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绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有34.01％)，为什么它也很稳定?9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。
一、晶体结构1. 解释名词：配位数、晶胞、致密度、间隙固溶体、合金、相、组织、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体、电子浓度、电子化合物。
2. （P86，1）If the atomic radius of copper is 0.128nm, calculate the volume of this unit cell in cubic meters.3. （P86，4）Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm ，密度ρ为7.26g/cm 3，原子半径r 为0.112nm 。
问Mn 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？4. （P86，5）Mo 的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a = 0.3147nm ，试求Mo 的原子半径r 。
5. （P86，6）试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。
6. 在立方晶胞中画出下列晶向：]031[];321[];331[];210[];121[];101[7. 在立方晶胞中画出下列晶面：)321();221();131();210();211();110(8. 锆（Zr ，Zirconium ）具有HCP 结构，密度为6.51 g/cm 3，M Zr =91.22 g/mol 。
（a ）计算晶胞体积；（b ）如果c/a 为1.593，计算c 和a 。
9. 试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。
10. FeAl 为电子化合物，计算其电子浓度，Fe 、Al 的价电子贡献分别为0和+3。
11. 下列合金相为何种类型：Cr 7C 3 、Mg 2Pb 、 WC 、FeAl 、Cu 3Al 、Fe 4N 、Fe 3C 。
二、晶体缺陷1. 解释名词：柏氏矢量、层错、空位、小角度晶界、共格相界、螺型位错2. 纯Cu 的空位形成能是1.5aJ/atom(1aJ=10-18J)，将纯Cu 加热到850℃后激冷到室温（20℃），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
第一章8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS解：1、查表得：X Na =0.93,X F =3.98根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21(0.93 3.98)4[1]100%90.2%e ---⨯=共价键比例为：1-90.2%=9.8% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21(1.00 3.44)4[1]100%77.4%e---⨯=共价键比例为：1-77.4%=22.6%3、ZnS 中离子键比例为：21/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-⨯=中离子键含量共价键比例为：1-19.44%=80.56%10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。
答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。
稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。
稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。
但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。
第二章1．回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］(2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和 （112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。
(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。
解：1、2．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。
某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。
一、晶体结构1. 解释名词：配位数、晶胞、致密度、间隙固溶体、合金、相、组织、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体、电子浓度、电子化合物。
（P86，1）If the atomic radius of copper is 0.128nm, calculate the volume of this unit cell in cubic meters.（如果铜的原子半径0.128nm ，计算立方米的这个单位细胞体积2. （P86，4）Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm ，密度ρ为7.26g/cm 3，原子半径r 为0.112nm 。
问Mn 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？3. （P86，5）Mo 的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a = 0.3147nm ，试求Mo 的原子半径r 。
4. （P86，6）试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。
5. 在立方晶胞中画出下列晶向：]031[];321[];331[];210[];121[];101[6. 在立方晶胞中画出下列晶面：)321();221();131();210();211();110(7. 锆（Zr ，Zirconium ）具有HCP 结构，密度为6.51 g/cm 3，M Zr =91.22 g/mol 。
（a ）计算晶胞体积；（b ）如果c/a 为1.593，计算c 和a 。
8. 试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。
9. FeAl 为电子化合物，计算其电子浓度，Fe 、Al 的价电子贡献分别为0和+3。
10. 下列合金相为何种类型：Cr 7C 3 、Mg 2Pb 、 WC 、FeAl 、Cu 3Al 、Fe 4N 、Fe 3C 。
二、晶体缺陷1. 解释名词：柏氏矢量、层错、空位、小角度晶界、共格相界、螺型位错2. 纯Cu 的空位形成能是1.5aJ/atom(1aJ=10-18J)，将纯Cu 加热到850℃后激冷到室温（20℃），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．材料性质是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
（√）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（√）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（错）4．性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。
（√）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（错）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（√）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（错）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（√）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（错）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（√）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？答：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。
2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？答：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。
大连理工大学材料科学与工程学院本科实验教学大纲2017年9月目录《材料科学基础实验》教学大纲 (1)《材料成型原理实验》教学大纲 (5)《工程材料学实验》教学大纲 (7)《固态相变原理及应用实验》教学大纲 (9)《材料分析方法实验》教学大纲 (12)《材料物理及力学性能实验》教学大纲 (15)《材料成型检测与控制实验》教学大纲 (18)《材料成型工艺学实验》教学大纲 (21)《计算机编程与实践》教学大纲 (24)《材料成型过程计算机应用实验》教学大纲 (26)《金属材料工程与技术综合实验I》教学大纲 (28)《金属材料工程与技术综合实验II》教学大纲 (31)《无损检测设备及实验》教学大纲 (33)《材料工程基础实验》教学大纲 (36)《功能材料微结构表征及制备综合实验》教学大纲 (38)《功能材料物理化学性能综合实验》教学大纲 (41)《毕业设计（论文）（材料成型与控制工程）》教学大纲 (45)《毕业设计（论文）（金属材料工程）》教学大纲 (48)《毕业设计（论文）（功能材料）》教学大纲 (52)《材料科学基础实验》教学大纲（学分1，学时24）一、课程说明该课程作为材料科学与工程专业本科生的一门重要的专业基础课，是衔接基础课和专业课之间的桥梁和纽带。
通过本课程的学习，学生将具备材料研究和应用的相关基础知识，并为后续专业课学习奠定基础。
该课程涉及到的知识点多、理论性强、内容抽象。
提高实际动手能力以及开发新材料体系奠定基础，其优势在于理论知识与实践相结合。
着力于学生对知识的融通运用和能力的综合训练，科学素养、创新意识和创新能力等方面的培养。
二、课程目标（对应毕业要求：1.1、4.1、5.1、9.1、12.1）1. 掌握数学知识，具有较强的数学计算能力；并能将其用于解决复杂工程问题（对应毕业要求：1.1）；2. 掌握自然科学实验的基本原理及方法，具备实验设计、分析、总结的能力（对应毕业要求：4.1）；3. 具有开发，选择与使用现代制备及检测的专业设备、技术来分析材料成型专业复杂工程问题的能力，并能够理解其局限性（对应毕业要求：5.1）；4. 具有一定的组织管理能力、较强的沟通能力和人际交往能力，以及在团队中发挥有效作用的能力。
一、晶体结构1. 解释名词：配位数、晶胞、致密度、间隙固溶体、合金、相、组织、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体、电子浓度、电子化合物。
（P86，1）If the atomic radius of copper is 0.128nm, calculate the volume of this unit cell in cubic meters.（如果铜的原子半径0.128nm ，计算立方米的这个单位细胞体积2. （P86，4）Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm ，密度ρ为7.26g/cm 3，原子半径r 为0.112nm 。
问Mn 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？3. （P86，5）Mo 的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a = 0.3147nm ，试求Mo 的原子半径r 。
4. （P86，6）试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。
5. 在立方晶胞中画出下列晶向：]031[];321[];331[];210[];121[];101[6. 在立方晶胞中画出下列晶面：)321();221();131();210();211();110(7. 锆（Zr ，Zirconium ）具有HCP 结构，密度为6.51 g/cm 3，M Zr =91.22 g/mol 。
（a ）计算晶胞体积；（b ）如果c/a 为1.593，计算c 和a 。
8. 试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。
9. FeAl 为电子化合物，计算其电子浓度，Fe 、Al 的价电子贡献分别为0和+3。
10. 下列合金相为何种类型：Cr 7C 3 、Mg 2Pb 、 WC 、FeAl 、Cu 3Al 、Fe 4N 、Fe 3C 。
二、晶体缺陷1. 解释名词：柏氏矢量、层错、空位、小角度晶界、共格相界、螺型位错2. 纯Cu 的空位形成能是1.5aJ/atom(1aJ=10-18J)，将纯Cu 加热到850℃后激冷到室温（20℃），如果高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
3. 计算Fe 在 850o 时，每立方米体积中的空位数。
已知Fe 在850o 时的空位形成能、密度及原子重量分别为1.08 eV/atom 、7.65 g/cm 3、55.85 g/mol 。
4. （P161，6）在晶体的同一滑移面上有两个半径分别为r1和r2的位错环，其中r1>r2，它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动？为什么？5. （P161，8）判断下列位错反应能否进行：]111[3]211[6]110[2aa a →+；]111[2]111[6]112[3aa a →+ 6. 根据晶粒的位相差及结构特点，晶界有哪些类型？有何特点属性？7. If the atomic radius of copper is 0.128nm, determine the magnitude of the Burgers vector for copper.（如果铜的原子半径的确定0.128nm ，铜的Burgers 矢量大小）8. 如图，在晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到均匀切应力τ和σ的作用。
（1）分析该位错环各段位错的结构类型； （2）在τ的作用下，该位错环将如何运动？ （3）在σ的作用下，位错环将如何运动？ 9. 试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为]101[2ab =的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到)111(),111(),111(面中的某个面上继续运动？为什么？三、材料变形、回复与再结晶1. 临界分切应力、孪生、固溶强化、Orowan 机制、应变时效、二次再结晶、回复2. （P161，3）Why are FCC metals more ductile than either HCP or BCC metals?3. （P161，4）How do changes in the dislocation density affect the strength and ductility (i.e. itsability to deform plastically)? Why? 4. （P161，10）已知平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的α-Fe 的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa,问平均晶粒直径为0.0196mm 的α-Fe 的屈服强度为多少？5. （P161，11）试指出Cu 和α-Fe 两晶体易滑移的晶面和晶向，并求出他们的滑移面间距，滑移方向上的原子间距及点阵阻力。
（已知G Cu =48.3GPa ，G α-Fe =81.6GPa ，v =0.3） 6. （P161，12）今有纯Ti 、Al 、Pb 三种铸锭，试判断它们在室温（20°C ）轧制的难易顺序。
是否可以连续轧制？如果不能，应采取什么措施才能使之轧制成薄板？（已知Ti 的熔点1672°C ，在883°C 以下为HCP 结构，883°C 以上为BCC 结构；Al 的熔点为660°C ，BCC 结构；Pb 的熔点为328°C ，FCC 结构。
）7. （P161，14）简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力。
如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后组织结构的主要区别是什么？8. 某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时疏忽，未将钢绳取出，而是随同工件一起加热至860℃，保温时间到了，打开炉门，欲吊出工件时，钢丝绳发生断裂，试分析原因。
9. 有一截面为10mm ⨯10mm 的镍基合金试样，其长度为40mm ，拉伸实验结果如下表，试计算其抗拉强度σb ，屈服强度σ0.2，弹性模量E 以及延伸率δ。
载荷（N ）标距长度（mm ）0 40.0 43，100 40.1 86，200 40.2 102，000 40.4 104，800 40.8 109，600 41.6 113，800 42.4 121，300 44.0 126，900 46.0 127，60048.0 113，800（破断）50.2四、二元相图1. （P291，2）What are ferrite, austenite, cementite, pearlite and ledeburite ？2. （P291，3）Analyze the transformations experienced by a Fe-C alloy containing3.5% carbonas it is slowly cooled from the liquid to room temperature. (1) Determine the microstructuresat 1149℃, 1147℃, 728℃, 726℃and 20℃. (2) Calculate the relative amount of each phase present in term of mass fraction. (3) Calculate the relative amount of each microstructure in term of mass fraction.3.（P291，5）计算变态莱氏体中共晶渗碳体、二次渗碳体和共析渗碳体的含量。
4.（P291，13）组元A和B在液态完全互溶，但在固态互不溶解，且形成一个与A、B不同晶体结构的中间化合物，由热分析测得下列数据：（a）画出平衡相图，并注明个区域的相、各点的成分及温度，并写出中间化合物的分子式（原子量A=28，B=24）。
（b）100kg的含20wt.%B的合金在800℃平衡冷却到室温，最多能分离出多少纯A。
5.（P291，14）如图的二元合金相图，（1）分析5.5%Cu合金和5.8%Cu合金在平衡结晶和快速冷却不平衡结晶时的组织特点；（2）Al为fcc结构，图中的α相为何种晶体结构？（3）指出此二元系中比较适合做变形合金和铸造合金的成分范围。
（4）设X合金平衡凝固完毕时的组织为α初晶+(α+θ)共晶，其中α初晶占80%，则此合金中θ组元的含量是多少？（5）绘出T=560℃温度时各相的自由能-成分曲线示意图。
6.（P291，15）固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：(a) 成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；(b) 若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？(c) 成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；(d) 合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？五、三元相图1.（P291，17）某三元合金K在温度为t1时分解为B组元和液相，两个相的相对量W B/W L= 2。
已知合金中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。
2.（P291，18）成分为40%A、30%B和30%C的三元系合金在共晶温度形成三相平衡，三相成分如下:计算液相、α相和β相各占多少分数；试估计在同一温度α相和β相的成分同上，但各占50%时合金的成分。
3.（P291，19）说明三元相图的变温截面、等温截面、投影图的作用及局限性。
六、材料的凝固1.解释下列概念：结构起伏、过冷度、临界晶核、成分过冷。
2.说明获得具有定向柱状晶铸件的条件和方法；说明控制铸件组织晶粒大小的方法和原理；说明铸件中常见缺陷及消除或控制方法。
3.（P291，20）考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：△T =1,10,100和200℃，计算：（1）临界晶核尺寸；（2）半径为r*的晶核个数；（3）从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化△G*（形核功）；（4）从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化△Gυ。
(已知铝的熔点T m = 993K,单位体积熔化热L m = 1.836 ×109 J/m3，固液界面比表面能为93mJ/m2，原子体积V0 = 1.66 ×10-29 m3)4.（P291，21）A-B二元相图如图，今将含40wt%的合金棒在固相中无扩散、液相中溶质完全混合、液-固界面平面推进的条件下不平衡凝固，试回答：(忽略成分引起的体积变化)（1）求该合金的k0和这时的k0（2）凝固始端固相成分（3）利用上述凝固条件下的溶质分布方程，确定共晶体占L长铸件的体积百分数；（4）如果完全平衡凝固时，共晶体的百分数（5）若合金中B的含量为5wt%，回答（3）、（4）问题七、固态扩散1.解释概念：菲克第一定律, short circuit diffusion, Kirkendall effect、反应扩散2.（P291，10）有两种激活能分别为E1=83.7KJ/mol和E2=251KJ/mol的扩散反应。
