材料科学概论作业题

1、简述传统材料与新型材料之间的辨证关系传统材料是指已经成熟而且在工业生产中已大批量生产的材料。

新型材料是指那些已在发展，具有优异性能和应用前景的材料。

传统材料可通过采用新技术、提高技术含量、大幅度增加附加值而变成新材料。

新型材料经过长期生产和应用可转变成传统材料。

传统材料是新型材料的基础，新型材料是传统材料的推动力。

2、按物化成分可将材料分为几大类？他们的性能特征取决于什么？按物化成分可将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。

它们的性能特征主要取决于化学键。

3、解释材料、材料科学与工程材料：是指人类社会可接受、能经济地制造出有用器件或物品的固体物质。

材料科学与工程：是研究材料组成与结构、合成与制备性质和使用性能以及它们之间的关系。

4、简述合金中两个基本相即：固溶体和化合物的特征及分类？固溶体特征：溶质原子占据溶剂原子晶体中所占部分位置或溶入到溶剂空隙中，并保持溶剂的晶体结构类型。

化合物特征：①产生位置总是总是处于固溶体之间的中间位置，也称中间相。

②中间相大多为金属化合物。

③中间相的结合键是各种化学键的混合。

④中间相可用化学式表示，但大多数中间相不遵循化学价规则。

⑤中间相性能：硬而脆，有些具有特殊功能。

固溶体分类：主要为置换型固溶体和间隙型固溶体，置换型固溶体可能是无限固溶体（如Ag-Au、Au-Cu、Mo-W、Cu-Ni、Ni-Fe、Fe-Cr、Au-Ni），而间隙型固溶体只能是有限固溶体(Cu-Zn、Ag-Zn)。

化合物分类：正常价化合物—按化合价规律形成（Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、BaSe）电子价化合物—按电子浓度规律形成（Cu3Al、Cu5Sn）间隙化合物—过渡金属+小半径非金属元素（C、N、H、O、B）当r非/r金＜0.59时——间隙相（过渡金属+ N或H、WC、TiC、VC）当r非/r金＞0.59时——复杂结构的间隙化合物[（过渡金属+B）、（Cr、Mn、Fe+C）]5、根据所学知识，在进行产品设计时应考虑哪些方面的因素？在进行产品设计时：首先应考虑产品的使用性能和服役环境。

使用性能包括产品的使用寿命、产品的失效形式、工作环境、特殊功能要求、性能要求的指标、安全性、成本、产品再利用及废弃的处理。

其次根据使用性能和服役环境应考虑如何进行产品成分设计、产品制造加工设计，从而生产出物理、化学、力学性能均能满足使用要求的产品。

（因为产品的使用性能是指产品在服役条件下所表现出来的特性，它是产品性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素，产品的物理、化学、力学性能都是成分和结构的具体体现，它们决定着产品的使用范围）。

6、什么是矫顽力？是消除剩磁感应强度外加反向磁场的磁场强度的绝对值。

7、碳元素在钢中的作用有哪些？①对熔点的影响，碳溶于熔融的液态铁中，使熔点降低，降低幅度随碳的质量分数增加而下降，ω=4.3% 的熔点最低，超过最低点，合金熔点随碳的质量分数增加而上升。

(C)②碳对δ、γ、α铁的影响，碳以间隙形式存在，也可以与铁形成渗碳体。

③碳使钢的同素异构转变温度发生变化，而且使这种转变在某一温度范围内完成。

④平衡组织：均为F+Fe3C.8、在合金钢中，哪些合金元素具有较高的淬透性？哪些合金元素具有较高的红硬性？具有较高淬透性的合金元素有B、Cr、Ni、Mn 、V、Mo，其中B的淬透性最好。

具有较高红硬性的合金元素有W、Mo、V、Co, 其中W的红硬性最好。

9、工件加热全部转变为奥氏体后，经退火、正火、等温淬火、油冷淬火、单液淬火后将分别得到什么组织？退火：珠光体P 正火：珠光体P 等温淬火：下贝氏体（下B）油冷淬火：托氏体+马氏体+残余奥氏体（T+M+A′）单液淬火：马氏体+残余奥氏体（M+A′）10、淬火钢经低温、中温、高温回火后将得到什么组织？低温回火：回火马氏体+少量残余奥氏体（回火M+少量A′）中温回火：回火托氏体高温回火：回火索氏体11、M的本质是什么？它的硬度为什么很高？是什么因素决定了它的脆性？M的本质是C在α- Fe中的过饱和固溶体。

因为M中C的过饱和度大，固溶强化效果显著，所以其硬度很高。

高碳M的脆性大，是由于其C的过饱和度大，则内应力大。

另外，孪晶结构增加了其脆性。

12、直径为10 mm 的共析钢小试样加热到Ac１+ 30℃，用图所示的冷却曲线进行冷却，分析其所得到的组织，说明各属于什么热处理方法。

a —— M + A′单液淬火b —— M + A′分级淬火c —— T + M + A′油冷淬火d ——下B 等温淬火e —— S 正火f —— P 完全退火g —— P 等温退火13、说明直径为10 mm 的45 钢试样分别经下列温度加热：700℃、760℃、840℃、1100℃，保温后在水中冷却得到的室温组织。

答：700℃—— F + P760℃——M + F840℃——M1100℃——粗M14、甲、乙两厂生产同一零件，均选用45钢，硬度要求220～250HB，甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，均能达到硬度要求，试分析甲、乙两厂产品的组织和性能差别。

答：甲厂——F + S乙厂——回火S ，韧性较好15、说出下列材料常用的强化方法：H70；45钢；HT350；LY12 ；ZL102 。

答：H70 ——冷变形强化（加工硬化）45钢——固溶强化（淬火）HT350 ——变质（孕育）处理LY12 ——时效强化ZL102 ——变质处理16、指出下列材料牌号或代号的含义：H59；ZQSn10；QBe2；ZChSnSb11-6；LF21；LC4；ZL102 。

答：H59 ——含59%Cu的普通黄铜ZQSn10 ——含10%Sn的铸造Sn青铜QBe2 ——含2%Be的Be青铜ZChSnSb11-6 ——含11%Sb，6%Cu的Sn基轴承合金LF21 ——含1.0～1.6%Mn的防锈Al合金LC4 ——序号为4的超硬Al合金ZL102 ——含10～13%Si的铸造Al-Si合金17、试述下列零件进行时效处理的作用：形状复杂的大型铸件在500～600℃进行时效处理是：消除内应力铝合金件淬火后于140℃进行时效处理是：提高强度GCr15钢制造的高精度丝杠于150℃进行时效处理是：稳定尺寸18、欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10 ）答：小弹簧—— 65Mn。

高速轴承—— ZChPb16-16-2螺钉—— Q195手锯条—— T10齿轮—— 4519、20CrMnTi的用途是什么？其合金元素的主要作用是什么？请制定其最终热处理工艺，指出最终组织。

20CrMnTi的用途是制造汽车、拖拉机上的变速箱齿轮。

Cr,Mn的主要作用是提高淬透性,Ti的主要作用是细化晶粒热处理工艺—— 930℃渗C + 预冷830℃油淬+ 200℃回火最终组织——心部：回火M + F齿面：回火M + K + A'20、陶瓷材料由哪些相组成？各组成相对陶瓷材料有什么作用或影响？答：陶瓷材料由晶体相、玻璃相和气相组成。

晶体相的作用：它决定了陶瓷材料的力学、物理、化学性能。

从而决定了陶瓷的特性和应用。

玻璃相的作用：将分散的晶体相黏接起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧结温度，加快烧结过程；阻止晶体转变，抑制晶体长大并填充气孔间隙；获得一定程度的玻璃特性。

但玻璃相对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性能不利。

气相的影响作用：除多孔陶瓷外，气孔的存在对陶瓷性能是不利的，它将降低陶瓷的强度，是造成裂纹的根源。

21、简述普通陶瓷的烧结过程，并指出其最终组织。

答：普通陶瓷的烧结过程大致分为4个阶段。

⑴蒸发阶段（室温~300℃）此阶段主要是排除坯体中的残余水分，结束后，坯体完全干燥，收缩很小，强度增大，纯属物理现象。

⑵氧化物分解和晶型转化阶段（300℃~950℃）此阶段发生较复杂的物理化学变化，包括黏土等矿物中结构水的排除；有机物、无机物的氧化；碳酸盐、硫化物等分解；石英的晶型转变（β石英→α石英）。

⑶玻化成瓷期（950℃~烧成温度）上述氧化反应继续进行，各种液相形成，同时，各组成物逐渐溶解；温度达到950℃时，偏高岭石转化为尖晶石型新结构物，反应式为：2[Al2O3。

2 SiO2] 2Al2O3。

3 SiO2 + SiO2当温度升高到期1100℃时，尖晶石型新结构物开始转变为莫来石，反应式为：3[2Al2O3。

3 SiO2] 2[3Al2O3。

2 SiO2] + 5SiO2与此同时，长石形成玻璃体液相，填充在固体颗粒的间隙中，坯体的气孔率下降，此时部分Al2O3和SiO2溶解于长石液体中，生成二次莫来石，进而使坯体的密度增大，温度达1200~1400℃时，原石英块被溶解成残留小块，晶体被液相黏结，烧结成瓷。

⑷冷却阶段（烧成温度~室温）此阶段主要在原长石区域析出或长大成粗大针状二次莫来石，但数量不多；液相黏度大，不发和结晶，而在750~350℃之间转化为固态玻璃。

其最终组织：点状一次莫来石、针状二次莫来石、块状残留石英、小黑洞气孔。

22、特殊陶瓷与普通陶瓷的区别是什么？答：材料组成上，突破了传统陶瓷以黏土为主要原料的局限，特殊陶瓷一般以纯度较高的氧化物、碳化物, 氮化物, 硼化物, 硅化物等为主要原料。

制备工艺上，突破传统工艺、采用新工艺技术，如真空烧结、保护气氛烧结、热压烧结、热等静压烧结等。

产品形态上，除传统的烧结体或粉体外，还有薄膜和纤维等。

应用上，由材料固有的静态物性→物理效应和微观机能。

23、陶瓷材料：以粉体为原料，通过成型和烧结等所制得的无机非金属材料制品。

24、简要说明Al2O3陶瓷制备工艺的主要工序，其中预烧的目的是什么？为提高烧结性能，常加入哪些两类添加剂？答：制备的主要工序：Al2O3+塑化剂→球磨混合→造粒→成型→预烧→修坯→烧结→机加工（研磨或抛光）预烧的目的：是使γ-Al2O3转变α- Al2O3，从而减少烧结过程中坯体的收缩；除去Na2O并提高Al2O3陶瓷的纯度。

为提高Al2O3陶瓷烧结性能，常加入形成固溶体的变价氧化物和能与Al2O3形成低溶点液相的物质。

它们均可降低烧结温度。

但变价氧化物对电气性能不利，在生产刚玉绝缘子时，常采用加入形成液相的添加剂。

25、SiC陶瓷原料的生产方法有哪两种？答：第一种方法是将硅石（石英）、焦碳等配料直接加热，即：最终得到α-SiC和β- SiC的混合物，得到的粉末纯度在99%以上。

第二种方法是使Si和C直接反应，即：此方法工艺简单，但使用的硅原料成本高于SiO2 。

26、软磁铁氧体和硬磁铁氧体有什么区别？各有什么主要用途？答：软磁铁氧体：磁导率高、低的矫顽力Hc、低剩磁Br、低磁滞损耗（BH），磁滞回线细窄而陡峭，在较弱的外磁场下就能获得高的磁感应强度，并随外磁场的增加很大达到饱和，当外磁场去除后，磁性即基本消失。