學反應形成的液相在冷卻凝固時形成的。將分散的晶相粘結在一起；降低燒結溫度；抑制晶相的晶粒長大；填充氣孔。
氣相指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔。它能使陶瓷強度降低、介電損耗增大，電擊穿強度下降，絕緣性降低。
3-1為什麼金屬結晶時必須過冷？
由熱力學第二定律可知：在等溫等壓條件下，過程自動進行的方向總是向著系統自由能降低的方向。
金屬在過冷的條件下，那些處於能量較低狀態的原子集團就可能成為自發形核的晶胚，這是結晶的必要階段。所以結晶的熱力學條件是有一定的過冷度。
3-2為什麼金屬結晶時常以枝晶方式長大？
在不平衡凝固過程中，固相中溶質濃度分布不均勻，凝固結束時，晶體中成分也不均勻，即有成分偏析現象。而當成分過冷很大時，固溶體晶體以樹枝狀生長時，先結晶的枝晶主幹溶質濃度低，枝晶外圍部分溶質濃度高，形成樹枝狀偏析。
3-3常用的管路焊錫為成分w(pb=50%)、w(sn=50%) 的pb-sn合金。若該合金以及慢速度冷卻至室溫，求合金顯微組織中相組成物和組織組成物的相對量。
圖3-1 pb-sn合金相圖圖3-2 w(pb=50%)pb-sn合金室溫組織
由相圖（圖3-1）可知，成分為w(pb=50%)、w(sn=50%) 的pb-sn合金（亞共晶合金）以慢速度冷卻至室溫時發生的結晶過程為：先進行勻晶轉變(l→α), 勻晶轉變剩餘的液相再進行共晶轉變。極慢冷卻至室溫後形成的組織為先共晶固溶體α和共晶組織(α+β)。
由於α固溶體的溶解度隨溫度變化較大，所以先共晶固溶體α中有點狀βii析出（圖3-2）。
相組成：先共晶α相的相對量為：1-（50-19.2）/(61.9-19.2)=72.13%
共晶組織中的α相佔全部合金的相對量：45.5%*72.13%=32.82%
共晶組織中的β相相對量為1-32.82%=67.18%
3-4請根據圖3.44分析解答下列問題：
（1） 分析合金1、2的平衡結晶過程，並會出冷卻曲線；
（2） 說明室溫下1、2的相和組織是什麼，並計算相和組織的相對含量；
（3） 如果希望得到的組織為：共晶組織和5%的初，求該合金的成分。
解（1）（2）：
合金的冷卻曲線如圖3-3所示。
圖3-3 合金i的冷卻曲線
其結晶過程為：
1以上，合金處於液相；
1~2時，l→α，l和α的成分分別沿液相線和固相線變化，到達2時，全部凝固完畢；
2時，為單相α；
2~3時，α→βii。α→β室溫下，i合金由兩個相組成，即α和β相，其相對量為
mα=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%
mβ=1- mα=18%
i合金的組織為α+βii,其相對量與組成物相同。
ii合金的冷卻曲線如圖3-4所示。
圖3-4 合金ii的冷卻曲線
其結晶過程如下：
1以上，合金處於均勻的液相；
1~2時，進行勻晶轉變l→β初；
2時，兩相平衡共存，l0.50==β0.90；
2~2，時，剩餘液相發生共晶反應：
l0.50==α0.20+β0.90
2~3時，發生脫溶轉變，α→β∏
室溫下，ii合金由兩個相組成，即α相和β相，其相對量為：
mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%
mβ=1- mα=88%
ii合金的組織為：β初+（α+β）共晶；組織組成物的相對量為：
mβ初=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%
m（α+β）共晶=1- mβ初=25%
解(3)：
設合金的成分為wb=x，由題意知：
mβ初=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%
工程材料力學效能課後答案
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《工程材料力學效能》課後答案
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