材料科学与工程导论课后习题答案杨瑞城蒋成禹汇编Word文档下载推荐.docx
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4）成本、经济与社会效益；
5）与环境保护尽可能地一致，即对环境尽可能友好。
选材思想：
设计-工艺-材料-用户最佳组合的结果
第2章工程材料概述
工程材料分为：
金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料以及不宜归入上述四类的“其他材料”。
1.什么是黑色金属？
什么是有色金属？
黑色金属主要是指钢铁和其他铁基合金，以及铬、锰及其合金，以其他金属为基的合金称为有色金属或称为非铁合金。
二者总称为金属材料。
2.碳钢和合金钢如何分类？
含碳量不同：
w（C）<
0.25%低碳钢；
w（C）=0.25%~0.55%中碳钢；
w（C）>
0.55%高碳钢；
用途：
结构钢：
制造各种金属构件和机械零件；
工具钢用来制造各种刃具、模具和量具；
质量等级：
普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢（杂质元素或缺陷程度不同）
P14各种牌号
合金钢用途分类：
合金结构钢、合金工具钢和特种性能钢（特殊钢）
按化学成分分类，可分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。
合金元素的质量分数：
低合金钢（合金质量分数低于5%）、中合金钢（5%~10%）和高合金钢（大于10%）
热处理后显微组织分类：
珠光体钢、贝氏体钢、铁素体钢等
特殊钢主要包括各类不锈钢，其他还有耐热钢、抗氧化钢、耐磨钢
3.铸铁材料是怎样分类的？
应用时怎样选择？
铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，同时含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素，为了提高铸铁的性能，加入一定量的合金元素，称之为合金铸铁。
同钢相比，铸铁熔炼简便，成本较低，具有优良的铸造性能、很高的耐磨性、良好的减震性能和切削加工性能，且缺口敏感性低等特点。
因此铸铁广泛用于机械、冶金、石化、交通、建筑、国防等领域。
白口铸铁室温组织的碳全部或绝大部分以化合物渗碳体Fe3C存在，断口呈银白色，称白口铸铁。
性能硬而脆，难以加工，很少应用。
灰口铸铁碳全部或大部分以片状石墨形式存在，组织中没有硬脆的莱氏体。
断口呈暗灰色。
价格低廉，容易切削加工，可用于制造汽缸、泵体、支座以及机床床身等。
球墨铸铁石墨为球状的铸铁综合力学性能好，可用于制造一些重要的机器零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等。
可锻铸铁碳以团絮状石墨形式存在。
高强度铸铁，制造一些形状复杂，承受冲击载荷的薄壁小件。
蠕墨铸铁组织为钢基体上分布着蠕虫状石墨。
制造工作温度较高或是具有较大温度梯度的零件，如大型柴油机汽缸盖、制动盘、排气管、钢锭模、金属型等。
合金铸铁分为耐磨铸铁：
制造机床导轨、汽车发动机缸套等零部件。
耐蚀铸铁主要用于化工部门、造船部门使用的管道、阀门、泵类等零件。
4.铜合金在工程中怎样应用？
纯铜的机械性能较低，为满足制作工程结构的要求，加入不同的合金元素制成铜合金，实现固溶强化、时效强化和过剩相强化，从而提高其性能。
黄铜（Cu—Zn合金）、青铜（Cu—Sn合金）、白铜（Cu—Ni合金）。
5.钛合金为什么耐蚀？
钛合金主要应用在那些领域？
钛在大气中极易形成氧化钛薄膜，因此在很多介质中有极高的抗腐蚀性，特别在海水中不腐蚀。
广泛应用于航空、航天领域以及大量民用工程，如高尔夫球具、人造关节、牙齿等。
6.环境材料的内涵是什么？
具有优良性能、与环境相协调、有利于环保的一类材料。
分为天然材料（如木制材料等）、循环再生材料、低环境负荷材料以及环境功能材料。
7.陶瓷材料是如何分类的？
陶瓷可定义为经过高温处理所合成的无机非金属材料。
传统陶瓷按用途可分为日用陶瓷、建筑陶瓷等。
现代陶瓷按性能和应用范围又可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等。
8.什么是结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷？
试列举各自典型材料及主要应用。
结构陶瓷：
作为结构部件的特种陶瓷
1.氧化铝陶瓷
是一种以Al2O3为主要成分的陶瓷，其中Al2O3的质量分数在45%以上。
根据Al2O3的质量分数大小又可分为75瓷、95瓷、99瓷，它们的质量分数分别是75%、95%、99%。
75瓷属于刚玉-莫来石瓷，95、99瓷属于刚玉瓷。
刚玉瓷的性能最佳，但生产工艺复杂，成本高。
刚玉-莫来石瓷性能较差，但成本低。
优点：
1）很高的机械性能和介电性能2）耐高温；
3）化学稳定性好，耐酸碱，且高温下也不会氧化；
4）优良的电绝缘性能，特别是高频下的电绝缘性能好。
缺点：
脆性大，不能承受冲击载荷，且抗热震性差，不能承受突然的环境温度变化。
氧化铝陶瓷应用：
纺织用的导线器及火箭用的导流罩，氩弧焊机的气体罩、喷砂用的喷嘴、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管、火花塞。
2.氮化硅陶瓷
氮化硅是六方晶系的晶体，有α-Si3N4和β-Si3N4两种。
反应烧结的氮化硅是以α-Si3N4为主晶相；
热压烧结的氮化硅以β-Si3N4为主晶相
性能：
1）良好的化学稳定性，除HF以外，耐各种无机酸和碱溶液复试，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；
2）优异的电绝缘性能；
3）硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，且本身具有自润滑性；
4）热膨胀系数小，优异的抗高温蠕变性能，抗热震性能好
应用：
高温轴承；
测量铝液热电偶套管的理想材料；
冶金和热加工工业的广泛应用。
3.碳化硅陶瓷
1）高温强度大；
2）常温硬度高，耐磨性好；
3）耐蚀性强，与各种酸都不起作用；
4）导热能力强
1）火箭尾喷管的喷嘴；
2）燃气轮机叶片，轴承；
3）高温下热交换器，如核燃料的包封材料；
4）耐磨，可制作各种泵的密封圈。
4.六方氮化硼
1）良好的导热性和热稳定性；
2）良好的电绝缘性，高温介电强度高；
3）良好的化学稳定性；
4）硬度低，自润滑性
1）理想的高温绝缘和散热材料，热电偶套管，半导体散热绝缘零件；
2）耐热耐腐蚀，制成高温构件，如火箭燃烧室内衬；
3）粉状六方氮化硼可作耐高温、高载荷、耐腐蚀的润滑剂，在玻璃和金属成型中做脱模剂。
工具陶瓷
1.硬质合金：
又称粘结碳化物，它是由金属粘结相和碳化物硬质相组成的粉末冶金材料，也属于复合材料。
其中硬质相主要成分是WC、TiC，其次是TaC、NbC、VC等。
粘结金属用铁族金属及其合金，以钴为主。
成分与性能
碳化物硬质相是硬质合金的骨架，起坚硬耐磨的作用，Co作为粘结相，使材料具有一定的强度和韧性，随着含Co量的增加，硬度下降，而强韧性增加。
粗加工选用Co高的合金，精加工选用Co低的合金。
三类普通硬质合金：
YT类适合加工韧性材料；
YG类适合加工硬脆材料；
YW类都可以，万能硬质合金。
与工具钢相比，室温硬度较高，热硬性好，耐磨性好，刀具切削效率高。
由于硬度太高，性脆，很难机械加工，因而普通硬质合金常制备成刀片，镶在刀上使用。
刀具材料低钴（w（Co）<
10%）普通硬质合金用于车刀、铣刀、转头；
矿山工具中钴（w（Co）=10%~25%）普通硬质合金主要用于制作中硬和硬岩冲击回转钻进钻头；
低钴硬质合金用于制作地质和石油钻探中的旋转钻进钻头。
模具和量具中钴普通硬质合金用于制作拉伸模、拉拔模等；
高钴硬质合金可用于制作冲击负荷较大的挤压模、冷镦模、冲压模等。
高硬度的结构件，如喷嘴、轴承；
在尖端技术方面，火箭头，人造卫星返回大气层防燃烧的遮板等。
2.金刚石
自然界硬度最高，极高弹性模量，导热率最高，极好的绝缘性，电子和空穴的迁移率高，掺入硼可制造半导体；
热敏、透红外光等物质性质及良好的耐蚀性。
刀具、工具、结构、功能材料
3.立方碳化硼
很高的硬度、抗压强度、热稳定性、化学惰性和极好的导热性。
刀具，模具，也可制成拉丝模、散热片，中子遮蔽窗口和高温半导体。
9.功能陶瓷是怎样定义的？
通过光电磁力热、化学、生物化学等作用后，具有特殊功能的陶瓷。
10.高聚物材料是怎样分类的？
11.塑料有哪些特性？
热塑性塑料主要有哪几种？
热固性塑料主要有哪几种？
12.什么是橡胶?
它是怎样分类的？
13.合成纤维有哪些特性？
主要用途是什么？
14.胶黏剂有哪些作用？
涂料有哪些用途？
15.复合材料是怎样分类的？
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。
按基体材料种类分：
树脂基复合材料；
金属基复合材料；
无机非金属基复合材料
按增强材料形状和分布分：
连续长纤维增强复合材料；
短纤维、晶须增强复合材料；
颗粒强化复合材料；
弥散强化复合材料；
积层结构复合材料；
多组分的纤维、颗粒混杂复合材料。
按复合效果分：
力学复合材料；
功能复合材料
16.复合材料的主要特点有哪些？
具有高的比强度和比模量；
良好的抗疲劳性能和破损安全性；
减振性能好；
高温性能得到改善；
独特的设计与制造。
17.树脂基复合材料有哪些性能？
玻璃钢的应用有哪些特点？
18.金属基复合材料的类型有哪些？
它是什么特点？
低温金属基复合材料：
铝、镁合金；
中温金属基复合材料：
钛基复合材料；
高温金属基复合材料：
镍合金
特点：
比非金属基复合材料的力学性能高，特别是在强度方面；
具有良好的高温性能；
比非金属基复合材料的非轴向和横向性能好；
具有良好的导电性，导热性，可以避免静电聚集和减小构件的温差；
具有类似金属的焊接性能，并能进行局部强化；
金属基复合材料的密度要比非金属基复合材料大。
19.C/C复合材料的性能特点是什么？
应用范围是什么？
优良的抗热震性；
优良的抗烧蚀性能；
具有一定的强度和刚度；
良好的化学稳定性
碳在高温时易氧化，垂直于纤维方向的强度较低，材料中的孔隙率较高，材料的生产周期长，制造成本高，性能难以把握。
航天航空领域（航天飞机的机翼前缘）；
医学领域（人造关节）
第3章工程材料的基本性能
1.材料的弹性模量E的工程含义是什么？
它和零件的刚度有何关系？
材料在弹性变形阶段，应力（б）与应变（ε）成正比关系，两者的比值成为弹性模量，记为E，且E=б/ε
表征材料对弹性变形的抗力。
其值越大，材料产生一定量的弹性变形所需要的应力越大，故工程上也称E为材料的刚度,主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱，而材料的组织变化对弹性模量无明显影响。
零件刚度的大小取决于零件的几何形状和材料的弹性模量
一般来说，刚度与弹性模量是不一样的，弹性模量是物质组分的性质，而刚度是固体的性质；
也就是说弹性模量是物质微观的性质，而刚度是物质宏观的性质。
2.试说明以下符号的意义：
①бe:
弹性极限，材料发生弹性变形的最大应力。
②бs（б0.2）：
屈服强度，在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服，材料开始屈服时所对应的应力称为屈服应力，或称屈服强度，以бs表示。
其表征材料发生明显塑性变形时的抗力。
③бb：
抗拉强度，材料开始发生“颈缩”的应力。
相当于断裂时的应力。
④бf：
试样发生断裂时的应力值
⑤δ：
延伸率
⑥ψ：
断面收缩率
⑦αK：
冲击总功Ak除以缺口处试样的截面积，表示冲击韧性。
⑧б-1：
堆成交变应力的疲劳强度。
夏氏冲击实验能够简单迅速地评定材料的韧性，所以至今仍然被广泛地使用。
由于是缺口试样，所以不能真实反映带裂纹的构件的脆断情况；
对于评价材料的温度脆化倾向，冲击韧性只能用于具有明显延性脆性转折的材料；
由于加载速度、试样或工件几何因素等的影响，冲击试验最好用于材料的比较和选择，而不能作为设计的标准。
3.比较布氏、洛氏、维氏硬度的应用范围，并简要说明它们各自的优缺点。
优缺点、应用范围
布氏硬度：
具有较高的测量精度，因其压痕面积大，比较真实地反映出材料的平均性能，但不能测定高硬度材料。
铸铁和钢、有色金属
洛氏硬度：
操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值；
压痕小，可测量较薄工件的硬度。
缺点是精度较差，硬度值波动较大。
很硬的材料、黄铜、低强度钢、高强度钢，较硬的材料
维氏硬度：
测定材料范围广泛，很软或很硬的都可以；
准确度高；
但是测试手续较繁。
硬材料及一般材料
4.评定材料高温力学性能的常用指标有哪些？
如何表示它们？
蠕变极限：
是以在给定温度T（℃）下和规定的试验时间t（h）内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限，用符号
（MPa）表示，例如
表示材料在900℃，500小时内，产生0.3%变形量的应力为600MPa
持久强度：
表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，以试样在给定温度T（℃）经规定时间t（h）发生断裂的应力作为持久强度，用符号
表示。
例如
，表示材料在800℃，经600小时断裂的应力为700Mpa。
5.通常描述材料的电、磁、热性能的主要指标有哪些？
主要影响因素是什么？
表征材料电性质的物理量有：
电阻R、电阻率ρ、电导率б和电阻温度系数αt电阻R与被
测试测试样的几何形状和尺寸有关
表示对于一定的材料，若长度越长，横截面积越小，则电阻越大
温度和材料的加工工艺过程等因素对材料的电阻率产生影响。
金属中，温度越高，电阻率越高。
杂质元素增大电阻率，塑性变形增大电阻率
相对磁导率μr、磁化率χ和磁化强度M是描述材料磁性的参数。
为了描述材料磁性的强弱和磁化状态，常用磁化强度M来表示，即单位体积内的总磁矩。
磁化强度M和磁场强度H的比值称为磁化率，记为χ；
磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率，记为μ。
定义μr=μ/μ0为相对磁导率
热容（材料种类有关，陶瓷大，金属小）、线膨胀系数和热导率表示热性能。
线膨胀系数表示材料的热膨胀性，其含义是温度上升1度，单位长度的伸长量。
与原子间结合力有关，结合力越大，线膨胀系数越小，以共价键和离子键为主的材料的热膨胀性最小，金属居中，而具有范德瓦尔键的热膨胀性最大。
金属的热导率比较强
6.理解以下重要的术语和基本概念：
导体、半导体、绝缘体、超导体、电导率、电阻率、磁化、磁化率、磁化强度、抗磁性、顺磁性、铁磁性、软磁材料、硬磁材料、热容、热导率、线膨胀系数、化学腐蚀、电化学腐蚀、氧化等。
导体：
导体（conductor）是指电阻率很小且易于传导电流的物质。
半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。
绝缘体的定义：
不容易导电的物体叫做绝缘体。
超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。
“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。
零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。
电导率，物理学概念，指在介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度，也可以称为导电率。
电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。
某种物质所制成的原件（常温下20°
C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。
电阻率与导体的长度、横截面积等因素无关，是导体材料本身的电学性质，由导体的材料决定，且与温度有关。
一些物体在磁体或电流的作用下会显现磁性，这种现象叫做磁化。
磁化率，表征磁介质属性的物理量。
常用符号cm表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比。
磁导率英文名称：
magneticpermeability表征磁介质磁性的物理量。
表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力、其公式μ=B/H、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。
磁化强度：
定义为媒质微小体元ΔV内的全部分子磁矩矢量和与ΔV之比。
抗磁性（diamagnetism）是指一种弱磁性。
组成物质的原子中，运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性。
外加磁场使电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗为很小的负值（10－5—10－6量级）。
因此，所有物质都具有抗磁性。
顺磁性（paramagnetism）是指材料对磁场响应很弱的磁性。
如用磁化率
k=M/H
来表示（M和H分别为磁化强度和磁场强度），从这个关系来看，磁化率k是正的，即磁化强度的方向与磁场强度的相同，数值为10－6—10－3量级。
铁磁性，是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。
软磁材料的定义：
当磁化发生在Hc不大于100A/m，这样的材料称为软磁体。
典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。
磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材料。
磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料，不容易去磁的物质叫硬磁材料。
一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。
热容的标准定义是：
“当一系统由于加给一微小的热量δQ而温度升高dT时，δQ/dT这个量即是该系统的热容。
”（GB3102.4-93），通常以符号C表示，单位J/K。
热导率是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。
线膨胀系数：
物理名词，有时也称为线弹性系数（linearexpansivity），表示材料膨胀或收缩的程度。
化学腐蚀：
金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程。
电化学腐蚀就是金属和电解质组成两个电极，组成腐蚀原电池。
氧化（oxidation）：
狭义地，氧元素与其他的物质元素发生的化学反应，称其为氧化，也是一种重要的化工单元过程。
广义的氧化，指物质失电子（氧化数升高）的过程。
第4章材料的原子结构和原子结合键
1.材料结构的具体涵义是什么？
他们与性能的关系如何？
从材料学角度，材料结构从宏观到微观，即按研究的尺度大致可分为四个层次—宏观组织结构、显微组织结构、原子（分子）排列结构和原子中的电子结构。
材料的性能由其内部结构决定；
原子中的电子状态和运动规律与固体材料的结构和性质有密切的联系，而原子间相互作用和聚集状态则进一步决定着材料的行为与性能。
2.从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。
P82离子键：
金属原子失去最外层电子给卤族原子，这样形成一个正离子和一个负离子，异种离子互相吸引离子键就是这种库伦引力，然而异种离子相吸导致的靠近并不能无限持续下去，靠近到一定程度，会由于电子轨道重叠引起的斥力达到一个平衡。
由于离子电荷引起的力并不限制在一个方向上，故离子键不具有方向性，即键的大小在环绕离子的所有方向上相等，进而导致离子键材料很稳定，具有高度的对称性。
又由于离子键的稳定，其材料熔点高，硬度高，脆性大和膨胀系数小，一般情况下，离子晶体没有自由电子，故为电和热的绝缘体。
共价键结合的相邻原子共同占有其部分价电子，使每个原子的最外层电子处于满壳层状态，将相邻原子结合起来，这种结合键称为共价键。
由于两个自旋方向相反的电子结合可使它们的自旋能量之和为零，达到稳定状态，于是已成对的电子不能再与其他原子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数目有一最大值，故共价键具有饱和性。
共价键是借共享电子结合的，按量子力学观点，共价键的形成是靠相邻原子外层未满壳层电子云的重叠，重叠越多，所形成的共价键就越稳定，故电子云重叠的方向是确定的，故有方向性。
固态（或液态）金属中外壳层电子的能量最高，而且最外层电子一般为1~2个或最多3个，由于原子间的相互作用，这些电子倾向于离开自身原子成为公有化的自由电子。
这时价电子不再与任何一个特定的原子有特殊的关系，而是在金属正离子之间自由地运动，成为与若干离子实相关的电子，从而把金属原子结合起来，这就是金属键。
金属键没有饱和性和明显的方向性。
由于价电子可以随意运动，所以金属键材料有良好的导电导热性能；
还由于各种金属键的结合能相差很大，故各种金属的强度、熔点相差很大。
范德瓦尔斯键和氢键：
非常微弱，只有在很低的温度，才会液化和凝固
3.原子间有哪两种相互作用？
材料为何具有一定的体积？
吸引力和排斥力p78
4.说明三大类材料的键性及与其性质的关系。
（理解p85）
金属：
金属键高的热传导系数和电导率是因为有些电子是非局域的、并可在三维方向移动，因此它们能够很快地输运电荷和热能。
不透明，易抛光出光泽，是由这些非局域电子对光频电磁振动的响应而引起的，这也是某些电子部分地独立于母体原子的另一结果
塑性好是因为金属键每一个正离子都是等同的，这样在某一局部地区，一群正离子在破坏了它们的键合后滑移到一个新的位置上，又可重新键合起来。
陶瓷：
离子键离子键结合能大，材料硬脆；
根据组成元素的自然
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