材料科学与工程导论课后习题答案

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）。