材料科學(xué)與工程導(dǎo)論課后習(xí)題答案楊瑞城蔣成禹?第一章緒論

習(xí)題1.材料科學(xué)與工程的定義是什么？它包含哪幾個(gè)要素？2.材料按化學(xué)成分可分為哪幾類？按用途可分為哪幾類？3.簡(jiǎn)述材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢(shì)。

答案1.材料科學(xué)與工程是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和它們性能與應(yīng)用之間有關(guān)知識(shí)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)。它包含四個(gè)要素：材料的成分與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性能、使用性能。成分與結(jié)構(gòu)決定了材料的基本性質(zhì)，合成與加工是將材料制備成所需的形狀和尺寸，性能是材料在各種條件下表現(xiàn)出的特性，使用性能則是材料在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。2.按化學(xué)成分可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料。按用途可分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料、信息材料、生物材料等。3.發(fā)展趨勢(shì)包括：高性能化，如高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫等；多功能化，使材料同時(shí)具備多種功能；智能化，材料能感知環(huán)境變化并做出相應(yīng)反應(yīng)；微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深入研究；材料制備與加工技術(shù)的綠色化、精密化、自動(dòng)化；材料的復(fù)合化與納米化；材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)更加注重跨學(xué)科合作。

第二章材料的結(jié)構(gòu)

習(xí)題1.解釋晶體與非晶體的概念，并說(shuō)明它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和性能上的區(qū)別。2.什么是空間點(diǎn)陣？它與晶體結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？3.簡(jiǎn)述金屬晶體的常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)類型及其特點(diǎn)。4.畫出面心立方晶體結(jié)構(gòu)的晶胞，并指出其原子數(shù)、配位數(shù)和致密度。5.解釋固溶體和金屬化合物的概念，并說(shuō)明它們?cè)谛阅苌系牟町悺?/p>

答案1.晶體是原子、離子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體。非晶體是原子、離子或分子無(wú)規(guī)則堆積形成的固體。在結(jié)構(gòu)上，晶體具有長(zhǎng)程有序，非晶體長(zhǎng)程無(wú)序。性能上，晶體有固定熔點(diǎn)，各向異性；非晶體沒(méi)有固定熔點(diǎn)，各向同性。2.空間點(diǎn)陣是由幾何點(diǎn)在三維空間作周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。晶體結(jié)構(gòu)是晶體中原子或分子的具體排列方式。空間點(diǎn)陣是晶體結(jié)構(gòu)的抽象，晶體結(jié)構(gòu)是空間點(diǎn)陣的具體體現(xiàn)，通過(guò)在點(diǎn)陣的每個(gè)陣點(diǎn)上放置具體的原子或原子團(tuán)得到晶體結(jié)構(gòu)。3.常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)類型有面心立方（FCC）、體心立方（BCC）、密排六方（HCP）。面心立方結(jié)構(gòu)原子排列緊密，致密度高，具有良好的塑性和導(dǎo)電性；體心立方結(jié)構(gòu)原子排列相對(duì)疏松，塑性和導(dǎo)電性不如面心立方；密排六方結(jié)構(gòu)原子排列緊密程度較高，有較好的塑性，但結(jié)構(gòu)對(duì)稱性不如面心立方和體心立方。4.面心立方晶胞原子數(shù)為4，配位數(shù)為12，致密度為0.74。晶胞如圖（此處可簡(jiǎn)單手繪示意）：在立方體的八個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，六個(gè)面心各有一個(gè)原子。計(jì)算原子數(shù)時(shí)，頂點(diǎn)原子貢獻(xiàn)1/8，面心原子貢獻(xiàn)1/2，所以原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4；配位數(shù)是指一個(gè)原子周圍最近鄰的原子數(shù)，面心立方中一個(gè)原子周圍最近鄰的原子數(shù)為12；致密度計(jì)算：晶胞體積為a3，原子體積為4×4/3πr3，通過(guò)原子半徑r與晶胞邊長(zhǎng)a的關(guān)系，可算出致密度為0.74。5.固溶體是一種溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相。金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的新相。性能差異：固溶體一般具有良好的塑性和導(dǎo)電性，強(qiáng)度和硬度比溶劑略有提高；金屬化合物硬度高、脆性大，可提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。

第三章材料的凝固與結(jié)晶

習(xí)題1.解釋凝固與結(jié)晶的概念。2.簡(jiǎn)述純金屬結(jié)晶的基本過(guò)程。3.什么是過(guò)冷度？它對(duì)金屬結(jié)晶過(guò)程有何影響？4.簡(jiǎn)述細(xì)化晶粒的方法及其原理。

答案1.凝固是物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。結(jié)晶是指原子由不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固態(tài)晶體的過(guò)程。凝固包含了結(jié)晶，但凝固的概念更廣泛，還包括非晶態(tài)的形成等。2.純金屬結(jié)晶基本過(guò)程：形核，液態(tài)金屬中形成一些微小的晶體核心；長(zhǎng)大，晶核不斷吸收周圍原子而長(zhǎng)大，直至相互接觸，結(jié)晶結(jié)束。3.過(guò)冷度是指液態(tài)金屬的實(shí)際溫度T與理論結(jié)晶溫度Tm之差，即ΔT=TmT。過(guò)冷度越大，液態(tài)金屬中原子的活動(dòng)能力越小，形核驅(qū)動(dòng)力越大，形核率越高，同時(shí)晶體長(zhǎng)大速度也會(huì)發(fā)生變化，最終使結(jié)晶后的晶粒越細(xì)小。4.細(xì)化晶粒方法及原理：增加過(guò)冷度，過(guò)冷度增大使形核率顯著提高，而長(zhǎng)大速度增加相對(duì)較小，從而使晶粒細(xì)化；變質(zhì)處理，向液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑，變質(zhì)劑可作為非自發(fā)晶核，增加晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒；振動(dòng)與攪拌，使液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)，一方面能打碎正在長(zhǎng)大的晶粒，另一方面增加了散熱速度，提高過(guò)冷度，促進(jìn)形核，細(xì)化晶粒。

第四章二元合金相圖

習(xí)題1.解釋相圖的概念，并說(shuō)明其作用。2.簡(jiǎn)述勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖的特點(diǎn)及結(jié)晶過(guò)程。3.什么是杠桿定律？如何應(yīng)用杠桿定律計(jì)算合金平衡組織中各相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)？4.畫出共晶相圖，并分析含共晶成分的合金在平衡結(jié)晶過(guò)程中的組織變化。

答案1.相圖是表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖形。作用：可分析合金的結(jié)晶過(guò)程，確定不同溫度下合金的相組成和組織組成，預(yù)測(cè)合金的性能變化規(guī)律，為合金的熔煉、鑄造、鍛造、熱處理等工藝提供理論依據(jù)。2.勻晶相圖特點(diǎn)：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。結(jié)晶過(guò)程：從液相中直接結(jié)晶出單相固溶體，隨溫度降低，固溶體成分不斷變化。共晶相圖特點(diǎn)：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，固態(tài)有限互溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。結(jié)晶過(guò)程：首先從液相中結(jié)晶出初晶相，剩余液相冷卻到共晶溫度發(fā)生共晶反應(yīng)，形成共晶體。包晶相圖特點(diǎn)：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，固態(tài)有限互溶，發(fā)生包晶反應(yīng)。結(jié)晶過(guò)程：先從液相中結(jié)晶出初晶相，剩余液相和初晶相在一定溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)，生成另一種固相。3.杠桿定律是在合金相圖中，用于計(jì)算合金在某一溫度下平衡組織中各相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法。設(shè)合金質(zhì)量為W，合金中某一相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Wα，另一相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Wβ，相圖中該溫度下兩平衡相的成分分別為Cα、Cβ，合金成分C0，則Wα=(CβC0)/(CβCα)×W，Wβ=(C0Cα)/(CβCα)×W。應(yīng)用時(shí)，在相圖上找到相應(yīng)溫度，確定兩平衡相成分及合金成分，代入公式計(jì)算。4.共晶相圖（此處可簡(jiǎn)單手繪示意）。含共晶成分合金平衡結(jié)晶過(guò)程：液態(tài)合金冷卻到液相線開(kāi)始結(jié)晶出初晶α，隨溫度降低，初晶α不斷長(zhǎng)大，剩余液相成分沿液相線變化，當(dāng)溫度降到共晶溫度時(shí)，剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)，生成(α+β)共晶體，最終組織為初晶α+(α+β)共晶體。

第五章金屬的塑性變形與再結(jié)晶

習(xí)題1.解釋塑性變形的概念，并說(shuō)明其本質(zhì)。2.簡(jiǎn)述單晶體塑性變形的方式及特點(diǎn)。3.什么是加工硬化？它對(duì)金屬材料的性能有何影響？4.簡(jiǎn)述冷變形金屬的回復(fù)、再結(jié)晶過(guò)程及組織和性能變化。

答案1.塑性變形是指材料在外力作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。本質(zhì)是晶體內(nèi)部原子的滑移和孿生，使晶體的外形和尺寸發(fā)生改變。2.單晶體塑性變形方式主要有滑移和孿生?；铺攸c(diǎn)：沿特定晶面和晶向進(jìn)行，滑移面和滑移方向通常是原子排列最密的面和方向；滑移時(shí)晶體兩部分相對(duì)移動(dòng)的距離是原子間距的整數(shù)倍；滑移所需臨界切應(yīng)力較小。孿生特點(diǎn)：孿生變形時(shí)，晶體一部分相對(duì)另一部分沿特定晶面和晶向發(fā)生切變，切變區(qū)域內(nèi)原子排列方向發(fā)生改變，形成孿晶；孿生所需臨界切應(yīng)力比滑移大。3.加工硬化是指金屬材料在塑性變形過(guò)程中，隨著變形量的增加，強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。影響：提高了金屬的強(qiáng)度和硬度，有利于提高金屬的耐磨性和抗變形能力；降低了金屬的塑性和韌性，給進(jìn)一步加工帶來(lái)困難，如冷拉拔時(shí)需中間退火消除加工硬化。4.回復(fù)過(guò)程：冷變形金屬在低溫下加熱時(shí)，原子開(kāi)始活動(dòng)，晶格畸變減輕，殘余應(yīng)力降低，但晶粒形狀和大小基本不變。組織變化不大，性能上強(qiáng)度和硬度略有降低，塑性略有提高，殘余應(yīng)力顯著降低。再結(jié)晶過(guò)程：當(dāng)加熱溫度進(jìn)一步升高，新的無(wú)畸變等軸晶粒逐漸形成并取代變形晶粒。組織由變形晶粒變?yōu)榈容S晶粒，性能上強(qiáng)度和硬度顯著降低，塑性和韌性大大提高，加工硬化現(xiàn)象消除。

第六章鋼的熱處理

習(xí)題1.解釋熱處理的概念，并說(shuō)明其目的和作用。2.簡(jiǎn)述鋼的退火、正火、淬火、回火的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用。3.什么是臨界冷卻速度？它與鋼的淬透性有何關(guān)系？4.分析45鋼經(jīng)不同熱處理后的組織和性能變化。

答案1.熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝方法。目的和作用：提高材料的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能；改善材料的加工性能；消除材料的殘余應(yīng)力；使材料獲得特殊的物理和化學(xué)性能。2.退火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻?？上龤堄鄳?yīng)力，改善組織，降低硬度，提高塑性。應(yīng)用于消除鑄件、鍛件的內(nèi)應(yīng)力，改善切削加工性能等。正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上適當(dāng)溫度，保溫后在空氣中冷卻。冷卻速度比退火快，能細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和硬度。常用于改善低碳鋼和中碳鋼的切削加工性能等。淬火：將鋼加熱到Ac1或Ac3以上適當(dāng)溫度，保溫后迅速冷卻。能獲得馬氏體組織，顯著提高鋼的硬度和耐磨性。應(yīng)用于各種需要高硬度和耐磨性的零件?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮匿摷訜岬降陀贏c1的某一溫度范圍，保溫后冷卻?？上慊饝?yīng)力，降低脆性，調(diào)整硬度和韌性。根據(jù)回火溫度不同分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火用于保持高硬度和耐磨性；中溫回火用于獲得較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度；高溫回火用于獲得良好的綜合力學(xué)性能。3.臨界冷卻速度是指奧氏體在連續(xù)冷卻過(guò)程中不發(fā)生分解，全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所需的最小冷卻速度。臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越好，越容易獲得馬氏體組織。4.45鋼：退火后組織為鐵素體+珠光體，硬度較低，塑性和韌性較好；正火后組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體，硬度和強(qiáng)度比退火略高，塑性和韌性良好；淬火后組織為馬氏體，硬度很高，脆性大；低溫回火后組織為回火馬氏體，硬度高，有一定韌性；中溫回火后組織為回火屈氏體，具有較高的彈性極限；高溫回火后組織為回火索氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能。

第七章工業(yè)用鋼

習(xí)題1.簡(jiǎn)述碳鋼的分類方法及各類碳鋼的性能特點(diǎn)。2.什么是合金鋼？合金鋼與碳鋼相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？3.簡(jiǎn)述合金元素在鋼中的主要作用。4.分析合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼的性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

答案1.碳鋼分類方法：按含碳量分為低碳鋼（含碳量小于0.3%）、中碳鋼（含碳量0.3%0.6%）、高碳鋼（含碳量大于0.6%）；按質(zhì)量分為普通質(zhì)量碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼。低碳鋼強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好；中碳鋼強(qiáng)度、硬度適中，塑性、韌性較好；高碳鋼強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性差。2.合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，有目的地加入一種或幾種合金元素的鋼。優(yōu)點(diǎn)：具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性等；能滿足一些特殊性能要求；可通過(guò)合金化設(shè)計(jì)獲得不同的組織和性能，以適應(yīng)各種工程應(yīng)用。3.合金元素在鋼中的主要作用：強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度；形成合金碳化物，提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性；細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性；提高鋼的淬透性；改善鋼的回火穩(wěn)定性；提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性等。4.合金結(jié)構(gòu)鋼：具有較高的強(qiáng)度和韌性，良好的綜合力學(xué)性能。用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件，如軸類、齒輪、連桿等。合金工具鋼：硬度高、耐磨性好。用于制造各種刀具、模具、量具等。特殊性能鋼：具有特殊的物理或化學(xué)性能，如不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，耐熱鋼具有高溫強(qiáng)度和抗氧化性等。分別應(yīng)用于化工設(shè)備、耐熱部件等領(lǐng)域。

第八章鑄鐵

習(xí)題1.解釋鑄鐵的概念，并說(shuō)明其分類方法。2.簡(jiǎn)述灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的組織特點(diǎn)及性能差異。3.什么是石墨化？影響石墨化的因素有哪些？4.分析灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵的性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

答案1.鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。分類方法：按碳的存在形式分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵等；按化學(xué)成分分為普通鑄鐵、合金鑄鐵。2.灰鑄鐵組織由片狀石墨和金屬基體組成。性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、韌性低，鑄造性能、切削加工性能好。球墨鑄鐵組織由球狀石墨和金屬基體組成。性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、韌性比灰鑄鐵高，鑄造性能較好?？慑戣T鐵組織由團(tuán)絮狀石墨和金屬基體組成。性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、韌性優(yōu)于灰鑄鐵，比球墨鑄鐵略低，鑄造性能較差。3.石墨化是指鑄鐵中碳原子析出并形成石墨的過(guò)程。影響因素：化學(xué)成分，碳、硅含量越高，越有利于石墨化；冷卻速度，冷卻速度越慢，越有利于石墨化。4.灰鑄鐵：因片狀石墨存在，強(qiáng)度、塑性低，但鑄造性和切削加工性好。應(yīng)用于制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如機(jī)床床身、箱體等。球墨鑄鐵：球狀石墨使其具有較好的力學(xué)性能，可部分代替鑄鋼和鍛鋼。應(yīng)用于制造受力復(fù)雜、強(qiáng)度和韌性要求較高的零件，如曲軸、連桿等。可鍛鑄鐵：有一定強(qiáng)度和塑性，常用于制造一些形狀復(fù)雜、承受沖擊載荷的薄壁小件，如管接頭、農(nóng)機(jī)零件等。

第九章有色金屬及其合金

習(xí)題1.簡(jiǎn)述鋁及鋁合金的性能特點(diǎn)及分類。2.什么是銅合金？銅合金分為哪幾類？各類銅合金的性能特點(diǎn)及應(yīng)用是什么？3.簡(jiǎn)述鈦及鈦合金的性能特點(diǎn)及應(yīng)用。4.分析鎂及鎂合金的性能特點(diǎn)及應(yīng)用前景。

答案1.鋁及鋁合金密度小，比強(qiáng)度高，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和塑性加工性能。分類：變形鋁合金（可通過(guò)壓力加工制成各種形狀材料）和鑄造鋁合金（用于鑄造各種零件）。2.銅合金是以銅為基體加入其他合金元素組成的合金。分類：黃銅（以鋅為主要合金元素）、青銅（除鋅和鎳以外的其他合金元素的銅合金）、白銅（以鎳為主要合金元素）。黃銅具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕性。應(yīng)用于制造散熱器、管道、閥門等。青銅具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。應(yīng)用于制造耐磨零件、彈性元件等。白銅具有良好的耐腐蝕性和熱