材料科学与工程导论课后习题答案杨瑞城蒋成禹

材料科学与工程导论课后习题答案杨瑞城蒋成禹第一章绪论

习题1.材料科学与工程的定义是什么？它包含哪几个要素？2.材料按化学成分可分为哪几类？按用途可分为哪几类？3.简述材料科学与工程的发展趋势。

答案1.材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与应用之间有关知识开发和应用的科学。它包含四个要素：材料的成分与结构、合成与加工、性能、使用性能。成分与结构决定了材料的基本性质，合成与加工是将材料制备成所需的形状和尺寸，性能是材料在各种条件下表现出的特性，使用性能则是材料在实际应用中的表现。2.按化学成分可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。按用途可分为结构材料、功能材料、信息材料、生物材料等。3.发展趋势包括：高性能化，如高强度、高韧性、耐高温、耐低温等；多功能化，使材料同时具备多种功能；智能化，材料能感知环境变化并做出相应反应；微观结构与性能关系的深入研究；材料制备与加工技术的绿色化、精密化、自动化；材料的复合化与纳米化；材料的设计与开发更加注重跨学科合作。

第二章材料的结构

习题1.解释晶体与非晶体的概念，并说明它们在结构和性能上的区别。2.什么是空间点阵？它与晶体结构有何关系？3.简述金属晶体的常见晶体结构类型及其特点。4.画出面心立方晶体结构的晶胞，并指出其原子数、配位数和致密度。5.解释固溶体和金属化合物的概念，并说明它们在性能上的差异。

答案1.晶体是原子、离子或分子在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体。非晶体是原子、离子或分子无规则堆积形成的固体。在结构上，晶体具有长程有序，非晶体长程无序。性能上，晶体有固定熔点，各向异性；非晶体没有固定熔点，各向同性。2.空间点阵是由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。晶体结构是晶体中原子或分子的具体排列方式。空间点阵是晶体结构的抽象，晶体结构是空间点阵的具体体现，通过在点阵的每个阵点上放置具体的原子或原子团得到晶体结构。3.常见金属晶体结构类型有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）、密排六方（HCP）。面心立方结构原子排列紧密，致密度高，具有良好的塑性和导电性；体心立方结构原子排列相对疏松，塑性和导电性不如面心立方；密排六方结构原子排列紧密程度较高，有较好的塑性，但结构对称性不如面心立方和体心立方。4.面心立方晶胞原子数为4，配位数为12，致密度为0.74。晶胞如图（此处可简单手绘示意）：在立方体的八个顶点各有一个原子，六个面心各有一个原子。计算原子数时，顶点原子贡献1/8，面心原子贡献1/2，所以原子数为8×1/8+6×1/2=4；配位数是指一个原子周围最近邻的原子数，面心立方中一个原子周围最近邻的原子数为12；致密度计算：晶胞体积为a³，原子体积为4×4/3πr³，通过原子半径r与晶胞边长a的关系，可算出致密度为0.74。5.固溶体是一种溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的新相。性能差异：固溶体一般具有良好的塑性和导电性，强度和硬度比溶剂略有提高；金属化合物硬度高、脆性大，可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

第三章材料的凝固与结晶

习题1.解释凝固与结晶的概念。2.简述纯金属结晶的基本过程。3.什么是过冷度？它对金属结晶过程有何影响？4.简述细化晶粒的方法及其原理。

答案1.凝固是物质从液态转变为固态的过程。结晶是指原子由不规则排列的液态转变为规则排列的固态晶体的过程。凝固包含了结晶，但凝固的概念更广泛，还包括非晶态的形成等。2.纯金属结晶基本过程：形核，液态金属中形成一些微小的晶体核心；长大，晶核不断吸收周围原子而长大，直至相互接触，结晶结束。3.过冷度是指液态金属的实际温度T与理论结晶温度Tm之差，即ΔT=TmT。过冷度越大，液态金属中原子的活动能力越小，形核驱动力越大，形核率越高，同时晶体长大速度也会发生变化，最终使结晶后的晶粒越细小。4.细化晶粒方法及原理：增加过冷度，过冷度增大使形核率显著提高，而长大速度增加相对较小，从而使晶粒细化；变质处理，向液态金属中加入变质剂，变质剂可作为非自发晶核，增加晶核数量，细化晶粒；振动与搅拌，使液态金属运动，一方面能打碎正在长大的晶粒，另一方面增加了散热速度，提高过冷度，促进形核，细化晶粒。

第四章二元合金相图

习题1.解释相图的概念，并说明其作用。2.简述匀晶相图、共晶相图、包晶相图的特点及结晶过程。3.什么是杠杆定律？如何应用杠杆定律计算合金平衡组织中各相的质量分数？4.画出共晶相图，并分析含共晶成分的合金在平衡结晶过程中的组织变化。

答案1.相图是表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图形。作用：可分析合金的结晶过程，确定不同温度下合金的相组成和组织组成，预测合金的性能变化规律，为合金的熔炼、铸造、锻造、热处理等工艺提供理论依据。2.匀晶相图特点：两组元在液态和固态都能无限互溶。结晶过程：从液相中直接结晶出单相固溶体，随温度降低，固溶体成分不断变化。共晶相图特点：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶，且发生共晶反应。结晶过程：首先从液相中结晶出初晶相，剩余液相冷却到共晶温度发生共晶反应，形成共晶体。包晶相图特点：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶，发生包晶反应。结晶过程：先从液相中结晶出初晶相，剩余液相和初晶相在一定温度下发生包晶反应，生成另一种固相。3.杠杆定律是在合金相图中，用于计算合金在某一温度下平衡组织中各相质量分数的方法。设合金质量为W，合金中某一相的质量分数为Wα，另一相的质量分数为Wβ，相图中该温度下两平衡相的成分分别为Cα、Cβ，合金成分C0，则Wα=(CβC0)/(CβCα)×W，Wβ=(C0Cα)/(CβCα)×W。应用时，在相图上找到相应温度，确定两平衡相成分及合金成分，代入公式计算。4.共晶相图（此处可简单手绘示意）。含共晶成分合金平衡结晶过程：液态合金冷却到液相线开始结晶出初晶α，随温度降低，初晶α不断长大，剩余液相成分沿液相线变化，当温度降到共晶温度时，剩余液相发生共晶反应，生成(α+β)共晶体，最终组织为初晶α+(α+β)共晶体。

第五章金属的塑性变形与再结晶

习题1.解释塑性变形的概念，并说明其本质。2.简述单晶体塑性变形的方式及特点。3.什么是加工硬化？它对金属材料的性能有何影响？4.简述冷变形金属的回复、再结晶过程及组织和性能变化。

答案1.塑性变形是指材料在外力作用下产生不可恢复的变形。本质是晶体内部原子的滑移和孪生，使晶体的外形和尺寸发生改变。2.单晶体塑性变形方式主要有滑移和孪生。滑移特点：沿特定晶面和晶向进行，滑移面和滑移方向通常是原子排列最密的面和方向；滑移时晶体两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍；滑移所需临界切应力较小。孪生特点：孪生变形时，晶体一部分相对另一部分沿特定晶面和晶向发生切变，切变区域内原子排列方向发生改变，形成孪晶；孪生所需临界切应力比滑移大。3.加工硬化是指金属材料在塑性变形过程中，随着变形量的增加，强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象。影响：提高了金属的强度和硬度，有利于提高金属的耐磨性和抗变形能力；降低了金属的塑性和韧性，给进一步加工带来困难，如冷拉拔时需中间退火消除加工硬化。4.回复过程：冷变形金属在低温下加热时，原子开始活动，晶格畸变减轻，残余应力降低，但晶粒形状和大小基本不变。组织变化不大，性能上强度和硬度略有降低，塑性略有提高，残余应力显著降低。再结晶过程：当加热温度进一步升高，新的无畸变等轴晶粒逐渐形成并取代变形晶粒。组织由变形晶粒变为等轴晶粒，性能上强度和硬度显著降低，塑性和韧性大大提高，加工硬化现象消除。

第六章钢的热处理

习题1.解释热处理的概念，并说明其目的和作用。2.简述钢的退火、正火、淬火、回火的工艺特点及应用。3.什么是临界冷却速度？它与钢的淬透性有何关系？4.分析45钢经不同热处理后的组织和性能变化。

答案1.热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。目的和作用：提高材料的强度、硬度、韧性等力学性能；改善材料的加工性能；消除材料的残余应力；使材料获得特殊的物理和化学性能。2.退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却。可消除残余应力，改善组织，降低硬度，提高塑性。应用于消除铸件、锻件的内应力，改善切削加工性能等。正火：将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温后在空气中冷却。冷却速度比退火快，能细化晶粒，提高强度和硬度。常用于改善低碳钢和中碳钢的切削加工性能等。淬火：将钢加热到Ac1或Ac3以上适当温度，保温后迅速冷却。能获得马氏体组织，显著提高钢的硬度和耐磨性。应用于各种需要高硬度和耐磨性的零件。回火：将淬火后的钢加热到低于Ac1的某一温度范围，保温后冷却。可消除淬火应力，降低脆性，调整硬度和韧性。根据回火温度不同分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火用于保持高硬度和耐磨性；中温回火用于获得较高的弹性极限和屈服强度；高温回火用于获得良好的综合力学性能。3.临界冷却速度是指奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，全部转变为马氏体所需的最小冷却速度。临界冷却速度越小，钢的淬透性越好，越容易获得马氏体组织。4.45钢：退火后组织为铁素体+珠光体，硬度较低，塑性和韧性较好；正火后组织为细珠光体+少量铁素体，硬度和强度比退火略高，塑性和韧性良好；淬火后组织为马氏体，硬度很高，脆性大；低温回火后组织为回火马氏体，硬度高，有一定韧性；中温回火后组织为回火屈氏体，具有较高的弹性极限；高温回火后组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。

第七章工业用钢

习题1.简述碳钢的分类方法及各类碳钢的性能特点。2.什么是合金钢？合金钢与碳钢相比有哪些优点？3.简述合金元素在钢中的主要作用。4.分析合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢的性能特点及应用。

答案1.碳钢分类方法：按含碳量分为低碳钢（含碳量小于0.3%）、中碳钢（含碳量0.3%0.6%）、高碳钢（含碳量大于0.6%）；按质量分为普通质量碳钢、优质碳钢、高级优质碳钢。低碳钢强度、硬度低，塑性、韧性好；中碳钢强度、硬度适中，塑性、韧性较好；高碳钢强度、硬度高，塑性、韧性差。2.合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入一种或几种合金元素的钢。优点：具有更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等；能满足一些特殊性能要求；可通过合金化设计获得不同的组织和性能，以适应各种工程应用。3.合金元素在钢中的主要作用：强化铁素体，提高钢的强度和硬度；形成合金碳化物，提高钢的硬度、耐磨性和红硬性；细化晶粒，提高钢的强度和韧性；提高钢的淬透性；改善钢的回火稳定性；提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性等。4.合金结构钢：具有较高的强度和韧性，良好的综合力学性能。用于制造各种机械零件和工程结构件，如轴类、齿轮、连杆等。合金工具钢：硬度高、耐磨性好。用于制造各种刀具、模具、量具等。特殊性能钢：具有特殊的物理或化学性能，如不锈钢具有良好的耐腐蚀性，耐热钢具有高温强度和抗氧化性等。分别应用于化工设备、耐热部件等领域。

第八章铸铁

习题1.解释铸铁的概念，并说明其分类方法。2.简述灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的组织特点及性能差异。3.什么是石墨化？影响石墨化的因素有哪些？4.分析灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的性能特点及应用。

答案1.铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。分类方法：按碳的存在形式分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等；按化学成分分为普通铸铁、合金铸铁。2.灰铸铁组织由片状石墨和金属基体组成。性能特点：强度、塑性、韧性低，铸造性能、切削加工性能好。球墨铸铁组织由球状石墨和金属基体组成。性能特点：强度、塑性、韧性比灰铸铁高，铸造性能较好。可锻铸铁组织由团絮状石墨和金属基体组成。性能特点：强度、塑性、韧性优于灰铸铁，比球墨铸铁略低，铸造性能较差。3.石墨化是指铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。影响因素：化学成分，碳、硅含量越高，越有利于石墨化；冷却速度，冷却速度越慢，越有利于石墨化。4.灰铸铁：因片状石墨存在，强度、塑性低，但铸造性和切削加工性好。应用于制造承受压力和震动的零件，如机床床身、箱体等。球墨铸铁：球状石墨使其具有较好的力学性能，可部分代替铸钢和锻钢。应用于制造受力复杂、强度和韧性要求较高的零件，如曲轴、连杆等。可锻铸铁：有一定强度和塑性，常用于制造一些形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件，如管接头、农机零件等。

第九章有色金属及其合金

习题1.简述铝及铝合金的性能特点及分类。2.什么是铜合金？铜合金分为哪几类？各类铜合金的性能特点及应用是什么？3.简述钛及钛合金的性能特点及应用。4.分析镁及镁合金的性能特点及应用前景。

答案1.铝及铝合金密度小，比强度高，具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和塑性加工性能。分类：变形铝合金（可通过压力加工制成各种形状材料）和铸造铝合金（用于铸造各种零件）。2.铜合金是以铜为基体加入其他合金元素组成的合金。分类：黄铜（以锌为主要合金元素）、青铜（除锌和镍以外的其他合金元素的铜合金）、白铜（以镍为主要合金元素）。黄铜具有良好的强度、塑性和耐腐蚀性。应用于制造散热器、管道、阀门等。青铜具有较高的强度、硬度和耐磨性。应用于制造耐磨零件、弹性元件等。白铜具有良好的耐腐蚀性和热