Fundamentals of Materials Science and Engineering
材料科学与工程基础知识点复习
第一章绪论
一、学习目的：
材料科学家或工程技术人员经常遇到的问题是设计问题，而设计问题主要涉及机械、民用、化学和电。而这些领域都要涉及到选择材料问题。
如何选择材料是非常重要的，选材包含两方面一个是满足性能要求，另一方面是成本低，即所谓―合理选材‖。
材料的性能与其成分和内部的组织结构密切相关，材料的组织结构与加工过程有关。本课程的目的就在于掌握加工过程和材料的组织结构以及性能之间的关系。为今后进行材料设计和合理选材打下理论基础。
二、本章主要内容
1、简介材料的发展史
2、材料科学与工程的含义和内容
3、材料的分类
4、先进材料
5、现代材料的需求
三、重要术语和概念
metal: 金属
ceramic: 陶瓷polymer: 聚合物Composites: 复合材料Semiconductors: 半导体Biomaterials: 生物材料
Processing: 加工过程
Structure: 组织结构
Properties: 性质
Performance: 使用性能
Mechanical properties: 力学性能
Electrical properties: 电性能
Thermal behavior: 热性能
Magnetic properties: 磁性能
Optical properties: 光性能
Deteriorative characteristics: 老
化特性
第二章原子结构与化学键
一、学习目的
我们在自然界中观察到各种现象，归根结底是物质的不同表现形式，也就是说物质构成了世界。自然界中所有物体均由化学元素及其化合物所组成，同样，各种固体材料也都是由一种或多种元素的原子结合而成的。学习物质的原子结构和化学键合，是认识和研究各类材料在结构与性能方面所表现出来的个性和共性的基础，也是正确认识和理解材料的性能的重要依据。
二、本章主要内容
1、原子结构模型
玻尔模型：
1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现（普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等）的基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设（1）任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；（2）电子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在离核最近的轨道上；（3）只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱，存在局限性。
量子力学模型：
量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基
本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔
（E.Schr?dinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标（直角坐标x，y，z或者极坐标r，θ ，φ ），它的因变量是电子波的振幅（ψ）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量（ ），具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式ψ=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。
为了得到电子运动状态合理的解，必须引用只能取某些整数值的三个参数，称它们为量子数，这三个量子数可取的数值及它们的关系如下：
主量子数：n=1,2,3,4…；角量子数：l=0,1,2…,(n-1)；磁量子数：m=0,±1,±2,±3…,…l。
2.描述有关电子能量的量子力学法则
四个量子数
主量子数（n）：用来描述原子中电子出现几率最大区域离原子核的远近，是决定电子能量高低的主要因素。n=1，2，3，4…；在光谱上用K，L，M，N，O，P表示。
角量子数（ι）:角量子数是描述原子轨道形状的物理量，ι=0（S轨道），球形，ι=1（P轨道），哑铃形，ι=2（d轨道），花瓣形；ι=0，1，2，3…,（n-1）.
磁量子数（m）：描述电子绕核运动的角动量在空间给定方向上的分量是量子化的;m
±
=0,±1, ±2,…, ±ι。
自旋量子数（m
s
）：电子在绕核高速运动同时，还有自身旋转
运动，顺时针和逆时针两个方向：m
s
=±
1
2
原子核外电子的排布和能量状态：
Pauli不相容原理：在同一个原子中没有四个量子数完全相同的电子。
能量最低原理：电子在原子中所处的状态，总是尽可能分布到能量最低的轨道上。
Hund规则：电子分布到能量相同的等价轨道上时，总是尽先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。
3.原子间的相互作用
原子（或离子）之间的相互的吸引能，排斥能和总作用能随其原子间距离变化而变化。
r
N N
r r
A R
A R
E F dr
F dr F dr
E E
∞
∞∞
=
=+
=+
?
??
4.化学键
离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用，无方向性、无饱和性。离子键程度与元素的电负性有关。
共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负电区域的吸引力，不是正负离子间的静电力。共价键有方向性和饱和性。
金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，被称为是金属键。
氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。氢键具有方向性和饱和性。
范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为V an der waals 键。
5、基本要求
了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。
能够描述有关电子能量的量子力学法则。
能够画出两个原子（或离子）的吸引能，排斥能和总作用能随其原子距离变化的关系图。
能够指出这个图中的平衡距离和键能。
能够简单描述离子键，共价键，金属键，氢键和范德华键。
能够列出以这些化学键结合的典型物质。
三、重要名词
Atomic mass unit (amu): 原子质量单位
Atomic number: 原子数
Atomic weight: 原子量
Bohr atomic model: 波尔原子模型Bonding energy: 键能
Coulombic force: 库仑力
Covalent bond: 共价键
Dipole (electric): 偶极子electronic configuration: 电子构型electron state: 电位Electronegative: 负电的
Electropositive: 正电的
Ground state: 基态
Hydrogen bond: 氢键
Ionic bond: 离子键
Isotope: 同位素
Metallic bond: 金属键
Mole: 摩尔
Molecule: 分子
Pauli exclusion principle: 泡利不相
容原理
Periodic table: 元素周期表
Polar molecule: 极性分子
Primary bonding: 强键
Quantum mechanics: 量子力学
Quantum number: 量子数
Secondary bonding: 弱键
valence electron: 价电子
van der waals bond: 范德华键
Wave-mechanical model: 波粒二象
性模型
四、例题
例1、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？
答：主量子数n、轨道角动量量子数l
i 、磁量子数m
i
和自
旋角动量量子数s
i
。
例2、在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？
答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
例3、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？
答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增
加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，
非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，但从
上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，
失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非
金属性降低。
例4、锡的原子序数为50，除了4f亚层之外，其他内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定锡的价电子数。
答：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2；锡的价电子数为4。例5、已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的强弱。
答：1s22s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；ⅣA族；亚金属
Ge。
例6、A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似地用下式表示：
100
]
1[
(%)2)
(
25
.0?
-
=-
-
B
A
e
ICχ
χ
式中x A和x B分别为A和B元素的电负性值。已知Ti，O，In 和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb 的IC（%）。
解：对TiO
2
：%
2.
63
100
]
1[
(%)2)5.15.3)(
25
.0
(=
?
-
=-
-
e
IC
对InSb：%
0.1
100
]
1[
(%)2)7.19.1)(
25
.0
(=
?
-
=-
-
e
IC
例7 Al2O3的密度为3.8g/cm3,试计算：①1mm3中存在多少个原子？②lg中含有多少个原子？
1s22s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；ⅣA族；亚金属Ge。解：①Al2O3的相对分子质量M=26.98?2+16?3=101.96
1mm3中所含原子数为
20
23
3
10
12
.1
5
10
023
.6
96
.
101
10
8.3
1
?
=
?
?
?
?
?-
（个）
②1g中所含原子数为22
2310
95
.2
5
10
023
.6
96
.
101
1
?
=
?
?
?
（个）
第三章金属与陶瓷的结构
一、学习目的
材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。
二、本章主要内容
在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。主要内容包括：1、晶体和晶胞
晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称
性。
晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。 2、 金属的晶体结构
金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。金属晶体的三种类型和特征为：
面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。晶胞的原子数为4。晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R
之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74.
体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与
原子半径R
之间的关系为：a =
晶胞中原子堆积系数APF=0.68.
密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）
。/c a
≈
APF=0.74。 金属晶体密度： C A
nA V N ρ=
.
3、陶瓷的晶体结构
陶瓷晶体中大量存在的是离子晶体，由于离子键不具有方向性和饱和性，有利于空间的紧密堆积，堆积方式取决于阴阳离子的电荷和离子半径r 的相对大小。
配位数与配位多面体：在晶体中，离子或原子周围与它直接相邻的异号离子或原子的个数称为配位数，正离子周围负离子数不同，形成的配位多面体形状不同，导致离子晶体的空间构型不同。
离子晶体的密度:()C A C A
n A A V N ρ'+
=
∑∑
4、晶体学基础
晶胞参数：通过晶胞上的某一点（习惯取左下角后面的点），沿晶胞的三个棱边作坐标轴X ，Y ，Z 的长度a ，b ，c 和三条棱边的夹角α，β，γ这6个参数为晶胞参数，可以表示晶胞的大小和形状。
晶系：晶系是根据晶胞外形即棱边长度之间关系和晶轴夹角情况对晶体进行分类，故只考虑a ，b ，c 是否相等，α，β，γ是否相等和是否呈直角等因素，不涉及晶胞中原子的具体排列。晶系只有7种，如表3.6所示。
空间点阵：为了便于分析讨论晶体中原子或分子的排列情况，把它们抽象为规则排列于空间的无数个几何点，各个点周围的环境相同，这种点子的空间排列称为空间点阵。
布拉维（Bravais ）点阵：按照每个阵点周围环境相同的要求，布拉维用数学方法确定，只能有14种空间点阵，这14种点阵就被称为布拉维点阵，它们又归属于7个晶系中。（附图，表）。
在研究和分析有关晶体问题时，常涉及晶体的某些方向
（称为晶向）和平面（称为晶面），为了便于表示，国际上通用的是密勒（Miller ）指数，标注的方法如下：
晶向指数：晶向指数用[uvw]表示（三轴定向），其中u 、v 、w 三个数字是晶向矢量在参考坐标系X 、Y 、Z 轴上的矢量分量经等比例化简而得出。
晶向族：晶体中原子周期排列相同的所有晶向为晶向族，用
晶面指数：晶面指数用（hkl ）（三轴定向）表示一组平行晶面，称为晶面指数，数字hkl 是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
晶面族：在对称性高的晶体中（如立方晶系），往往有并不平行的两组以上的晶面，原子排列状况是相同的，这些晶面就构成了晶面族，用{hkl}。
六方晶系指数：六方晶系的晶面和晶向指数可以采用同样的上
述方法（三轴定向）标定，但存在不能显示晶体的主要特征的缺点，故采用四轴定向。a 1、a 2、a 3和c 四个晶轴，a 1、a 2、a 3 之间的夹角为120o ,c 轴与它们垂直。此时，晶面指数用（hkil ）（四轴定向）来表示，标定方法仍同三轴定向相同。
六方晶系按照两种晶轴系所得的晶面指数和晶向指数可以互相转换。对晶面指数从（hkil ）转换成(hkl)只要去掉i 即可；反之加上i=-(h+k)。对晶向指数[u`v`w`]与[uvtw]之间的转换为：u=n/3(2u`-v`)，v=n/3(2v`-u`)，t=-(u+v),w=nw` 晶带：所有相交于某一晶向直线上或平行与此直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴。
晶面间距与晶面夹角：不同的{hkl}晶面，其间距各不相同，总体上是，低指数的晶面间距较大，高指数的晶面间距较小。 5、晶体中的紧密堆积
根据质点的大小不同，晶体中球体的紧密堆积分为等径球体和不等径球体。
金属可看作为等径球体，等径球体的最紧密堆积方式有六方最紧密堆积和面心立方最紧密堆积两种。等径球体最紧密堆积时，存在两种类型的间隙，即八面体间隙（六个原子之间的间隙）和四面体间隙（四个原子之间的间隙），四面体空隙小于八面体空隙。最紧密堆积空隙的分布情况是：每个球周围有8个四面体空隙和6个八面体空隙。n 个等径球体最紧密堆积时，整个系统的四面体间隙为2n 个，八面体间隙为n 个。
陶瓷多为离子晶体，即晶体的紧密堆积属于不等径球体的堆积。不等径球体堆积时，大球首先按最近密堆积方式堆积，小球填充在大球堆积形成的四面体或八面体空隙中，具体的填充还要取决于离子的相对大小。 6、非晶态
非晶态固体指原子在空间排布上没有长程有序的固体。非晶态固体中包含大量无规取向的小的有序畴，每个原子周围近邻原子的排列仍具有一定规律，呈现一定的几何特征。因而，非晶态结构的基本特征是短程有序而长程无序。 7、基本要求
描述晶体与非晶体在原子（或分子）结构上的不同。 能够画出面心立方，体心立方和六方密堆积结构晶体的晶胞。
推导面心立方和体心立方结构晶体中的晶胞边长与原子半径的关系。
利用它们的晶胞，计算具有面心立方和体心立方结构的金属晶体的理论密度。
画出氯化钠，氯化铯，硫化锌，金刚石，萤石和钙钛矿型的晶体的晶胞；画出石墨和一种硅酸盐玻璃的原子结构图。 利用一种化合物的化学式和其组分的离子半径，决定其晶体结构。
画出晶胞中与所给三个方向整数所对应的方向。 指出晶胞中所画面的密勒指数。
知道为什么体心立方结构和六方密堆积结构是最紧密堆积结构；知道氯化钠晶体的阴离子最紧密堆积结构。 区别单晶和多晶材料。
明确材料性能的各向同性和各向异性。 三、重要概念
Allotropy: 同素异形现象 Amorphous: 无定形 Anion: 阴离子 Anisotropy: 各向异性
atomic packing factor(APF): 原子堆积因数 body-centered cubic (BCC): 体心立方结构 Bragg ‘s law: 布拉格定律
Cation: 阳离子
coordination number: 配位数 crystal structure: 晶体结构 crystal system: 晶系 crystalline: 晶体的 diffraction: 衍射
face-centered cubic (FCC): 面心立方结构
例 1. 纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量A r （Al ）=26.97，原子半径R=0.143nm ，求铝晶体的密度。 解：纯铝晶体为面心立方点阵，每个晶胞有4个原子，点镇常
数a 可由原子半径求得。
405nm .0143nm .022R 22a =?==
所以密度
3
3
37
23
3
0r cm
/696g .2cm
)10405.0(10
023.64
197g
.26a
N 41)Al (A =????=
=
-ρ
例2. 铝为一立方结构，α0=0.4049nm ，在一个厚度为0.005cm ，面积为25cm 2的薄片内有多少个单位晶胞？该薄片质量为0.3378g ，问该薄片有多少个铝原子构成？单位晶胞中有几个原子？
解：薄片的体积为：
V f =25×0.005=0.125cm 3=0.125×1021nm 3
单位晶胞的体积为： 3
3
c 06638nm
.0)4049
.0(V ==
薄片内的单位晶胞数为：
n= V f / V c =0.125×1021/0.06638=1.88×1021个
此外，可按质量计算薄片的Al 原子数。
已知薄片质量为0.3378g ，Al 原子相对质量为26.98。 按阿弗加德罗常数可得薄片中Al 原子数：
21
23
23
10
53.798.26/10
02.63378.010
02.626.980.3378
n ?=??=?=个
根据薄片中的原子数和单位晶胞数可求得单位晶胞中的铝原子数n Al 为：
n Al =7.53×1021/1.88×1021=4
因此Al 的单位晶胞由4个原子构成，可知金属铝为面心立方结构。
例3. 对于具有面心立方结构和体心立方结构的同质多晶原子晶体，根据面心立方结构的原子半径，计算转变为体心立方结构时的原子半径，假设晶体的体积不变。 解：面心立方结构的晶胞体积为：
V 1=a 13=31)R 22(=16
2
R 13
体心立方结构的晶胞体积为：
V 2=a 23=（4/3R 2）3=64/9
3
R 23
面心立方和体心立方晶体的密度分别为： ρ1=n 1/ V 1；ρ2=n 2/ V 2
已知晶型转变时体积不变，也即密度不变。 则 ρ1=ρ2 n 1/ V 1= n 2/ V 2
式中面心立方结构n 1=4，体心立方结构n 2=2，因此
3
2
3
1
R 3
3642R 216
4=
113
1
2
972R .0R 3829R
=???
?
??=
例4. Al 2O 3的密度为3.8Mg/m 3（3.8g/cm 3）。
（1）1mm 3中存在多少原子？
（2）1g 中有多少原子？（已知A r （Al ）=26.98, A r （O ）=16）
解：（1）Al2O3的相对分子质量为
Mr （Al2O3）=26.98×2+16×3=101.96
96
.10110
8.33
-?×6.02×1023×5=1.12×1020个/mm3
（2）3
10
8.31
-?mm3/g×1.12×1020个/mm3=2.95×1022个/g
例5. 氧化镁（MgO ）与氯化钠（Nacl ）具有相同的结构。已知Mg 的离子半径R Mg +2=0.066nm ，氧的离子半径R O -2=0.140nm 。 （1）试求氧化镁的晶格常数？ （2）试求氧化镁的密度？
解：氧化镁是一个离子化合物。因此，计算时必须使用离子半径而不能使用原子半径。
（1）
氯化钠的晶体结构如图1-1所示。由图可知，氧化镁的晶格常数
a=2（R Mg +2+R O -2）=2（0.066+0.140）=0.412nm
（2）
每一个单位晶胞中含有4个Mg +2及4个O -2；1mol 的Mg +2具有24.31g 的质量，1mol 的O -2具有16.00g 的质量
密度
=
??
?
???+?=
3
2323
a
10
02.600g .1610
02.631g .244ρ()
()
3
23
3
7
cm
/83g .310
02.6cm
10
412.000g .1631g .244=???+-
例6.（1）在固态钽（Ta ）里，1mm 3中有多少原子？ （2）试求其原子的堆积密度为多少？
（3）它是立方体的，试确定其晶体结构为多少？（原子序数为73；相对原子质量为180.95；原子半径为0.1429nm ；离子半径为0.068nm ；密度为16.6mg/m 3） 解：（1）
()个
23
3
3
10
02.6/95g .180mm
/g 10
6.16??-=5.52×1019个/mm 3
（2） 原子的堆积密度APF =
π3
4（0.1429×10-6
）
3
×5.52×1019
=0.675
（3） 因APF ≈0.68，所以其晶体结构为bcc 。
例7. 钻石（图2-1）的晶格常数a=0.357nm ，当其转换成石墨（ρ=2.25Mg/m 3，或 2.25g/cm 3）时，试求其体积改变的百分数？
解：从图2-1可知，每单位晶胞中共有8个碳原子。 A=0.357nm ，1mol 的C 具有质量12g ，钻石的密度 ρ=
()
23
3
7
10
02.6cm
10
357.012g
8????-=3.505g/cm 3
对于1g 碳，钻石的体积
V 1=3
cm
/505g .31
=0.285cm 3/g 石墨的体积 V 2=
3
cm
/25g .213
=0.444cm 3/g
故膨胀百分率=
285
.0285
.0444.0V V V 2
1
2-=
-=56%
例8. bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm 3；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞的体积是0.0486nm 3。当铁由bcc 转变成fcc 时，其密度改变的百分比为多少？ 解：铁的相对原子质量为55.85。 ρbcc =
3
21
23
cm
10
02464.02
1002.6/85g .55-???=7.53g/cm 3
ρ
f cc =
3
21
23
cm
10
0486.04
1002.6/85g .55-???=7.636g/cm 3
%4.1%10053
.753.7636.7=?-=?ρ
ρ
例9. 画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），（123）；[010]，[011]，[111]，[231]，[321]。
图2-2立方晶系中的一些晶面和晶相
解：如图2-2（a ）所示。AHED 为（010），AHFC 为（011），BHF 为（111）。
如图2-2（b ）所示。KLF 为（231），FIJ 为（123），OB 为[011]。
如图2-2（c ）所示。GH 为[010]，GD 为[111]。 如图2-2（d ）所示。OM 为[321]，ON 为[231]。 例10. 在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。
图2-3八面体中的晶面和晶相指数
解：八面体中的晶面和晶向指数如图2-3所示。图2-3中A ，B ，C ，D ，E ，F 为立方晶胞中6个表面的面心，由它们构成的正
八面体其表面和棱边两两互相平行。
ABF 面平行CDE 面，其晶面指数为（111）；ABE 面平行CDF 面，其晶面指数为（111）；ADF 面平行BCF 面，其晶面指数为（111）。ADE 面平行BCF 面，其晶面指数为（111）。 棱边
，
DF //EB ,CF //EA ,EC //AF ,ED //B F ,B C //AD ,DC //AB 其晶向指数分别为[110]，[110]，[101]，[011]，[011]，[101]。
对角线分别为,EF ,AC ,DB 其晶向指数分别为[100]，[010]，[001]。
例11 在六方晶体中， （1） 绘出以下常见晶面：（0211），（0101），（2110），（0011），（0121）
； （2）
求出图2-5中所示晶向的晶向指数。
图2-1钻石型结构
图2-4六方晶体中常见晶面 图2-5 晶向
解：（1）六方晶体中常见晶面如图2-4所示。 （2）图2-5中，OA 晶向的确定：
在三轴制中，其晶向为[011]；在四轴制中，其指数的确定有两种方法：
1） 根据M-B 指数法， 在四个晶轴的投影分别为?1/2，
1，?1/2，1；将前三个数值
乘以2/3，得?1/3，2/3，?1/3；再与第四个数一起化为简单整数，即得[1213]。
2） 根据矢量作图法，选择适当路线，依次移动，最后
达到欲标定方向上的某一点。将沿各方向移动距离化为最小整数即可（当然应使a 3=?（a 1+ a 2））。该图中，若沿四个晶轴依次移动的距离为?1/3，2/3，?1/3，1。将其化为最小整数，即得[1213]。
例12 在面心立方和体心立方中，最密排的平面的米氏符号是什么？
解：在面心立方堆积中，由（100），（010）和（001）三个面的对角线所构成的平面是最密排的面。因此，它的米氏符号为（111）。
在体心立方堆积中，由（001）面的对角线和c 轴构成的平面是最密排的面。因此，它的米氏符号为（110）。 例13 有一个AB 型面心立方结构的晶格，密度为8.94g/cm 3，计算其晶胞常数及原子间距。
解：设该晶体的原子相对质量为M ，晶胞体积为V 。在面心立方紧密堆积晶胞中，原子数为n=4。据此可求得晶胞体积：
V=94
.81002.6M 4N nM 23
0???=ρ =743M （nm 3）
晶胞参数：
a 0=
3
V =3743M =9.06M 1/3（nm ）
在面心立方密堆中原子半径与晶格参数之间有如下关系： a 0=2
2R
式中R 为原子半径。设原子间距为d=2R 则 d=2（2
2a 0）=6.4M 1/3（nm ）
3.25 Two characteristics of the component ions in crystalline
ceramic materials influence the crystal structure: the magnitude of the electrical charge on each of the component ions, and the relative sizes of the cations and anions.
3.38 4, So, there are 4 Cd2+ and S2- ions in per unit cell.
3.41 1,so, it is a cesium chloride crystal structure ,for only this structure includes only one formula unit in per unit.
3.42 8 so, on the basis of Tab.3.14, all the atoms in per unit cell take up space. APF=0.651
3.44 APF=0.796 3.45 0.69
3.46 There are three primary polymorphic crystalline forms of silica:quartz,cristobalite ,and tridymite. Their structures are relatively complicated, and comparatively open ;that is ,the atoms are not closely packed together. As a consequence, these crystalline silicas have relatively low densities. 3.47 109.47°
3.66 (a) the stacking sequence for the zinc blende is FCC, because the centers of the third plane are situated over the C sites of the first plane. This yields an ABCABC… stacking sequence; that is, the atomic alignment repeats every third plane. (b) Tetrahedral positions.(from Fig.3.7) (c) 1/2
第四章 聚合物结构
一、学习目的
许多的化学成分和结构的特征影响聚合物材料的性质和行为特点。这些特点表现为如下己方面： 1、聚合物的结晶度关系到密度、硬度、强度、塑性。 2、聚合物的胶联度关系到橡胶类材料的硬度。
3、聚合物的化学特性关系到其熔化和玻璃化转变温度。 二、本章的主要内容
1、根据聚合物的链的结构能够描述典型的聚合物分子，以及由重复的链节产生怎样的分子。
2、画出聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯的链节结构。
3、计算聚合物的数量和重量平均分子量以及数量和重量平均聚合度
4、命名和简要说明 (a) 聚合物四种通常的分子结构 (b) 三种类型立构 (c) 两种几何异构体 (d) 四种共聚物
5、叙述热固性和热塑性聚合物的分子和表现行为上的区别。
6、简要描述聚合物材料的晶体结构
7、简要描述或表述半晶体聚合物的球粒状结构 三、重要术语和概念 covalent bonds: 共价键 hydrogen bonds: 氢键 van der Waals bonds: 范德华键（分子键） Hydrocarbons: 烃: 由碳和氢组成的物质 methane (CH4) 甲烷 Ethylene C2H4 乙烯 acetylene, C2H2 乙炔 Unsaturated Hydrocarbons: 不饱和烃 Saturated Hydrocarbons: 饱和烃 Paraffin: 石蜡 Macromolecule: 高分子 Isomerism: 同质异构 Mer: 链节:组成聚合物链重复单位的原子集合。 Polymer: 聚合物，由小重复单元（链节）组成的具有高分子量的固体非金属（通常是有机物）物质。 Monomer: 单体:由一个简单链节组成的分子。 Polyethylene: (PE)聚乙烯 (PTFE): 聚四氟乙烯 Polyvinyl chloride (PVC): 聚氯乙烯 Polypropylene (PP): 聚丙烯 Polystyrene(PS): 聚苯乙烯 Polymethyl methacrylate (PMMA): 聚甲基丙烯酸酯 Phenol-formaldehyde (Kakelite): 酚醛树脂（电木） Polyhexamethylene adipamide(nylon 6,6): 尼龙66 Polyethylene terephthalate (PET, a polyester): 聚乙烯对苯二酸酯
Polycarbonate: 聚碳酸酯
Homopolymer(均聚物): 由相同链节组成的链状聚合物。
Copolymer(共聚物): 由两种或多种不同链节组成分子链的聚合物。
Bifunctional(二功能的): 对于单体单元具有两个悬空键，可以形成二维链状分子结构。
Trifunctional mer(三功能的):链节单位具有三个悬空键。 Molecular Weight: 分子量
The number-average molecular weight: 数均分子量 式中：Mi: 分子量在某范围内的平均分子量。xi=在相应范围内分子链数占总数的分数。
weight-average molecular weight: 质(重)均分子量
式中：Mi: 一定范围内的分子量 xi: 具有相同间隔分子量范围，各范围的重量分数。
Degree of polymerization (n): 聚合度(n) 每个聚合物链包含链节数的平均值。
分子结构：
Linear Polymers: 线型聚合物
Branched Polymers: 支链型聚合物 Crosslinked Polymers: 交联型聚合物 Network Polymers: 网络型
Thermoplastic Polymers: 热塑性聚合物
这种聚合物当加热时变软冷却时变硬。所以当这种颗粒壮的物质处于软态时能够由模具成型或挤压成型。 Thermosetting Polymers: 热固型聚合物
这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化，再进行加热时将不能变软或熔化。
其中ρc: 全部为晶体时的密度； ρs: 具有部分晶体聚合物的密度； ρa:完全为非晶时的密度。
聚合物可以从完全的非晶到几乎全部的晶体（95%）
四、主要例题、习题的分析
1.例题4.1
聚氯乙烯分子量的分布见书中图4.3，求(a)数均分子量 (b)数均聚合度 (c)质均分子量。 解：有关数据见书中表4.4a
(a) 由i i n
M x M ∑= =21150 g/mol
(b) 聚氯乙烯链节中原子C, H 和Cl 的原子量分别为12.01, 1.01和35.45 g/mol
所以m = 2(12.01 g/mol) + 3(1.01 g/mol) + 35.45 g/mol = 62.50 g/mol (c) 由书中图 4.3b 得
i
i
w
M w M
∑=
=23200g/mol
2、习题4.4
聚丙烯的数均分子量为1,000,000 g/mol.计算其数量平均聚合度。
解：聚丙烯链节的分子量为：
m = 3(A C ) + 6(A H ) = (3)(12.01 g/mol) + (6)(1.008 g/mol) = 42.08 g/mol 则数量聚合度23700
/08.42/106
==
=
mol
g mol g m
M n
n
n
3、习题4.6
聚丙烯分子量数据见书中习题4.6，计算(a)数均分子量 (b)质均分子量 (c)数均聚合度 (d)质均聚合度 解：
(a) 从数据表我们可以计算数量平均分子量n
M ,数量平均重量
如下
分子量范围 平均Mi x i x i M i 8,000–16,000 12,000 0.05 600 16,000–24,000 20,000 0.16 3200 24,000–32,000 28,000 0.24 6720 32,000–40,000 36,000 0.28 10,080 40,000–48,000 44,000 0.20 8800 48,000–56,000 52,000 0.07 3640
i
i
n
M x M
∑=
= x i M i = 33040 g/mol
(b) 重量分子量 参照(a) (略) (c) 聚丙烯链节分子量
m = 3(A C ) + 6(A H ) = (3)(12.01 g/mol) + (6)(1.008 g/mol) = 42.08 g/mol
785
/08.42/33040==
=
mol
g mol g m
M n n
n m
(d) 参照(c) (略)
4、习题4.11
对于线形聚合物分子，整个的链长与链中原子间的键长d 、分子中键的总数N 和邻近主链原子间的夹角θ有关。
)
2
sin(
θNd L = (4.11) 此外，连续聚合物分子两端点间的平均距离见图(4.6)
N d r = (4.12)
一个线形的聚四氟乙烯(PTFE)其数均分子量为500000g/mol ，试计算此材料的平均L 和r ？
解：首先计算n n
由书中表4.3可知每个链节有2个碳和4个氟原子
所以 m = 2(A C ) + 4(A F )= (2)(12.01 g/mol) + (4)(19.00 g/mol) = 100.02 g/mol
则：5000/2.100/500000===mol
g mol g m
M n n n
这个值就是沿着平均链的链节数。由于每个链节有2个碳原子，所以每个链节有2个C ––C 键。即分子中全部键的数量
N =(2)(5000)=10,000个键
进一步假设一个C-C 键长d = 0.154 nm ，θ = 109o . (见4.4节) 则：nm
nm Nd L
o
1254)]2
109)[sin(
154.0)(10000()2
sin(
===θ
所以2端点的平均距离
nm nm N d
r 4.1510000)154.0(===
5、习题4.19
一种聚乙烯（苯乙烯-丁二烯）交替共聚物的数均分子量为1350000g/mol 。求每个分子苯乙烯和丁二烯链节的平均数。 解：由于是交替共聚物，所以两种链节的数量是相同的。将它们考虑成单链节来决定其数均聚合度。
对于苯乙烯链节有8个碳原子和8个氢原子，丁二烯链节包含4个碳原子和6个氢原子。因此，苯乙烯-丁二烯复合链节的分子量
为
m = 12(A C ) + 14(A H ) = (12)(12.01 g/mol) + (14)(1.008 g/mol) = 158.23 g/mol 所以数均聚合度8530
/23.158/1350000==
=
mol
g mol g m
M n n
n
所以每个分子平均有8530个双链节。
6、习题4.28 计算具有完全晶体结构的聚乙烯的密度。如图4.10所示聚乙烯具有正交晶系的晶胞并且每个晶胞包含两个相同的乙烯链节。 解：由等式3.5 A
c N V nA =
ρ
n 代表一个晶胞中的链节数此处 n=2, A 为链节的分子量聚乙烯链节的分子量A = 2(A C ) + 4(A H )= (2)(12.01 g/mol) + (4)(1.008 g/mol) = 28.05 g/mol
V C 代表单胞的体积等于晶胞三个边长的乘积（见图4.10）
所以
3
23
8
8
8
/998.0)
/10
023.6(/)10
55.2)(10
94.4)(10
41.7()
/05.28)(/2(cm
g mol mers uc cm cm cm mol g uc mers N V nA A
c =????=
=
---ρ
4.25 (a) The crystalline state may exist in polymeric materials. However, since it involves molecules instead of just atoms or ions, as with metals and ceramics, the atomic arrangements will be more complex for polymers. We think of polymer crystallinity as the packing of molecular chains so as to produce an ordered atomic array. Crystal structures may be specified in terms of unit cells, which are often quite complex.
The degree of crystallinity may range from completely amorphous to almost entirely crystalline; by way of contrast , metal specimens are almost always entirely crystalline .Semi crystalline polymers are ,in a sense ,analogous to two-phase metal alloys ,discussed in subsequent chapters. 4.28 ρ=0.998g/cm 3
第五章 晶体缺陷
一、学习目的
材料的性质决定于其组成原子的性质及其结构（原子空间位置和相互作用关系）。绝对理想化的晶体材料由于其原子性质和结构都是唯一确定的，所以其性质也是唯一确定的。这样一来材料理想化晶体材料的性质就非常容易研究，材料世界中也会非常单调古板。庆幸的是实际材料中存在很多对理想晶体的偏离（所谓晶体缺陷）。这些偏离使实际材料的性质产生了许多变数，造就了我们面前的多彩的材料世界。可以说材料的性质决定于其中晶体缺陷的种类和分布（结构）。因此材料科技工作者必须要掌握材料中已知缺陷的种类、性质、结构、表征方法和这些缺陷对材料的各种性质的影响规律。从而解释为什么这种材料在经过这样处理之后会有这样的性质。
应该说，我们对晶体缺陷的认识还不全面。随着理论深化、表征手段的完善，晶体缺陷的知识在增加。本章的另外一个重要目的是向同学展示晶体缺陷相关问题的研究思路和方法，培养大家对此类问题的研究能力。 二、本章的主要内容
1、描述空位和自空隙原子晶体缺陷。
2、已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。
3、说出两种固溶体类型，并且简要写出各自的定义，画出草图。
4、说出并描述在陶瓷化合物中发现的八种不同的离子点缺陷。
5、已知一金属的分子质量以及其中两种或两种以上元素的原子量，计算每一种元素的质量百分比和原子百分
比。 6、对于刃型位错、螺型位错和混合位错：(a)描述并且画
出每一种位错；(b)标出位错线的位置；(c)标明位错线的延伸方向。
7、描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。
三、重要术语和概念 Alloy: 合金 A metallic substance that is composed of two or more elements. 由两种及以上元素组成的金属材料。 W eight percent (wt%)：质量百分数 Concentration specification on the basis of weight (or mass) of a particular element relative to the total alloy weight (or mass). Stoichiometry: 正常价化合物 For ionic compounds, the state of having exactly the ratio of cations to anions speci-fied by the chemical formula. 在离子化合物中，正、负离子的比例严格遵守化学公式定义的化合价关系。 Imperfection: 缺陷，不完整性 A deviation from perfection; normally applied to crystalline materials wherein there is a deviation from atomic/molecular order and/or continuity. 对完美性的偏离，在材料科学领域中通常指晶体材料中原子/分子在排列顺序/连续性上的偏离。 Point defect: 点缺陷 A crystalline defect associated with one or, at most, several atomic sites. 一种仅波及一个或数个原子的晶体缺陷。 V acancy: 空位 A normally occupied lattice site from which an atom or ion is missing. 一个缺失原子或离子的晶格节点位置。 V acancy diffusion: 空位扩散 The diffusion mechanism wherein net atomic migration is from lattice site to an adjacent vacancy. 一种扩散机制，此时原子的净迁移是从晶格节点位置迁移到相近的空位中。 Self-interstitial: 自间隙原子 A host atom or ion that is positioned on an interstitial lattice site. 处于自身晶格间隙中的原子或离子。 Schottky defect: 肖脱基缺陷 In an ionic solid, a defect consisting of a cation –vacancy and anion –vacancy pair. 在离子晶体中的一种缺陷结构，它是由一个阳离子空位和一个阴离子空位组成的空位对。 Atomic vibration:原子振动 The vibration of an atom about its normal position in a substance. 材料中原子在其平衡位置附近的振动。一般说来，这种振动与温度相关，温度越高，振动的幅度越大，因此也称为原子热振动。 Substitutional solid solution: 置换固溶体
A solid solution wherein the solute atoms replace or substitute for the host atoms.
溶质原子取代或代替溶剂原子而形成的固溶体。 Interstitial diffusion: 间隙扩散
A diffusion mechanism whereby atomic motion is from interstitial site to interstitial site.
一种扩散机制，此时原子的运动是从晶格间隙位置迁移到另一个相近的间隙位置。
Interstitial solid solution: 间隙固溶体
A solid solution wherein relatively small solute atoms occupy interstitial positions between the solvent or host atoms.
相对尺寸较小的溶质原子占据溶剂或晶格原子之间间隙位置所形成的固溶体。 Solid solution: 固溶体
A homogeneous crystalline phase that contains two or more chemical species.
Both substitutional and interstitial solid solutions are possible. 包含两种或两种以上元素的均匀单相。固溶体可以以置换固溶体或间隙固溶体的形式存在。
Solid-solution strengthening: 固溶体强化
Hardening and strengthening of metals that result from alloying in which a solid solution is formed.
The presence of impurity atoms restricts dislocation mobility. 由于形成固溶体的合金化过程引起的金属硬化和强化，其机制是异类原子的存在限制了位错的可动性。 Solute: 溶质
One component or element of a solution present in a minor concentration.
It is dissolved in the solvent.
溶液（固溶体）中，含量较少的组元或元素。溶质溶解在溶剂中。
Solution heat treatment: 固溶处理，均匀化退火
The process used to form a solid solution by dissolving precipitate particles.
Often, the solid solution is supersaturated and metastable at ambient conditions as a result of rapid cooling from an elevated temperature.
让沉淀物融解而形成固溶体的热处理过程。通常情况下，从固溶处理温度下快速冷却，形成室温下亚稳态过饱和固溶体。 Solvent: 溶剂
The component of a solution present in the greatest amount. It is the component that dissolves a solute.
溶液（固溶体）中，含量最大的组元，此组元溶解了溶质。
Burgers vector (b
): 柏氏矢量
A vector that denotes the magnitude and direction of lattice distortion associated with a dislocation.表示位错引起晶格畸变程度和方向的矢量。
Composition (C i ): 成分，组成
The relative content of a particular element or constituent (i ) within an alloy, usually expressed in weight percent or atom percent.
合金中某一元素或组分的相对含量，通常用质量百分数或原子百分数来表示。
Defect structure: 缺陷结构，缺陷组态
Relating to the kinds and concentrations of vacancies and interstitials in a ceramic compound.
在陶瓷化合物中，与空位、间隙原子的类型和偏聚有关的缺陷组态。
Dislocation: 位错
A linear crystalline defect around which there is atomic misalignment.
晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排。
Plastic deformation corresponds to the motion of dislocations in
response to an applied shear stress. Edge, screw, and mixed dislocations are possible.
在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。 Screw dislocation: 螺型位错
A linear crystalline defect associated with the lattice distortion created when normally parallel planes are joined together to form a helical ramp.
The Burgers vector is parallel to the dislocation line.
一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。
螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。 Mixed dislocation: 混合位错
A dislocation that has both edge and screw components. 同时含有刃型分量和螺型分量的位错。 Dislocation density: 位错密度
The total dislocation length per unit volume of material; alternately, the number of dislocations that intersect a unit area of a random surface section.
在单位体积材料中包含位错的长度，或者说在材料内部任意单位截面上位错线的根数。 Dislocation line: 位错线
The line that extends along the end of the extra half-plane of atoms for an edge dislocation, and along the center of the spiral of a screw dislocation.
刃型位错中多余半原子面边缘的连线，或者螺型位错中错排螺旋的中心轴线。
Edge dislocation:刃型位错
A linear crystalline defect associated with the lattice distortion produced in the vicinity of the end of an extra half plane of atoms within a crystal.
The Burgers vector is perpendicular to the dislocation line.
一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。 刃型位错的柏氏矢量垂直与其位错线。 Electroneutrality: 电中性
The state of having exactly the same numbers of positive and negative electrical charges (ionic and electronic), that is, of being electrically neutral.
材料中一种正负电荷（离子和电子）数目精确相等的状态。在此状态下，材料是不带电的。 Frenkel defect: 弗仑克尔缺陷
In an ionic solid, a cation –vacancy and cation –interstitial pair. 在离子固体中的阳离子-空位对和阳离子-间隙原子对。 Grain: 晶粒
An individual crystal in a polycrystalline metal or ceramic. 金属或陶瓷多晶体中的一个单独的小晶体。 Grain boundary: 晶界
The interface separating two adjoining grains having different crystallographic orientations.
把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。 Grain growth: 晶粒长大
The increase in average grain size of a polycrystalline material; for most materials, an elevated-temperature heat treatment is necessary.
在多晶体材料中晶粒平均尺寸的增加，对大多数材料来说，这需要在一定温度下进行热处理。 Grain size: 晶粒尺寸
The average grain diameter as determined from a random cross section.
从材料任一横截面上测量的晶粒直径的平均值。 Microscopy: 显微术，显微镜学
The investigation of microstructural elements using some type of microscope.
用某种类型的显微镜对材料微观组织情况进行的研究。 Microstructure: 显微组织
The structural features of an alloy (e.g., grain and phase structure) that are subject to observation under a microscope.
在显微镜下观察到的某合金的结构特征（例如：晶粒和相的组织结构特征）。
Photomicrograph: 显微组织照片
The photograph made with a microscope, which records a microstructural image.
在显微镜下拍摄，记录显微组织结构形态的照片。 Scanning electron microscope: 扫描电子显微镜，SEM
A microscope that produces an image by using an electron beam that scans the surface of a specimen; an image is produced by reflected electron beams.
Examination of surface and/or microstructural features at high magnifications is possible.
使用一束电子流扫描样品表面，用样品产生的反射电子束产生图象的一种显微镜。扫描电子显微镜的应用使对样品的表面特征和显微组织特征进行高倍观察成为可能。
Scanning probe microscope: 扫描探针显微镜，SPM A microscope that does not produce an image using light radiation. Rather, a very small and sharp probe raster scans across the specimen surface; out-of-surface plane deflections in response to electronic or other interactions with the probe are monitored, from which a topographical map of the specimen surface(on a nanometer scale) is produced.
一种不用光学射线产生图象，而是用非常尖锐的探针依次横扫描过样品表面,
利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用（如样品-探针间的隧道电流或相互作用力等），得到样品相关性质（如电子态密度、形貌、摩擦力、磁畴结构等），因而统称为扫描探针显微镜（SPM ）
Transmission electron microscope: 透射电子显微镜，TEM A microscope that produces an image by using electron beams that are transmitted (pass through) the specimen.
Examination of internal features at high magnifications is possible. 透射电子显微镜是用穿过样品的透射电子束产生样品组织形貌像的显微镜。在透射电子显微镜上，可以在高倍下研究样品的内部结构特征。
四、主要例题、习题的分析
Example Problem 5.1 ( 晶体中点缺陷的平衡浓度分析)
Calculate the equilibrium number of vacancies per cubic meter for copper at 1000℃. The energy for vacancy formation is 0.9eV/atom; the atomic weight and density (at 1000°C) for copper are 63.5g/mol and 8.40g/cm 3, respectively. SOLUTION:
Farther consideration:
4
510
74.2)1273)(/1062.8(9.0exp )
exp()exp(--?=?
??????-=-
=-=K K eV eV kT Q kT Q N
N v v v
由此可见材料中缺陷数是一个非常大的绝对量，但是一个非常小的比例。
5.28 Copper and platinum both have the FCC crystal structure and
Cu forms a substitutional solid solution for concentrations up to approximately 6 wt% Cu at room temperature. Compute the unit cell edge length for a 95 wt% Pt-5 wt% Cu alloy.
5.29 Cite the relative Burgers vector –dislocation line orientations for edge, screw, and mixed dislocations.
5.31 (a) The surface energy of a single crystal depends on the
crystallographic orientation with respect to the surface. Explain why this is so.
(b) For an FCC crystal, such as aluminum, would you expect the surface energy for a (100) plane to be greater or less than that for a (111) plane? Why? Design Problems
5. D1* Aluminum-lithium alloys have been developed by the aircraft industry in order to reduce the weight and improve the performance of its aircraft. A commercial aircraft skin material having a density of 2.55 g/cm 3 is desired. Compute the concentration of Li (in wt%) that is required.
5. D2* Iron and vanadium both have the BCC crystal structure and V forms a substitutional solid solution in Fe for concentrations up to approximately 20 wt%V at room temperature. Determine the
concentration in weight percent of V that must be added to iron to yield a unit cell edge length of 0.289 nm.
第六章 扩散
一、学习目的
材料热加工过程所涉及到材料相变、形变过程中，经常发生材料内部的原子迁移现象。尤其是热处理过程中材料的组织转变方式，组织转变的最终结果都与扩散发生的程度有关。为了获得预期的显微组织结构，为了获得最佳的生产效率，材料工作者需要控制扩散的速度。通过扩散理论模型模拟化学热处理过程（如钢铁齿轮的渗碳、渗氮过程）、预测处理后的组织和性能等工程应用已经非常成功。通过本章的学习将能够理解原子在固体中扩散的机制、基本规律和扩散的宏观模型；能够用这些理论分析材料热加工过程和高温服役过程中的相关现象，预测过程终点时候材料的性能。 二、本章的主要内容
1． 说出并描述两种原子扩散机制。 2． 区别恒稳态扩散和非恒稳态扩散。 3． (a)用方程的形式写出菲克第一定律和第二定律，并解释所有的参数。 (b)指出每个方程通常用在什么类型的扩散中。 4． 向半无限长固体中扩散，并且固体表面扩散原子的浓度保持不变，写出这种情况下，菲克第二定律的解法。 5． 已知扩散常数的近似值，计算一些材料在给定温度下的扩
散系数。 6． 写出金属和离子固体扩散机制的一个不同之处。 三、重要术语和概念 Diffusion: 扩散 Mass transport by atomic motion. 固体中原子，或分子等，通过热运动而发生长程迁移，或宏观物质传输现象。 这里所谈的原子迁移，在是指固体中原子脱离它原来的平衡位置跃迁到另一平衡位置的位移。从产生扩散的原因来看，原子的迁移主要分为两大类，一类称为化学扩散，它是由于扩散物质在固体中分布不均匀、在化学浓度梯度的推动下产生的扩散；另一类称为自扩散，它是在没有化学浓度梯度情况下，
仅仅由于热振动而产生的扩散。自扩散现象只有采用放射性同位素技术才能察觉。此外，还有应力场、热场和电场等所引起
的扩散。 Diffusion flux (J ): 扩散通量 The quantity of mass diffusing through and perpendicular to a unit
3
25
5
3
3
6
3
23
/102.2)1273)(/1062.8(9.0exp /5.63)
/10)(/40.8)(/10
023.6()
exp()exp(m
vacancies K K eV eV mol
g m cm cm g mol atoms kT Q A N kT Q N N v Cu
A v v ?=??
?????-??=
-
=-
=-ρ
cross-sectional area of material per unit time.
单位时间内通过一个垂直与扩散方向上单位横截面积内的通过物质量。
Diffusion coefficient (D): 扩散系数
The constant of proportionality between the diffusion flux and the concentration gradient in Fick‘s first law.
Its magnitude is indicative of the rate of atomic diffusion.
Fick第一定律中，扩散通量和浓度梯度之间的比例系数。其量级表示了原子扩散的速度。
Fick’s first law: 菲克第一定律，扩散第一定律
The diffusion flux is proportional to the concentration gradient. This relationship is employed for steady-state diffusion situations. 扩散通量与浓度梯度成正比例。这种关系被用于描述稳定态扩散。
Fick’s second law: 菲克第二定律，扩散第二定律
The time rate of change of concentration is proportional to the second derivative of concentration.
This relationship is employed in non steady-state diffusion situations.
浓度对时间的变化率成正与浓度对距离的二阶导数。这种关系被用于描述非稳定态扩散。
Steady-state diffusion: 稳定态扩散
The diffusion condition for which there is no net accumulation or depletion of diffusing species.
The diffusion flux is independent of time.
扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩散过程是稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定态扩散。
Nonsteady-state diffusion: 非稳定态扩散
The diffusion condition for which there is some net accumulation or depletion of diffusing species.
The diffusion flux is dependent on time.
扩散过程中，扩散组元存在净堆积或净亏空的扩散过程是非稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间有关的扩散过程是非稳定态扩散。
Self-diffusion: 自扩散
Atomic migration in pure metals.
纯金属中的原子迁移过程。
Interstitial diffusion: 间隙扩散
A diffusion mechanism whereby atomic motion is from interstitial site to interstitial site.
晶体扩散机制的一种。间隙原子由一个间隙位置迁移至邻近的间隙位置所构成的扩散。V acancy diffusion: 空位扩散
The diffusion mechanism wherein net atomic migration is from lattice site to an adjacent vacancy.
一种扩散机制，这时候原子的净迁移过程是从晶格结点位置移动到邻近的空位中。
Activation energy (Q): 激活能，Q
The energy required to initiate a reaction, such as diffusion.
开动某一反应或过程，例如扩散过程，所需要的能量。Carburizing: 渗碳
The process by which the surface carbon concentration of a ferrous alloy is increased by diffusion from the surrounding environment.
从周围环境中向铁基合金表面扩散碳，从而使其表面碳浓度提高的工艺过程。
Component: 组分
A chemical constituent (element or compound) of an alloy, which may be used to specify its composition.
合金的任一组成（可以是元素或化合物），可以被用于区分其构成成分。
Any of the minimum number of substances required to specify completely the composition of all phases of a chemical system. 组分：任一能完全区分各种化学系统所有构成成分所必需的最少量物质。
Composition (C i), Concentration: 成分，C i
The relative content of a particular element or constituent (i) within an alloy, usually expressed in weight percent or atom percent. Also call it concentration.
合金中某一元素或组分的相对含量，通常用质量百分数或原子百分数来表示。也称为浓度。
Concentration gradient (dC/dx): 浓度梯度，
dX
dC
The slope of the concentration profile at a specific position.
浓度曲线某一点处的斜率。
Concentration profile: 浓度曲线
The curve that results when the concentration of a chemical species is plotted versus position in a material.
在材料中，某种化学物质的浓度随其位置关系变化的曲线。Interdiffusion, impurity diffusion: 互扩散
Diffusion of atoms of one metal into another metal.
一种金属中的原子向另一种金属中的扩散叫互扩散，又称为杂质扩散。
四、主要例题、习题的分析
EXAMPLE PROBLEM 6.2 Consider one such alloy that initially has a uniform carbon concentration of 0.25 wt% and is to be treated at 950℃ (1750℉). If the concentration of carbon at the surface is suddenly brought to and maintained at 1.20 wt%, how long will it take to achieve a carbon content of 0.80 wt% at a position 0.5 mm below the surface? The diffusion coefficient for carbon in iron at this temperature is 1.6X10-11 m2/s; assume that the steel piece is semi-infinite.
解：由题义可知，这是表面浓度恒定的非稳定态扩散问题，可以根据菲克第二定律来求解（公式6.5）。已知数据：
C0= 0.25 wt% C
C s=1.20 wt% C
C x=0.80 wt% C
x =0.50 mm= 5X 10-4 m
D=1.6 X10-11 m2/s 因此，
?
?
?
?
?
?
?
?
=
?
?
?
?
?
?
?
?
?
-
=
-
-
=
-
-
-
-
t
62.5s
erf
0.4210
/s
m
10
1.6
t
2
m
10
5
erf
1
0.25
1.20
0.25
0.8
C
C
C
C
2
1
2
11
4
s
x
至此，我们应该从表6.1中查出误差函数的值。由于表中没有erf = 0.4210
3794
.0
4284
.0
3794
.0
4210
.0
35
.0
40
.0
35
.0
-
-
=
-
-
z
即：392
.0
=
z
第七章力学性质一、学习目的
对于工程师来说，了解不同的材料力学性质如何被测量以及这些性质所代表的内容，是他们的职责所在。他们可能会被要求应用预先规定的材料进行结构或者组分设计，从而使得这些材料不会发生可承受之外的变形或者断裂。
二、本章的主要内容
1．定义工程应力与工程应变。
2．陈述Hooke定律，并且指出保证定律有效所遵循的条件。3．定义泊松比。
4．已知工程应力－应变曲线图，确定（a）弹性模量；(b)屈服强度（残余应变0.002时）；（c）拉伸强度；（d）估算延伸百分比。
5．对于一个延性柱体样品的拉伸形变，描述样品直至断裂的剖面的变化过程。6．对于一个承受张力并直至断裂的材料，根据其延展百分比与面积还原率来计算材料的延展度。
7．根据三点负荷法，计算陶瓷棒弯曲至断裂的弯曲强度。8．描绘出聚合物材料中所观察到的三种典型应力－应变特性的示意图。
9．给出两种最常见的硬度测量技术，并指出二者的不同。10．(a)指出并简要描述两种不同的显微硬度测量技术；（b）列举这些技术一般被应用的情况。
11．计算延展性材料的工作应力。
三、重要术语和概念
Anelasticity: 滞弹性
In most engineering materials, elastic deformation will continue after the stress application, and upon load release some finite time is required for complete recovery. This
time-dependent elastic behavior is known as anelasticity.
应力施加后，大多数工程材料弹性形变都会持续，并且撤去加载，样品的完全回复也需要一定的时间。这种与时间相关的弹性行为称为滞弹性。
Design stress: 设计应力
For static situations and when ductile materials are used, design stress, σd, is taken as the calculated stress level σc (on the basis of the estimated maximum load) multiplied by a design factor, N', that is σd= N'σc, where N' is greater than unity.
对于静态条件以及延展性材料的情况下，设计应力σd是计算的应力σc（即估算的最大载荷）乘以一个设计因子N'，即σd= N'σc，其中N'大于1。
Ductility: 延伸度
Ductility is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture.
延伸度是指材料在断裂时发生的塑性形变程度的量度。Elastic deformation:弹性形变
Deformation in which stress and strain are proportional is called elastic deformation. Elastic deformation is nonpermanent, which means that when the applied load is released, the piece returns to its original shape.
应力与应变成正比关系的形变称为弹性形变。弹性形变是非永久性的，即撤去加载后，样品可恢复初始的形状。
Elastic recovery：弹性回复
Elastic recovery means that when the applied load is released, the piece returns to its original shape.
弹性回复是指当样品所受应力撤销后，其完全回复到初始形状的现象。
Elastomer:弹性体
Elastomer is a class of polymers whose deformation displayed by strain-stress curve is totally elastic, i.e., large recoverable strains produced at low stress levels.
弹性体是聚合物的一个种类，它的应力－应变曲线表明其变形是完全弹性的，即很低的应力变化就会产生很大的可回复应变。
Engineering strain:工程应变
Engineering strain ε is defined according to ε = (l i-l0)/l0 = Δl/l0, in which l0 is the original length before any load is applied, and l i is the instantaneous length. Sometimes the quantity l i-l0 is denoted as Δl, and is the deformation elongation or change in length at some instant, as referenced to the original length. Engineering strain is unitless.
工程应变ε由方程ε = (l i-l0)/l0 = Δl/l0定义，这里l0是样品加载前的初始长度，l i是加载瞬间的长度，有时l i-l0也用Δl来表示，即代表与初始长度相比较，某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。工程应变是没有单位的。
Engineering stress: 工程应力Engineering stress σ is defined by the relationship σ = F/A0, in which F is the instantaneous load applied perpendicular to the specimen cross section, in units of newtons (N), and A0 is the original cross-sectional area before any load is applied (m2). The units of engineering stress are megapascals, MPa.
工程应力σ的定义为σ = F/A0，这里F是加载在垂直样品横截面的瞬间载荷，单位为牛顿，A0是加载前样品的初始横截面积（单位m2），工程应力单位为MPa。
Flexural strength: 抗弯强度
For the brittle ceramic materials, flexural strengths are determined by the stress at fracture in transverse bending tests.
对脆性陶瓷材料来说，抗弯强度即为横向弯曲试验中样品断裂时的应力。
Hardness:硬度
Hardness is a measure of the resistance to localize plastic deformation.
硬度是材料抵抗局部塑性形变的量度。
Modulus of elasticity: 弹性模量
For most metals that are stressed in tension and at relatively low levels, stress and strain are proportional to each other through the relationship σ = Eε. This is known as Hooke’s law, and the constant of proportionality E (GPa) is the modulus of elasticity, or Young’s modulus.
大多数金属在较低的拉力作用下，应力和应变成正比关系，可表达为σ = Eε，这就是胡克定理，比例常数E（GPa）就是弹性模量，或杨氏模量。
Plastic deformation:塑性形变
As the material is deformed beyond the strain that elastic deformation persists, the stress is no longer proportional to strain, and permanent, nonrecoverable, or plastic deformation occurs.
当材料的形变超出弹性形变发生的范围，其应力将不再与应变成正比，永久的、不可回复的形变发生，即为塑性形变。Poisson’s ratio: 泊松比
Poisson’s ratio represents the negative ratio of transverse and longitudinal strains.
泊松比的定义为样品横向应变与轴向应变的相反数。Proportional limit:比例极限
For metals that experience the gradual elastic-plastic transition, the point of yielding is determined as the initial departure from linearity of the stress-strain curve and this is sometimes called the proportional limit.
对于金属逐步的弹塑性形变转变，其屈服点确定为应力－应变曲线非线性关系的开始，这个点也被称为比例极限。Resilience:弹性
Resilience is the capacity of a material to absorb energy during elastic deformation.
弹性是指材料在弹性形变中吸收能量的能力。
Safe stress:安全应力
Safe stress is based on the yielding strength of the material and is defined as the yield strength divided by a factor of safety, N, or σw =σy /N.
安全应力是基于材料的屈服强度，它定义为屈服强度除以一个安全因子N ，或σw =σy /N 。 Tensile strength: 抗拉强度
Tensile strength corresponds to the maximum tensile stress that may be sustained by a specimen.
抗拉强度是指样品可能承受的最大拉伸应力。 Toughness: 韧性
Toughness is a measure of the ability of a material to absorb energy up to fracture.
韧性是指材料在断裂前所能吸收能量的量度． True strain: 真应变
True stain εT is defined by εT =ln(l i /l 0), in which l 0 is the original length before any load is applied, and l i is the instantaneous length.
真应变εT 的定义为εT =ln(l i /l 0)，其中l 0是样品加载前的初始长度，l i 是瞬间长度。 True stress: 真应力
True stress σT is defined as the load F divided by the
instantaneous cross-sectional area A i over which deformation is occurring, or σT = F/A i .
真应力σT 定义为形变发生时，载荷F 与瞬间横截面积A i 的比值，或者σT = F/A i 。 Yielding: 屈服
For metals, the phenomenon of yielding occurs at the onset of plastic or permanent deformation.
金属的屈服是指塑性或者永久形变开始发生的现象。 Yield strength: 屈服强度
Yielding strength is indicative of the stress at which plastic deformation begins.
屈服强度是指塑性形变开始发生时的应力。
四、主要例题、习题的分析
例7.1 一个铜板最初长度为305 nm ，受到276 MPa 的应
力的拉伸，假如发生的形变是完全弹性的，则伸长量最终为多少？
解：
因为形变是弹性的，根据公式7.5，应变与应力有关，更进一步说，通过公式7.2ε=(l i -l 0)/l 0=Δl/l 0，伸长值Δl 与初始长度l 0有关。结合这两个表达式，可以解得Δl 有：
E
l l E
l l E 0
)(
σεσ=
??==
σ和l 0的值分别为276MPa 和305mm ，由表7.1可知铜的杨氏模量E 为110GPa ，将以上值代入表达式可得到伸长值为
mm
MPa
mm MPa l 77.010110)305)(276(3
=?=
?
例7.2 在一个直径为10mm 的圆柱型黄铜棒的长轴方向施
加一个拉应力，假设所产生的形变为完全弹性，那么使得直径产生2.5×10-3mm 的改变所需要的载荷为多少。
解：
当作用力F 被施加到样品上时，样品在Z 方向将被拉长，同时直径在x 方向上将减少Δd=2.5×10-3mm 。
在x 方向的应变为：
4
3
10
5.21010
5.2--?-=?-=
?=
mm
mm
d d x ε
这个值为负，因为直径是减小的。
随后应用公式7.8计算Z 方向的应变。黄铜的泊松比为0.34，因此
4
4
10
35.734
.0)
10
5.2(--?=?--
=-
=v x
Z εε
应用公式7.5和弹性模量可以计算施加的应力，弹性模量如表7.1为97 GPa ，则：
MPa
MPa E Z 3.71)1097)(10
35.7(3
4
=??==-εσ
最后，由公式7.1可以确定所施加的力为：
N
m
m N d A F 5600)
2
10
10(
)/103.71()2
(
2
3
2
6
2
00=??===--ππ
σσ
例7.3 由图7.12所给出的黄铜样品的拉伸应力－应变行为，确定：
(a)弹性模量；
(b)残余应变为0.002时的屈服强度；
(c)初始直径为12.8mm 的圆柱型样品所能承受的最大载荷；
(d)若样品的初始长度为250mm ，则承载拉伸应力345GPa 时其长度的变化。
解：
(a)弹性模量是指应力－应变曲线的弹性或初始线性部分
的斜率。为了便于计算，图7.12插图中的应变轴被拉伸。此线性部分的斜率是其宽度除以其高度，或者是其应力的变化除以相应的应变的变化，其数学表达式为：
1
212εεσσε
σ--=
??=
=slope E
因为线性部分通过原点，则σ1和ε1为零。如果我们选取
σ
2为
150MPa ，那么ε
2的值为
0.0016。
因此：
GPa
MPa E 8.930
0016.0)0150(=--=
此值很接近表7.1中所给的黄铜的弹性模量值GPa 97。 (b)0.002残余应变线已经由插图给出，它与应力－应变曲线的交点大约为250MPa,即为黄铜的屈服强度。
(c)样品所能承受的最大负载可由公式7.1计算得到,方程中σ是拉伸强度，由图7.12可知,其值为450MPa 。解关于最大负载F 的方程：
N
m
m N d A F 9000,57)2
10
8.12)(
/10450()2
(
2
3
2
6
2
00=??===-ππσσ
(d)为了计算公式7.2中的长度变化l ?，我们首先要确定由345MPa 应力所产生的应变数值。在应力－应变曲线上定位应力点A ，从应变轴上读取相应的应变值，由图可知其值接近0.06。因此，当l 0=250mm,我们可以得到：
)
6.0(15)250)(06.0(0in mm mm l l ===?ε
例7.4 圆柱形铁样品初始直径为12.8mm ，拉伸测试直至断裂，得到其工程断裂强度
f
σ
是460MPa ，如果断裂时其横
截面的直径为10.7mm ，计算：
(a)根据面积缩减率确定其延展度； (b)断裂时的真实应力。 解：
(a)延展度可由公式7.12计算：
%
301007.1289.897.128100)2
8.12()27.10()2
8.12(
%2
2
2
2
2
2
=?-=
?-=
mm
mm
mm
mm
mm
mm
RA π
π
π
(b)真实应力可由方程7.15计算得到，本题中选取的面积为断裂面积A f ，然而首先，我们要由断裂强度计算断裂时的载荷：
N
mm
m
mm m N A F f 200,59)101)(
7.128)(/10460(2
6
2
2
2
6
0=?==σ
因此，真实应力为：
MPa
m N mm
m
mm N
A F f
r 660/106.6)
101)(
9.89(200,592
82
6
2
2
=?==
=
σ
例7.5. 利用方程7.19计算合金应变-硬化指数n ，其中真实应力为415MPa ，所产生真实应变为0.10，假定Ｋ值为1035MPa.
解：
这需要对方程7.19进行代数变换，使n 变为关联参数，采用对数变换并重新调整，得n 值为：
40
.0)
1.0log()
1035log()415log(log log log =-=
-=
MPa MPa K
n T
T εσ
7.20 （a ）In Table7.1, the metals of Tungsten, steel, nickel,
titanium and copper are suitable candidates.
（b ）In Table7.1, the metals of Tungsten, steel and nickel may be used.
7.22 分别从概念、原子论角度、施加应力后的应变、材料的差
别（或对应的材料）等几个方面阐述。
7.23 从屈服强度来看，只有Steel alloy and Titanium alloy 才有可能。
另外：对于Steel alloy 而言：E >大于126MPa,合适。
对于Titanium alloy 而言：不合适。
7.24 从屈服强度来看，只有Steel alloy and Brass alloy 才有可能。
另外：?l <0.9mm, E 必须 >大于133MPa, 因此Steel alloy 合适。
7.25 (a) E = 231GPa(b) About 350MPa (c) Approximately 520MPa.(d) Approximately 580MPa.
7.27 （a ）σ=566 MPa, 大于520MPa, 因此产生塑性变形。（b ）
增长1.225mm.
7.29 A0=πd02/4=3.14*12.82mm2/= 128.6mm2 σ=F/A0
ε= ?l /l0 , l0 =50.8mm
第八章 变形和强化机制
一、学习目的
材料在加工和服役过程中不可避免产生变形。研究材料变形的基本原理既是预防材料服役中产生变形、断裂等失效的需要，也是设计材料塑性变形加工工艺的需要。本章的学习目的就是通过了解晶体材料的变形过程和影响因素，掌握材料变形和强化机制。
增加材料塑性变形抗力的方法叫材料强化，由于晶体材料的塑性变形主要由晶格位错运动实现，因此材料的强化机制本质是阻碍位错运动。细化晶粒产生更多的晶界以阻碍晶间位错运动；固溶合金化或引入强化相也可有效地阻碍晶格位错的运动；材料在塑性变形过程中会产生位错，因而使随后的位错运动受到抑制，导致材料强化（即加工硬化或形变强化），这些都是晶体材料有效的强化机制。
用晶体材料强化的思路研究高分子材料的弹性变形和塑性变形过程，探讨塑料、橡胶等高分子材料的强韧化机制也是本章的教学目的之一。
二、本章的主要内容
1． 从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。 2． 施加切应力会使刃型位错和螺型位错运动，描述塑性变形是怎样由位错运动产生的。 3． 定义滑移系，并举例说明。 4． 描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。 5． 说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有着大晶粒的金属强度大。 6． 从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。 7． 从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化（冷加工）现象。
8． 从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。 9． 从宏观和原子的角度解释晶粒长大现象。 10．在滑移的基础上考虑，来解释为什么结晶陶瓷材料通常比
较脆。 11．描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。
12．讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响：(a)分子量(b)结晶度(c)预变形(d)不变形材料的热处理。
13．描述弹性聚合物弹性形变的分子途径。 三、重要术语和概念
Cold working: 冷加工、冷变形 The plastic deformation of a metal at a temperature below that at which it recrystallizes. 金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。 Critical resolved shear stress( τcrss ): 临界剪切分切应力 That shear stress, resolved within a slip plane and direction, which is required to initiate slip. 使得晶体开始滑移所需要的纯剪切应力，在某一特定滑移面和滑移方向上的分量。 Dislocation density: 位错密度 The total dislocation length per unit volume of material; alternately, the number of dislocations that intersect a unit area of a random surface section. 材料单位体积内的位错线的总长度，或者在一个随机切面上的
单位面积内切断的位错根数。
Grain growth: 晶粒长大
The increase in average grain size of a polycrystalline material; for most materials, an elevated-temperature heat treatment is necessary.
多晶体材料中晶粒尺寸的增大，对大多数材料来说，晶粒长大只在升高温度加热的时候发生。
Lattice strains: 晶格应变
Slight displacements of atoms relative to their normal lattice positions, normally imposed by crystalline defects such as dislocations, and interstitial and impurity atoms.
原子相对于它们正常点阵位置的轻微位移，通常是由晶体的缺陷，如位错、间隙原子、杂质原子存在引起的。Recovery: 回复
The relief of some of the internal strain energy of a previously cold-worked metal, usually by heat treatment.
冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热处理的方法。
Recrystallization: 再结晶
The formation of a new set of strain-free grains within a previously cold-worked material; normally an annealing heat treatment is necessary.
在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。
Recrystallization temperature: 再结晶温度
For a particular alloy, the minimum temperature at which complete recrystallization will occur within approximately one hour.
对于某种合金，在大约一小时的时间里，完成再结晶所需的最低温度.
Resolved shear stress: 分切应力
An applied tensile or compressive stress resolved into a shear component along a specific plane and direction within that plane. 一个实际拉或压应力沿某一特定平面和在该平面特定方向上分解得到的切应力分量。Slip: 滑移
Plastic deformation as the result of dislocation motion; also, the shear displacement of two adjacent planes of atoms.
位错移动导致的塑性变形或两个相邻原子面的剪切位移。
Slip system:滑移系
The combination of a crystallographic plane and, within that plane, a crystallographic direction along which slip (i.e., dislocation motion) occurs.
滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移（如位错的移动）可以沿该系统发生。
Solid-solution strengthening: 固溶强化
Hardening and strengthening of metals that result from alloying in which a solid solution is formed.
The presence of impurity atoms restricts dislocation mobility.
由于合金化形成固溶体而导致的材料硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。
Strain hardening:加工硬化
The increase in hardness and strength of a ductile metal as it is plastically deformed below its recrystallization temperature.
塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的硬度和强度
升高现象。
Viscosity (η): 粘性
The ratio of the magnitude of an applied shear stress to the velocity gradient that it produces; that is, a measure of a noncrystalline material‘s resistance to permanent deformation.
剪切应力数值与其产生应变速率的比值叫粘性，用来衡量非晶材料抵抗永久变形的能力。
Vulcanization: 硫化
Nonreversible chemical reaction involving sulfur or other suitable agent wherein cross links are formed between molecular chains in rubber materials.
硫化是采用硫或者其它适当添加剂处理橡胶原料过程中发生
的不可逆化学反应。此种反应在橡胶的分子链间形成横向连接，橡胶的弹性模量和强度会得到提高。
四、主要例题、习题的分析
8.4For each of edge, screw, and mixed dislocations, cite the
relationship between the direction of the applied shear stress
and the direction of dislocation line motion.
8.4 For edge dislocation: the dislocation lines moves in the direction of the applied shear stress.
For screw dislocation: the dislocation line motion is perpendicular to the stress direction.
For mixed dislocation: the direction of motion line is neither perpendicular nor parallel to the applied shear stress, but lies somewhere in between.
8.5(a) Define a slip system.
(b) Do all metals have the same slip system?
Why or why not?
8.5 (a) Dislocations do not move with the same degree of ease on all crystallographic planes of atoms and in all crystallographic directions. Ordinarily there is a preferred plane, and in that plane there are specific directions along which dislocation motion occurs. This plane is called the slip plane; it follows that the direction of movement is called the slip direction. This combination of the slip plane and the slip direction is termed the slip system.
(b) No.
The slip system depends on the crystal structure of the metal and is such that the atomic distortion that accompanies the motion of a dislocation is a minimum.
8.8 One slip system for the HCP crystal structure is
{000}<1120>. In a manner similar to Figure 8.6b, sketch a
{000}-type plane for the HCP structure, and using arrows,
indicate three different <1120> slip directions within this
plane. Y ou might find Figure 3.22 helpful.
8.19 (a) σ0=25MPa k y=12.5 MPa*mm1/2(b) σy=420MPa 8.20 d=0.0148mm
8.24 (a) CW%=( A0 -A d)/A0 100=(1-A d /A0)*100
A0 l0 =A d l d A d /A0= l0 / l d = l0 /( l0+? l)=1/[ ( l0+? l)/
l0]=1/[1+ε]
所以CW%=( A0 -A d)/A0 100=(1-A d
/A0)?100=[1-1/(1+ε)]?100
=[ε/(1+ε)]?100,即上式。
(b) CW%=0.42%
8.25 d2=9mm 8.26 Circular harder. 8.27 d=11.18(mm) 8.28 (a) about 25%. (b) TS(MPa)=3.45HB, Brinell hardness is
about 690/3.45=300
8.41半晶聚合物的弹性形变产生的原因是键长、键角的微小改变所引起的，熵变化的因素很小。英文p221，The mechanism of elastic deformation in semicrystalline polymers in response to tensile stresses is the elongation of the chain molecules from their stable conformations, in the direction of the applied stress, by the bending and stretching of the strong chain covalent bonds. In addition, there may be some slight displacement of adjacent molecules, which is resisted by relatively weak secondary or van der Waals bonds. Furthermore, inasmuch as semicrystalline polymers are composed of both crystalline and amorphous regions, they may, in a sense, be considered composite materials. As such, the elastic modulus may be taken as some combination of the moduli of crystalline and amorphous phases.
塑性形变主要是结晶区之间的无定形区域受外力作用变化引起的:The mechanism of plastic deformation is best described by the interactions between lamellar and intervening amorphous regions in response to an applied tensile load.
弹性体的弹性形变是熵变化引起的: The driving force for elastic deformation is a thermodynamic parameter called entropy, which is a
measure of the degree of disorder within a system; entropy increases with increasing disorder.
8.42 (a) The magnitude of the tensile modulus does not seem to be
influenced by molecular weight alterations.
模量与键长、键角有关。
(b) Tensile modulus increased. It has been observed that, for semicrystalline polymers, tensile modulus increases significantly with degree of crystallinity。
(c) 拉伸During drawing, the molecular chains slip past one another and become highly oriented. Tensile modulus increased.
(d) Tensile modulus increased.
(e) Tensile modulus increased.
8.4 3 (a) On the other hand, for many polymers, it has been observed
that tensile strength increases with increasing molecular
weight. For a specific polymer, the degree of crystallinity
(b) Since it affects the extent of intermolecular secondary bonding. The strength is enhanced.
(c) The strength is enhanced. It should also be noted that the mechanical properties of drawn polymers are normally anisotropic.
(d) The strength is enhanced.
8.46* About 39400g/mol.
8.47* (a) isotactic polystyrene 大，均可结晶而分子量大。(b)无
法判断，一个分子量大，一个有结晶。(c) 10%的，交联大。
(d)后者大，都无结晶和交联，而分子量大。
8.51 (1) It must not easily crystallize; elastomeric materials are amorphous, having molecular chains that are naturally coiled and kinked in the unstressed state. (2) Chain bond rotations must be relatively free in order for the coiled chains to readily respond to an applied force. (3) For elastomers to experience relatively large elastic deformations, the onset of plastic deformation must be delayed. Restricting the motions of chains past one another by crosslinking accomplishes this objective. The crosslinks act as anchor points between the chains and prevent chain slippage from occurring; the role of crosslinks in the deformation process is illustrated in Figure 8.29. Crosslinking in many elastomers is carried out in a process called vulcanization. (4) Finally, the elastomer must be above its glass transition temperature (Section 11.16). The lowest temperature at which rubberlike behavior persists for many of the common elastomers is between ?50 and -90?C (-60 and -130?F). Below its glass transition temperature, an elastomer becomes brittle such that its stress–strain behavior resembles curve A in Figure 7.22.
8.52 (a) thermosetting(b) 弹性(c) thermosetting(d)
thermosetting(e) thermosetting
8.53 交联限制了分子链运动。
第九章失效
一、学习目的
一个部件或结构的设计常常要求工程师使失效的可能性降到最小。这样，理解各种失效模式的机制就很重要，即：断裂、疲劳和蠕变。此外，熟悉所应用的合适的设计原理，以防止服役中失效
二、本章主要教学内容
学习本章后你可以做如下：
1.描述韧性与脆性断裂的裂纹扩展机理。
2.解释脆性材料的强度比理论计算值低很多的原因。
3.以术语来定义断裂韧性（a）简单陈述（b）给出公式，
说明公式中所有参数。
4. 分辨应力集中系数、断裂韧性、平面应变断裂韧性。}
5. 简单解释为何相同陶瓷材料的同样试样的断裂强度通常会显著分散。
6. 简单描述陶器出现细微裂纹的现象。
7. 给出名称并描述两种冲击断裂实验技术。
8. 定义疲劳并特殊说明产生条件。
9. 从某种材料的疲劳图上确定：(a)疲劳寿命（在特定应力值下）；(b)疲劳强度（在给定循环次数条件下）。
10. 定义蠕变，详细说明其产生条件。
11. 给出某种材料的蠕变图，判定(a)稳态蠕变率，(b)断裂寿命。
1.重要名词、概念和基本定律（中英文对照）
2.
主要例题、习题的分析解答指导 举例9.1
较大块玻璃承受40 MPa 拉力，如果其比表面能和弹性模量为0.3 J/m 2
和 69 GPa ，求不产生断裂的最大表面裂纹长度。
解答：解此题必须用公式9.3，把a 作为应变量重组表达式，已知：σ= 40 MPa, γs = 0.3 J/m2, E = 69 GPa ，代入得：
设计举例9.1
考虑半径为r 厚度为t 可以用作压力容器的薄壁球罐(图9.5)。
（a ）设计球罐要求在由于形成临界尺寸裂纹并随后快速扩展之前球壁材料屈服，这样，球壁的塑性变形可以观察到，球罐内的压力可以在灾难性失效发生前释放掉。显然，希望材料具有大的临界裂纹长度，以这一准则为基础，把金属合金按
类别列表见附录B 表B.5，临界裂纹尺寸从最长到最短。
（b ）也常应用于压力容器的选择性设计术语为“破坏前泄露”。利用断裂机制原理，在裂纹快速扩展发生之前，允许裂纹生长穿过整个容器壁厚度。这样，裂纹将完全穿透容器壁，不会出现灾难性失效，允许通过带压液体泄露进行检测。用这个准则，临界裂纹长度ac （即内部裂纹长度的一半）可以取值为 压力容器的壁厚t 。允许ac = t 而非 ac = t /2，保证在危险的高压力积累之前发生液体泄露。使用这一准则，将金属合金
按类别列表见附录B 表B.5，以及最大许用压力。
对于这种球形压力容器，根据下式圆周应力是容器内压力p 、半径r 和壁厚t 的函数
(9.15)
对(a) 和 (b) 均假定为平面应变条件。 解答
(a) 对第一条设计准则，希望圆周应力小于材料的屈服强
度。以σy代公式9.11中的σ，把安全因子N合并得：
(9.16)
这里，ac为临界裂纹长度，解出ac得到下式：
(9.17)
因此，临界裂纹长度与KIc-σy比值的平方呈正比。基于表B.5金属的分类，给出了表9.2，可见，中碳钢（1040）具有最大
的比值和最长的临界裂纹长度，因此，根据这一准则，为最合
适的材料。
(b) 如前所述，破坏前泄露准则只是当内部裂纹长度的一
半等于压力容器壁厚时才会碰到，即a = t. 将 a = t 带入公式9.11得：
(9.18)
由公式9.15得
(9.19)
用屈服强度代替应力，由于容器要设计成容许压力而不屈服，因此，将公式9.19 带入9.18，整理后得到下式：
(9.20)
因此，对给定半径为r的球罐，与破坏前泄露准则一致的最大许用压力与K2Ic/ σy成正比。根据这一比值将相同的一些材
料列于表9.3，如表所注，中碳钢允许压力最大。在表B.5列
出的11种金属合金中，根据屈服和破坏前泄露两个准则，中
碳钢均排在第一位。因此，当不必考虑高温和腐蚀时很多压力容器都是用中碳钢制造的。
9.7 The tensile strength of brittle materials may be determined using
a variation of Equation 9.1b. Compute the critical crack tip radius for an Al2O3 specimen that experiences tensile fracture at an applied stress of 275 MPa (40,000 psi). Assume a critical surface crack length of 2× 10-3 mm and a theoretical fracture strength of E/10, where E is the modulus of elasticity.
脆性材料的抗拉强度可以从式9.1b变形得到。计算Al2O3试
样受到275 MPa应力拉伸断裂的临界裂纹尖端半径。假设临界表面裂纹长度为2× 10-3 mm，理论断裂强度为E/10，E为弹
性模量。
解：由公式(9.1b)
，
当σ
m
达到材料的断裂强度时将断裂，
由给定的σ
m
=E/10，则
或解出ρ
t
由表7.1知，Al2O3的E = 393 GPa，解
得
9.8 If the specific surface energy for soda-lime glass is 0.30 J/m2, using data contained in Table 7.1, compute the critical stress required for the propagation of a surface crack of length 0.05 mm.
9.8钠钙玻璃的比表面能为0.30 J/m2，使用表7.1的数据，计算
长度为0.05 mm表面裂纹扩展所需要的临界应力。
解：采用式(9.3)求解，由表7.1得其弹性模量为69GPa，得到：
9.12* A portion of a tensile specimen is shown as follows:
(a) Compute the magnitude of the stress at point P when the externally applied stress is 100 MPa (14,500 psi).
(b) How much will the radius of curvature at point P have to be increased to reduce this stress by 20%?
9.12*如图所示为拉伸试件的一部分：
(a) 当外加应力为100 MPa时，计算点P处的应力幅值。
(b) 点P处的曲率半径增加多少应力才能减少20%?
解：本题涉及拉伸试件，给出了图。
(a)需要计算外加应力为100 MPa时，计算点P处的应力幅
值。可以参考图9.8c。由试件尺寸得
w/h = (25 mm)/(20 mm) = 1.25;
此外，r/h比值为(3 mm)/(20 mm) = 0.15，用图9.8c w/h= 1.25的曲线，r/h= 0.15时Kt 值为1.7，由于，所以
9.15* For each of the metal alloys listed in Table 9.1, compute the minimum component thickness for which the condition of plane strain is valid. 对表9.1列出的每种金属合金，计算平面应变条件下铝件的厚度。
9.15* 此题要求我们确定B值，由公式(9.12)可以求得平面应变条件下的工件最小厚度。对于2024-T3铝合金
对于260℃回火的4340合金钢
9.D1* Consider a flat plate of width 90 mm (3.5 in.) that contains a centrally positioned, through-thickness crack (Figure 9.12) of length (i.e., 2a) 20 mm (0.8 in.). Determine the minimum plane strain fracture toughness necessary to ensure that fracture will not occur for
a design stress of 375 MPa (54,400 psi). The ratio is in radians.
设计题目1：考虑宽度为90 mm的平板，在中心位置有一穿透
裂纹（见图9.12），长度20 mm，当设计应力为375 MPa时，
确定不断裂时其最小平面应变断裂韧度。比值为弧度。9.D1* 这个问题要求我们计算确定不断裂时其最小平面应变断裂韧度Klc的表达式。首先我们必须由公式(9.10)计算Y(a/W
)
现在使用公式(9.11)Klc
9.D16*Consider an 18-8 Mo stainless steel component (Figure 9.47) that is exposed to a temperature of 500℃ (773 K). What is the maximum allowable stress level for a rupture lifetime of 5 years? 20 years?
考虑18-8 Mo 不锈钢（见图9.47），工作温度500℃，求其5年及20年的断裂最大许用应力。
9.D16* 此题要求计算18-8 Mo 不锈钢工作温度500℃断裂寿命为5年及20年的应力水平。首先必须使用给定的温度和时间计算Larson-Miller 参数，对应于5年和20年的tr 值分别为4.38 × 104 h 和 1.75 × 105 h ，因此5年的寿命为
对于tr = 20年
应用图9.47的曲线，对应于5年和20年的应力值分别为260 MPa (37,500 psi)和 225 MPa (32,600 psi)。 9.4 σm =34.6GPa
9.6 由于经常存在小的微观缺陷或裂缝。
在缺陷尖端的应力放大和应力集中减小。 9.7 ρt =6.7? 10-6 (mm) 9.8 σc =16.2Mpa 9.9 a =0.61mm 9.16 σ=2932MPa, 因此
不断裂。
9.17 Y=1.77 另外受力：
σ= 352MPa, 因此不
断裂。
9.18 Y= 1.24 另外受
力： σ= 288MPa 。
9.21. a=3.85mm,因此能够承受检测。
9.25 Factors that favor brittle fracture are a reduction in temperature, an increase in strain rate, the presence of a sharp notch, increased specimen thickness, and, in addition, a modification of the polymer structure (chemical, molecular, and/or microstructural). 9.26 (a)
(b) About –50?C to
-150?C. (c) about -105?C 9.27
(b) About –125?C to 0?C.
(c) About –55?C.
9.28 BCC: body-centered cubic crystal structure.
HCP: hexagonal closed-packed crystal structure. FCC: face-centered cubic crystal structure.
BCC 和HCP 金属的塑性、韧性差；BCC 金属的塑性、韧性好，一般不出现韧-脆转变。
For the face-centered crystal structure, the centers of the third plane are situated over the C sites of the first plane (Figure 3.29a ). This yields an ABCABCABC . . . stacking sequence; that is, the atomic
alignment repeats every third plane. It is more difficult to correlate the stacking of close-packed planes to the FCC unit cell. However, this relationship is demonstrated in Figure 3.29b ; these planes are of the (111) type. The significance of these FCC and HCP close-packed planes will become apparent in Chapter 8. Consider, for example, the FCC crystal structure, a unit cell of which is shown in Figure 8.6a . There is a set of planes, the {111} family, all of which are closely packed. A (111)-type plane is indicated in the unit cell; in Figure 8.6b , this plane is positioned within the plane of the page, in which atoms are now represented as touching nearest neighbors. Slip occurs along <110>-type directions within the {111} planes, as indicated by arrows in Figure 8.6. Hence, {111}<110> represents the slip plane and direction combination, or the slip system for FCC. Figure 8.6b demonstrates that a given slip plane may contain more than a single slip direction. Thus, several slip systems may exist for a particular crystal structure; the number of independent slip systems represents the different possible combinations of slip planes and directions. For example, for face-centered cubic, there are 12 slip systems: four unique {111} planes and, within each plane, three independent {110} directions. The possible slip systems for BCC and HCP crystal structures are listed in Table 8.1. For each of these structures, slip is possible on more than one family of planes (e.g.,{110},{211}, and {321} for BCC). For metals having these two crystal structures, some slip systems are often operable only at elevated temperatures.
9.32 F max =27589N F min =-1555N
9.35 (a)
(b) 193MPa (c) at 230Mpa, 5*105, 175Mpa, very high N values. (d) N=2*105, 240Mpa, N=6*106, 210Mpa.
9.36 (a) 250 Mpa, 9.5*104/750=127(min) (b) 215 MPa , 2.8*106/750=373(min) (c) 200 MPa , 1.1*107/750=14667(min) (d) 150 Mpa . ∝
9.38 (a) Polystyrene, 11Mpa; Cast iron, 193MPa (b) PET, 15Mpa; Cast iron, 100MPa
9.39 Decrease the mean stress.
20406080100120140-200
-100
9.26 Temperature
I m p a c t e n e r g
y
020*********-200
200
I m p a c t e n e r g
y
50
100150200250300100001000001E+061E+071E+081E+09
9.35 Cycles to failure
S t r e s s A m p l i t u d e (M P a )
Increasing fatigue performance by imposing residual compressive
stress within a thin surface layer.
Case hardening.
3. 相关历史背景资料和国内外现状（包括科学、工程应用实际范例）
结构构件的动态断裂及其引发的后续破坏是对重大工程结构安全最具威胁性的失效形式，往往由此出现一场灾难性的事故。以连续介质力学为基础研究动态断裂问题形成了“动态断裂力学-Dynamic Fracture Mechanics 或称断裂动力学-Fracture Dynamics ”。它包含了载荷或裂纹尺寸迅速变化的所有断裂力学问题，而不管惯性力的大小。一切涉及裂纹快速起裂、扩展和/或止裂与时间有关的边值问题都属断裂动力学研究的范畴。 断裂：构件在力（机械力、热、磁）及环境（腐蚀介质）单独或联合作用下，本身连续性产生局部或整体的破坏，称之为断裂。一般，断裂是由裂纹扩展引起的。 裂纹种类：穿透裂纹、表面裂纹和埋藏裂纹。 裂纹扩展形式：由于外力的不同可以分为3种基本形式：1）张开型（Ⅰ型）-垂直于裂纹表面的拉应力的作用，使裂纹张开而扩展；2）滑开型（Ⅱ型）--平行裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力的作用，使裂纹滑开而扩展；3）撕开型（Ⅲ型）--平行于裂纹前缘的剪应力的作用，使裂纹撕开而扩展。这三者中，以Ⅰ型最常见，也最危险，易引起低应力脆断。 1）脆性断裂特征 断裂前几乎不产生明显的塑性变形的断裂，称为脆性断裂。具有低应力脆断特征，断口平齐光亮，与拉应力方向垂直。断口附近截面收缩很小，一般不超过3%，断口常有人字形放射花样。 2）韧性断裂特征 金属在断裂前和断裂过程中发生显著的塑性变形，称为韧性断裂。主要特征是：破坏应力大于强度
极限，即σc ＞σb ；断口不光亮，断口上常呈现暗灰色纤维状小凸凹。
影响脆断和韧断的因素：材质--高强钢比中、低强钢易脆断；有无缺口及裂纹—缺口及裂纹试样均为脆断；温度影响--存在冷脆转变温度，即断口形貌转变温度FATT （Fracture Appearance Transition Temperature ）；构件尺寸—大截面尺寸构件在有小裂纹时易脆断；加载速率—高易脆断；环境—在腐蚀
介质（如海水、硫化氢等）中易脆断。 断裂力学的任务就是测算一个给定尺寸的缺陷在服役载
荷下是否会以灾难性的方式扩展，从而确定结构对于断裂失效的安全裕度。阻止裂纹快速扩张的性能就是该材料的断裂韧性，可通过对含有已知长度的尖锐裂纹试样的加载直至断裂的办法测得。
第十章 相图
一、学习目的
金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。材料中相的状态由其成分和所处温度来决定，它是研究组织的基础。相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由能最低的状态。利用相图可以制订材料生产和处理工艺，可以预测材料性能，可以进行材料生产过程中的故障分析，还可以利用相图推断不平衡态可能的组织变化趋势和特征。这对理解非平衡结构并研制、开发新材料有重要意义。总之相图知识的掌握和理解对于从事设计和控制热处理相关工艺的工程师而言具有重要的应用价值。 二、本章的主要内容
1、( ) 画简单的完全固溶相图和共晶相图的示意图。
(b) 在这些相图中标出不同相区区域。
机械工程材料期末考试 一．填空题（共30分，每空1分） 1．液态金属结晶的基本过程是形核与晶核长大。 2．铁素体（F）是碳溶于α-Fe 所形成的间隙固溶体，其晶格类型是：体心立方。 3. 检测淬火钢件的硬度一般用洛氏（HRC）硬度；而检测退火和正火钢件的硬度常用布氏（HRB）硬度。4．GCr15钢是滚动轴承钢，其Cr的质量分数是1.5% 。5．16Mn钢是合金结构钢，其碳的质量分数是0.16% 。6．QT600-03中的“03”的含义是：最低伸长率为3% 。7. 钢与铸铁含碳量的分界点是：2.11% 。 8．贝氏体的显微组织形态主要有B上和B下两种，其中B下的综合性能好。9．钢的淬火加热温度越高，淬火后马氏体中含碳量越高，马氏体晶粒越粗大，残余奥氏体的量越越多。 10．钢加热时A的形成是由A晶核的形成、A晶核向F和Fe3C 两侧长大、残余Fe3C的溶解、A的均匀化等四个基本过程所组成的。11．一般表面淬火应选中碳成分钢，调质件应选用中碳成分钢。13．碳钢常用的淬火介质是水，而合金钢是油。 14．T10钢（Ac1≈727℃，Accm≈800℃）退火试样经700 ℃、780 ℃、860 ℃加热保温，并在水中冷却得到的组织分别是：P+Fe3C ，Fe3C+M+Ar ，M+Ar 。 15．渗碳钢在渗碳后缓慢冷却，由表面向心部的组织分布依次为：P+Fe3CⅡ （网状），P ，P+F 。得分 二．判断题（共10分，每小题1分）（正确√ 错误×，答案填入表格）1．在其他条件相同时，砂型铸造比金属型铸造的铸件晶粒更细。× 2．固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。√ 3．珠光体、索氏体、屈氏体都是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。√ 4．碳的质量分数对碳钢力学性能的影响
第一组 材料的刚性越大，材料就越脆。F 按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：D A. 正弹性模量（E） B. 切弹性模量（G） C. 体积弹性模量（G） D. 弯曲弹性模量（W） 滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 金属材料的弹性模量随温度的升高而B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 弹性模量和泊松比之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是D A. K=E /[3(1+2)]； B. E=2G (1-)； C. K=E /[3(1-)]； D. E=3K (1-2)； E. E=2G (1-2)。 7.Viscoelasticity”的意义是B A 弹性；B粘弹性； C 粘性 8.均弹性摸量的表达式是A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9.金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内C GPa A.10-102、＜10，10-102 B.＜10、10-102、10-102 C.10-102、10-102、＜10 10.体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。T 11.虎克弹性体的力学特点是B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex F 第二组 1.对各向同性材料，以下哪一种应变不属于应变的三种基本类型C A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 扭转； D. 均匀压缩 2.对各向同性材料，以下哪三种应变属于应变的基本类型ABD A. 简单拉伸； B. 简单剪切； C. 弯曲； D. 均匀压缩 3.“Tension”的意义是A A 拉伸； B 剪切； C 压缩 4.“Compress”的意义是C A 拉伸；B剪切； C 压缩 5.陶瓷、多数玻璃和结晶态聚合物的应力-应变曲线一般表现为纯弹性行为T 6.Stress”and “strain”的意义分别是A A 应力和应变；B应变和应力；C应力和变形
第三章 1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点（tm＝1453℃）的比值为0.18，试求其凝固驱动力。（ΔH＝-18075J/mol） 3. 已知Cu的熔点tm＝1083℃，熔化潜热Lm＝1.88×103J/cm3，比表面能σ＝1.44×105 J/cm3。（1）试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。（2）已知Cu的相对原子质量为63.5，密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。 4. 试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程 5. 铸件组织有何特点？ 6. 液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？ 7. 已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92 g/cm3，而高密度乙烯（HDPE）为0.96 g/cm3，试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。8欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系？9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 11. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？ 12. 简述纯金属晶体长大的机制。13. 试分析单晶体形成的基本条件。 14. 指出下列概念的错误之处，并改正。(1) 所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。(2) 金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。(3) 在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
道路工程材料知识点考点 绪论 ● 道路工程材料是道路工程建设与养护的物质基础，其性能直接决定了道路工程质量和服务寿命和结 构形式。 ● 路面结构由下而上有：垫层，基层，面层。 ● 面层结构材料应有足够的强度、稳定性、耐久性和良好的表面特性。 第一章 ● 砂石材料是石料和集料的统称 ● 岩石物理常数为密度和孔隙率 ● 真实密度：指规定条件下，烘干岩石矿质实体单位真实体积的质量。 ● 毛体积密度：指在规定条件下，烘干岩石矿质实体包括空隙（闭口、开口空隙）体积在内的单位毛 体积的质量。 ● 孔隙率：是指岩石孔隙体积占岩石总体积（开口空隙和闭口空隙）的百分率。 ● 吸水性：岩石吸入水分的能力称为吸水性。 ● 吸水性的大小用吸水率与饱和吸水率来表征。 ● 吸水率：是岩石试样在常温、常压条件下最大的吸水质量占干燥试样质量的百分率。 ● 饱和吸水率：是岩石在常温及真空抽气条件下，最大吸水质量占干燥试样质量的百分率。 ● 岩石的抗冻性：是指在岩石能够经受反复冻结和融化而不破坏，并不严重降低岩石强度的能力。 ● 集料：是由不同粒径矿质颗粒组成的混合料，在沥青混合料或水泥混凝土中起骨架和填充作用。 ● 表观密度：是指在规定条件下，烘干集料矿质实体包括闭口空隙在内的表观单位体积的质量。 ● 级配：是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或分布情况。 ● 压碎值：用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，也是石料强度的相对指标。压碎值是对石料的标准试样在标准条件下进行加荷，测试石料被压碎后，标准筛上筛余质量的百分率。1000 1?='m m Q a （1m ：试验后通过2.36mm 筛孔的细集料质量） ● 磨光值：是反映石料抵抗轮胎磨光作用能力的指标，是决定某种集料能否用于沥青路面抗滑磨耗层 的关键指标。 ● 冲击值：反映粗集料抵抗冲击荷载的能力。由于路表集料直接承受车轮荷载的冲击作用，这一指标 对道路表层用料非常重要。 ● 磨耗值：用于评定道路路面表层所用粗集料抵抗车轮磨耗作用的能力。 ● 级配参数： ?? ???分率。质量占试样总质量的百是指通过某号筛的式样通过百分率和。筛分级筛余百分率之总分率和大于该号筛的各是指某号筛上的筛余百累计筛余百分率率。量占试样总质量的百分是指某号筛上的筛余质分级筛余百分率i i i A a ρ 沥青混合料 水泥混合料 粗集料 ＞2.36mm ＞4.75mm 细集料 ＜2.36mm ＜4.75mm
第一章 一、填空题 1．工程材料按成分特点可分为金属材料、非金属材料、复合材料；金属材料又可分为有色金属和黑色金属两类；非金属材料主要有无机非金属、有机非金属；复合材料是指。 2．金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、韧性等；强度的主要判据有屈服点和抗拉强度，强度和塑性可以用拉伸试验来测定；洛氏硬度测量方法简便、不破坏试样，并且能综合反映其它性能，在生产中最常用。 3．理解静拉伸试验过程和应力-应变曲线图。 二、判断题材料所受的应力小于屈服点σs时，是不可能发生断裂的。（×） 第二章 1 名词解释 晶体：指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度 变质处理：有意地向液态金属中加入某些变质剂以细化晶粒和改善组织达到提高材料性能的目的。 各向异性：在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能的不同形核率：在单位时间内，单位体积中所产生的晶核 2 填空 三种常见的金属晶格体心立方，面心立方，密排六方。 晶体缺陷的形式包括点缺陷，线缺陷，面缺陷。 3 问答 1 简述形过冷度和难熔杂质对晶体的影响。 答：过冷度影响：金属结晶石，形核率和长大速度决定于过冷度。在一般的液态金属的过冷范围内，过冷度愈大，形核率愈高，则长大速度相对较小，金属凝固后得到的晶粒就愈细；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗大。 难熔杂质的影响：金属结晶过程中非自发形核的作用王伟是主要的。所以某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与经书的晶体结构有某些相似时将强烈的促使非自发形核，大大提高形核率。 2 简述铸锭的组织结构特点。 答：铸锭是由柱状晶粒和等轴晶粒组成的，组织部均匀，不同形状的晶粒对性能由不同的影响。 3．凝固过程中晶粒度大小的控制。 答：主要有两种方法：1增大过冷度，2变质处理 第三章 1.金属塑性变形是在什么应力作用下产生的？金属的塑性变形有哪几种基本方式？它们之间有何区别 金属的塑性形变是在切应力的作用下产生的。金属的塑性形变有滑移和孪生两种形式。它们之间的区别是：1滑移是金属键一个个断裂，而孪生是孪生面上的键同时发生断裂；2孪生之后，虽然晶体结构为改变，但孪生的晶体的晶格位向已经发生改变。 2.塑性变形对金属的组织、结构和性能有哪些影响？ 组织结构影响：当工件的外形被拉长或者压扁时其内部的晶粒的形状也被拉长或压扁。 性能影响：强硬度提高，塑韧性降低，电阻增加，耐腐蚀性降低 3.什么叫再结晶？再结晶前、后组织和性能有何变化？ 当变形金属加热至较高温度，原子具有较大扩散能力时，会在变形最激烈的区域自发的形成新的细小等轴晶粒称为再结晶。再结晶前后组织上的变化是，在形变激烈能量高的地方形核。性能上的变
选择题第一组 1.材料的刚性越大，材料就越脆。（）B A. 正确； B. 错误 2.按受力方式，材料的弹性模量分为三种类型，以下哪一种是错误的：（）D A. 正弹性模量（E）； B. 切弹性模量（G）； C. 体积弹性模量（G）； D. 弯曲弹性模量（W）。 3.滞弹性是无机固体和金属的与时间有关的弹性，它与下列哪个因素无关（） B A 温度； B 形状和大小； C 载荷频率 4.高弹性有机聚合物的弹性模量随温度的升高而（）。A A. 上升； B. 降低； C. 不变。 5.金属材料的弹性模量随温度的升高而（）。B A. 上升； B. 降低； C. 不变。 6.弹性模量和泊松比ν之间有一定的换算关系，以下换算关系中正确的是（） D A. K=E /[3(1+2ν)]； B. E=2G (1-ν)； C. K=E /[3(1-ν)]； D. E=3K (1-2ν)； E. E=2G (1-2ν)。 7.“Viscoelasticity”的意义是（）B
A 弹性； B粘弹性； C 粘性 8、均弹性摸量的表达式是（）A A、E=σ/ε B、G=τ/r C、K=σ。/（△V/V） 9、金属、无机非金属和高分子材料的弹性摸量一般在以下数量级范围内（GPa）C A、10-102、＜10，10-102 B、＜10、10-102、10-102 C、10-102、10-102、＜10 10、体心立方晶胞的金属材料比面心立方晶胞的同类金属材料具有更高的摸量。 11、虎克弹性体的力学特点是（）B A、小形变、不可回复 B、小形变、可回复 C、大形变、不可回复 D、大形变、可回复 13、金属晶体、离子晶体、共价晶体等材料的变形通常表现为，高分子材料则通常表现为和。A A 普弹行、高弹性、粘弹性 B 纯弹行、高弹性、粘弹性 C 普弹行、高弹性、滞弹性 14、泊松比为拉伸应力作用下，材料横向收缩应变与纵向伸长应变的比值υ=ey/ex （）B A. 正确； B. 错误
习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。
晶体缺陷： 点缺陷（空位、间隙原子、异类原子微观影响：晶格畸变）线缺陷（位错；极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性、扩散及相变有显著影响）面缺陷（晶界、亚晶界） 合金相结构 :相是指系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分。相变：相与相的转变。按结构特点:固溶体、化合物、非晶相。 固溶体:指溶质原子溶入溶剂中所形成的均一结晶相。其晶体结构与溶剂相同。置换固溶体（溶质原子占溶剂晶格结点位置形成的固溶体）间隙固溶体:溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体 结晶： 材料从液态向固态的凝固成晶体的过程。 基本规律:晶核形成和长大交替进行。包括形核和核长大俩个过程， 影响形核率和成长率的因素：过冷度、不容杂志、振动和搅拌 变质处理：金属结晶时，有意向金属溶液中加入某种难溶物质，从而细化晶粒，改善金属性能 调质处理:淬火和高温回火 同素异构转变;固态金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。 合金的组织决定合金的性能 金属材料的强化 本质;阻碍晶体位错的运动 强化途径:形变强化（冷加工变形）、固溶强化（形成固溶体）、第二相强化、细晶强化（晶粒粒度的细化） 钢的热处理 预先热处理：正火和退火 最终热处理：淬火和回火 退火：将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。目的：降低硬度，提高塑性，改善切削性能；消除钢中内应力；细化晶粒，改善组织，为随后的热处理做组织上的准备。常用：完全退火Ac3以上30-50度（适用亚共析钢和合金钢，不适应低碳钢和过共析钢）得到组织为铁素体和珠光体，等温退火：适用某些奥氏体比较稳定的合金钢，加热和保温同完全退火，使奥氏体转变为珠光体，球化退火：温度略高于Ac1，适用过共析钢和合金工具钢，得到组织球状珠光体，去应力退火：Ac1以下100-200度，不发生组织变化，另外还有再结晶退火和扩散退火。 正火：亚共析钢Ac3以上30-50度，过共析钢Accm以上30-50度，保温后空冷获得细密而均匀的珠光体组织。目的:调整钢的硬度，改善加工性能；消除钢中内应力，细化晶粒，改善组织，为随后的热处理做组织上的准备。主要作用:作为低、中碳钢的预先热处理；消除过共析钢中的网状二次渗碳体，为球化退火做准备；作为普通件的最终热处理。 退火和正火区别：冷却速度不同，正火快，得到珠光体组织细，因而强度和硬度也高。实际中，如果俩者均能达到预先热处理要求时，通常选正火 淬火：加热到Ac1或Ac3以上某个温度，保温后以大于临界冷却速度冷却，使A转变为M 的热处理工艺.目的：获得马氏体或下贝氏体组织。温度：亚共析钢Ac3上30-50度，组织为M+少量A残，共析钢和过共析钢Ac1上30-50度，组织M+粒状Fe3C+少量A残 要求:淬火冷却速度必须大于临界冷却温度Vk.常用方法;单液、双液、分级、等温、局部淬火 回火：淬火以后的工件加热到Ac1以下某个温度，保温后冷却的一种热处理工艺.目的：降
系别：__________ 班次：____________ 姓名：___________ 学号：____________ 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。装。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。订。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。线。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 2008—2009学年第一学期 《工程材料》期末考试试卷(A) 注意：本试卷共四大题，总分100分，考试时间120分钟。本试卷适用于07模具班，共需印制61份。 1. 碳素工具钢的含碳量一般是在以下哪个范围之内（ ） A. 0.3% - 0.5% B. 0.5% - 0.7% C. 0.7% - 1.3% D. 1.3% - 1.6% 2. 以下那种元素是9Mn2V 里不含的 （ ） A. C 元素 B. Ni 元素 C. Si 元素 D. Mn 元素 3. Cr12是以下哪种冷作模具钢的典型钢种 （ ） A. 高碳高铬冷作模具钢 B. 空淬冷作模具钢 C. 油淬冷作模具钢 D. 基体钢 4. 以下哪种模具钢的抗压强度、耐磨性及承载能力居冷作模具钢之首 （ ） A. 碳素工具钢 B. 火焰淬火冷作模具钢 C. 高速钢 D. DT 合金 5. 以下哪种钢号不属于热作模具钢的类型 （ ） A. 5CrNiMo B. 3Cr2W8V C. 4Cr5MoSiV D. 9SiCr 6. 高韧性热作模具钢的含碳量在以下哪个范围之内 （ ） A. 0.3% - 0.5% B. 0.5% - 0.7% C. 0.7% - 1.3% D. 1.3% - 1.6% 7. 以下哪个钢种属于冷热兼用的模具钢 （ ） A. GR 钢 C.HD 钢 C. 012Al D.PH 钢 8. 以下哪个选项的塑料模具钢已列入了国家标准 （ ） A. 3Cr2Mo 和CrWMn B. CrWMn 和Cr12MoV C. 3Cr2Mo 和3Cr2MnNiMo D. 3Cr2MnNiMo 和Cr12MoV 9. SM50属于以下哪种塑料模具钢 （ ） A. 预硬型塑料模具钢 B. 碳素塑料模具钢 C. 渗碳型塑料模具钢 D. 时效硬化型塑料模具钢 10. 以下哪种表面工程技术改变了技术表面的化学成分 （ ） A. 表面改性 B. 表面处理 C. 表面涂覆 D. 电镀技术 1.按照工作条件可将模具分为 、 、 。 2.塑料模具按其成型固化可分为 、 。 3.模具的失效形式主要有 、 、 、 、 。 4.塑料模具用钢系列有七大类，分别是 、 、 、 、 、 、 。 5.表面工程技术有三类，分别是 、 、 。 6.热作模具钢的主要失效形式是 、 。 7.铁碳合金相图中三种基本相是 、 、 。 1．硬度 2.模具失效 3. 延伸率 4. 二次硬化 5. 时效 一、选择题：请将唯一正确答案的编号填入答卷中，本题共10小题，每题2分，共20分。 三、名词解释：本题共5小题，每空3分，共15分。 二、填空题：本题每空1分，共25分。
《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案 第二章 2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布（用方框图表示）。 2-2.的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的原子量。 2-3.试计算N壳层内的最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子的原子序数是多少？ 2-4.计算O壳层内的最大电子数。并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。 2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。 2-6.按照杂化轨道理论，说明下列的键合形式： （1）CO2的分子键合（2）甲烷CH4的分子键合 （3）乙烯C2H4的分子键合（4）水H2O的分子键合 （5）苯环的分子键合（6）羰基中C、O间的原子键合 2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？ 2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性的关系？ 2-9.0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？ 2-10.当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？ 2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量？(b)每mm3的金有多少个原子？(c)根据金的密度，某颗含有1021个原子的金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比？ 2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边的边长是0.478nm，则CaO的密度是多少？ 2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子，但是为何不适用于分子？ 2-14.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r Na+=0.097，r Cl-=0.181）；（C）由计算结果，可以引出什么结论？
1 铝合金强化途径有哪些？答：固溶处理 +时效强化、细晶强化 2.铜合金强化机制主要有几种？ 答：固溶强化、时效强化、过剩相强化 3.铝镁合金配料计算？ 例1：为了获得以下成分铸造铝合金1Kg，熔炼时应如何配料？ 8.0wt%Si，2.8wt%Cu，0.5wt%Mg，0.15wt%Ti，其余为Al； 注：1）可供选择的原材料包括：纯铝，Al-30wt%Si 中间合金，Al-25wt%Cu 中间合金，Al-30wt%Mg 中间合金和Al-10wt%Ti 中间合金；2）不考虑铝、硅和铜元素的烧损；3）镁元素的烧损率为15wt%，钛元素的烧损率为5wt%。 ●1000g×8.0%=XAl-30Si×30% ?XAl-30Si =266.7g ●1000g×2.8%=XAl-25Cu×25%?XAl-25Cu =112g ●1000g×0.5%= XAl-30Mg×30%×(1-15%)? XAl-30Mg =19.6g ●1000g×0.15%=XAl-10Ti×10%×(1-5%) ? XAl-10Ti=15.8g ●1000×(1-0.08-0.028-0.005-0.0015) = XAl +266.7× (1-0.3) -112×(1-0.25)-19.6×(1-0.3)-15.8×(1-0.1) ?XAl = 586.9g 例2、为了获得以下成分的铸造镁合金1Kg：熔炼时应如何配料？8.5wt%Al，1.2wt%Zn，1.20wt%Si，0.25wt%Mn，0.15wt%Sr，其余为Mg 注：1）可供选择的原材料包括：纯镁，纯铝，纯锌，Al-30wt%Si 中间合金，Mg-2wt%Mn 中间合金，Mg-10wt%Sr 中间合金；2）不考虑镁、铝、锌、硅和锰元素的烧损；3）Sr 元素的烧损率为15wt%。 1000g×1.20%=X Al-30Si×30% ?X Al-30Si =40g 1000g×1.2%=X Zn?X Zn=12g 1000g×0.25%=X Mg-2Mn×2%?X Mg-2Mn=125g 1000g×0.15%=X Mg-10Sr×10%×(1-15%) ?X Mg-10Sr=17.6g 1000g×8.5%=X Al+ X Al-30Si×70%?X Al =57g X Mg =1000-40-12-125-17.6-57=748.4g 1000×(1-1.2%-1.2%-0.25%-0.15%-8.5%) = X Mg + X Mg-2Mn× (1-2%)+ X Mg-10Sr×(1-10%) ?X Mg =748.6g 4.为了获得高质量的合金，在合金熔炼时一般要进行哪些工艺处理？ 答：变质处理，细化处理，精炼处理。 5.镁合金阻燃抗氧化方法有哪几种？ 答：熔剂保护阻燃法、气体保护阻燃法、添加合金元素阻燃法。 6.根据石墨存在形态不同，灰口铸铁可分为哪几种？ 答：灰铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁。 7.什么是金属的充型能力？充型能力影响因素有哪些？答：液态金属充满铸型型腔，获得形状 完整、轮廓清晰的铸件的能力称为金属的充型能力 液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。
3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。 答： 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件，要求： 1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称； 2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
解：1 ）相图如图所示； 2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右） 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量： %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。 解：由题意由（α+β）共晶含量得 01.03226--25.0?=+）（）（）（αβααωωωB B B 6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B
第一章 1.三种典型晶胞结构： 体心立方： Mo 、Cr 、W 、V 和 α-Fe 面心立方： Al 、Cu 、Ni 、Pb 和 β-Fe 密排六方： Zn 、Mg 、Be 体心立方 面心立方 密排六方 实际原子数 2 4 6 原子半径 a r 4 3= a r 4 2= a r 21= 配位数 8 12 12 致密数 68% 74% 74% 2.晶向、晶面与各向异性 晶向：通过原子中心的直线为原子列，它所代表的方向称为晶向，用晶向指数表示。 晶面：通过晶格中原子中心的平面称为晶面，用晶面指数表示。 （晶向指数、晶面指数的确定见书P7。） 各向异性：晶体在不同方向上性能不相同的现象称为各向异性。 3.金属的晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷 4.晶体缺陷与强化：室温下金属的强度随晶体缺陷的增多而迅速下降，当缺陷增多到一定数量后，金属强度又随晶体缺陷的增加而增大。因此，可以通过减少或者增加晶体缺陷这两个方面来提高金属强度。 5..过冷：实际结晶温度Tn 低于理论结晶温度To 的现象称为过冷。 过冷度 n T T T -=?0 过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度也越大。 6.结晶过程：金属结晶就是晶核不断形成和不断长大的过程。 7.滑移变形：单晶体金属在拉伸塑性变形时，晶体内部沿着原子排列最密的晶面和晶向发生了相对滑移，滑移面两侧晶体结构没有改变，晶格位向也基本一致，因此称为滑移变形。 晶体的滑移系越多，金属的塑性变形能力就越大。 8.加工硬化：随塑性变形增加，金属晶格的位错密度不断增加，位错间的相互作用增强，提高了金属的塑性变形抗力，使金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性显著降低，这称为加工硬化。 9.再结晶：金属从一种固体晶态过渡到另一种固体晶态的过程称为再结晶。 作用：消除加工硬化，把金属的力学和物化性能基本恢复到变形前的水平。 10.合金：两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 11.相：合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并有界面与其他部分隔开的均匀组成部分称为“相”。 分类：固溶体和金属间化合物 第二章 1.铁碳合金相图（20分） P22
“材料科学与工程基础”第二章习题 1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。 ρ铁＝7.8g/cm31mol 铁＝6.022×1023个=55.85g 所以，7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X/(0.287×10-7)3cm3 X ＝1.99≈2（个） 2.在立方晶系单胞中，请画出： （a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角； （b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。 （c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。 （a ）[211]和[100]之夹角θ＝arctg 2=35.26。 或 cos θ==35.26θ=o （b ） cos θ==35.26θ=o （c ）a=0.5b=0.75z=∞ 倒数24/30取互质整数（320） 3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。 室温下的原子半径R ＝1.444A 。（见教材177页） 点阵常数a=4.086A 最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A 4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。 在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01 所以（2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即碳占据八面体的10％。
5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。 见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。 2 0.9064==。 即纤维的最大体积分数为90.64％。 6、假设你发现一种材料，它们密排面以ABAC 重复堆垛。这种发现有意义吗？你能否计算这种新材料的原子堆垛因子? fcc 和hcp 密排面的堆积顺序分别是ABCABC……和ABAB…,如果发现存在ABACABAC……堆积的晶体，那应该是一种新的结构，而堆积因子和fcc 和hcp 一样，为0.74。 7.在FCC 、HCP 和BCC 中最高密度面是哪些面？在这些面上哪些方向是最高密度方向？ 密排面密排方向 FCC{111)}<110> HCP(0001)(1120) BCC{110)}<111> 8.在铁中加入碳形成钢。BCC 结构的铁称铁素体，在912℃以下是稳定的，在这温度以上变成FCC 结构，称之为奥氏体。你预期哪一种结构能溶解更多碳?对你的答案作出解释。 奥氏体比铁素体的溶碳量更大，原因是1、奥氏体为FCC 结构，碳处于八面体间隙中，间隙尺寸大（0.414R ）。而铁素体为BCC 结构，间隙尺寸小，四面体间隙0.291R ，八面体间隙0.225R ；2、FCC 的间隙是对称的，BCC 的间隙是非对称的，非对称的2
材料科学与工程基础”考试试题–英文原版教材班 （注：第1、2、3题为必做题；第4、5、6、7题为选择题，必须二选一。共100分） 1. Glossary (2 points for each) 1) crystal structure: The arrangement of the atoms in a material into a repeatable lattice. 2) basis (or motif): A group of atoms associated with a lattice. 3) packing fractor: The fraction of space in a unit cell occupied by atoms. 4) slip system: The combination of the slip plane and the slip direction. 5) critical size: The minimum size that must be formed by atoms clustering together in the liquid before the solid particle is stable and begins to grow. 6) homogeneous nucleation: Formation of a critically sized solid from the liquid by the clustering together of a large number of atoms at a high undercooling (without an external interface). 7) coherent precipitate:A precipitate whose crystal structure and atomic arrangement have a continuous relationship with matrix from which precipitate is formed. 8) precipitation hardening: A strengthening mechanism that relies on a sequence of solid state phase transformations in a dispersion of ultrafine precipitates of a 2nd phase. This is same as age hardening. It is a form of dispersion strengthening. 9) diffusion coefficient: A temperature-dependent coefficient related to the rate at which atom, ion, or other species diffusion. The DC depends on temperature, the composition and microstructure of the host material and also concentration of the diffusion species. 10) uphill diffusion: A diffusion process in which species move from regions of lower concentration to that of higher concentration. 2. Determine the indices for the planes in the cubic unit cell shown in Figure 1. (5 points)
1.工程材料按属性分为：金属材料、陶瓷材料、碳材料、高分子材料、复合材料、半导体材料、生物材料。 2.零维材料：是指亚微米级和纳米级（1—100nm）的金属或陶瓷粉末材料，如原子团簇和纳米微粒材料； 一维材料：线性纤维材料，如光导纤维； 二维材料：就是二维薄膜状材料，如金刚石薄膜、高分子分离膜； 三维材料：常见材料绝大多数都是三位材料，如一般的金属材料、陶瓷材料等； 3.工程材料的使用性能就是在服役条件下表现出的性能，包括：强度、塑性、韧性、耐磨性、耐疲劳性等力学性能，耐蚀性、耐热性等化学性能，及声、光、电、磁等功能性能；工程材料按使用性能分为：结构材料和功能材料。 4.金属材料中原子之间主要是金属键，其特点是无方向性、无饱和性； 陶瓷材料中的结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键，离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性； 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键，其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能； 半导体材料中主要是共价键和离子键，其中，离子键是无方向性的，而共价键则具有高度的方向性。 5.晶胞：是指从晶格中取出的具有整个晶体全部几何特征的最小几何单元；在三维空间中，用晶胞的三条棱边长a、b、c（晶格常数）和三条棱边的夹角α、β、γ这六个参数来描述晶胞的几何形状和大小。 6.晶体结构主要分为7个晶系、14种晶格； 7.晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为[uvw]； 晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为（hkl）。 8.实际晶体的缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷，其中体缺陷有气孔、裂纹、杂质和其他相。 9.实际金属结晶温度Tn总要偏低理论结晶温度T0一定的温度，结晶方可进行，该温差ΔT=T0—Tn即称为过冷度；过冷度越大，形核速度越快，形成的晶粒就越细。 10.通过向液态金属中添加某些符合非自发成核条件的元素或它们的化合物作为变质剂来细化晶粒，就叫变质处理；如钢水中常添加Ti、V、Al等来细化晶粒。 11.加工硬化是指随着塑性变形增加，金属晶格的位错密度不断增加，位错间的相互作用增强，提高了金属的塑性变形抗力，使金属的强度和硬度明显提高，塑性和韧性明显降低，也即形变强化；加工硬化是一种重要的强化手段，可以提高金属的强度并使金属在冷加工中均匀变形；但金属强度的提高往往给进一步的冷加工带来困难，必须进行退火处理，增加了成本。 12.金属学以再结晶温度区分冷加工和热加工：在再结晶温度以下进行的塑性变形加工是冷加工，在再结晶温度以上进行的塑性变形加工即热加工；热加工可以使金属中的气孔、裂纹、疏松焊合，使金属更加致密，减轻偏析，改善杂质分布，明显提高金属的力学性能。 13.再结晶是指随加热温度的提高，加工硬化现象逐渐消除的阶段；再结晶的晶粒度受加热温度和变形度的影响。 14.相:是指合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并由界面与其他部分隔开的均匀组成部分； 合金相图是用图解的方法表示合金在极其缓慢的冷却速度下，合金状态随温度和化学成分的变化关系； 固溶体：是指在固态下，合金组元相互溶解而形成的均匀固相； 金属间化合物：是指俩组元组成合金时，产生的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新固相。 15.固溶强化：是指固溶体的晶格畸变增加了位错运动的阻力，使金属的塑性和韧性略有下降，强度和硬度随溶质原子浓度增加而略有提高的现象； 弥散强化：是指以固溶体为主的合金辅以金属间化合物弥散分布，以提高合金整体的强度、硬度和耐磨性的强化方式。 16.匀晶反应：是指两组元在液态和固态都能无限互溶，随温度的变化，形成成分均匀的液相、固相或满足杠杆定律的中间相的固溶体的反应； 共晶反应：是指由一种液态在恒温下同时结晶析出两种固相的反应； 包晶反应：是指在结晶过程先析出相进行到一定温度后，新产生的固相大多包围在已有的固相周围生成的的反应； 共析反应：一定温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两种固相的反应。 17.铁素体（F）：碳溶于α-Fe中形成的体心立方晶格的间隙固溶体；金相在显微镜下为多边形晶粒；铁素体强度和硬度低、塑性好，力学性能与纯铁相似，770℃以下有磁性； 奥氏体（A）:碳溶于γ-Fe中形成的面心立方晶格的间隙固溶体；金相显微镜下为规则的多边形晶粒；奥氏体强度和硬度不高，塑性好，容易压力加工，没有磁性； 渗碳体（Fe3C）：含碳量为6.69%的复杂铁碳间隙化合物；渗碳体硬度很高、强度极低、脆性非常大； 珠光体（P）：铁素体和渗碳体的共析混合物；珠光体强度较高，韧性和塑性在渗碳体和铁素体之间； 莱氏体（Ld）：奥氏体和渗碳体的共晶混合物；莱氏体中渗碳体较多，脆性大、硬度高、塑性很差。 18.包晶反应：1495℃时发生，有δ-Fe（C=0.10%）、γ-Fe（C=0.17%或0.18%，图中J点）、液相（C=0.53%或0.51%，图中B点）三相共存；δ-Fe（固体）+L（液体）=γ-Fe（固体） 共晶反应：1148℃时发生，有A（C=2.11%）、Fe3C（C=6.69%）、液相L（C=4.3%）三相共存；Ld→Ae+Fe3Cf（恒温1148℃） 共析反应：727℃时发生，有A（C=0.77%）、F（C=0.0218%）、Fe3C（C=6.69%）三相共存；As→Fp+Fe3Ck(恒温727℃)