习题答案(第4章～第6章)

《汽车机械基础》习题参考答案

第4章 金属材料的性能

1．什么是金属的力学性能？根据载荷形式的不同，力学性能主要包括哪些指标？

答：在外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗破坏的能力称力学性能。材料的力学性能指标分为强度、塑性、硬度，冲击韧性和疲劳强度等。

2．什么是弹性变形？什么是塑性变形？

答：随着载荷的存在而产生、随着载荷的去除而消失的变形称为弹性变形。载荷卸掉后形变不能恢复的变形称为塑性变形。

3．什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？

答：金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷的不同，可分为抗拉强度b σ，抗压强度bc σ、抗弯强度bb σ、抗剪强度b τ和抗扭强度t τ等几种。

断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性，用延伸率δ和断面收缩率ψ来表示。

4．什么是硬度？HBS 、HBW 、HRA 、HRB 、HRC 各代表什么方法测出的硬度？

答：材料抵抗另一硬物压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。HBS 布氏硬度（当用淬火钢球压头时）、HBW 布氏硬度（当用硬质合金球时）；HRA 、HRB 、HRC 都是洛氏硬度，只是压头以及总载荷不同：压头分别是金刚石圆锥、1/16”钢球、金刚石圆；总载荷分别为60 kgf 、100 kgf 、150 kgf 。

5．下列硬度的写法是否正确？

HBS150、HRC140、HRC70、HRB10、HRA79、474HBW

HBS150错，改为150HBS

HRC140错，HRC 硬度范围为20～67

HRB10错，HRB 硬度范围为25～100

HRA79错，改为79HRA

474HBW 对

6．下列各种工件一般应采用何种硬度试验方法来测定其硬度值？

（1）锉刀； （2）黄铜轴套； （3）硬质合金刀片； （4）渗碳合金钢；

（5）供应状态的各种碳钢钢材。

答：（1）锉刀：用HRC 试验测定；（2）黄铜轴套：用HRB 试验测定；

（3）硬质合金刀片：用HRA 试验测定；（4）渗碳合金钢；用HRA 试验测定；

（5）供应状态的各种碳钢钢材：用HB 试验测定；

7．什么是冲击韧性？用什么符号表示？

答：材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。用冲击韧度αk （J/m2）表示。

8．什么是疲劳现象？什么是疲劳强度？

答：在交变应力作用下，虽然零件工作中所承受到的应力值远低于材料的抗拉强度σb ，甚至小于屈服点σs ，但经过应力较长时间的作用也会使工件产生裂纹或发生突然断裂，这种现象称为金属的疲劳现象。

材料承受的交变应力σ与材料断裂前承受交变应力的循环次数N 之间的关系：金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N 越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限（亦叫疲劳强度），用σ-1表示。

9．为什么金属的疲劳破坏具有很大的危险性？如何提高金属的疲劳强度？

答：各种材料发生疲劳断裂时，都不会产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，所以具有很大的危

险性。据统计，损坏的机械零件中，有80%以上是由于金属的疲劳造成的。

金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。

10．长期工作的弹簧突然断裂，属于哪类问题？与材料的哪些性能有关？

答：属于疲劳断裂。主要与材料的疲劳强度有关。

11．大能量冲击和小能量多次冲击的冲击韧性各取决于金属材料的哪些力学性能指标？

答：大能量冲击的冲击韧性主要取决于金属材料的塑性，小能量多次冲击的冲击韧性主要取决于金属材料的强度。

12．什么是材料的工艺性能？常指哪些项目？

答：所谓材料的工艺性能就是指材料被加工的便利程度，工艺性能实际上是材料的力学性能、物理性能和化学性能的综合表现，它是材料能否大量工业应用的一个重要因素。

工艺性能直接影响零件加工后的工艺质量，是选材和制定零件加工工艺路线时必须考虑的因素之一。它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。

13．有一直径为1×10-2m 的碳钢短试样（试样长径比为1:5），在拉伸试验时，当载荷增加到21980N 时出现屈服现象，载荷达到36110N 时产生缩颈，随后试样被拉断。其断后标距是6.15×10-3m 。求此钢的屈服点、抗拉强度、伸长率及断面收缩率。

解：

（1）求屈服点

Pa d F S F s s s 822200108.2)101(14.32198044?=???===-πσ MPa s 280=σ

（2）求抗拉强度

Pa d F S F b b s 822200106.4)101(14.33611044?=???===-πσ MPa s 460=σ

（3）求伸长率

短试样：m d l 2

20010510155--?=??== m l 211015.6-?=

%23%1001051051015.6%10022

20015=???-?=?-=---l l l δ （4）求断面收缩率

m d m d 20311011007.7--?=?=； %100%100202120010?-=?-=d d d S S S ?%50)101()1007.7()101(222322=??-?=---

答：此碳钢的屈服点为280MPa ；抗拉强度为460MPa ；伸长率为23%；断面收缩率为50%。

第5章 铁 碳 合 金

1．解释下列名词：晶体、晶格、晶粒、晶界。

晶体：微粒呈规则排列的固态物质称为晶体。晶格：晶体中原子或离子按一定规则排列而成的空间几何图形，称为晶格。晶粒：外形、大小、晶格方位都不一致的小单晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的分界面称为晶界。

2．纯铁的同素异构转变有何实际意义？

答：纯铁的同素异构转变是可逆的，它是材料进行热处理的重要依据之一。同素异构转变属于固态相变，具有其本身的特点，例如：新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；转变需要较大的过冷度；晶格

的变化伴随着金属体积的变化，转变时会产生较大的内应力。例如γ—Fe 转变成α—Fe 时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引起应力、导致工件变形和开裂的重要原因。

3．默绘铁碳合金相图，简述它的作用。

铁碳合金相图略。由铁碳合金相图可以明显看出，纯铁、钢和铸铁之所以性能不同，是因为含碳量不同，从而冷却后的组织不同。因此，如需要塑性、韧性高的材料，则可选用含碳量较低的钢种；需要强度、塑性及韧性都较好的材料，可选用含碳量适中的钢种；如需要硬度高、耐磨性好的材料，则应选用含碳量高的钢种。纯铁的强度低，不适于制作机器零件，但它的磁导率高，可作为软磁材料使用。白口铸铁硬而脆，但经石墨化后可转变为灰铸铁，灰铸铁的流动性好，可用于制造铸件。

4．按用途分，碳钢可分为哪几类？主要作用是什么？

答：按用途分：① 碳素结构钢：主要用做各种工程构件、桥梁、建筑构件和机器零部件等，一般为中低碳钢。② 碳素工具钢：主要用于制作各种刃具、量具、模具，一般为高碳钢

5．随着钢中含碳量的增加，钢的力学性能有何变化？为什么？

答：随着铁碳合金的碳含量增大，其室温组织按F →F+P →P →P+Fe3C Ⅱ→P+Fe3C Ⅱ+ Ld ′→Ld ′→Ld ′+Fe3C Ⅱ→Fe3C 的顺序变化。而P 和Ld ′都是F 和Fe3C 的机械混合物。所以，可以认为铁碳合金组织是随着碳含量增大从F →F+Fe3C →Fe3C 变化，并且两者相对量的变化规律亦呈直线关系。

铁素体强度、硬度低，但塑性、韧性好，起基体相作用；渗碳体则很硬脆，是强化相。因此，随着碳含量的增加，铁碳合金的硬度越来越高，而塑

性、韧性越来越低。图5.13为实验测得的碳

含量w C 与力学性能之间的关系曲线，可见韧

性曲线αk 值下降的幅度比塑性指标δ和ψ要

快，这说明韧性指标对渗碳体量的增加更敏

感。硬度的变化基本上是随碳含量的增加呈直

线上升。而强度是一个对组织形态很敏感的力

学性能，在亚共析区，因为只有铁素体和渗碳

体两种组织的相对量变化，强度基本上是随碳

含量增加而直线上升；当碳含量超过0.77%而

进入过共析区时，其组织为珠光体和渗碳体，

由于有游离渗碳体的存在，使强度的增加趋

缓；另外，二次渗碳体是在原先奥氏体的晶界

处析出的，当w C 超过0.9%后，随着碳含量增

加，渗碳体含量增多，逐渐形成网状，大大削

弱了晶粒间的结合力，使强度急剧降低。因此

在w C 为0.9%处出现强度最大值，随后强度则

不断下降。

6．指出Q235、45、T12的类型、含义、用途。

Q235：普通碳素结构钢，屈服强度为235Mpa 。碳含量较低，而硫、磷等有害杂质的含量较高，故强度不高，但塑性、韧性较好，焊接性能好，价格低廉，可用于制造焊、铆、螺栓连接的一般工程构件和不重要的一般机械零件，如货车车架、发动机支架、后视镜支杆等。

45：碳质量分数wC 为0.45%的优质碳素结构钢，有害杂质含量很少，通常经过热处理后可提高力学性能。常用于制造各种较重要的机械零件，比如汽车底盘中的大部分零件。

T12：碳质量分数wC 为1.2%的优质碳素工具钢。常用于制造刃具、量具、模具等。

7．试比较碳钢与合金钢的优缺点。

碳钢成本低、应用广，碳钢的缺点主要表现在：淬透性差，不宜做成大截面或形状复杂的工件；回火稳定性差；综合力学性能较低，如提高强度、硬度则韧性下降，反之则强度、硬度下降；高温下强度、硬度低，不适用于工作在高温下的工件；不具备某些场合所要求的特殊物理、化学性能，如耐腐蚀、无磁性等。

而合金钢正是为了弥补碳钢的缺点而发展起来的。目前，合金钢在钢的总产量约占20%左右，钢中加入合金元素后不仅改善了钢的热处理性能，而且提高了钢的强度和韧性。但是，合金钢并不是一切性能都优于碳钢，还有很多工艺性能不如碳钢，如铸造、焊接以及某些钢的热处理、切削加工性能比碳钢要差，成本也较高。

8．说明下列材料的牌号、含义。

GCr15、40Cr、9SiCr、W18Cr4V、65Mn、20CrMnTi、60Si2Mn

GCr15：滚动轴承钢；高而均匀的硬度和耐磨性、高的弹性极限和耐压性；一般用于制造滚动轴承中的滚柱、滚珠、滚针、套圈以及柴油机的精密偶件等。

40Cr：合金调质钢；具有较好的综合力学性能；一般用于制作重要的齿轮、轴等零件。

9SiCr：低合金刃具钢；具有高硬度、高耐磨性、一定的强度和韧性；一般用于制造板牙、丝锥等低速切削用刀具。

W18Cr4V：高速钢，热硬性可达600℃，具有很高的强度、硬度、耐磨性及淬透性；用于制造车刀、刨刀、钻头等切削刀具。

65Mn：优质碳素钢，高的抗拉强度、屈强比（σs/σb）、疲劳强度，用于制造汽车弹簧、板簧和螺旋弹簧等弹性元件及耐磨件。

20CrMnTi：合金渗碳钢；经渗碳热处理后其表层硬度和耐磨性高，而心部具有高的韧性；一般用于制作汽车上各种变速齿轮等零件。

60Si2Mn：合金弹簧钢；具有高的屈服强度和高的屈强比，足够的韧性、塑性和弹性极限。一般用于制作弹簧零件。

9．若将30钢用来制造锉刀，或将20钢当做60钢制成弹簧，则使用过程中将会出现什么问题？

若将30钢用来制造锉刀，很快就磨钝了；将20钢当做60钢制成弹簧，屈强比、屈服强度都不够，弹簧将很快“压塌”不能回弹。

10．什么叫渗碳钢？为什么一般渗碳用钢的含碳量都比较低？合金渗碳钢常含有哪些元素？它们对钢的组织与性能有何影响？

答：低碳钢采用渗碳热处理工艺提高其表层硬度和耐磨性，而心部具有高的韧性，这些低碳钢称为渗碳钢。碳钢作渗碳钢时，要求心部具有高韧性，所以采用含碳量较低的碳钢。

在合金渗碳钢中，常加入铬、锰、钛、钒等元素；这些合金元素加入后能使合金渗碳钢的晶粒得到了细化并提高了淬透性。

11．生产中应用最多的是哪几类铸铁？各有哪些特点？

答：生产中应用最多的是：

①灰铸铁：灰铸铁中碳全部或大部分以片状石墨形态存在，其断口呈暗灰色。它的力学性能虽不如钢，但因有石墨存在而带来一些优点如吸振性、耐磨性和可切削性；良好的铸造性能，收缩小，不易产生铸造缺陷等，是应用最广的铸造金属。

②球墨铸铁：球墨铸铁具有较高的力学性能，与钢相接近。同时球墨铸铁又基本具有灰铸铁的一系列优良性能，使得“以铸代锻，以铁代钢”成为现实。

12．什么是热处理？什么样的材料才能进行热处理？

答：金属材料的热处理是指金属材料在固态下，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。

适合热处理的材料，必然是加热，冷却过程中内部组织结构能够发生变化的材料，这通常是指：

①有固态相变的材料；

②无论有无固态相变，但由于经受冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态的材料；

③在活性介质中加热时，表面能被活性介质的原子渗入，从而能改变表面化学成分的材料。

13．常用退火方法有哪些？分别适用于处理哪一类零件？

答：退火是将工件加热到一定温度并保温，然后再随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等。

完全退火主要适用于亚共析钢的铸、锻、焊接件的毛坯或半成品零件的预先热处理。球化退火主要用于共析、过共析钢。去应力退火目的是消除铸、锻、焊、冷成形件以及切削加工件中的残余应力。

14．淬火的目的是什么？淬火加热温度如何选择？常用冷却介质和淬火方式各有哪些？

答：淬火的目的是获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。钢的成分不同其淬火加热温度不同。亚共析钢的淬火加热温度在Ac3以上30～50℃；共析钢及过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30～50℃；合金钢的淬火加热温度应在有关手册中查阅。常用冷却介质有水、盐水或碱水、油等。常用淬火方式有单介质淬火法、双介质淬火法、分级淬火法及等温淬火法。

15．什么叫回火？回火目的是什么？常用回火方法有哪些？分别适于处理哪类零件？

答：将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后以一定的冷却速度冷至室温的工艺称为回火。回火的目的是消除或减少淬火应力，降低脆性，防止零件变形开裂；稳定组织，从而稳定零件尺寸；调整力学性能，满足零件的性能要求。常用回火方法有：低温回火，常用于刀具、模具、量具、滚动轴承、渗碳体、表面淬火件等；中温回火，常用于弹性零件及热锻模等；高温回火，常用于受力复杂的重要结构件，如曲轴、连杆、半轴、齿轮、螺栓等。

16．什么叫淬透性、淬硬性？影响因素有哪些？有何现实意义？

答：淬透性指钢在一定的淬火条件下，获得淬硬层深度的能力。淬透性主要由钢的临界冷却速度vc决定。vc越小，则钢的淬透性就越好，就越容易淬火。碳和合金元素的含量是影响淬透性的主要因素之一。淬透性是钢重要的热处理工艺性能。淬透性好的钢，经淬火回火后，组织均匀一致，具有良好的综合力学性能，有利于钢材潜力的发挥。同时，淬透性好的钢淬火时可采用较低的冷却速度缓冷，以减少变形与开裂。所以，受力复杂及截面尺寸较大的重要零件都必须采用淬透性好的合金钢制造。

淬硬性指钢在理想条件下淬火所能达到最高硬度的能力。它取决于马氏体中碳的百分含量，即wc越高，淬硬性越好。

17．甲、乙两齿轮，甲为低碳钢，乙为中碳钢，各应采用什么热处理才能满足使用性能要求？

答：低碳钢齿轮：可以用正火作为预备热处理，表面渗碳（氮）淬火作为最终热处理。

中碳钢齿轮：可用正火或调质预备热处理，齿面高频淬火作为最终热处理。

第6章非铁金属与非金属材料

1．非铁合金与铁碳合金相比较，具有哪些优良的性能？

答：非铁合金与铁碳合金相比较，产量低、价格高。但非铁合金具有某些特殊的优越性能，如密度小、比强度高、耐腐蚀性好等，成为现代工业中不可缺少的材料，在汽车中的应用也日益广泛。

2．汽车常用的非铁合金有哪几种？

答：铝合金、铜合金、滑动轴承合金、钛合金、镁合金。

3．铝合金分为几类？各类铝合金各自有何强化方法？

根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金。

变形铝合金分为：①防锈铝：是铝—锰系或铝—镁系合金；不能进行时效强化，只能用冷变形来提高强度；②硬铝：是铝—铜—镁系合金；可通过固溶—时效强化处理显著提高强度；③超硬铝：是铝—铜—镁—锌系合金。这类铝合金时效强化处理效果最好，强度最高，其比强度相当于超高强度钢；④锻铝：多数为铝—铜—镁—硅系合金。其热塑性及耐蚀性较高，更适合于锻造。锻铝的其他力学性能与硬铝接近，可通过固溶处理及人工时效来强化。

铸造铝合金中铝硅合金可以用变质处理来提高其强度；铝铜合金具有较高的高温强度，能通过热处理来强化。

4．简述铜合金的分类及应用。

答：铜合金常分为黄铜、青铜和白铜三类。

白铜是铜镍合金，按其性能与用途分为结构铜镍合金和电工铜镍合金。其中结构铜镍合金用于制造精密机械、化工机械、医疗卫生器械及船用零件等；电工铜镍合金用于制造电工机械等。

黄铜是铜和锌的合金。黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。其中普通黄铜主要适宜于冲压制造形状复杂的零件；特殊黄铜通常用于制作各种结构性零件。

青铜是除黄铜和白铜之外的铜合金的统称。青铜按其成分分为普通青铜与特殊青铜两类。其中锡青铜能浇注形状复杂及壁厚较大的零件；而无锡青铜常用于制作船舶零件。

5．滚动轴承合金有哪些？

答：常用的轴承合金有锡基、铅基、铜基和铝基轴承合金等。

6．何谓高分子材料？有何特性？

答：高分子化合物是相对分子量在5 000以上的有机化合物的总称，也叫高聚物或聚合物。汽车中常用的有各种塑料及橡胶。塑料的密度小，价格低。采用塑料代替部分钢铁件，既可减轻车辆自重又可降低成本。橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，还有一定的耐磨、吸振、绝缘、隔音特性。它是常用的弹性、密封、减振防振和传动材料。

7．什么是工程塑料？工程塑料具有哪些特性？

答：可作为结构材料的塑料称为工程塑料。一般其力学性能较好，且耐高温、耐辐射、耐腐蚀，电绝缘性能好，因而有时可代替金属在汽车、机械、化工等部门用来制造机械零件及工程结构件。

8．什么是陶瓷？简述它们的性能与应用。

答：陶瓷原指硅酸盐材料。目前，陶瓷的概念已广义化了，为所有无机非金属材料的简称。陶瓷的共同特征是：耐热性优良；除绝缘性、半导体性之外，还具有磁性、介电性等多种功能；不易变形，断裂时属于脆性破坏；韧性低。

传统陶瓷主要用作日常生活用品、耐酸池、电解电镀槽、防酸地面以及作为输送腐蚀性流体和含有固体颗粒的腐蚀性材料等；特种陶瓷主要用于化工、冶金、机械、电子等方面。

9．什么是复合材料？复合材料有何优异的性能？

答：复合材料是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料。

复合材料的比强度（σb/ρ）、比模量（E/ρ）比其他材料高得多，还具有良好的抗疲劳性能，熔点一般在2 000℃以上。可以整体成形，减少了零部件紧固和接头数目，材料利用率也高得多。

10．什么是零件失效？失效分哪几种形式？

答：失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料性能发生变化而丧失原设计功能。

一般机械零件常见的失效形式有以下几种。

（1）断裂失效：是最危险的一种，它总是突然发生，包括静载荷或冲击载荷断裂、疲劳破坏以及低应力脆性断裂、蠕变断裂失效等。

（2）表面损伤失效：包括过量的磨损、表面腐蚀、龟裂、麻点剥落等表面损伤失效。

（3）变形失效：包括过量的弹性变形或塑性变形（整体或局部的）、高温蠕变等。