材料科學(xué)與工程導(dǎo)論課后習(xí)題解析

第一章材料與人類

1.為何說材料的發(fā)展是人類文明的里程碑？

材料是一切文明和科學(xué)的基礎(chǔ)，材料無處不在，無處不有，它使人類及其賴以生存的社會(huì)、

環(huán)境存在著緊密而有機(jī)的族絡(luò)?？v觀人類運(yùn)用材料的歷史，可以清晰地看到，每一種重要材

料的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一種新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)和人

類生活帶來巨大的變化。

2.什么是材料的單向循環(huán)？什么是材料的雙向循環(huán)？兩者的差異是什么？

物質(zhì)單向運(yùn)動(dòng)模式：“資源開采-牛產(chǎn)加工-消落使用-廢物關(guān)棄”

雙向循環(huán)模式：以仿效自然生態(tài)過程物質(zhì)循環(huán)的模式，建立起廢物能在不一樣生產(chǎn)過程中循

環(huán)|多產(chǎn)品共生的工業(yè)模式，即所謂的雙向循環(huán)模式（或理論意義上的閉音循環(huán)模式）。

差異：單向循環(huán)必然帶來地球有限資源的緊缺和破壞，同步帶來能源揮霍，導(dǎo)致人類生存環(huán)

境的污染。

無害循環(huán)：流程性材料生產(chǎn)中，假如一種過程時(shí)輸出變?yōu)榱硪环N過程的輸入，即一種過程的

廢物變成另一種過程的原料，并且通過研究真正到達(dá)多種過程互相依存、互相運(yùn)用日勺閉合時(shí)

產(chǎn)業(yè)“網(wǎng)”、“鏈”，到達(dá)了清潔生產(chǎn)。

3.什么是生態(tài)環(huán)境材料？

生態(tài)環(huán)境材料是指同步具有優(yōu)良的使用性能和最佳環(huán)境協(xié)調(diào)性能的一大類材料。此類材料對(duì)

資源和能源消耗少，對(duì)生態(tài)和環(huán)境污染小，再生運(yùn)用率高或可降解化和可循環(huán)運(yùn)用，并且規(guī)

定在制造、使用、廢棄直到再生運(yùn)用H勺整個(gè)壽命周期中，都必須具有與環(huán)境H勺協(xié)調(diào)共存性。

因此，所謂環(huán)境材料，實(shí)質(zhì)是賦予老式構(gòu)造材料、功能材料以尤其優(yōu)秀的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，

它是材料工作者在環(huán)境意識(shí)指導(dǎo)下，或開發(fā)新型材料，或改善、改造老式材料，任何一種材

料只要通過改造到達(dá)節(jié)省資源并與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的規(guī)定，它就應(yīng)被視為環(huán)境材料。

4.為何說材料科學(xué)和材料工程是密不可分的系統(tǒng)工程？

材料科學(xué)與工程的材料科學(xué)部分重要研究材料的構(gòu)造與性能之間所存在的關(guān)系，即集中理解

材料的本質(zhì)，提出有關(guān)日勺理論和描述，闡明材料構(gòu)造是怎樣與其成分、性能以及行為相聯(lián)絡(luò)

時(shí)。而另首先，與此相對(duì)應(yīng)，材料工程部分是在上述構(gòu)造-性能關(guān)系的J基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)材料日勺

組織構(gòu)造并在工程上得以實(shí)行與保證，產(chǎn)生預(yù)定日勺種種性能，即波及到對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)知

識(shí)的綜合、運(yùn)用，以便發(fā)展、制備、改善和使用材料?，滿足詳細(xì)規(guī)定。兩者只是側(cè)重點(diǎn)不一

樣，并沒有明顯的分界線，一般在使用材料科學(xué)這一術(shù)語時(shí)，一般都包括了材料工程的許多

方面；而材料工程的J詳細(xì)問題日勺處理，亳無疑問，都必須以材料科學(xué)作為基礎(chǔ)與理論根據(jù)，

因此材料科學(xué)與材料工程是一種整體。

5.現(xiàn)代材料觀的六面體是什么？怎樣建立起一種完整的材料觀？

材料科學(xué)與工程研究材料構(gòu)成、性能、生產(chǎn)流程和使用效能四個(gè)要素，構(gòu)成四面體。

成分、合成與加工、構(gòu)造、性能及使用效能連接在一起構(gòu)成一種六面體。

6.什么是材料的使用效能？

指材料在使用條件下的體現(xiàn)，如使用環(huán)境、受力狀態(tài)對(duì)材料特性曲線以及壽命的影響。效能

往往決定著材料能否得到發(fā)展和使用。

7.試講一下材料設(shè)計(jì)與選用材料的基本思想與原則？

材料設(shè)計(jì)是應(yīng)用已知理論與信息，預(yù)報(bào)具有預(yù)期性能的J材料，并提出其制備合成方案。材料

設(shè)計(jì)可根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象所波及的空間尺度劃分為顯微構(gòu)造層次、原子分子層次和電子層次設(shè)

計(jì)，以及綜合考慮各個(gè)層次的多尺度材料設(shè)計(jì)。

從工程角度，材料設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品所需材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，運(yùn)用多種有用信息，建立有關(guān)

模型，制定具有預(yù)想的微觀構(gòu)造和性能的材料及材料生產(chǎn)工藝措施，以滿足特定產(chǎn)品對(duì)新材

料的需求。

選材原則：1）勝任某?特定功能；2）綜合性能比很好：3）材料性能差異定量化；4）成本、

特殊鋼重要包括各類不銹鋼，其他尚有耐熱鋼、抗氧化鋼、耐磨鋼

3.鑄鐵材料是怎樣分類的？應(yīng)用時(shí)怎樣選擇？

鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于2.11%的鐵碳合金，同步具有較多的Si、Mn和其他某些雜質(zhì)元

素，為了提高鑄鐵的性能，加入一定量U勺合金元素，稱之為合金鑄鐵。同鋼相比，鑄鐵熔煉

簡便，成本較低，具有優(yōu)良的鑄造性能、很高的耐磨性、良好的減震性能和切削加工性能，

且缺口敏感性低等特點(diǎn)。為此鑄鐵廣泛用于機(jī)械、冶金、石化、交通、建筑、國防等領(lǐng)域。

白口鑄鐵室溫組織口勺碳所有或絕大部分以化合物滲碳體Fe3c存在，斷口呈銀白色，稱白口

鑄鐵。性能硬而脆,難以加工，很少應(yīng)用。

灰口鑄鐵碳所有或大部分以片狀石墨形式存在，組織中沒有硬脆的萊氏體。斷口呈暗灰色。

價(jià)格低廉，輕易切削加工，可用于制造汽缸、泵體、支座以及機(jī)床床身等。

球墨鑄鐵石墨為球狀的鑄鐵綜合力學(xué)性能好，可用于制造某些重要的機(jī)器零件，如由軸、

凸輪軸、齒輪等。

可鍛鑄鐵碳以團(tuán)絮狀石墨形式存在。高強(qiáng)度鑄鐵，制造某些形狀復(fù)雜，承受沖擊載荷H勺薄

壁小件。

蠕墨鑄鐵組織為鋼基體上分布著蠕蟲狀石黑。制造工作溫度較高或是具有較大溫度梯度"勺

零件，如大型柴油機(jī)汽缸蓋、制動(dòng)盤、排氣管、鋼錠模、金屬型等。

合金鑄鐵分為耐磨鑄鐵：制造機(jī)床導(dǎo)軌、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套等零部件。

耐蝕鑄鐵重:要用于化工部門，造船部門使用的管道，閥門、泵類等零件.

4.銅合金在工程中怎樣應(yīng)用？

純銅的機(jī)械性能較低，為滿足制作工程構(gòu)造的規(guī)定，加入不一樣的合金元素制成銅合金，實(shí)

現(xiàn)固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和過剩相強(qiáng)化，從而提高其性能。

黃銅（Cu—Zn合金）、青銅（Cu—Sn合金）、白銅（Cu—Ni合金）。

5.鈦合金為何耐蝕？鈦合金重要應(yīng)用在那些領(lǐng)域？

鈦在大氣中極易形成氧化鈦薄膜，因此在諸多介質(zhì)中有極高的抗腐蝕性，尤其在海水中不腐

蝕。

廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域以及大量民用工程，如高爾夫球具、人造關(guān)節(jié)、牙齒等。

6.環(huán)境材料的內(nèi)涵是什么？

具有優(yōu)良性能、與環(huán)境相協(xié)調(diào)、有助于環(huán)境保護(hù)日勺一類可料。

分為天然材料（如木制材料等）、循環(huán)再生材料、低環(huán)境負(fù)荷材料以及環(huán)境功能材料。

7.陶瓷材料是怎樣分類的？

陶瓷可定義為通過高溫處理所合成E向無機(jī)非金屬材料。

老式陶瓷按用途可分為口用陶瓷、建筑陶瓷等。

現(xiàn)代陶笳按性能和應(yīng)用范圍又可分為構(gòu)造陶宛、I.具陶究、功能陶宛等。

8.什么是構(gòu)造陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷？試列舉各自經(jīng)典材料及重要應(yīng)用。

構(gòu)造陶瓷：作為構(gòu)造部件的特種陶瓷

1.氧化鋁陶瓷

是一種以AI2O3為重要成分的陶瓷，其中AI2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45%以上。根據(jù)AI2O3的質(zhì)量

分?jǐn)?shù)大小又可分為75驍、95究、99瓷，它們?nèi)丈踪|(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是75%、95%、99%075瓷屬

于剛玉?莫來石瓷，95、99瓷屬于剛玉瓷。剛玉瓷的性能最佳，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。

剛玉-莫來石瓷性能較差，但成本低。

長處：1）很高的機(jī)械性能和介電性能2）耐高溫：3）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿，且高溫下也

不會(huì)氧化；4）優(yōu)良U勺電絕緣性能，尤其是高頻下的電絕緣性能好。

缺陷：脆性大，不能承受沖擊載荷，且抗熱震性差，不能承受忽然的環(huán)境溫度變化。

氧化鋁陶瓷應(yīng)用：紡織用的導(dǎo)線器及火箭用的導(dǎo)流罩，氮弧焊機(jī)的氣體罩、噴砂用的噴嘴、

熔化金屬的）生煙、高溫?zé)犭娕继坠?、火花塞?/p>

2.氮化硅陶瓷

氮化硅是六方晶系的晶體，有&q3弗和0y3刈兩種。反應(yīng)燒結(jié)口勺氮化硅是以a目3心為主

晶相；熱壓燒結(jié)的I氮化硅以BS3N4為主晶相

性能：1）良好的化學(xué)穩(wěn)定性，除HF以外，耐多種無機(jī)酸和堿溶液復(fù)試，也能抵御熔融非

鐵金屬口勺侵蝕；

2）優(yōu)秀的電絕緣性能；

3）硬度高，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，且自身具有自潤滑性；

4）熱膨脹系數(shù)小，優(yōu)秀的抗高溫蠕變性能，抗熱震性能好

應(yīng)用：高溫軸承：測(cè)量鋁液熱電偶套管的理想材料；冶金和熱加工工業(yè)U勺廣泛應(yīng)用。

3.碳化硅陶瓷

性能：1）高溫強(qiáng)度大；2）常溫硬度高，耐磨性好；3）耐蝕性強(qiáng)，與多種酸都不起作用：4）

導(dǎo)熱能力強(qiáng)

應(yīng)用：1）火箭尾噴管口勺噴嘴；2）燃?xì)廨啓C(jī)葉片，軸承；3）高溫下熱互換器，如核燃料日勺

包封材料；4）耐磨，可制作多種泵的密封圈。

4.六方氮化硼

性能：1）良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性；2）良好的電絕緣性，高溫介電強(qiáng)度高；3）良好的化

學(xué)穩(wěn)定性；4）硬度低，自潤滑性

應(yīng)用：1）理想的高溫絕緣和散熱材料，熱電偶套管，半導(dǎo)體散熱絕緣零件；2）耐熱耐腐蝕,

制成高溫構(gòu)件，如火箭燃燒室內(nèi)襯；3）粉狀六方氮化硼可作耐高溫、高載荷、耐腐蝕的潤

滑劑，在玻璃和金屬成型中做脫模劑。

工具陶瓷

1.硬質(zhì)合金：又稱粘結(jié)碳化物，它是由金屬粘結(jié)相和碳化物硬質(zhì)相構(gòu)成的粉末冶金材料，也

屬于復(fù)合材料。其中硬質(zhì)相重要成分是WC、TiC,另一方面是TaC、NbC、VC等。粘結(jié)金屬

用鐵族金屬及其合金，以鉆為主。

成分與性能

碳化物硬質(zhì)相是硬質(zhì)合金藥骨架，起堅(jiān)硬耐磨的作用，8作為粘結(jié)相，使材料具有一定的|

強(qiáng)度和韌性，伴隨含Co量口勺增長，硬度下降，而強(qiáng)韌性增長。粗加工選用Co高口勺合金，

精加工選用Co低H勺合金。

三類一般硬質(zhì)合金：YT類適合加工韌性材料；YG類適合加工硬脆材料；YW類都可以，萬

能硬質(zhì)合金。

性能：與工具鋼相比，室溫硬度較高，熱硬性好，耐磨性好，刀具切削效率高。

由于硬度太高，性脆，很難機(jī)械加工，因而一般硬質(zhì)合金常制備成刀片，鑲在刀上使用。

應(yīng)用：刀具材料低鉆(W(Co)<10%)一般硬質(zhì)合金用于車刀、銃刀、轉(zhuǎn)頭；

礦山工具中鉆(w(Co)=10%~25%)一般硬質(zhì)合金重要用于制作中硬和硬巖沖擊I可

轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭；低鉆硬質(zhì)合金用于制作地質(zhì)和石油鉆探中H勺旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭。

模具和量具中鉆一般硬質(zhì)合金用于制作拉伸模、拉拔模等；高鉆硬質(zhì)合金可用于制

作沖擊負(fù)荷較大的擠壓模、冷鍛模、沖壓模等。

高硬度的構(gòu)造件，如噴嘴、軸承：在尖端技術(shù)方面，火箭頭，人造衛(wèi)星返回大氣層防

燃燒的遮板等。

2.金剛石

性能：自然界硬度最高，極高彈性模量，導(dǎo)熱率最高，極好的絕緣性，電子和空穴的遷移率

高，摻入硼可制造半導(dǎo)體；熱敏、透紅外光等物質(zhì)性質(zhì)及良好的耐蝕性。

應(yīng)用：刀具、工具、構(gòu)造、功能材料

3.立方碳化硼

性能：很高口勺硬度、抗壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性和極好的導(dǎo)熱性。

應(yīng)用：刀具，模具，也可制成拉絲模、散熱片，中子遮蔽窗口和高溫半導(dǎo)體。

9.功能陶瓷是怎樣定義的？

通過光電磁力熱、化學(xué)、生物化學(xué)等作用后，具有特殊功能的陶瓷。

10.高聚物材料是怎樣分類的?

11.塑料有哪些特性？熱塑性塑料重要有哪幾種？熱固性塑料重要有哪幾種？

12.什么是橡膠?它是怎樣分類的？

13.合成纖維有哪些特性？重要用途是什么？

14.膠黏劑有哪些作用？涂料有哪些用途？

15.復(fù)合材料是怎樣分類的？

亞合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不一樣日勺物質(zhì)構(gòu)成的一種多相固體材料。

按基體材料種類分：樹脂基復(fù)合材料；金屬基復(fù)合材料；無機(jī)非金屬基復(fù)合材料

按增強(qiáng)材料形狀和分布分：持續(xù)長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：知纖維、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料：顆粒強(qiáng)

化復(fù)合材料；彌散強(qiáng)化復(fù)合材料；積層構(gòu)造復(fù)合材料；多組分的纖維、顆?；祀s復(fù)合材料。

按復(fù)合效果分：力學(xué)復(fù)合材料；功能復(fù)合材料

16.復(fù)合材料的重要特點(diǎn)有哪些？

具有高的比強(qiáng)度和比模量；良好的抗疲勞性能和破損安全性；減振性能好；高溫性能得到改

善；獨(dú)特的設(shè)計(jì)與制造。

17.樹脂基復(fù)合材料有哪些性能？玻璃鋼的應(yīng)用有哪些特點(diǎn)？

18.金屬基復(fù)合材料的類型有哪些？它是什么特點(diǎn)？

低溫金屬基復(fù)合材料：鋁、鎂合金；中溫金屬基復(fù)合材料：鈦基復(fù)合材料；高溫金屬基復(fù)合

材料：銀合金

特點(diǎn)：比非金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能高，尤其是在強(qiáng)度方面；具有良好的高溫性能；比非

金屬基復(fù)合材料的非軸向和橫向性能好；具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，可以防止靜電匯集和

減小構(gòu)件的溫差；具有類似金屬的焊接性能，并能進(jìn)行局部強(qiáng)化；金屬基復(fù)合材料的密度要

比非金屬基復(fù)合材料大。

19.C/C復(fù)合材料的性能特點(diǎn)是什么？應(yīng)用范圍是什么？

長處：優(yōu)良H勺抗熱震性；優(yōu)良的抗燒蝕性能；具有一定H勺強(qiáng)度和剛度；良好H勺化學(xué)穩(wěn)定性

缺陷：碳在高溫時(shí)易氧化，垂直于纖維方向的強(qiáng)度較低，材料中的孔隙率較高，材料的生產(chǎn)

周期長，制導(dǎo)致本高，性能難以把握。

應(yīng)用：航天航空領(lǐng)域（航天飛機(jī)U勺機(jī)翼前緣）；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（人造關(guān)節(jié)）

第三章工程材料的基本性能

1.材料的彈性模量E的工程含義是什么？它和零件的剛度有何關(guān)系？

材料在彈性變形階段，應(yīng)力（6）與應(yīng)變（E）成正比關(guān)系，兩者的J比值成為彈性模量，記

為E,且E=6/￡

表征材料對(duì)彈性變形的抗力。其值越大，材料產(chǎn)生一定量H勺彈性變形所需要H勺應(yīng)力越大，故

工程上也稱E為材料日勺剛度，重要取決于材料的本性，反應(yīng)了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，

而材料日勺組織變化時(shí)彈性模量無明顯影響。

零件剛度日勺大小取決丁?零件日勺幾何形狀和材料的彈性模量

一般來說，剛度與彈性模量是不一樣樣的J,彈性模量是物質(zhì)組分的性質(zhì)，而剛度是固體口勺性

質(zhì)；也就是說彈性模量是物質(zhì)微觀H勺性質(zhì)，而剛度是物質(zhì)宏觀的性質(zhì)。

2.試闡明如下符號(hào)的意義：①6e:彈性極限，材料發(fā)生彈性變形的最大應(yīng)力。

②6s（60.2）：屈服強(qiáng)度，在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增長而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為

屈服，材料開始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力，或稱屈服強(qiáng)度，以6s表達(dá)。其表征材

料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力。

③。b:抗拉強(qiáng)度，材料開始發(fā)生“頸縮”的應(yīng)力。相稱于斷裂時(shí)的應(yīng)力。

?0f：試樣發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力值

⑤3：延伸率

⑥巾：斷面收縮率

⑦aK：沖擊總功Ak除以缺口處試樣的截面積，表達(dá)沖擊韌性。

⑧6小堆成交變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度。

夏氏沖擊試驗(yàn)可以簡樸迅速地評(píng)估材料的韌性，因此至今仍然被廣泛地使用。缺陷：由于是

缺口試樣，因此不能真實(shí)反應(yīng)帶裂紋的構(gòu)件的脆斷狀況；對(duì)于評(píng)價(jià)材料H勺溫度脆化傾向，沖

擊韌性只能用于具有明顯延性脆性轉(zhuǎn)折的材料；由于加載速度、試樣或工件幾何原因等的影

響，沖擊試驗(yàn)最佳用于材料的比較和選擇，而不能作為發(fā)計(jì)的原則。

3.比較布氏、洛氏、維氏硬度的應(yīng)用范圍，并簡要闡明它們各自的優(yōu)缺陷。

優(yōu)缺陷、應(yīng)用范圍

布氏硬度：具有較高的測(cè)量精度，因其壓痕面積大，比較真實(shí)地反應(yīng)出材料的平均性能，但

不能測(cè)定高硬度材料。鑄鐵和鋼、有色金屬

洛氏硬度：操作迅速、簡便，可由表盤上直接讀出硬度值；壓痕小，可測(cè)量較薄工件的硬度。

缺陷是精度較差，硬度值波動(dòng)較大。很硬B勺材料、黃銅、低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼，較硬的材料

維氏硬度：測(cè)定材料范圍廣泛，很軟或很硬的都可以；精確度高；不過測(cè)試手續(xù)較繁。

硬材料及一般材料

4.評(píng)估材料高溫力學(xué)性能的常用指標(biāo)有哪些？怎樣表達(dá)它們？

蠕變極限：是以在給定溫度T(°C)下和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間t(h)內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸

T900

長量的應(yīng)力作為蠕變極限，用符號(hào)(MPa)表達(dá)，例如。().3500=60()MP〃表達(dá)材

料在900℃,500小時(shí)內(nèi)，產(chǎn)生0.3%變形量價(jià)J應(yīng)力為600MPa

持久強(qiáng)度：表征材料在高溫載荷長期作用下抵御斷裂的能力，以試樣在給定溫度T(℃)經(jīng)

規(guī)定期間t(h)發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為持久強(qiáng)度，用符號(hào)oJ(MPa)表達(dá)。例如

800

b600=700MPm表達(dá)材料在800℃,經(jīng)600小時(shí)斷裂時(shí)應(yīng)力為700Mpa。

5.一般描述材料的電、磁、熱性能的重要指標(biāo)有哪些？重要影響原因是什么？

表征材料電性質(zhì)的物理曷有：電阻R、電阻率P、電導(dǎo)左6和電阻溫度系數(shù)at電陽R與被

測(cè)試測(cè)試樣的幾何形狀和尺寸有關(guān)R=0人,表達(dá)對(duì)于一定的材料，若長度越長，橫截面積

A

越小，則電阻越大

溫度和材料H勺加工工藝過程等原因?qū)Σ牧系碾娮杪十a(chǎn)生影響。金屬中，溫度越高，電阻率越

高。雜質(zhì)元素增大電阻率，塑性變形增大電阻率

相對(duì)磁導(dǎo)率ur、磁化率x和磁化強(qiáng)度M是描述材料磁性口勺參數(shù)。

為了描述材料磁性的J強(qiáng)弱和磁化狀態(tài)，常用磁化強(qiáng)度M來表達(dá)，即單位體積內(nèi)的J總磁矩。

磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度HH勺比值稱為磁化率，記為x；磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值

稱為磁導(dǎo)率，記為定義UUU/U0為相對(duì)磁導(dǎo)率

熱容(材料種類有關(guān)，陶瓷大，金屬小)、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率表達(dá)熱性能。

線膨脹系數(shù)表達(dá)材料的熱膨脹性，其含義是溫度上升1度，單位長度的伸長量。與原子間結(jié)

合力有關(guān)，結(jié)合力越大，線膨脹系數(shù)越小，以共價(jià)鍵和離子鍵為主的材料的熱膨脹性最小，

金屬居中，而具有范德瓦爾鍵口勺熱膨脹性最大。

金屬的熱導(dǎo)率比較強(qiáng)

6.理解如下重要的術(shù)語和基本概念：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體、電導(dǎo)率、電阻率、磁

化、磁化率、磁化強(qiáng)度、抗磁性、順磁性、鐵磁性、軟磁材料、硬磁材料、熱容、熱導(dǎo)率、

線膨脹系數(shù)、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、氧化等。

導(dǎo)體：導(dǎo)體(conductor)是指電阻率很小且易于傳導(dǎo)電流的I物質(zhì)。

半導(dǎo)體(semiconductor),指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)

之間的材料。

絕緣體的定義：不輕易導(dǎo)電的物體叫做絕緣體。

超導(dǎo)是指導(dǎo)電材料在溫度靠近絕對(duì)零度的時(shí)候，物體分子熱運(yùn)動(dòng)下材料的電阻趨近于0時(shí)

性質(zhì)J超導(dǎo)體”是指能進(jìn)行超導(dǎo)傳播的導(dǎo)電材料。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體H勺兩個(gè)重要特性。

電導(dǎo)率，物理學(xué)概念，指在介質(zhì)中該量與電場(chǎng)強(qiáng)度之積等于傳導(dǎo)電流密度，也可以稱為導(dǎo)電

率。

電阻率是用來表達(dá)多種物質(zhì)電阻特性的物理量。某種物質(zhì)所制成的原件(常溫下20°C)

的電阻與橫截面積的乘積與長度U勺比值叫做這種物質(zhì)的電阻率。電阻率與導(dǎo)體的長度、橫截

面積等原因無關(guān)，是導(dǎo)體材料自身的電學(xué)性質(zhì)，由導(dǎo)體的材料決定，且與溫度有關(guān)。

某些物體在磁體或電流的作用下會(huì)顯現(xiàn)磁性，這種現(xiàn)象叫做磁化。

磁化率，表征磁介質(zhì)屬性的物理量。常用符號(hào)cm表達(dá)，等于磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之

比。

磁導(dǎo)率英文名稱：magneticpermeability表征磁介質(zhì)磁性日勺物理量。表達(dá)在空間或在磁芯

空間中時(shí)線圈流過電流后、產(chǎn)生磁通mI阻力、或者是其在磁場(chǎng)中導(dǎo)通磁力線的能力、其公式

p=B/H、其中H=磁場(chǎng)強(qiáng)度、B=磁感應(yīng)強(qiáng)度，常用符號(hào)口表達(dá)，P為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱絕

對(duì)磁導(dǎo)率。

磁化強(qiáng)度：定義為媒質(zhì)微小體元AV內(nèi)的所有分子磁矩矢量和與AV之比。

抗磁性(diamagnetism)是指一種弱磁性。構(gòu)成物質(zhì)的原子中，運(yùn)動(dòng)H勺電子在磁場(chǎng)中受電

磁感應(yīng)而體現(xiàn)出的屬性。外加磁場(chǎng)使電子軌道動(dòng)量矩繞磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向相反的附

加磁矩，故磁化率k抗為很小H勺負(fù)值(10-5-10-6量級(jí))。因此，所有物質(zhì)都具有抗磁性。

順磁性(paramagnetism)是指材料對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)很弱的磁性。如用磁化率k=“H來表達(dá)(M

和H分別為磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度)，從這個(gè)關(guān)系來看，磁化率k是正的，即磁化強(qiáng)度的方

向與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相似，數(shù)值為10-6—10-3量級(jí)。

鐵磁性，是指物質(zhì)中相鄰原子或離子的磁矩由于它們的互相作用而在某些區(qū)域中大體按同一

方向排列，當(dāng)所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，這些區(qū)域的合磁矩定向排列程度會(huì)隨之增長到某一

極限值的現(xiàn)象。

軟磁材料的定義：當(dāng)磁化發(fā)生在He不不小于100A/m,這樣的材料稱為軟磁體。經(jīng)典的軟

磁材料，可以用最小的外磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)最大的磁化強(qiáng)度。

磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后輕易去掉磁

性的物質(zhì)叫軟磁材料，不經(jīng)易去磁的物質(zhì)叫硬磁材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁

性材料剩磁較大。

熱容的原則定義是：“當(dāng)一系統(tǒng)由于加給一微小的熱量6Q而溫度升高dT時(shí)，SQ/dT這

個(gè)量即是該系統(tǒng)的熱容。"(GB3102493),一般以符號(hào)C表達(dá)，單位J/K。

熱導(dǎo)率是指當(dāng)溫度垂直向卜梯度為rC/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞H勺熱

量。

線膨脹系數(shù)：物理名詞，有時(shí)也稱為線彈性系數(shù)(linearexpansivity),表達(dá)材料膨脹或收

縮的程度。

化學(xué)腐蝕：金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被氧化損耗的過程。

電化學(xué)腐蝕就是金屬和電解質(zhì)構(gòu)成兩個(gè)電極，構(gòu)成腐蝕原電池。

氧化(oxidation)：狹義地，氟元素與其他的物質(zhì)元素發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，稱其為氧化，也是

一種重要"勺化工單元過程，廣義的氧化，指物質(zhì)失電子(氧化數(shù)升高)的過程。

第四章材料H勺原子構(gòu)造和原子結(jié)合鍵

1.材料構(gòu)造的詳細(xì)涵義是什么？他們與性能的關(guān)系怎樣？

從材料學(xué)角度，材料構(gòu)造從宏觀到微觀，即按研究口勺尺度大體可分為四個(gè)層次一宏觀組織構(gòu)

造、顯微組織構(gòu)造、原子(分子)排列構(gòu)造和原子中的電子構(gòu)造。

材料的性能由其內(nèi)部構(gòu)造決定；原子中的電子狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與固體材料的構(gòu)造和性質(zhì)有親

密的聯(lián)絡(luò)，而原子間互相作用和匯集狀態(tài)則深入決定著材料的行為與性能。

2.從原子外層電子互相作用角度，闡明多種結(jié)合鍵歐J詳細(xì)特性。

P82離子鍵：金屬原子失去最外層電子給鹵族原子，這樣形成一種正離子和一種負(fù)離子，

異種離子互相吸引離子鍵就是這種庫倫引力，然而異種離子相吸導(dǎo)致R勺靠近并不能無限持續(xù)

下去，靠近到一定程度，會(huì)由于電子軌道重疊引起的斥力到達(dá)一種平衡。由于離子電荷引起

的力并不限制在一種方向上，故離子鍵不具有方向性，即鍵的大小在圍繞離子的所有方向上

相等，進(jìn)而導(dǎo)致離子鍵材料很穩(wěn)定，具有高度的對(duì)稱性。又由于離子鍵U勺穩(wěn)定，其材料熔點(diǎn)

高，硬度高，脆性大和膨脹系數(shù)小，一般狀況下，離于晶體沒有自由電子，故為電和熱口勺絕

緣體。

共價(jià)鍵結(jié)合口勺相鄰原子共同占有其部分價(jià)電子，使每個(gè)原子口勺最外層電子處在滿殼層狀態(tài)，

將相鄰原子結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。

由于兩個(gè)自旋方向相反的電子結(jié)合可使它們的自旋能量之和為零，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，于是已成

對(duì)的電子不能再與其他原子中口勺電子結(jié)合成對(duì)，即共價(jià)結(jié)合的原子所能形成鍵的數(shù)目有一最

大值，故共價(jià)鍵具有飽和性。

共價(jià)鍵是借共享電子結(jié)合的，按量子力學(xué)觀點(diǎn)，共價(jià)鍵的形成是靠相鄰原子外層未滿殼層電

了云的重疊，重疊越多，所形成的共價(jià)鍵就越穩(wěn)定，故電子云重疊II勺方向是確定的，故有方

向性。

固態(tài)（或液態(tài)）金屬中外殼層電子的I能量最高，并且最外層電子一般為1~2個(gè)或最多3個(gè),

由于原子間H勺互相作用，這些電子傾向于離開自身原子成為公有化的自由電子。這時(shí)價(jià)電子

不再與任何一種特定的原子有特殊的關(guān)系，而是在金屬正離子之間自由地運(yùn)動(dòng)，成為與若干

離子實(shí)有關(guān)口勺電子，從而把金屬原子結(jié)合起來，這就是金屬鍵。金屬鍵沒有飽和性和明顯的

方向性。由于價(jià)電子可以隨意運(yùn)動(dòng)，因此金屬鍵材料有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；還由于多種金

屬鍵的結(jié)合能相差很大，故多種金屬的強(qiáng)度、熔點(diǎn)相差很大。

范德瓦爾斯鍵和氫犍：非常微弱，只有在很低的溫度，才會(huì)液化和凝固

3.原子間有哪兩種互相作用？材料為何具有一定的體積？

吸引力和排斥力p78

4.闡明三大類材料的J鍵性及與其性質(zhì)的關(guān)系。（理解p85）

金屬：金屬鍵高的熱傳導(dǎo)系數(shù)和電導(dǎo)率是由于有些電子是非局域的、并可在三維方向移動(dòng)，

因此它們可以很快地輸運(yùn)電荷和熱能。

不透明，易拋光出光澤，是由這些非局域電子對(duì)光頻電磁振動(dòng)的響應(yīng)而引起口勺，這也是某些

電子部分地獨(dú)立于母體原子的另一成果

塑性好是由于金屬鍵每一種正離子都是等同的，這樣在某一局部地區(qū)，一群正離子在破壞了

它們的鍵合后滑移到一種新的位置上，又可重新鍵合起來。

陶瓷：離子鍵離子鍵結(jié)合能大，材料硬脆；根據(jù)構(gòu)成元素的自然傾向，金屬元素放出外層

電子給非金屬原子，并保留在其中，這就是絕緣體,又是良好的熱絕緣體：金屬iF離子與非

金屬負(fù)離子之間產(chǎn)生了強(qiáng)的吸引力。每個(gè)正離子被負(fù)離子所包圍，反過來也同樣，為了使正

負(fù)離子分離，一股需要相稱大的I能量，因此陶瓷材料能抗機(jī)械力、抗熱和抗化學(xué)作用。

共價(jià)鍵鍵性很強(qiáng)，若要使電子運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生電流，必須破壞共價(jià)健，這就需要施加高溫或高電

壓，因此共價(jià)鍵材料的力學(xué)行為是脆性的，其電學(xué)行為如同絕緣體而不是導(dǎo)體

高分子材料

塑料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性很有限，這是由丁?所有熱能必須依托原子振動(dòng)從熱區(qū)傳到冷區(qū)，這比

金屬中發(fā)生H勺自由電子傳導(dǎo)能量H勺過程要緩慢得多；可以承受變形是由于，雖然主鏈內(nèi)具有

脆性的共價(jià)鍵，不過鏈與鏈的結(jié)合則是很弱范H勺德瓦爾斯鍵，只要分子鍵彼此滑動(dòng)時(shí)，范德

瓦爾斯鍵逐漸發(fā)生局部破裂，因此就可以產(chǎn)生很大H勺變形；不耐熱是由于一定程度的熱擾亂

雖不會(huì)損傷鏈內(nèi)的共價(jià)鍵，卻對(duì)分子鏈間的范德瓦爾斯健導(dǎo)致破壞。

5.分析控制原子配位原因的詳細(xì)內(nèi)容和它們對(duì)原子的空間排列所產(chǎn)生的影響。（p88理解）

共價(jià)：詳細(xì)地說，圍繞一種原子口勺共價(jià)鍵數(shù)取決于原子的價(jià)電子數(shù)目，也可稱為共價(jià)配位。

和原子的有效堆積共價(jià)結(jié)合時(shí)限制原因是最大配位數(shù)，離子鍵結(jié)合時(shí)則是最小半徑比（到

達(dá)盡量靠近，乂不引起較大斥力H勺平衡狀態(tài)），金屬由于沒有飽和性和明顯的方向性，一般

都可以到達(dá)最密堆積

6.試分析彈性模量E時(shí)微觀體現(xiàn)式的涵義及其意義。

晶體的J彈性模最只代表原子間結(jié)合鍵的剛性，是一種僅反應(yīng)原子間結(jié)合能大小的指標(biāo)，故它

是穩(wěn)定的材料性質(zhì)。

7.試對(duì)比金剛石與石墨，為何它們的性質(zhì)如此截然不一樣？

金剛石是純共價(jià)鍵晶體，有極高硬度，對(duì)電、熱廿勺絕緣性很好，具有三維立體構(gòu)造。石墨卻

是層狀構(gòu)造，為六方排列的層（或片），盡管石墨層內(nèi)有強(qiáng)大的共價(jià)鍵，不過層與層之間確

實(shí)很弱的范德瓦爾斯鍵，并且層間距大，因此層與層間易相對(duì)滑動(dòng)，可用作潤滑材料。

第五章固體材料中原子的排列與缺陷

1.材料中按原子排列的I秩序，共有哪三種狀況。分析與匯集態(tài)材料對(duì)應(yīng)的狀況。

無序、短程有序和長程有序

若材料中僅存在短程有序排列，稱其為非晶體或無定形材料，有時(shí)也稱之為玻璃態(tài)或玻璃。

原子具有長程有序排列的材料即為晶體材料。

2.繪示意圖闡明材料從液體—固體的凝固方式有哪幾種。其實(shí)際方式的重要影響原因及重

要判據(jù)是什么？其內(nèi)在原因是什么？

一種是自然冷卻形成晶體，另一種是迅速冷卻形成非晶體。

冷速；轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)的溫度Tg和結(jié)晶溫度Tm時(shí)間隔，間隔越小，越輕易轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)

判據(jù)：若為長程有序則為晶體，短程有序則為非晶體。

3.三大類材料的）結(jié)晶傾向怎樣？原因何在？

金屬晶體：面心立方、體心立方、密排六方這是由于金屬鍵具有無方向性H勺性質(zhì)，且每個(gè)

陣點(diǎn)只有一種原子的緣故

陶瓷材料一般是離子晶體，也有的是共價(jià)晶體適應(yīng)鍵型、離子尺寸差異和原子價(jià)引起的種

種限制

4.晶體的周期性構(gòu)造怎樣進(jìn)行幾何描述？晶體構(gòu)造與空間點(diǎn)陣的互相關(guān)系怎樣？

在探討晶體構(gòu)造時(shí)，可以把構(gòu)造設(shè)想為在所有方向上都能延伸到無窮遠(yuǎn)處。原子在空間中分

布規(guī)律性H勺基本定義就是空間點(diǎn)陣的基本定義。以幾何點(diǎn)替代詳細(xì)的粒子就是空間點(diǎn)的陣

列，假如每一種陣點(diǎn)都具有相似的環(huán)境，陣點(diǎn)在三維空間的分布就形成了一種空間點(diǎn)陣

空間點(diǎn)陣是晶體構(gòu)造的幾何抽象

5.三大類材料原子空間排列的重要傾向怎樣？并簡要分析其原因。

6.掌握三種最簡樸晶體構(gòu)造的特性（晶胞原子數(shù)、致密度、配位數(shù)、密排面與密排方向等）。

晶胞原子數(shù)致密度配位數(shù)密排面密排方向

面心立方40.7412(111)<110>

體心立方20.688無<111>

密排六方40.7412(0001)<1120>或

(0002)<100><110>

7.陶瓷材料的構(gòu)造特性是什么？是怎樣構(gòu)造起來的I?理解陶瓷材料比較簡樸的幾種晶體構(gòu)

造。

大多數(shù)陶瓷材料是金屬與非金屬元素之間的J化合物所構(gòu)成的多晶固體材料，它們?nèi)丈自渔I結(jié)

合方式是部分或整個(gè)是離子鍵。大多數(shù)陶能材料都是由離子鍵構(gòu)成的離子晶粒，也有由共價(jià)

鍵構(gòu)成口勺共價(jià)晶體。構(gòu)成離子晶體基本質(zhì)點(diǎn)之一的非金屬元素W、J原子半徑大，它們的原子排

列可以是多種不一樣的晶系，從而構(gòu)成離子晶體口勺骨架，金屬原子直徑小，它藏在非金屬原

子的間隙之中，這樣可形成配位四面體或八面體

金剛石型立方構(gòu)造、氯化鈉和氯化鈉構(gòu)造、晶態(tài)氧化硅

8.晶體中存在哪幾種不完整性？它們的重要意義何在？

點(diǎn)缺陷：在三維空間中各方向上的尺寸很小，故又稱零分缺陷，如空位、間隙原子、雜質(zhì)原

子、色心等。

點(diǎn)缺陷：雜質(zhì)原子

共價(jià)晶體中H勺置換雜質(zhì)，一般引起并存的電子缺陷，從而明顯地變化材料H勺導(dǎo)電性。

例如，半導(dǎo)體材料緒（四價(jià)）中具有五價(jià)珅或三價(jià)錢，在鍵合軌道上會(huì)多出一種自由電子或

電子空穴，兩類電子缺陷都可以運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)電率增長。

離子晶體也容許置換雜質(zhì)，但條件是保持電中性。

例如Ca2+置換了兩Na+離子，卻只占據(jù)一種位置。于是，這種雜質(zhì)發(fā)明了另一種稱為陽離

子空位的I缺陷。它對(duì)離子晶體的電學(xué)性質(zhì)有影響，加電場(chǎng)時(shí)，陽離子空位會(huì)反復(fù)地與相鄰陽

離子互換位置而產(chǎn)生電流，當(dāng)然在這種狀況下，導(dǎo)電相稱于帶正電荷陽離子日勺運(yùn)動(dòng)。

點(diǎn)缺陷：空位與自間隙原子

空位是晶體中沒有被占據(jù)的原子位置，而自間隙原子是晶體自身的原子占據(jù)了間隙位置。

產(chǎn)生空位原因：晶體中原了熱振動(dòng)，某些原于口勺動(dòng)能大大超過給定溫度下的平均動(dòng)能而離開

本來的位置，導(dǎo)致原位置原子日勺空缺。溫度升高，凝固過程中的塑性變形以及高能粒子輻射

也增進(jìn)空位的形成。

自間隙原子分為三種：當(dāng)一種原子離開點(diǎn)陣正常位置（從而產(chǎn)生一種空位）并擠入一種間隙

位置時(shí)所產(chǎn)生H勺一對(duì)點(diǎn)缺陷稱為弗蘭克爾缺陷；肖脫基缺陷，即正負(fù)離子空位；正負(fù)日間隙

原子呈中性

點(diǎn)缺陷周圍的點(diǎn)陣畸變提高了金屬的強(qiáng)度，其他材料的點(diǎn)缺陷直接影響導(dǎo)電等性質(zhì)。另首先,

點(diǎn)缺陷（如空位）的一種非常重要II勺特點(diǎn)是它們可以與相鄰原子互換位置而運(yùn)動(dòng)，這使得在

較高溫度時(shí)可以在固態(tài)中進(jìn)行迅速遷移，即進(jìn)行獷散。

線缺陷：在三維空間中兩個(gè)方向尺寸很小，而另一種方向上尺寸較大，故又稱一維缺陷，位

錯(cuò)就是這種缺陷。從晶體塑性變形角度，當(dāng)晶體H勺一部分相對(duì)于另一部分在切應(yīng)力作用下進(jìn)

行相對(duì)運(yùn)動(dòng)或滑移時(shí)，晶體的已滑移部分與未滑移部分H勺交界線即為位錯(cuò)。

對(duì)晶體材料U勺許多現(xiàn)象與行為，如金屬的相變、擴(kuò)散、再結(jié)晶、蠕變與斷裂等起著重要作用。

面缺陷：在三維空間中一種方向尺寸很小，另兩個(gè)方向尺寸較大，故乂稱二維缺陷，如晶界、

亞晶界、相界、層錯(cuò)、李晶界、有序疇界、生長層、胞壁、磁疇界等。

細(xì)化晶粒，增大界面面積是強(qiáng)化金屬、陶瓷材料的重要強(qiáng)化手段；界面還往往是相變的發(fā)源

地，界面與表面乂是原子擴(kuò)散的迅速通道；晶界對(duì)于透明陶瓷的透光性能有很大應(yīng)先，晶粒

細(xì)小，尺寸靠近均一、晶界處無雜質(zhì)是透明陶瓷獲得高度透光性的重要條件。

體缺陷：在三維空間中三個(gè)方向上尺寸較大，故又稱三維缺陷，如沉淀相、夾雜物、空洞等。

9.舉例闡明材料中原了排列是怎樣影響材料的行為與性能的。

金屬密度大，是由于金屬健無方向性，可以到達(dá)密排堆積，而聚合物及陶瓷是共價(jià)鍵或離子

鍵，不可以到達(dá)密排，且構(gòu)成它們?nèi)丈自樱–、H、0）較輕，因此密度較小。

在離子和共價(jià)晶體中，結(jié)合鍵H勺性質(zhì)常對(duì)力學(xué)性能起著更重要的作用，而原子排列的影響成

為次要；金屬晶體中，晶體構(gòu)造原因?qū)αW(xué)性能則起著重要作用。

高聚物中鏈構(gòu)造對(duì)其性能影響？

1）高聚物由于分子量很大，是由數(shù)量巨大的原子化學(xué)鍵合而成，其與低分子物質(zhì)相比有一

定的機(jī)械強(qiáng)度。

2）高聚物主鏈上的原了?以共價(jià)鍵結(jié)合，縱向延伸即成長鏈，長鏈?zhǔn)侨彳浀?，可以任意存?

多條長鏈日勺聚合，使長鏈之間具有互相作用，使得強(qiáng)度提高，柔性下降。

3）非晶態(tài)聚合物中相鄰的分子鏈靠范德瓦爾斯力凝固起來的，比較弱，因此熔點(diǎn)，強(qiáng)度低;

若鏈與鏈之間是共價(jià)鍵合，即交聯(lián)，聚合物的強(qiáng)度會(huì)提高。

1）鏈狀硅酸鹽的鏈內(nèi)高子鍵結(jié)合，使材料具有較高的硬度和強(qiáng)度，不過鏈與鏈之間的結(jié)合

沒有鏈內(nèi)原子間的結(jié)合那樣強(qiáng)，故受力后輕易斷裂，即平行于硅酸鹽鏈方向的破壞。有時(shí)鏈

間是由分子鏈和離子鍵共同結(jié)合R勺，常呈細(xì)長纖維狀形態(tài)，則易以纖維狀進(jìn)行分離。

2）層狀構(gòu)造的硅酸鹽，由于層與層之間結(jié)合很弱（分子鍵），很輕易發(fā)生斷裂。云母易剝

裂成片，滑石具有潤滑性，它們都與這種構(gòu)造排列有關(guān)。

3）網(wǎng)狀構(gòu)造則是硅一氧四面體以三維方向互相結(jié)合的成果。實(shí)際上它是分子式為（SQ2）

n的巨大分子，由于其共價(jià)鍵的空間立體網(wǎng)絡(luò)，因此具有高硬度

4）若為玻璃態(tài)，則硅酸鹽材料也會(huì)具有非晶H勺某些性質(zhì)，如各向同性。

位錯(cuò)會(huì)阻礙晶體口勺塑性變形，由于陶瓷材料鍵合特點(diǎn)，位錯(cuò)阻力尤具大，故又脆又硬。

第六章同體材料熱力學(xué)狀態(tài)：自由能、相圖、相與組織

1.影響材料系統(tǒng)自由能的兩大原因是什么？對(duì)于材料系統(tǒng)產(chǎn)生什么詳細(xì)影響？

溫度：在某溫度下存在的相相對(duì)于其他相來說都是自由能最低的。自由能數(shù)值的相對(duì)大小決

定了任一相的穩(wěn)定性。

成分:它是各個(gè)組元H勺相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與化學(xué)勢(shì)息息有關(guān)，反應(yīng)都是向減少化學(xué)勢(shì)的方向進(jìn)

行。

2.試分析自由能曲線與材料相圖的關(guān)系。

由已知的自由能-成分曲線可以將相圖作出來。通過熱力學(xué)計(jì)算作出各溫度下日勺自由能-成分

曲線。再根據(jù)公切線法則，找出平衡相的成分，然后綜合畫在一張溫度-成分坐標(biāo)圖上，即

得到相圖。自由能-成分相圖還可用來判斷和估算與多種反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的自由能變化。

3.分析材料相圖的含義和工程意義。

相圖亦稱為狀態(tài)圖或平衡圖，是用幾何的I方式來描述處在平衡狀態(tài)（非平衡態(tài)一般不合用）

下材料的成分、相和外界條件口勺互相關(guān)系。

相圖重要用于金屬材料與陶瓷材料領(lǐng)域。相圖是研究這些材料中多種微觀構(gòu)造及其變化規(guī)律

的有效_L具，它簡潔地描繪了平衡條件卜的材料狀態(tài)，為冶金及材料JL作者提供了有益H勺資

料。

工程意義：1）伴隨科學(xué)技術(shù)的）發(fā)展，各行業(yè)對(duì)材料H勺規(guī)定也越來越高，實(shí)際材料很少是純?cè)?/p>

素的，而是由多種元素構(gòu)成，要弄清晰組元間的構(gòu)成規(guī)隹，理解什么成分在什么條件下形成

什么相，因而相平衡關(guān)系的研究就成為使用和研制材料II勺理論基礎(chǔ).

2）合金在加工、處理之后的組織狀況也可用相圖作為分析根據(jù)或參照資料。

3）在科研及生產(chǎn)實(shí)踐中，相圖是研制新材料、對(duì)日勺選擇和制定合金日勺熔煉、鑄造、壓力加工

和熱處理工藝，尚有陶瓷材料的燒結(jié)工藝，以及進(jìn)行材料多種狀態(tài)金相分析口勺重要工具。

4.試分析相與組織兩者概念上的差異與互相間的聯(lián)絡(luò)。

組元是構(gòu)成材料最基本、獨(dú)立的I物質(zhì)，組元可以是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定化合物。金屬材料

的組元多為純?cè)?，陶瓷材料的組元多為化合物。

材料中具有同一化學(xué)成分且構(gòu)造相似的均勻部分叫相。

材料內(nèi)部的宏觀與微觀形貌稱為組織.坡些如織一般可借助儀器直接觀測(cè)到。

組織是與相有親密聯(lián)絡(luò)的概念，它實(shí)際上是指各個(gè)晶?；蚨喾N相所形成H勺圖案（形態(tài)或形

貌）。在不一樣條件下，相的晶粒大小、形態(tài)及分布會(huì)有所不一樣，從而材料內(nèi)部會(huì)展現(xiàn)不

一樣的微觀形貌。因而同樣的相可以形成不一樣的組織。

5.陶瓷材料與金屬材料均有哪些重要構(gòu)成相，闡明它們的性質(zhì)與作用。

金屬材料中有固溶體和化合物兩類基本構(gòu)成相。

置換固溶體：溶質(zhì)原子取代溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的I溶劑原子而形成的固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子與

溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)比較靠近時(shí)，一般形成置換固溶體；可認(rèn)為有限或者無限固溶

體。

間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙位置而形成的固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑遠(yuǎn)不不

小于溶劑原子時(shí)，一般形成間隙固溶體。溶解度小，為有限固溶體

固溶體的強(qiáng)度、硬度高于其溶劑組元，產(chǎn)生了強(qiáng)化效果。塑形、韌性變化不大。因而固溶體

具有很好的綜合機(jī)械性能（一定的強(qiáng)度及很好的塑性），良好的塑性成形性能，常作為金屬

構(gòu)造材料中口勺基本構(gòu)成相（基體）。

化合物是金屬材料中組元之間互相作用而生成的新相，其晶體構(gòu)造與溶劑、溶質(zhì)均不一樣。

分類：

化合物可以是金屬原子與某些非金屬原子形成的化合物，也可以是組元金屬與金屬之間口勺形

成的化合物，稱為金屬間化合物。

金屬材料中也許出現(xiàn)的I化合物按它們口勺構(gòu)造又可分為間隙化合物、正常價(jià)化合物、電子相化

合物。

金屬材料中的化合物的熔點(diǎn)、硬度較高、脆性較大，坡是由干除金屬鍵外,它們方中尚含相

稱成分的離子鍵或共價(jià)鍵,但假如它以較少數(shù)量與韌性H勺固溶體合適搭配，可以作為強(qiáng)化相。

因此，合理控制合金中化合物的數(shù)量、尺寸、分布，可以極大地改善合金性能。

陶瓷材料有晶相、玻璃相、氣相

晶相是陶瓷材料日勺基本構(gòu)成部分；構(gòu)成陶寬晶相的晶體一般有三類：氧化物（如氧化鋁、氧

化鈦等）；氧酸鹽（如硅酸鹽、鈦酸鹽等）；非氧化合物（金屬碳化物、氮化物、硼化物）。

晶相深入可分為主晶相、次晶相、第三晶相等，材料H勺性質(zhì)重要由主晶相決定。

玻璃相是陶瓷燒結(jié)時(shí)各構(gòu)成物和雜質(zhì)產(chǎn)生?系列物理化學(xué)反應(yīng)后所形成的液相冷卻而形成

的。玻璃相為非晶態(tài)，排列無序，低熔點(diǎn)固體。

作用重要為將分散的I晶相拈結(jié)起來：減少燒結(jié)溫度與改善工藝性；克制晶體長大以及提高陶

瓷材料的致密程度。

缺陷：由「其構(gòu)成不均勻，會(huì)使材料日勺物化性質(zhì)不均勻；玻璃相的機(jī)械強(qiáng)度比晶相低某些,

熱穩(wěn)定性也差某些，在較低溫度下便開始軟化；玻璃相過多，陶瓷的熔點(diǎn)也減少。

氣相是指陶瓷空隙中的氣體，也就是陶瓷組織內(nèi)部殘留下來的孔洞。會(huì)減少陶瓷的強(qiáng)度。

6.歸納單相、多相組織形貌特點(diǎn)。

單相中球狀晶粒很少，等軸晶是晶粒完全填滿空間而同步保持最小的晶界總面積，除了等軸

晶，尚有片狀、柱狀、枝狀的。

兩相合金的組織狀態(tài)與性能：是指構(gòu)成合金的相（類型與性質(zhì)）、各相的相對(duì)量、相的形

狀及分布特性等。

兩相合金中第二相的I分布與形狀

兩個(gè)相各自成為等軸晶粒，這一般是在兩個(gè)相均是固溶體且數(shù)量較多的狀況下產(chǎn)生的，這

時(shí)兩者均勻地分布在一起，合金的機(jī)械性能是兩個(gè)相或兩種“組織”性能的加權(quán)平均值，

合金總的性能一般是具有一定的強(qiáng)度、很好的塑性、韌性。另首先，假如第二相是化合物,

并且體積百分?jǐn)?shù)較大，則會(huì)使合金顯示出極大的脆性，甚至無工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。在更多狀況

下，較少數(shù)量的第二相以球狀、點(diǎn)狀或短片狀等均勻地分布在固溶體的晶粒內(nèi)，這時(shí)盡管

化合物的數(shù)量并不諸多，但它將起強(qiáng)化基體相的作用，從而提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。但與此

同步，材料的塑性、韌性必將下降。

第七章固體材料的動(dòng)力學(xué)過程：激活、擴(kuò)散及有關(guān)的材料行為

1.動(dòng)力學(xué)措施可在材料中處理哪幾方面的問題？動(dòng)力學(xué)過程的三原理是什么？

1）研究制備和處理材料的過程：2）合金性能表征的過程：3）使用材料的過程

1）沿著能量減少的方向發(fā)生；2）遵照阻力最小的途徑進(jìn)行；3）過程H勺成果是適者生存。

2.何為亞穩(wěn)態(tài)？舉例分析亞穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)。

亞穩(wěn)態(tài)：在熱力學(xué)上雖然不穩(wěn)定，但由于某種原因而能臨時(shí)或長期存在的狀態(tài)。

要轉(zhuǎn)入穩(wěn)定的狀態(tài)，必須獲得必要口勺附加的能量來越過一定時(shí)能壘。

3.寫出玻爾茲曼分布和阿倫尼烏斯定律的體現(xiàn)式？分析決定反應(yīng)速度的重要原因。

玻爾茲曼分布：N/N7二exp（p/KT）材料中原子數(shù)N（具有不小于q日勺能量）與Nr（材

料中原子總數(shù)）之比等于exp（-q/KT）。顯然溫度越高，N/NT越大；q越大，N/NT就越小。

決定反應(yīng)速率H勺重要原因是任一時(shí)刻下能量具有等于和不小于激活能Q的原子數(shù)目，這個(gè)

數(shù)目是由材料"勺能量分布來決定U勺，遵照麥克斯韋一玻爾茲曼定律。

阿倫尼烏斯定律：V=Aexp（—Q/KT）,A表達(dá)與溫度無關(guān)的速度常數(shù)，R為氣體常數(shù)，V

為反應(yīng)速率，Q是激活能。

原子間的I反應(yīng)速率取決于參與反應(yīng)的原子中能量為Q或更高歐I原子數(shù)目。阿尼烏斯定律合

用于任何熱激活的I反應(yīng)，其速度取決于Q和T。

4.寫出Fick第一定律與第二定律。闡明怎樣進(jìn)行一般的工業(yè)應(yīng)用。

菲克第一定律：J=-D^-即擴(kuò)散通量J與該截面處向濃度梯度成正比。D為擴(kuò)散能力，

dx

常稱獷散系數(shù)，負(fù)號(hào)表達(dá)擴(kuò)散從高濃度向低濃度進(jìn)行。

菲克第一定律合用于在各區(qū)域濃度不隨時(shí)間而變化狀況下所發(fā)生的擴(kuò)散（稱穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散或穩(wěn)定

擴(kuò)散）

ara「ar

菲克第二定律：容二=D號(hào),式中ac/次表達(dá)濃度隨時(shí)間的變化率。可見，非穩(wěn)態(tài)

Ctoxox

擴(kuò)散條件下，濃度隨時(shí)間時(shí)變化正比于濃度梯度的J變化，而不是濃度梯度自身。由此可推知,

在開始擴(kuò)散時(shí)，濃度梯度變化較大，故濃度隨時(shí)間變化較快，越到后來，這個(gè)變化就越慢，

因此材料通過擴(kuò)散到達(dá)均勻化，需要很長時(shí)間。

工業(yè)應(yīng)用：將低碳鋼通過滲碳到達(dá)某種較高濃度水平，或?qū)в谐煞制龅蔫T件處理到某一

相對(duì)比較均勻H勺程度。

5.原子擴(kuò)散的重要機(jī)制是什么？各自的應(yīng)用范圍、激活能及擴(kuò)散的快慢怎樣？

空位擴(kuò)散機(jī)制是擴(kuò)散原子挑入空位，同步有空位移動(dòng)與之配合。實(shí)現(xiàn)空位機(jī)制的條件是擴(kuò)散

原子啊近鄰應(yīng)當(dāng)有卒位.同步審位周圍的原子還必須具有超過能令的能量.

這種擴(kuò)散H勺激活能由原子挑動(dòng)激活能和空位形成能兩部分構(gòu)成。

在體心立方金屬（自擴(kuò)散）和合金置換固溶體（互擴(kuò)散）中，空位機(jī)制擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。在

許多面心立方、密排六方金屬或合金，以及離子化合物和氧化物中也常有這種擴(kuò)散。

間隙擴(kuò)散：在間隙固溶體中，晶體構(gòu)造中存在小日勺間隙原子，這些溶質(zhì)原子尺寸較小而易動(dòng),

該原子從一種間隙位置跳到另一種間隙位置的擴(kuò)散即為間隙擴(kuò)散。這一機(jī)制不需要空位，并

且相比之下溶劑原子的擴(kuò)散可以忽視。

激活能就是溶質(zhì)原子發(fā)生挑動(dòng)時(shí)所需的額外能量，因而必然比空位機(jī)制要小。

擴(kuò)散速度是間隙擴(kuò)散不小于空位擴(kuò)散

應(yīng)用范圍：C在丫-Fe或a-Fe中就是這種機(jī)制。

6.擴(kuò)散系數(shù)D與激活能Q及溫度T的|關(guān)系怎樣？與阿倫尼烏斯定律有何關(guān)系，并舉二、三

例闡明擴(kuò)散的工業(yè)應(yīng)用。

溫度越高，D越大，即擴(kuò)數(shù)速度越大

激活能越大，擴(kuò)散速度越慢。

半導(dǎo)體H勺摻雜、鋼件表面滲碳

7.試分析離子晶體、共價(jià)晶體和聚合物中擴(kuò)散的特點(diǎn)。

離子晶體：1）不一樣于金屬和合金，原子可以運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入附近的任何點(diǎn)陣空位或間隙位置，，

離子材料的擴(kuò)散離子只能進(jìn)入具有同樣電荷的位置。

2）與金屬相比，離子材料H勺擴(kuò)散激活能高而擴(kuò)散速率低，并且其擴(kuò)散過程遠(yuǎn)比金屬中復(fù)雜

3）陽離子擴(kuò)散系數(shù)比陰離子大。

4）大多數(shù)離子晶體的擴(kuò)散是按空位進(jìn)行口勺，也有少部分是間隙擴(kuò)散

影響擴(kuò)散的缺陷來自1）本征點(diǎn)缺陷2）摻雜點(diǎn)缺陷

共價(jià)晶體：擴(kuò)散和互擴(kuò)散仍以空位機(jī)制為主

特點(diǎn)：方向性的鍵合使共價(jià)晶體的擴(kuò)散激活能高于熔點(diǎn)相近的金屬的激活能。

應(yīng)用：半導(dǎo)體廿勺摻雜是擴(kuò)散在工業(yè)上的應(yīng)用。

8.闡明相變的條件、生核方式及固態(tài)相變的一般特點(diǎn)。

相變的成果產(chǎn)生了一種與起始相性質(zhì)大為不一樣日勺相，所產(chǎn)生的I相一般具有與原始相不一樣

的J晶體構(gòu)造。

條件：相變H勺產(chǎn)生需要相對(duì)于平衡溫度有一定的過熱過冷程度；相變之后自由能減少

生核方式：均勻形核：晶核在母相口勺微小體積中直接地自發(fā)形成。

不均勻形核：晶核在母相中依附于未溶的雜質(zhì)表面或型壁而形成的。

固態(tài)相變特點(diǎn)：1）仍然是生核與長大的過程。固態(tài)反應(yīng)非常緩慢，并經(jīng)受較大的熱滯后，

實(shí)際上很少真正到達(dá)平衡狀態(tài)：

2）在非自發(fā)形核方面，除了外來顆粒以外，母相固態(tài)構(gòu)造勺特點(diǎn)給形核帶來催化作用，

如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷以及局部的J高應(yīng)變區(qū)；

3）轉(zhuǎn)變時(shí)在總的能量項(xiàng)中，除了表面能項(xiàng)，還要包括應(yīng)變能項(xiàng)；

4）可以由總的體積變化引起，也可以由于相界面上原子鍵合的局部不適應(yīng)所引起；

5）新舊相之間傾向了有一定日勺位向關(guān)系；

6）容許轉(zhuǎn)變過程通過一種或多種亞穩(wěn)相,因而常形成過渡點(diǎn)陣.

9.歸納固態(tài)相變的重要類型及特點(diǎn)。

晶粒長大：原子運(yùn)動(dòng)跨越晶界，擴(kuò)散距離短，晶體構(gòu)造不變，并且沒有新R勺晶粒生成，不需

形核時(shí)間，反應(yīng)速率對(duì)溫度很敏感，是晶界曲率口勺函數(shù)，伴隨晶粒長大，反應(yīng)速率減少，晶

粒長大驅(qū)動(dòng)力是晶界面積叫減少。

再結(jié)晶：生成無應(yīng)變的晶粒，驅(qū)動(dòng)力是晶體內(nèi)部的儲(chǔ)存能，成分不變，晶體構(gòu)造不變，新晶

粒在原先變形晶粒的塑性變形區(qū)形成，所需時(shí)間遵照阿尼烏斯規(guī)律。

多晶型轉(zhuǎn)變：有新相生成，驅(qū)動(dòng)力是新舊兩相體積自由能差，轉(zhuǎn)變只需要很小的原子移動(dòng)，

但仍需破壞原先的結(jié)合鍵，使原子重排。

固溶與析出：固溶是將一種本來存在的相，溶解在母相中而使其消失，原子大量地?cái)U(kuò)散。

析出則是一種新相從過飽和固溶體中分離出來，同樣需要原子的大最擴(kuò)散。這兩個(gè)反應(yīng)是彼

此相反R勺。

共析反應(yīng)：冷卻時(shí)反應(yīng)將一種中間成分的單相變?yōu)閮蓚€(gè)相，這兩個(gè)相II勺化學(xué)成分位于共析成

分的兩側(cè)，需要原子的擴(kuò)散。

馬氏體轉(zhuǎn)變與回火轉(zhuǎn)變：

馬氏體轉(zhuǎn)變是由于一種或多種原子面相對(duì)于其相鄰面的剪切而導(dǎo)致的多晶型變化，無擴(kuò)散。

馬氏體的形成溫度比共析溫度低得多，轉(zhuǎn)變時(shí)由于切變作用導(dǎo)致H勺，所有原子同步移動(dòng)，且

單個(gè)原子偏離它此前鄰近原子的距離不不小于十分之一納米。

馬氏體是體心正方構(gòu)造，又硬又脆。

在溫度低于共析溫度時(shí)，只要有足夠的時(shí)間、這種碳在Fe中的過飽和固溶體將繼續(xù)向更穩(wěn)

定的鐵素體和滲碳體轉(zhuǎn)變：M（馬氏體）a+滲碳體（回火馬氏體）。這個(gè)過程工業(yè)上

稱為回火。

回火馬氏體組織：在a相上分布這許多彌散的碳化物顆粒，其韌性比亞穩(wěn)態(tài)馬氏體高諸多。

10.分析相變動(dòng)力學(xué)曲線（C曲線）的形狀特性，并分析其原因。

TTT曲線（C曲線）：測(cè)定在不一樣溫度時(shí)從轉(zhuǎn)變開始到結(jié)束以及到達(dá)不一樣R勺轉(zhuǎn)變最所

經(jīng)歷的時(shí)間，作成“溫度-時(shí)間-轉(zhuǎn)變量”曲線，簡稱TIT曲線。

由于開始轉(zhuǎn)變時(shí)量很小而不易確定，故一般以一定的轉(zhuǎn)變量，例如1%作為轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變線,

而在其之前所經(jīng)歷的時(shí)間稱為孕育期。當(dāng)過冷度增大時(shí)，相變驅(qū)動(dòng)力△gv增長而擴(kuò)系數(shù)D

減少，當(dāng)溫度減少較少時(shí)，Agv起主導(dǎo)作用，原子從舊相轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗟乃俾孰S過冷度增大

而增大，當(dāng)溫度減少甚多時(shí)，由丁D值明顯減小，擴(kuò)散原因占主導(dǎo)地位，從而找變速率伴

隨過冷度增大而減小，因此在一居中溫度轉(zhuǎn)變速率最大，因此在C曲線上看到，在中間溫

度轉(zhuǎn)變時(shí)間最短，速度最快。

11.分析等軸晶是怎樣形成的I?其他形狀晶粒有無也許形成？條件怎樣？

第八章工程材料強(qiáng)化與韌化的重要途徑

1.晶體和非晶體物質(zhì)塑性變形的機(jī)理有什么不一樣？

材料在外力作用下發(fā)生變形，假如卸載后變形不能完全消失，這種不可恢復(fù)的變形就稱為塑

性變形。塑性變形的重要特點(diǎn)是，卸載后材料會(huì)留下一定口勺殘存變形或永久變形；應(yīng)力和應(yīng)

變不再成線性關(guān)系。

塑性變形分為晶體的塑性流動(dòng)和非晶態(tài)物質(zhì)的粘性流動(dòng)，塑性流動(dòng)的重要機(jī)理是滑移，滑移

是原子面按照晶體學(xué)上有規(guī)律日勺方式互相滑動(dòng)。粘性流動(dòng)一般發(fā)生于流體，是原子或分子小

集團(tuán)自由置換其相鄰集團(tuán)的位置，非晶體材料也以粘性流動(dòng)方式產(chǎn)生永久變形，而在晶體中

一般不存在這種調(diào)換的J自由。

2.材料的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度之間有什么差異？分析導(dǎo)致這種差異的原因。

晶體的實(shí)際強(qiáng)度就是試驗(yàn)測(cè)得U勺單晶體的臨界分切應(yīng)力，而理論強(qiáng)度則是按完整晶體愀.性滑

移模型計(jì)算出口勺強(qiáng)度。

按照完整晶體剛性滑移模型，晶體滑移時(shí)晶體各部分是作為剛體而相對(duì)滑動(dòng)的，基于這一模

型以及原子間作用力正弦近似假定，可以推導(dǎo)出使完整晶體滑移面上所有原子同步滑移H勺臨

界切應(yīng)力，計(jì)算出完整晶體的剪切強(qiáng)度約為切變彈性模量的1/6,這是一種很大歐I數(shù)值；不過,

只有無缺陷H勺完整晶體才能發(fā)生剛性滑移，即滑移面上所有原子將同步滑移，而實(shí)際晶體往

往存在缺陷，因此，晶體內(nèi)實(shí)際滑移過程并不是晶體H勺一部分相對(duì)于另一部分的剛性滑移，

這種實(shí)際滑移要比剛性滑移輕易進(jìn)行，從而導(dǎo)致晶體H勺實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低r其理論強(qiáng)度。

3.分析位錯(cuò)與晶體強(qiáng)度的關(guān)系。

一種是要盡量地減少晶體中的位錯(cuò)密度，使其靠近于完整晶體，或者說制成無缺陷的完整晶

體，使金屬實(shí)際強(qiáng)度靠近于理論強(qiáng)度；另一種是盡量增大晶體中的位錯(cuò)密度，并且盡量地給

運(yùn)動(dòng)著口勺位錯(cuò)設(shè)置阻礙，以及克制位錯(cuò)源的活動(dòng)。

4.Cu、Au等金屬的屈服強(qiáng)度較低，而a-Fe、Cr等金屬的強(qiáng)度較高，導(dǎo)致這種差異的重

要原因是什么？

由于Cu、Au等金屬是面心立方晶體，而a—Fe、Cr等金屬是體心立方晶體，面心立方晶

體的滑移方向多于體心立方晶體，因此位錯(cuò)在面心立方晶體上移動(dòng)時(shí)受到的阻力較小，因此

導(dǎo)致屈服強(qiáng)度上的差異。

5.指出晶體材料的基本強(qiáng)化途徑。

冷變形強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化

6.比較固溶強(qiáng)化與第二相強(qiáng)化的機(jī)理有什么不一樣。

固溶強(qiáng)化：合金兀素溶于金屬基體中形成固溶體而使金屬強(qiáng)度、硬度升高H勺現(xiàn)象，稱為固溶

強(qiáng)化。

機(jī)理：一是溶質(zhì)原子H勺溶入使固溶體的晶格發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生附加的應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)R勺

運(yùn)動(dòng)；二是溶質(zhì)原子常常被吸附在位錯(cuò)線的附近，減少了位錯(cuò)的能量狀態(tài)。

笫二和強(qiáng)化：材料通過基體中分布有細(xì)小彌散的笫二相質(zhì)點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)化的措施，稱為笫二相

強(qiáng)化或分散強(qiáng)化。

機(jī)理：當(dāng)移動(dòng)口勺位錯(cuò)與第二相質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，受到質(zhì)點(diǎn)日勺阻擋，位錯(cuò)線無法穿過這些硬質(zhì)點(diǎn)，

位錯(cuò)只有繞著它發(fā)生彎曲、伴隨外加應(yīng)力的增大，位錯(cuò)線受阻部分的彎曲加劇，以至繞著粒

子的位錯(cuò)線在左右兩邊相遇，于是正負(fù)號(hào)位錯(cuò)彼此抵消，形成包圍粒子的位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)線H勺

其他部分則越過粒子繼續(xù)移動(dòng)。這樣第二相硬顆粒構(gòu)成了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，同步也增長了位

錯(cuò)線的長度，從而提高了合金的屈服強(qiáng)度。此為繞過機(jī)制，有時(shí)位錯(cuò)線可以直接通過第二相，

則稱切割機(jī)制，也產(chǎn)生強(qiáng)化效果。

7.分析韌性斷裂過程。發(fā)生韌性斷裂后，斷口形式與材料自身的性質(zhì)有什么關(guān)系？

韌性斷裂一般發(fā)生在具有良好H勺塑性和韌性的金屬上，其斷裂方式是穿晶斷裂。在斷裂部件

上往往可以觀測(cè)到大量的變形，包括頸縮現(xiàn)象。變形是在斷裂之前發(fā)生H勺。一般，韌性斷裂

起因于單純口勺過載，即材料受到了過高應(yīng)力。

三個(gè)階段：試樣拉伸產(chǎn)生明顯塑性變形之后，某處出現(xiàn)頸縮，由于縮頸的幾何形狀會(huì)引起三

向拉應(yīng)力，最大軸向拉應(yīng)力位于試樣中心，在此拉應(yīng)力作用下，試樣中心開始產(chǎn)生微孔；微

孔在試樣中心長大和聚合，從而在中心形成圓片狀裂紋，這裂紋沿著垂直于拉應(yīng)力作用日勺方

向往外伸展；裂紋到試樣邊緣以大概和拉伸軸成45°的方向迅速擴(kuò)展，直到最終剪切斷開

這最終階段導(dǎo)致一種剪切唇，剪切唇與拉伸軸約呈45°,對(duì)應(yīng)于剪切應(yīng)力方向。

發(fā)生韌性斷裂后形成的斷口根據(jù)材料自身力學(xué)性能口勺不一樣有三種經(jīng)典口勺斷口形式：1）為

純度極高口勺純鋁拉伸時(shí)的新口，這是直到最終一點(diǎn)截面皆以頸縮的形式破斷H勺純頸縮斷口；

2）純度不高的銅拉伸時(shí)的雙杯型斷口；3）低碳鋼拉伸時(shí)常見的杯錐型斷口；對(duì)于低強(qiáng)度

的金屬和合金，拉伸試件的斷口往往體現(xiàn)為杯錐斷口、雙杯斷口和純破裂斷口。

8.用Griffith理論解釋發(fā)生脆性斷裂時(shí)，實(shí)際斷裂強(qiáng)度低于理論斷裂強(qiáng)度的原因。

由于固體內(nèi)部本來就存在著某種微裂紋;材料II勺脆性斷裂就是由裂紋U勺形成與隨即U勺擴(kuò)展兩

個(gè)階段構(gòu)成，根據(jù)Griff葉理論，這些預(yù)存裂紋對(duì)于任何微塑性的，也就是永久變形能力很

小的材料，均有損強(qiáng)度。尤其是那種長度方向與作用應(yīng)力垂直的裂紋，會(huì)在裂紋端部引起極

為嚴(yán)重日勺應(yīng)力集中，從而使該處H勺實(shí)際局部應(yīng)力到達(dá)材料的理論強(qiáng)度。

9.影響脆性斷裂的原因重要有哪些？

溫度：溫度對(duì)材料的脆性有很大影響，溫度越高，韌性越好，溫度越低則越脆。溫度對(duì)脆性

的影響程度與材料的構(gòu)造有著親密的關(guān)系。

化學(xué)成分：合金元素在強(qiáng)化金屬的同步也會(huì)減少金屬的塑性，強(qiáng)化效果越明顯，塑性下降越

多，脆性斷裂口勺也許性越大；雜質(zhì)元素會(huì)明顯增長金屬的脆性。

組織和晶粒度：脆性組織越多，脆性越高；晶粒越細(xì)小，材料強(qiáng)度、塑韌性均會(huì)提高。

應(yīng)力分布：材料上一點(diǎn)的J最大拉應(yīng)力。max與最大剪應(yīng)力分展Tmax的I比值用來做為分析

與否輕易發(fā)生脆性斷裂的根據(jù)。比值越大，材料口勺脆性越大，越輕易發(fā)生脆性斷裂。

環(huán)境：材料工作在特殊H勺環(huán)境和介質(zhì)中，會(huì)增長對(duì)脆性斷裂H勺敏感性，使其在較低載荷下發(fā)

生脆性斷裂。

10.細(xì)化晶粒在提高材料強(qiáng)度的同步也提高韌性，為何？在生產(chǎn)中有哪些實(shí)際的應(yīng)用。

晶粒越細(xì)小，晶界面積越漕長，位錯(cuò)密度也增大，從而強(qiáng)度升高。同步，與細(xì)晶伴生的晶內(nèi)

滑移帶短，位錯(cuò)塞積群口勺應(yīng)力集中效應(yīng)不如粗晶明顯，化外，細(xì)晶?？谏鬃冃尾痪鶆颥F(xiàn)象有所

緩和等，這些均有助于韌性的I改善。

應(yīng)用：孕育鑄鐵、鋁硅基鑄造鋁合金都是通過專門的處理措施，通過增長液態(tài)金屬結(jié)晶過程

中的非自發(fā)生核數(shù)目或促使液體過冷來細(xì)化組織日勺；在合金滲碳鋼和合金工具鋼中，通過加

入強(qiáng)烈碳化物形成元素，以制止加熱時(shí)晶粒長大，從而獲得細(xì)晶組織。

11.指出提高陶瓷材料強(qiáng)度及增韌的重要途徑。

制造微晶、高密度、高純度的）陶瓷；消除表面缺陷，可有效地提高材料日勺實(shí)際強(qiáng)度和韌性；

在陶瓷表面引入壓應(yīng)力，可提高材料的強(qiáng)韌性；細(xì)化晶粒；復(fù)合增韌；相變?cè)鲰g

12.分析陶瓷材料相變?cè)鲰g的機(jī)理。

相變引起U勺體積膨脹，需要消耗大量II勺功和能，使裂紋尖端的應(yīng)力松弛了；體積膨脹會(huì)促使

裂紋閉合，制止裂紋的擴(kuò)展。

13.比較表面化學(xué)熱處理與表面淬火熱處理在金屬材料表面強(qiáng)化和表面改性方面的I作用機(jī)

理。

表面化學(xué)熱處理是將工件放在具有欲滲元素的特定介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻的措施，

使介質(zhì)中某些元素滲透工件表面并向內(nèi)擴(kuò)散，以變化表層的化學(xué)成分和組織，從而使工件表

面具有與內(nèi)部不一樣的特殊性能U勺一種表面強(qiáng)化及表面處理措施。

表面淬火熱處理：表層迅速加熱淬火是以很快日勺速度對(duì)工件進(jìn)行加熱，使工件表層溫度迅速

升到AC3以上，進(jìn)行奧氏體化，而心部溫度仍在AC如下，然后將其急冷淬火，得到心部

為鐵素體與珠光體之混合組織，表層為馬氏體組織。馬氏體回火后可得到合適的硬度、強(qiáng)度、

而心部的I混合組織有較高的韌性和塑性。

14.綜合分析和論證工程材料強(qiáng)化和韌化的意義、可行性、重要途徑和機(jī)理。

第九章工程材料的制備

1.礦石于冶煉前為何要進(jìn)行預(yù)處理？有哪些預(yù)處理措施？作用是什么？

從礦山直接開采出來的礦石稱為原礦，原礦所具有用礦物的成分往往波動(dòng)很大，有時(shí)會(huì)伴有

大量無價(jià)值口勺礦物，即脈石，并且粒度相差也很懸殊。因此大部分礦石無論從物理性質(zhì)還是

化學(xué)性質(zhì)來看，都不能到達(dá)直接進(jìn)行冶煉H勺規(guī)定，必須進(jìn)行多種預(yù)處理，以提高經(jīng)濟(jì)性和冶

煉產(chǎn)品口勺質(zhì)量。預(yù)處理日勺重要作用是提高入爐礦石的品質(zhì)，增長入爐料的熟料比，使高爐多

用或所有使用燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，保持入爐料潔凈，縮小原料粒度上的差距。

預(yù)處理措施

選礦:是不變化原礦石中有用礦物成分而除去脈石，提高原礦石中有用礦物口勺品味，同步清

除有害雜質(zhì)，為下一步冷煉提供高端、雜質(zhì)少的優(yōu)質(zhì)原料H勺過程；

干燥和燃燒：為了節(jié)省冶煉工序中的熱能，便于礦石口勺搬運(yùn)和向爐內(nèi)供料等作業(yè)，防止水分

引起的反應(yīng)性能減