材料科学与工程导论课后习题答案-杨瑞城-蒋成禹

第一章材料与人类1.为什么说材料的发展是人类文明的里程碑？材料是一切文明和科学的基础，材料无处不在，无处不有，它使人类及其赖以生存的社会、环境存在着紧密而有机的联系。

纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产和人类生活带来巨大的变化。

2.什么是材料的单向循环？什么是材料的双向循环？两者的差别是什么？物质单向运动模式：“资源开采-生产加工-消费使用-废物丢弃”双向循环模式：以仿效自然生态过程物质循环的模式，建立起废物能在不同生产过程中循环，多产品共生的工业模式，即所谓的双向循环模式（或理论意义上的闭合循环模式）。

差别：单向循环必然带来地球有限资源的紧缺和破坏，同时带来能源浪费，造成人类生存环境的污染。

无害循环：流程性材料生产中，如果一个过程的输出变为另一个过程的输入，即一个过程的废物变成另一个过程的原料，并且经过研究真正达到多种过程相互依存、相互利用的闭合的产业“网”、“链”，达到了清洁生产。

3.什么是生态环境材料？生态环境材料是指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性能的一大类材料。

这类材料对资源和能源消耗少，对生态和环境污染小，再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。

因此，所谓环境材料，实质是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料，任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应被视为环境材料。

4.为什么说材料科学和材料工程是密不可分的系统工程？材料科学与工程的材料科学部分主要研究材料的结构与性能之间所存在的关系，即集中了解材料的本质，提出有关的理论和描述，说明材料结构是如何与其成分、性能以及行为相联系的。

而另一方面，与此相对应，材料工程部分是在上述结构-性能关系的基础上，设计材料的组织结构并在工程上得以实施与保证，产生预定的种种性能，即涉及到对基础科学和经验知识的综合、运用，以便发展、制备、改善和使用材料，满足具体要求。

两者只是侧重点不同，并没有明显的分界线，一般在使用材料科学这一术语时，通常都包含了材料工程的许多方面；而材料工程的具体问题的解决，毫无疑问，都必须以材料科学作为基础与理论依据，所以材料科学与材料工程是一个整体。

5.现代材料观的六面体是什么？怎样建立起一个完整的材料观？材料科学与工程研究材料组成、性能、生产流程和使用效能四个要素，构成四面体。

成分、合成与加工、结构、性能及使用效能连接在一起组成一个六面体。

6.什么是材料的使用效能？指材料在使用条件下的表现，如使用环境、受力状态对材料特征曲线以及寿命的影响。

效能往往决定着材料能否得到发展和使用。

7.试讲一下材料设计与选用材料的基本思想与原则？材料设计是应用已知理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。

材料设计可根据设计对象所涉及的空间尺度划分为显微结构层次、原子分子层次和电子层次设计，以及综合考虑各个层次的多尺度材料设计。

从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。

选材原则：1）胜任某一特定功能；2）综合性能比较好；3）材料性能差异定量化；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二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.碳化硅陶瓷性能：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）导热能力强应用：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。

4.六方氮化硼性能：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，自润滑性应用：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。

性能：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。

应用：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.金刚石性能：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。

应用：刀具、工具、结构、功能材料3.立方碳化硼性能：很高的硬度、抗压强度、热稳定性、化学惰性和极好的导热性。