材料科学与工程基础一

第一章 原子排列与晶体结构1.[110]， (111)， ABCABC…， 0.74 ， 12 , 4 ， a r 42=； [111]， (110) , 0.68 , 8 , 2 ， a r 43= ；]0211[， (0001) ， ABAB ， 0.74 ， 12 ， 6 ， 2a r =。

2. 0.01659nm 3 ， 4 ， 8 。

3. FCC ， BCC ，减少 ，降低 ，膨胀 ，收缩 。

4. 解答：见图1－15.解答：设所决定的晶面为（hkl ），晶面指数与面上的直线[uvw]之间有hu+kv+lw=0，故有： h+k-l=0,2h-l=0。

可以求得（hkl ）＝（112）。

6 解答：Pb 为fcc 结构，原子半径R 与点阵常数a 的关系为ar 42=，故可求得a ＝0.4949×10-6mm 。

则（100）平面的面积S ＝a 2＝0.244926011×0-12mm 2，每个（100）面上的原子个数为2。

所以1 mm 2上的原子个数s n 1=＝4.08×1012。

第二章合金相结构一、 填空1） 提高，降低，变差，变大。

2） （1）晶体结构；（2）元素之间电负性差；（3）电子浓度 ；（4）元素之间尺寸差别 3） 存在溶质原子偏聚 和短程有序 。

4） 置换固溶体 和间隙固溶体 。

5） 提高 ，降低 ，降低 。

6） 溶质原子溶入点阵原子溶入溶剂点阵间隙中形成的固溶体，非金属原子与金属原子半径的比值大于0.59时形成的复杂结构的化合物。

二、 问答1、 解答： α-Fe 为bcc 结构，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，间隙半径很小，四面体间隙半径为0.291Ra ，即R ＝0.0361nm ，八面体间隙半径为0.154Ra ，即R ＝0.0191nm 。

氢，氮，碳，硼由于与α-Fe 的尺寸差别较大，在α-Fe 中形成间隙固溶体，固溶度很小。

第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜材料的性能materials property性能决定用途。

本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。

4-1 固体材料的力学性能Mechanical Properties of Solid Materials结构件：力学性能为主非结构件：力学性能为辅，但必不可少mechanical property of materials stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity permanent deformation Strength Fracture4-1-1 材料的力学状态mechanical states of matrials 1.金属的力学状态A 晶态结构，B 较高的弹性模量和强度，C 受力开始为弹性形变，接着一段塑性形变，然后断裂，总变形能很大， D 具有较高的熔点。

某些金属合金 A 呈非晶态合金， B 具有很高的硬度和强度，C 延伸率很低而并不脆。

D 温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。

2. 无机非金属的力学状态A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。

B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。

C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。

D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断裂，总弹性应变能很小。

陶瓷材料的力学特征高模量高强度高硬度低延伸率3. 聚合物的力学状态(1) 非晶态聚合物的三种力学状态①玻璃态②高弹态③粘流态(2) 结晶聚合物的力学状态A 结晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。

B 在T g 以上模量下降不大Tm、TfC 在T m 以上模量迅速下降D 聚合物分子量很大，T mT f ,则在T m 与T f 之间将出现高弹态。

E 分子量较低，T m T f , 则熔融之后即转变成粘流态，玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度是橡胶使用的下限温度熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度4-1-2 应力和应变stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.4-1-2 应力和应变(stress and strain)应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。

材料科学与工程基础课后习题答案习题1题目：什么是材料的物理性质？举例说明。

解答：材料的物理性质是指材料在没有发生化学变化的情况下所表现出的性质。

这些性质可以通过物理测试来测量和确定。

举例来说，导电性和热导性就是材料的物理性质之一。

例如，金属材料具有良好的导电性和热导性，能够传递电流和热量。

而绝缘材料则具有较低的导电性和热导性，不易传递电流和热量。

习题2题目：简述晶体结构和晶体缺陷的区别。

解答：晶体结构是指材料中原子或离子的排列方式和规律。

晶体结构可以分为晶格、晶胞和晶体点阵等几个层次。

晶格是指晶体内部原子或离子排列的周期性重复性。

晶胞是晶格的一个最小重复单元，由晶体中少数几个原子或离子构成。

晶体点阵是指晶格的三维空间排列方式。

晶体缺陷是指晶体结构中存在的瑕疵或缺陷。

晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷是指晶体结构中原子或离子的位置发生了失序或替代，造成了空位、间隙原子、杂质原子等。

线缺陷是指晶体结构中存在了位错或脆性裂纹等缺陷。

面缺陷是指晶体结构中存在了晶界或孪晶等缺陷。

习题3题目：为什么变形会引起材料性能的改变？解答：变形是指材料在外力作用下发生的形状和大小的改变。

变形可以导致材料性能的改变主要有以下几个原因：1.晶体结构改变：变形会导致晶体结构中原子或离子的位置发生移动和重排，从而改变了晶体的结构和性质。

2.结晶颗粒的尺寸和形状改变：变形会导致晶体中晶界的移动和晶体颗粒的形状改变，这会影响材料的力学性能和导电性能等。

3.动态再结晶：变形过程中，材料中原来存在的缺陷和结构不完善的区域可能会发生动态再结晶，从而改善了材料的性能。

4.内应力的释放：变形会导致材料内部产生应力，这些应力可能会引起材料的开裂、断裂和强度变化等。

综上所述，变形会引起材料性能的改变是由于晶体结构、结晶颗粒、动态再结晶和内应力等因素的综合作用所导致的。

习题4题目：什么是材料的力学性能？举例说明。

解答：材料的力学性能是指材料在力学加载下所表现出的性能。

《材料科学与工程基础》题集大题一：选择题1.下列哪一项是材料的基本属性？A. 密度B. 颜色C. 形状D. 体积2.材料的力学性能主要包括哪一项？A. 导电性B. 耐腐蚀性C. 强度D. 透明度3.下列哪一项不是金属材料的常见类型？A. 钢铁B. 铝合金C. 陶瓷D. 铜合金4.材料的硬度是指其抵抗什么的能力？A. 拉伸B. 压缩C. 弯曲D. 刻划5.下列哪一项是热塑性材料的特性？A. 在加热后不能变形B. 在加热后可以永久变形C. 在冷却后可以恢复原形D. 在任何温度下都不易变形6.材料的韧性是指其在受力时什么的能力？A. 易碎B. 易弯曲C. 吸收能量而不破裂D. 迅速恢复原形7.下列哪一项是陶瓷材料的主要成分？A. 金属B. 塑料C. 无机非金属D. 有机物8.复合材料是由哪两种或多种材料组合而成的？A. 同一种材料的不同形态B. 不同性质的材料C. 相同性质的材料D. 任意两种材料9.下列哪一项不是高分子材料的特性？A. 高强度B. 高韧性C. 低密度D. 低耐温性10.材料的疲劳是指其在什么条件下性能逐渐降低的现象？A. 持续受力B. 持续加热C. 持续冷却D. 持续暴露在潮湿环境中大题二：填空题1.材料的密度是指单位体积内材料的______。

2.材料的导电性是指材料传导______的能力。

3.金属材料的晶体结构常见的有______、体心立方和面心立方。

4.陶瓷材料因其______、高硬度和高耐温性而被广泛应用于高温和腐蚀环境。

5.复合材料的优点包括高强度、高刚性和良好的______。

6.高分子材料的分子结构特点是具有长链状的______结构。

7.材料的疲劳强度是指材料在______作用下抵抗破坏的能力。

大题三：判断题1.材料的力学性能只包括强度和硬度。

（）2.金属材料都是良好的导体。

（）3.陶瓷材料的主要成分是金属。

（）4.复合材料的性能总是优于其单一组分的性能。

（）5.高分子材料的耐温性一般较低。

四川大学本科课程《材料科学与工程基础》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《材料科学与工程基础》（FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING）课程号（代码）：30014530课程类别：专业基础课学时/学分：48 /3先修课程：大学化学、大学物理、物理化学适用专业：高分子材料与工程等二级学科材料类专业开课时间：大学二年级下期二、课程的目的及任务材料科学与工程是二十世纪六十年代初期创立的研究材料共性规律的一门学科，其研究内容涉及金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工同材料性能及材料应用之间的相互关系。

材料科学、材料工业和高新技术的发展要求高分子材料与工程等二级学科材料类专业的学生必须同时具备“大材料”基础和“中材料”专业的宽厚知识结构。

本课程是材料类专业的学科基础课程，是联系基础课与专业课的桥梁。

本课程从材料科学与工程的“四要素”出发，采用“集成化”的模式，详细讲授金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等各种材料的共性规律及个性特征。

使学生建立材料制备/加工——组成/结构——性能---应用关系的“大材料”整体概念，从原理上认识高分子材料等各种材料的基本属性，及其在材料领域中的地位和作用。

为以后二级学科“中材料”专业课程的学习、材料设计、以及材料的应用等奠定良好基础。

本课程采用中文教材与英文原版教材相结合，实施“双语”教学。

使学生通过本课程的学习，熟悉材料科学与工程领域的主要英文专业词汇，提高对英文教材的阅读理解能力。

三、课程的教学内容、要点及学时分配（以红字方式注明重点难点）第一章绪论（1学时）本章概要：简要介绍材料的定义及分类，材料科学与工程的基本内容。

使学生了解本课程的学习内容和学习方法。

讲授要点：材料的定义、分类材料科学与工程的定义、性质、重要性（举例）课程学习的目的、方法、要求第二章材料结构基础（15学时）本章概要：按照从微观到宏观、从内部到表面、从静态到动态、从单组分到多组分的顺序，阐述原子电子结构、原子间相互作用和结合方式，固体内部和表面原子的空间排列状态、聚集态结构的有序性、无序性和转变规律及相互关系。

顾宜《材料科学与工程基础》课后题答案第一章：引言1.1 材料科学与工程基础的重要性材料科学与工程基础是现代工程领域不可或缺的一门基础课程。

它包括了材料科学与工程学科的基本原理和方法，为后续学习和研究提供了必要的基础知识。

材料是任何工程的基础，它在各个领域中都扮演着重要角色，如机械工程、电子工程、航空航天工程等。

因此，熟悉材料的结构、性质和应用对于工程师来说至关重要。

1.2 材料科学与工程基础的学习目标材料科学与工程基础的学习目标如下： - 理解材料的基本概念和分类方法； - 掌握材料制备、表征和性能分析的基本技术； - 理解不同材料的特性和应用； - 开发解决材料工程问题的能力。

第二章：晶体结构与晶体缺陷2.1 晶体的结构晶体是由原子、离子或分子按照一定的排列方式组成的长程有序固体结构。

晶体的结构可以通过晶体的晶胞来描述，晶胞是最小的重复单元。

2.2 晶体的缺陷晶体的缺陷指的是在晶体结构中存在的不完整或不规则的区域。

晶体的缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。

点缺陷包括空位、插入原子和替代原子等。

线缺陷包括位错和脚位错。

面缺陷包括晶界和层错。

第三章：物理性能与力学性能3.1 物理性能物理性能是指材料的一些基本物理特性，如密度、热导率、电导率等。

物理性能的好坏对材料的应用和工程设计具有重要影响。

3.2 力学性能力学性能是指材料在力学作用下的表现。

常见的力学性能包括强度、硬度、韧性、可塑性等。

力学性能的好坏决定了材料在工程中的使用范围和耐久性。

第四章：金属材料4.1 金属的结构与特性金属是指电子云密度较大、以金属键连接的材料。

金属的结构特点是具有密堆结构和离域电子特性。

4.2 金属的物理性能与力学性能金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，对磨损和腐蚀有较好的抵抗能力。

金属材料的力学性能受材料的组织和处理方式的影响。

第五章：陶瓷材料与玻璃材料5.1 陶瓷材料的分类与特性陶瓷材料是以非金属元素为主要成分的材料，分为晶体陶瓷和非晶态陶瓷两大类。

习题第二章2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子旳电子排布（用方框图表达）。

2-2.旳镁原子有13个中子，11.17%旳镁原子有14个中子，试计算镁原子旳原子量。

2-3.试计算N壳层内旳最大电子数。

若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子旳原子序数是多少？2-4.计算O壳层内旳最大电子数。

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旳原子序数。

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，简朴阐明理由。

2-6.按照杂化轨道理论，阐明下列旳键合形式：（1）CO2旳分子键合（2）甲烷CH4旳分子键合（3）乙烯C2H4旳分子键合（4）水H2O旳分子键合（5）苯环旳分子键合（6）羰基中C、O间旳原子键合2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数旳原因有那些？2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性旳关系？2-9.0℃时，水和冰旳密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，怎样解释这一现象？2-10.当CN=6时，K+离子旳半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？2-11.(a)运用附录旳资料算出一种金原子旳质量？(b)每mm3旳金有多少个原子？(c)根据金旳密度，某颗具有1021个原子旳金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽视金原子之间旳空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积旳多少比例？2-12.一种CaO旳立方体晶胞具有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边旳边长是0.478nm，则CaO旳密度是多少？2-13.硬球模式广泛旳合用于金属原子和离子，不过为何不合用于分子？2-14.计算（a）面心立方金属旳原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl旳离子致密度（离子半径r Na+=0.097，r Cl-=0.181）；（C）由计算成果，可以引出什么结论？2-15.铁旳单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm，请由铁旳密度算出每个单位晶胞所含旳原子个数。

材料科学与工程基础思考题姓名： 程扬 学号： 111100322 班级： 高分子1101班1、计算NaCl 的填充因子，离子半径：Na + = 0.102 nm, Cl - = 0.181 nm解：晶格常数：a =2r Na ++2r Cl −=2× 0.102+0.181 nm =0.566nm ;晶胞体积：V 1=a 3=0.5663nm 3=0.18132nm 3离子体积：V 2= V Na ++ V Cl −=4×43πr Na +3+4×43πr Cl −3= 4×4 3π×0.1023+4×43π×0.1813 nm 3=0.117134nm 3填充因子：x NaCl =V 2V 1=0.1171340.18132=0.6462、计算NaCl 的密度，离子半径Na + = 0.102 nm, Cl - = 0.181 nm ，Na 的摩尔质量为22.99g/mol ，Cl 的摩尔质量为35.45g/mol 。

解：晶格常数：a =2r Na ++2r Cl −=2× 0.102+0.181 nm =0.566nm ;晶胞体积：V =a 3=0.5663nm 3=0.18132nm 3=1.8132×10−22cm 3一个晶胞中离子的质量：m = m Na ++ m Cl −=46.02×1023× 22.9+35.45 g =3.877×10−22g密度 ρ=m V = 3.877×10−22g1.8132×10−22cm 3=2.1382 g/cm 33、计算CsCl 的填充因子，已知离子半径：Cs + = 0.170 nm, Cl - = 0.181 nm解：由题意可得： 3a =2r Cs ++2r Cl −=2× 0.170+0.181 nm =0.702nm则：晶格常数 a =0.4053nm晶胞体积：V 1=a 3=0.40533nm 3=0.06658 nm 3离子体积：V 2= V Cs ++ V Cl −=43πr Cs +3+43πr Cl −3= 4 3π×0.1703+43π×0.1813 nm 3=0.04542nm 3填充因子：x CsCl =V 2V 1=0.045420.06658=0.68234、在离子晶体中，密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时，正负离子的半径比为临界半径比，分别计算：(1)立方体配位；(2)八面体配位；(3)四面体配位和(4)三角形配位的临界半径比。

材料科学与工程基础材料科学与工程基础是材料科学与工程专业学生的一门重要基础课程，也是其后续专业课程的基础。

材料科学与工程基础课程主要涉及材料结构、性能与应用三个方面的内容。

首先，材料结构是材料科学与工程基础课程的核心内容之一。

它主要包括晶体结构、非晶态结构、晶体缺陷等。

晶体结构是研究晶体材料内部原子排列方式的科学，晶体结构的不同会直接影响材料的性质与应用。

非晶态结构是研究非晶态材料内部原子排列方式的科学，非晶态材料具有无定形的特点，其性质与晶体材料有很大差异。

晶体缺陷是指晶体中存在的各种类型的缺陷，缺陷的特点会直接影响材料的性能与应用。

其次，材料性能是材料科学与工程基础课程的另一个重要内容。

材料性能指的是材料在一定条件下所表现出来的特征与行为。

材料的性能可以分为物理性能、化学性能、力学性能等。

物理性能主要包括热性能、电性能、磁性能等，研究材料在不同温度、压力等条件下的表现。

化学性能主要包括耐腐蚀性、氧化性等，研究材料在化学环境中的表现。

力学性能主要包括强度、硬度、韧性等，研究材料在外力作用下的变形行为。

最后，材料应用是材料科学与工程基础课程的另一个重点。

材料应用主要包括金属材料、陶瓷材料、聚合物材料等在不同领域的应用。

金属材料广泛应用于工业领域，如汽车、航空、航天等；陶瓷材料主要应用于电子、光学等领域；聚合物材料主要应用于塑料、橡胶等领域。

材料科学与工程基础课程通过介绍不同材料的应用，帮助学生了解材料的特性与工程应用。

综上所述，材料科学与工程基础是一门涵盖材料结构、性能与应用的重要课程。

学生通过学习材料结构，了解材料内部原子排列方式的差异；通过学习材料性能，了解材料在不同条件下的特性与行为；通过学习材料应用，了解不同材料在各个领域的应用情况。

这些知识为学生进一步深入学习材料科学与工程专业课程奠定了坚实的基础。