0 材料工程概论
材料：??????
?
?
????????????????→????????
??信息化工业化成熟农业化
农业化雏形狩猎生产方式核能、芯片钢铁机械青铜器、铁器陶器石器物质载体具体概念：各种工具的生活的物质基础
抽象概念：人类生产和对应 材料成为人类社会技术进步的里程碑！ 现代科技的支柱???
????信息生物能源
材料 0.1 材料的发展进程
0.1.1 石器时代
标志：原始人类学会利用石英等天然石材打造工具，200~300万年前
火（加热）的作用的发现： 陶器/瓷器开始发展
新石器时代同时出现玉器、陶器和瓷器。
中国：最早 安徽繁易县人字洞出土，约200~210万年前；
最典型的应用：以粘土（SiO 2 Al 2O 3） 烧制陶器：
1）仰韶文化（豫）、龙山文化（鲁、豫）：
红陶：氧化气氛窑烧制（950℃）；
薄胎墨陶和白陶：还原气氛窑烧制（1050℃）。 2）兵马俑（Terracotta Warrior ）：彩陶 3）瓷器技术：
中国，东汉
9世纪 东非和阿拉伯地区
13世纪 日本 15世纪 欧洲
0.1.2 青铜时代
人类进入文明社会的标志：开始使用青铜器。
埃及：公元前4000年，CuSn 合金（青铜） 人类发明的第一种合金! 中国：始于公元前2000年（夏） 晚商和西周 鼎盛时期！
例如：1、司母戊方鼎（河南安阳，晚商），875 kg ，1.33×1.10m ，现存最古老的青铜器！
2、越王勾践宝剑（湖北江陵楚墓） 锋利异常！
3、曾侯乙编钟（湖北随州，战国）：64件，> 2500 kg
4、秦陵铜车马，8马2车2俑
0.1.3 铁器时代
铁器坚硬、韧性高、锋利 >> 青铜器
最早：天然陨石铁，Fe + Ni ，>98 wt% 古埃及人称为“神物” 冶铁技术的掌握：
1、最早：小亚细亚，赫梯人，前１４００年左右
2、希腊、罗马：前１０００年左右
3、欧洲：前５００年左右
4、中国：冶铁业出现时间晚于西亚和欧洲，但其后发展迅速；
先炼铁后炼钢的两步炼钢技术比其他国家早1600多年，钢铁的热处理技术也达到相当高水平： 西汉《史记》：“水与火合为淬” 钢铁淬火工艺要点！
《汉书?王褒传》：“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋” 先进的铸剑技术！
铁器广泛使用 人类工具制造技术水平↑↑ 农业生产力↑↑
铁器发展????
??
???
????????????????
??推动工业发展。。。。铁管铁轨之后推动农业生产
（祭器）工艺品兵器农具之前余年，瓦特发明蒸汽机5000 0.1.4 钢铁和有色金属
钢铁：
炼铁高炉 15世纪初，欧洲
炼钢技术 开始于1755年，欧洲 （技术支撑：动力强劲的鼓风设备） 19世纪后期钢铁工业发展迅速：
酸性 1856年 平炉炼钢 1864年 转炉炼钢
碱性 1879年
电弧炉炼钢 1899年
有色金属：
电解铝：始于1866年，目前是用量仅次于钢铁的金属； 纯钛：1910年首次用钠还原法得到，满足了航空航天工业需求 核工业的需求促进了铀及其他核燃料的发展。 电子和半导体工业则促进了单晶硅等超纯材料的发展。
0.1.5 非金属材料
人工合成高分子材料：
1）起源：上个世纪20年代开始应用；
2）发展：1960~70年代，年均增长14%，同比金属年均增长仅4%； 3）现状：目前其发展速度、利用量均超过钢铁材料；
（1990年代初产量已逾1亿吨，按体积计超过钢铁）
4）应用： 可作为结构材料代替钢铁； 未来：导电性和耐高温性更好。
先进（特种）陶瓷材料（Advanced Ceramics ）：
1）非古老、传统意义上的陶器、瓷器，近年发展迅速。 2）材料脆性和热震性显著改善，已成为最有前途的高温结构材料
3）在冶金、建筑、化工以及尖端技术领域，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要用材。
0.1.6 复合材料
起源：传统单一材料不能满足使用要求 复合材料 = 基体材料 + 增强体材料???????。。。
颗粒晶须
纤维
例如：1、玻璃纤维增强树脂（俗称玻璃钢） 1940年代 ~
2、碳纤维增强树脂 1960年代 ~
应用：1、宇航/航空工业：航天器、卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等
2、交通运输业：汽车车身、轻型船艇壳体等
3、石油化工业：耐酸、碱、油的容器、管道等
问题：界面问题、成本问题、质量控制与寿命评估、复合材料的连接等。
0.2 材料应用的现状与新材料的发展趋势
0.2.1 材料应用的现状
现代结构材料的范畴：?
??
??
?
????
????????????
??
?
??????????????。。。
复合材料无机非金属材料
有机高分子材料非金属材料。。其它：镍基金属材料。）（钛合金铜合金铝合金主流：有色金属）钢铁材料（
金属材料%5 %90
用量排序：钢铁材料 铝、铜、钛、镍及其合金 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
0.2.2 新材料发展趋势
?????
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???
??
??
?
????
?????
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???????
??????????????????
???????烯
零维：纳米粉末、足球米管一维：光导纤维、碳纳二维：薄膜
低维材料非线性光学材料生物光电子材料量子材料光电子信息材料金属基复合材料陶瓷基复合材料
树脂基复合材
先进复合材料压电陶瓷、超导陶瓷功能陶瓷：铁电陶瓷、韧性、耐热震结构陶瓷：耐高温、高先进陶瓷耐高温树脂
导电塑料超高强度塑料高性能塑料非晶态准晶
、钼基。。。
高温合金：镍基、钴基新型金属材料：新材料的发展方兴未艾
一、新型金属材料
高性能金属新材料近期发展方向，主要是通过新技术、新工艺，提高合金化程度或改变组织，从而大幅度提高材料的性能，开发出新的品种。
例如：1、快速凝固技术 非晶态/微晶合金 提高合金化程度和强化；
2、定向凝固技术 提高高温合金使用温度范围，延长使用寿命；
3、金属间化合物 高熔点、抗氧化、低密度 高温材料研究热点
4、准晶 光子晶体、热障涂层
二、高性能塑料
发展方向：高强度 + 功能性
高强塑料：强度>金属，更耐蚀，生产耗能低，成型工艺性好，成本低
导电塑料：具备导体性质
功能塑料：变色塑料：随电压、温度而改变颜色
水溶塑料：可溶解于水
三、先进陶瓷材料
特点：与传统陶瓷截然不同 对原料纯度和物理形态有更严格的要求
要采用化学合成法或激光、CVD、等离子等新技术制备
具有特定的精细显微结构和性能
要求严格的制备工艺控制
结构陶瓷高强度、耐磨损、耐腐蚀
机械、化工、金属加工、冶金、矿业领域应用广泛
例如：高温结构陶瓷 内燃机
↑工作温度 ↑↑热机效率 ↓污染↑燃料使用范围
先进陶瓷材料
功能陶瓷利用材料的绝缘、介电、电或其他物理性能（力、声、光、热等）间的耦合和转换功能 机敏材料 换能/作动器件
例如：传感器、智能材料、YBaCuO高温超导材料
（T c >92K>液氮，电流密度J >70 kA/cm2）
四、先进复合材料
航空航天技术的发展促进了轻质、高强、高韧先进复合材料。
五、光电子信息材料
意义：满足计算机、通信、航天和国防需求
领域：光通信、光计算机、光存储、激光技术
代表：高纯玻璃、新型半导体、先进薄膜、非线性光学材料、激光材料、多功能材料六、低维材料
概念：超微粒子（零维，＜100 nm）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料。
1、零维纳米粒子：
1）大小只有几个到几百个原子（1-100 nm）
2）有很大的比表面及和比表面能
3）具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应，物理、化学性能独特:
【如】纳米颗粒 强度↑塑性↑韧性↑，纳米铝硬度是块状铝的8倍
熔点低（纳米Ni粉 < 200 ℃） 烧结温度↓扩散速度↑
电子态由连续能带 不连续 光吸收异常
纳米金属颗粒 电绝缘体、吸光黑体、吸收微波、高效催化剂
2、一维材料：
①光导纤维 信息传输量>>铜、铝同轴电缆，保密性好
高纯石英玻璃光损耗↓至10-1 dB/km 中继距离：200-500km；
多组分氟化物玻璃可↓至10-2~10-3 dB/km，中继距离>2500km。
②强化纤维：脆性材料纤维化后韧性↑↑ 复合材料增强体
碳纤维、硼纤维及陶瓷纤维，如SiC f、Al2O3 f等；高强高分子纤维：凯夫拉
晶须：强度和刚度最高，接近理论强度（金属、陶瓷和有机物都可制成晶须）。
3、薄膜（二维材料）：金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、光学薄膜等当前发展最快
0.3 材料科学与工程的内容
0.3.1 材料科学与工程的要素
概念：材料科学与工程是关于材料制备与加工工艺、组成与结构、材料性能和使用性能之间相互关系的知识及应用的科学。
要素：材料科学与工程包括四个要素，即???
??
?
?使用性能材料性能制备与加工
组成与结构
相互关系：
现代材料科学与工程基本要素四面体
更清晰的表示：包括了必要的学科基础和应用对象，更清楚表现出材料科学与工程所涉及的范围及其相互关系。）
核心：结构与性能的关系 本质：材料的组成与结构
基础：材料科学理论（Why ）和工程技术（How ） 方法：??→?通过制备和加工??→?调整组成和结构??→?获得期望的材料性能??→?满足使用性能 目的：成本最低，效率最高地满足使用性能
0.3.2 材料加工工艺方法
一、各种加工工艺的应用，首先取决于材料性能，其次是材料的组织结构。二者同时也是有
机对应，互相依存的：
典型的材料加工工艺：
???
??
??????
?粉末冶金
磨、滚、钻、镗。。。机加工：车、铣、刨、、摩擦焊、氩弧焊接触焊、钎焊、压力焊连接（焊接）：气焊、。。。造、拉拔、冲压、弯曲流变成型（锻压）：锻连续铸型。。。型、压铸、永久铸型、液态成型（铸造）：砂成型金属材料
??
?
??）烧结（静压压制：挤压、模压、等铸造：包括涂泥釉陶瓷材料Sintering
???
??）烧结（空成型成型：旋压、挤压、真注模制：注塑法、转移浇聚合物Sintering
??
?
??等、扩散压制连接、烧结连接：胶结、爆炸连接成型铸造：包括浸渗复合材料
二、加工在直接改变材料性状的基础上，也可能影响材料的组织结构，进一步影响材料性能
因此：必须掌握材料在加工过程中的结构变化规律，从而确定适合的加工方法与步骤，
才能获得所需要的材料性能。
三、材料的原始组织和性能决定着能采用何种方法将材料加工成所需要的形状
例如：1）含有大缩孔的铸件，在随后的压力加工过程中可能开裂；
2）通过增加微观结构缺陷而强化的合金，在成型过程中也可能变脆和破裂； 3）热塑性塑料可以流变成型，热固性塑料则无法流变成型。
0.3.3 材料设计和选用的基本思想与原则
一、材料设计：应用已知理论与信息，选用具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。
根据设计对象所涉尺度划分为：??
?
?????→?多尺度复合设计电子层次设计分子层次设计原子显微结构层次设计综合考虑
/
工程角度考虑：1）依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型
2）依据模型制定“具有预想微观结构和性能”的材料，及其生产工艺方法
关键步骤：建立物理和数学模型
基础：在确知?
??
?
????
?
?
??????
???????加工性能
抗腐蚀性抗氧化性
高温性能
环境耐受性韧性塑性强度力学性能等指标信息的基础上，综合分析产品结构性能特征。
例如：对于金属材料，可分为以下步骤：
1）基于材料系统的组分和合金化特点，建立性能指标-成分关系模型 2）优化设计 → 计算 → 建立可预见的合金成分
3）实验确定出满足“成分-结构-合成”与“加工-性能-使用性能”的最佳成分 4）扩大实验室试验 → 半工业化生产 → 工业化生产
期间在每个阶段还必须进行工况条件下的应用研究、性能实验，最终达到工程上所需的材料设计。
二、选用材料：“设计-工艺-材料-用户”最佳组合的结果。
基本原则：
1）胜任特定功能 2）综合性能理想
3）材料性能差异能够定量化评定 4）满足成本、经济与社会效益要求 5）满足环保要求
核心问题：材料参数的定量表征与评定
基本参数：可以直接用于计算
特殊参数：不易度量或不能参加设计计算的，往往按重要排序，采用优选法，
以满足产品设计、制造、使用和经济与环境一致的原则
课后作业：1、根据现代科学与工程基本要素四面体，说明该如何建立一个完整的材料观。
2、简要说明材料设计和选用的基本思想与原则。
1 粉体材料工程
什么是粉体材料？
物质质粒的尺度范畴：?????
??<胶体颗粒
：纳米粉末：粉末：颗粒:nm 1nm 100-1
m 500-0.1
mm 1-5.0μ
粉体(Powder)：满足上述尺度范畴的物质质粒及质粒之间的间隙构成的集合体。
颗粒(Particle)：满足上述尺度范畴的个体物质质粒
1.1 粉体基本特性的表征与测定
从工程意义讲，主要关注的粉体特性有：?
?
???
?
?
?
????
?
???????????????压制性填充性流动性工艺特性团聚结合能量
物理特性形状尺度
几何特性
1.1.1 粉体的几何特性
一、颗粒的几何表征
材料的力学、物理、化学性质描述了其物质组态的基本特性。当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质不能全面描述材料的性质。必须对粉体材料的组成单元——颗粒，进行详细描述。颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的特性表征量之一。
1、颗粒的大小：主要通过粒度和粒径表征 粒径（粒径）：颗粒的真实直径、近似直径或当量直径，即颗粒所占空间大小的线性量度
颗粒几何特征取决于其制备方法和工艺条件：
?????
?
??????????
?????
??固相还原法电解法机械破碎机械研磨法雾化法气相沉积法多孔海绵状树枝状不规则多角状片、碟状近球形球形
1）球形颗粒：只有一个线性尺寸（直径），
粒度即直径
2）非球形颗粒：人为规定了某种线性尺度
以之表示粒度
人为规定的颗粒尺寸表征方法主要有：?
?
?
?
?
?????
??当量径定向径轴径投影径网目值 等 1）网目值：用标准筛筛分法测试粉体粒度时，用网目值表征颗粒的粒度范围。
表示法：以通过的网目值和未通过的网目值共同表征，如：（-200+300）表征颗粒可全部通过
200目标准筛而不能通过300目标准筛。
2）投影径
定义：
设颗粒的正视和俯视投影图如右图所示
在两个投影平面中，可定义一组描述颗粒大小的几何量：高（T ）、宽（B ）、长（L ） T ：颗粒最低势能态时，正视投影图的高度 B ：俯视投影图中的最小外接长方形宽度 L ：俯视投影图中的最小外接长方形长度
轴
径 平均轴径：
二轴算术平均径：
2B L + 三轴算术平均径：3
T
B L ++ 二轴调和平均径：
B
L 1
12
+ 三轴调和平均径：T B L 1113++ 二轴几何平均径：LB 三轴几何平均径：3
LBT
其中最常用的是二轴算术平均径、二轴几何平均径和三轴几何平均径。
定义：沿一定方向的颗粒一维定向投影尺度。
定向径包括三种：??
?
??径：定向最大径径：定向等分径
径：定向切线径Krumbein Martin Feret 具体区别： D F ：与颗粒投影相切的两平行线间距 D M ：沿一定方向等分颗粒投影面积的线段长度
D K ：沿一定方向颗粒投影的最大长度
定向
径
测量原则：
对于一个颗粒，随方向而异，定向径可取其所有方向的平均值； 对取向随机的颗粒群，可沿任意一个方向进行测定（统计平均值）。
定义：颗粒体积、面积、质量等与球或投影圆有某种等
量关系时，该球或投影圆的直径。
?
??
?
??????????
???C H
e S V D D D
D D 等周长圆当量径径（投影圆当量径）圆当量径比表面积当量径等表面积当量径等体积当量径球当量径Heywood
径
当
量径 具体定义：
等体积球当量径D V ：与颗粒同体积球的直径：6π
V D V
=
等表面积球当量径D S ：与颗粒等表面积球的直径：π
D S =
比表面积球当量径D e ：与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表面积的球的直
径：23
6S
V
e D D S V D ==
投影圆当量（Heywood ）径D H ：与颗粒投影面积相等的圆的直径：π
S
D H 4=
等周长圆当量径D C ：与颗粒投影圆形周长相等的圆的直径：π
C
D C =
注意：
左图所示各种粒径是纯粹的几何表征量，描述了颗
粒在三维空间中的线性尺度。
在实际粉末颗粒测量中，还有依据物理测量原理，例如运动阻力，介质中的运动速度等获得的颗粒粒径，这时的粒径已经失去了通常的几何学大小的概念，而转化为材料物理性能的描述。
因此，除球体以外的任何形状的颗粒并没有一个绝对的粒径值，描述它的大小必须要同时说明依据的规则和测量的方法。
2、颗粒的形状：主要通过无量纲的形状因子 表征颗粒偏离理想球状的程度！
颗粒形状对粉体的???
????工艺性能输运特性化学活性
物理性能
有很大的影响 例如：1）球形颗粒粉体的流动性、填形性好 粉末结合后材料均匀性好 2）涂料粉末则希望是片状颗粒
覆盖性较好
描述颗粒形状比颗粒大小更困难：主要利用人为规定的无量纲形状因子进行量化表征
1）球形度：???
????=????????=B L T
d d K
S V W 23
2
Krumbein )(Wadell ??球形度：面积与颗粒表面积之比与颗粒等体积的球的表球形度：
可以看到：非球形颗粒：W ?、K ?<1；球形颗粒：W ?、K ?=1（最大值）
2）扁平度（m ）与伸长度（n ）：
T B m 厚度短径=
， B
L
n 短径长径=
3）形状因子（形状系数）
：若以Q 表示颗粒的几何特征，如表面积、投影面积、体积等，则Q 与颗粒粒径d j 的关系可表示为：p j d Q ?=，式中?即为形状因子
（或称形状系数）。
a 、表面形状因子j S ,?：2,j j S d S
=
?，j S ,?与π的差别表示颗粒形状与球状的偏离程度 （球的j S ,?=π，立方体的j S ,?= 6）。
b 、体积形状因子j V ,?：3,j
j V d V
=
?，j V ,?与6/π的差别表示颗粒形状与球状的偏离程度 （球的j V ,?=6/π，立方体的j V ,?= 1）。
c 、比表面积形状因子j SV ,?：j
V j
S j SV ,,,???=，j SV ,?与6的差别表示颗粒形状与球状的偏离程度
（球的j SV ,?=6，立方体的j SV ,?也=6）。
二、粉体的几何表征
1、粉体的平均粒径：主要通过对颗粒粒度求取统计平均值获得
1）算术平均径∑∑=n nD D a 2）长度平均径∑∑=nD nD D l 2
3）面积平均径∑∑=n
nD
D s 2
4）体积平均径33
∑∑=n
dD
D V 5）体面积平均径∑
∑
=23
nD nD
D VS
6）质量平均径∑
∑
=34
nD nD
D W
关系：W VS V S l a D D D D D D <<<<<
2、粒度分布：
实际粉体均是多粒度的、多谱的或多分散的体系，一般可认为粒度具有连续分布特征，实际测量中用各级中颗粒个数百分数或质量百分数来表示。
不同测量方法得到不同的数据：显微镜法及计数法 个体分布数据
筛分法和沉降法 质量分布数据
粒度分布的表示形式：
1）频率分布与累积分布：
频率分布表示各个粒径相对应的颗粒百分含量（微分型）；
累积分布表示小于或大于某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量（积分型）。
2）粒度分布依据的统计基准：
频度分布：以每一粒径间隔内的颗粒数占颗粒总数∑n
的比例为准；
长度分布：以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和∑nd
的比例为准；
面积分布：以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒总表面积∑2nd 的比例为准； 重量分布：以每一粒径间隔内的颗粒总重量占全部颗粒的总重量∑3nd 的比例为准。
例如：以显微镜观察测量粉体的D F 径（样本总数：1000）
方便
直观
三、粒度的测定
1、筛分法（要求颗粒的粒度在38 μm 以上）
标准筛：
????
?2
2ISO 2
2Taylor 4，面积邻比筛：筛孔长度邻比，面积邻比筛：筛孔长度邻比：
规格单位：目，目数为筛网上1英寸（25.4mm ）
长度内的网孔数
标准规则: 以200目的筛孔尺寸74 μm 为基准，乘或除模
()n
2（或）()n
4
2，
则可得到：
(
()
()
()
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
→
→
??
?
?
?
→
→
?
?
目细的筛孔尺寸
比
目粗的筛孔尺寸
比
副模系列
目细的筛孔尺寸
比
目粗的筛孔尺寸
比
主模系列
200
2
074
.0
200
2
074
.0
200
2
074
.0
200
2
074
.0
4
4
n
n
n
n
标准筛系列：
其中：标准筛最细只到400目，孔径是38μm；更细目数属于非标筛。
优点：统计量大, 代表性强；便宜；重量分布
缺点：下限38微米；人为因素影响大；重复性差；不规则粒子误差大；速度慢2、显微镜法：利用颗粒的定向径测量
可测粒度范围：
光镜：0.25—250μm；
电镜：0.001—5μm
需要的样本个数（要求统计颗粒总数）：
粒度范围宽的粉末—10000以上
粒度范围窄的粉末—1000左右
优点：
可直接观察粒子形状和团聚情况，光镜便宜
缺点：
代表性差；重复性差；测量投影径；速度慢
3、沉降法：利用Stokes沉降效应进行颗粒直径的当量测量
测量原理：在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小
不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越
颗粒匀速沉降时满足运动方程：
大沉降速度越快。
如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(时间)后，就能将粉末按粒度差别分开。
由右面的分析即可得到Stokes 公式：
()2
1018??
?????=gt H d ρρη
测得不同尺度粒子沉降时间，可求得其直径。
v r g r dt dv m
ηπρρπ6)(3
403
??= 解得：
???
???????=
?01)(00t t e g t v ρρρ 说明v 随t 增大，并在t /t 0>10之后趋于
ρ
ρρg
t v )(00?=
，即沉降迅速进入匀速状态。
成立条件：r <100 μ
m
可测粒度范围：
重力沉降：10—300μm ； 离心沉降：0.01—10μm
优点：
得到的是颗粒的重量分布；代表性强；不同厂家仪器结果一致性好；价格便宜 缺点：
对于小粒子测试速度慢；重复性差；非球型粒子误差大；不适于混合物料；动态范围窄
4、粒度测量方法小结：
粒径测量可以通过测量颗粒的?????
????体积表面积截面积重量长度 测出，具体地
???
??
?
?>m 500~5 m 5~0.001 m 250~25.0 m
38μμμμ全息照相：电镜：
光镜：
筛分：长度 ??
?m 10~01.0 m 300~10 μμ离心沉降：
重力沉降：
重量 ?
?
?m 2.0~008.0 -X m 5~0.005 μμ光散射：激光散射：
截面积 粒度测量手段的选用原则：主要依据以下一些方面进行综合考虑：
1）颗粒的粒度范围； 2）方法本身的精度； 3）常规检验还是课题研究：
● 常规检验要求快速、可靠、设备经济、操作方便 ● 课题研究要求精度高，能暴露问题
4）取样问题：如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度、样品是否有代表性等 5）要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度 6）颗粒物质自身特性及其应用场合
1.1.2 粉体的物理特性
一、粉体材料与整体材料的区别
现象：粉体颗粒不断细化 材料性能必然改变，原因何在？ 课后思考题！
从材料结构角度考虑： 颗粒 = 内部结构 + 表层结构。
内部结构即其晶体学结构 材料及其制备方法确定后，内部结构同时确定！ 表层结构 集中在表层的若干个原子范围
颗粒较大时，表层原子比例很小，其影响可忽略
随颗粒细化，大量内部原子移至表面，表层结构对材料性质的影响成为主要因素!!!
例如：
表面原子随颗粒粒径的变化规律
颗粒直径 （nm ） 1 2 5 10 20 100 颗粒内部原子总数 30 250 400 30,000 250,000 30,000,000
表面原子比例 （%） 90 80 40 20 10 2
可见，颗粒细化的结果就是：粉体的比表面积↑ 表面能↑
当粉体颗粒小到nm 量级时，表层原子数的比率达到80%以上，此时纳米微粉与普通微粉的性质差别显著：
1）纳米金属的熔点低很多：Au 熔点为1337K ，而2nm 的Au 粉熔点则为600K ；
2）纳米粉在很宽的频谱范围内都呈现出物理学的黑体特征，即不仅吸收可见光，表现为黑色粉末，同时对电磁波完全吸收。 3）纳米磁性粉末颗粒 单磁颗粒 矫顽力极高
纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20×，而饱和磁矩则不到一般粉末的1/2
4）一些纳米颗粒的导电性明显改善，呈现出超导特性，并具有较高的超导临界转变温度。
二、高能量、高活性状态：主要来源于表面能，粉体处于高能量状态。
块体→粉末：S G G G B P Δ?=?=Δγ
粉体与块体相比，不稳定 例如：粉体Mg 极易爆炸
三、颗粒间作用力
1、分子间引力（Vanderwaals 力）：颗粒表面间距（a ）< 10 nm 时，可近似表示为
2
24a D A F P
H V ?
= 式中：A H — Hamakar 常数，≈ 10-20 D P — 颗粒直径
例如：● 直径D P =1 μm 的两个颗粒，表面间距a = 10 nm 时，F V ≈ 4.167×10-12 N
● 地球上密度最大 Os （金属锇）ρ = 22800 kg/m 3 直径D P =1 μm 的锇颗粒所受重力 F G ≈ 1.14×10-13 N
F G << F V 颗粒不会因为重力作用而分离！！！
2）颗粒间的静电引力：当介质为不良导体时，颗粒由于摩擦或放射性照射等带静电荷。 3）固相桥联力：强的固相间结合力 因化学反应、烧结、熔融和再结晶造成！ 4）附着水分的毛细管力：颗粒接触点处吸附的水分 表面张力 收缩作用 吸引力 5）磁性力：磁性物质粉末单畴颗粒之间存在磁性吸引力。 单畴颗粒：只含有一个磁畴的颗粒，D P < 单畴临界尺寸M
6）机械咬合力
各种引力联合作用 粉体颗粒间的聚集容易，分散难 往往有团聚！
四、颗粒的团聚
单 颗 粒：内部没有孔隙的致密材料颗粒，可以是
非晶、单晶或多晶体，统称为一次颗粒。二次颗粒：由单颗粒以弱结合构成的颗粒聚集体，包含颗粒和孔隙。
区别：密度 二次颗粒低于材料理论密度
结合 二次颗粒属弱连接方式结合 破碎 一次颗粒 断键 高能量
二次颗粒 弱结合断开 界面能 表面能
一次颗粒与二次颗粒的示意图 a — 单颗粒； b — 二次颗粒； a 2 — 次颗粒； c — 晶粒
颗粒粗细的工程分级（约定俗成）： 粗 颗 粒：150-500 μm 极细颗粒：0.5-10 μm 中 颗 粒：44-150 μm 超细颗粒：<0.5 μm 细 颗 粒：10-44 μm
纳米颗粒：0.1-100 nm
1.1.3 粉体的工艺性
一、粉体的流动性：影响粉末成型后获得的坯体的密度均匀性。
总体规律：与粉体颗粒性质有关 凡增大颗粒间摩擦力的因素都↓粉体流动性度量方法：标准流速计！ 以50克粉末从标准流速漏斗流出所需的时间来表征
单 位：秒／50克，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称流速。
测量方法：1）采用图示的标准漏斗（又称流速计）测定：
一般用150目金刚砂粉末，在40秒内流完50克来标定和校准；
2）采用粉末自然堆积角（又称安息角）试验测定：
l英寸的圆板上。
当粉末堆满圆板后，以粉末锥的高度衡量流动
性，粉末锥的底角称为安息角，也可作为流动性的
量度。
锥愈高或安息角愈大，则表示粉末的流动性愈
差，反之则流动性愈好。
一般规律：1）等轴状粉末（对称性好）、粗颗粒粉末的流动性好；
2）粒度组成中，极细粉末占的比例愈大，流动性愈差；
而粒度组成向偏粗方向增大时，流动性变化不明显。
二、填充特性：表征颗粒在空间中的密排程度及对一定容积的充实能力。
??
?
?????????
?
???????????
≡+→=→→=→?→=→??1εψεψρ粉体填充体积之比粉体中空隙所占体积与空隙率充体积之比颗粒实际体积与粉体填填充率体积表征单位容积粉体的质量容积密度质量表征表征方式容空隙容颗粒容
粉V V V V V m B
松装密度：影响因素为粉末粒度、粒度组成、颗粒形状、颗粒内孔隙等。 摇实密度：经历振动或外力影响，较松装密度高20%~50%。
三、颗粒的密堆程度
1、均一球形颗粒致密填充
理想球形颗粒的堆积类型、堆积密度和配位数 排列 堆积密度%
配位数
简单立方 52 6 体心立方 68 8 面心立方 74 12 六方密堆
74 12
最大致密度：fcc （ABCABC ）或hcp （ABABAB ） 74% 上层在下层的间隙中!
2、均一球形颗粒的实际填充：实际颗粒很难致密排列！
Scott 钢球实验：
大小均匀球形颗粒 即使颗粒以fcc 或hcp 密堆 致密度也 < 74%
振动可提高堆积密度 但效果最好的振动 也只能 ↑等径球振实密度到63.7%
且平均配位数 也< 12
3、非均一球形颗粒的填充
一般为了提高堆积密度，常在较大的均一颗粒之间加入较小的颗粒。 大小球配合 小球填入大球空隙中 致密度 ↑ 一般粉末冶金制品的粉末颗粒度总是分散搭配！
但小颗粒间的摩擦及相互作用更强，因此混合搭配可提高实际致密度，但更加偏离理论密堆程度，所以当小颗粒粉末量增加时，粉体的表观密度先增加然后降低。
细颗粒（-325目）对粗颗粒（-100+150目）不锈钢粉体松装密度的影响
四、粉体的压制性：粉末?
??成型性压缩性
的总称。
1、压缩性：1）代表粉末在压制过程中被压紧的能力；
2）在标准的模具中在规定的润滑条件下加以测定；
3）用规定单位压力下粉末的压坯密度，或压坯密度-压制压力曲线表示； 4）决定于颗粒塑性（正比）及其硬度（反比）。
压缩比：松装粉末的高度与成型坯体高度之比。
2、成型性：1）粉末压制后，压坯保持既定形状的能力；
2）用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯强度来衡量。 3）取决于颗粒塑性及结构。
3、规律：成形性好的粉末，往往压缩性差；
压缩性好的粉末，成形性差。
例如：松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差；细粉末的成形性好，而压缩性却较差。
1.2 粉体的制备
1、热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺过程。 2、45钢经不同热处理后的性能及组织（可能出应用题） 组织：退火：P+F；正火：S+F；淬火+低回：M回；淬火+高回：S回 性能总结强度硬度：低温回火>高温回火>正火>退火 韧性塑性：高温回火>正火>退火>低温回火 抗冲击能力：高温回火>正火>退后>低温回火 3、热处理的三大要素：加热、保温、冷却 4.常规热处理：退火、正火、淬火及回火 5.预备热处理和最终热处理 预备热处理：零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。 最终热处理：零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。 6、奥氏体：C在γ-Fe中的固溶体 7、奥氏体转变的阻力与驱动力：新相形成，会增加表面能和克服弹性能，需要由相变释放 的自由能和系统内能量起伏来补充——自由能差 8、奥氏体的形成机理：扩散方式、非扩散方式基本过程都是形核与长大 9、奥氏体的形成过程：(很重要） （1）、奥氏体晶核的形成（2）、奥氏体晶核的长大 （3）、剩余渗碳体的溶解（4）、奥氏体成分的均匀化 10、为何A晶核优先在F与Fe3C相界产生？ F和Fe3C界面两边的C浓度差最大，有利于为A晶核的形成创造浓度起伏条件； F和Fe3C界面上原子排列较不规则，有利于提供A形核所需的结构起伏和能量起伏条件。 F 和Fe3C 界面本来已经存在，在此界面形核时只是将原有界面变为新界面，总的界面能变 化较小。 11、非工析钢与共析钢的相同点与不同点？ 亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的P均要转变为A。不同的是还有亚共析钢的F的转变与过共析钢的Fe3CⅡ的溶解。更重要的是F的完全转变要在Ac3以上， Fe3CⅡ的完全溶解要在温度Accm以上。即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，对过共析钢要在Accm 以上。 12、为什么在奥氏体转变初期和转变后期，转变速度都不大，而在转变达50%左右时转变速度最大？
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。
第一章工程研究方法 1、（Z10-11）。流体流动的压强降Δp是速度v，密度ρ，线性尺度l、l1、l2，重力加速度g。粘滞系数μ，表面张力ζ，体积弹性模量E的函数。即 ΔP＝F（v、ρ、l、l1、l2、g、u、ζ、E） 取v、ρ、l作为基本物理量，利用因次分析法，将上述函数写成无因次式。 2、已知固体颗粒在流体中以等速u沉降，且u与粒径d，颗粒密度ρm(流体密度ρ)，动力粘度μ和重力加速度g，试用π定律发和矩阵法求揭示该颗粒沉降的无量纲乘积。 3、试分别用瑞利法和π定理法将压差ΔP、速度w、重度r和重力加速度g组合成无量纲乘积。 4、试证明直径为d的小球在密度为ρ，动力粘度为μ的流体中，以相对速度w运动时流动粘性阻力为： 5、请根据纳维斯托克斯（N-S）方程，分别用量纲分析法和方程分析法得出相似准则数，并写出准则方程。 6、（L5-1）。气流通过一等直径管道，拟用1／4缩小的透明模型中通过水故流的办法进行试验。已知：气体的ρ气＝1.2kg/m3。v气＝0.15cm2/s；水的ρ水＝1000kg/m3，v水＝0．01cm2/s。实物的气流速度为24m/s，试确定： 1）相应的模型中之水流速度。
2）若测得模型单位管长的压力降为13.8kN/m2，则原型中单位管长的压力降应为若干？ 第二章工程流体力学 1、（L 1-7）。质量为5kg，面积为40×45cm2的—收木板，沿着涂有滑油的斜面等速向下运动。已知v＝1m/s，δ＝1mm(油膜厚度)，求滑油的粘度。 2、（L 1-9）。一套筒长H＝20 cm，内径D＝5.04cm，重量G＝6.8N，套在直径d＝5cm的立轴上，如图所示。当套筒与轴之间充以甘油（μ＝8P）时求套筒在自重作用下将以多大速度沿立轴下滑？不计空气阻力。 3、（L 2-2）。图示的容器中，水和气达到下平衡状态，求容器内气体的压强，接触大气液面上为标准大气压，水的重度γ＝9807N／m3。
材料工程基础及参考答案 材料工程基础习题 1、从粉碎过程来看，制粉方法可归纳为三大类：机械制粉、（物理制粉）和（化学制粉） 2衡量合金铸造性能的主要指标有流动性和。 3．高炉原料主要有（） A铁矿石、脉石、焦碳;B铁矿石、熔剂、燃料;C碳质还原剂、燃料、脉石;D铁矿石、还原剂、熔剂 4．炼钢的基本任务（） A脱碳、脱氧、脱硫，氧化生铁;B使生铁中C、Si、Mn、P、S 等元素合乎标准要求；C氧化生铁中C、Si、Mn等元素；D去除生铁中的杂质元素 5．铝土矿的浸出是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一，浸出所用的循环母液中的主要成分为NaOH、NaAlO2、Na2CO3等，其中起主要作用的是（） ANaOH；BNaAlO2；CNa2CO3；DNaAlO2和NaOH 7．下列哪种材料不适合挤压加工（） A铝及铝合金；B铜及铜合金；C中碳钢；D高合金纲 8．保证冲压件质量的最重要因素是（A） A模具质量；B成形工序；C分离工序；D成形设备 9．下列热处理工艺中，哪种处理工艺常用来改善金属材料的切削加工性（）A退火处理；B正火处理；C淬火处理；D时效处理
10．要使某种金属材料获得高弹性、高屈服强度的力学性能，可以采用的热处理工艺为（） A退火处理;B淬火+中温回火；C淬火+低温回火；D淬火+高温回火 11．表面淬火用钢的含碳量范围一般为（） A0.1—0.2%;B0.2—0.3%;C0.3—0.4%;D0.4—0.5% 12．汽车齿轮表面受严重磨损并受较大的交变冲击载荷而破坏，为了提高其使用寿命，必须提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时齿轮心部要保持良好的韧性及塑性，可以采用的技术方案为（） A低碳钢表面渗碳+淬火+高温回火；B低碳钢表面渗碳+淬火+ 低温回火C低碳钢表面渗氮+淬火+高温回火；D低碳钢表面渗氮+淬火+低温回火 13．为了防止飞机、车辆、冷冻设施等的观察窗在寒冷气候条件下表面不结冰，可以对玻璃表面进行（）处理 A化学抛光；B涂层导电薄膜；C涂层憎水涂层；D涂层光学薄膜 14．（）两种元素具有较强的脱氧能力，一般认为在钢中是有益的元素。 A、ＭｎP; B、SｉS; C、ＭｎSｉ; D、PS 15．低温回火的温度范围是（） A．350℃~500℃B．150℃~250℃C．500℃~650℃
智慧树知到《材料工程基础》章节题答案 第1章单元测试 1、高炉炼铁时，炉渣具有重要作用。下面哪项不属于炉渣的作用? 答案：添加合金元素 2、常用的脱氧剂有锰铁、硅铁、( ) 答案：铝 3、为什么铝的电解在冰晶石的熔盐中进行? 答案：降低电解温度 4、冰铜的主要成分是( ) 答案：FeS和Cu2S 5、( )是炼钢的最主要反应 答案：脱碳 第2章单元测试 1、通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的粉末的方法称为( ) 答案：雾化法 2、粉末颗粒越小，流动性越好，颗粒越容易成形。 答案：错 3、国际标准筛制的单位“目数”是筛网上( )长度内的网孔数 答案：1英寸
4、粉体细化到纳米粉时会表现出一些异常的功能，主要是由于粉体的总表面积增加所导致的结果。 答案：对 5、雾化法制粉增大合金的成分偏析，枝晶间距增加。 答案：错 第3章单元测试 1、高分子材料之所以具备高强度、高弹性、高粘度、结构多样性等特点，是由( )结构所衍生出来的。 答案：长链 2、高分子聚合时，用物理或化学方法产生活性中心，并且一个个向下传递的连续反应称为( ) 答案：连锁反应 3、悬浮聚合的主要缺点是( ) 答案：产品附有少量分散剂残留物 4、聚合物聚合反应按反应机理分为加聚和缩聚反应。 答案：错 5、工业上悬浮聚合对于悬浮分散剂一般的要求是( ) 答案：聚合后都可以清洗掉 第4章单元测试 1、将液态金属或半液态金属浇入模型内，在高压和高速下充填铸型，并在高压下结晶凝固获得铸件的方法是( ) 答案：压力铸造
2、铸铁的充型能力好于铸钢。 答案：对 3、在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法是( ) 答案：熔模铸造 4、下列不属于铸造缺陷的是( ) 答案：收缩 5、熔融合金的液态收缩和凝固收缩表现为液体体积减小，是应力形成的主要原因。 答案：错 第5章单元测试 1、冷变形过程中，材料易产生( ) 答案：加工硬化 2、轧辊的纵轴线相互平行，轧制时轧件运动方向、延伸方向与轧辊的纵轴线垂直，这种轧制方法为( ) 答案：纵轧 3、挤压变形时，( ) 答案：金属在变形区处于三向压应力状态 4、缩尾是挤压工艺容易出现的缺陷，它出现在挤压过程的哪个阶段? 答案：终了挤压
1．用热电偶测量管道内的空气温度。如果管道内空气温度与管道壁的温度不同，则由于热电偶与管道壁之间的辐射换热会产生测温误差，试计算当管道壁温度t 2=100℃，热电偶读数温度t 1=200℃时的测温误差。假定热电偶接点处的对流换热系数h=46.52W/m 2℃，其发射率ε1=0.9。 解： 热电偶接点与管道壁面相比是很小的， 因此，它们之间的辐射换热可以按下式计算：)(4241112,T T q net -=σε 管道内热空气通过对流换热传递给热电偶接点的热量：)(11,t t h q g c g net -= t g 为空气的真实温度。 热电偶接点达到稳定状态时的热平衡式：1,12,g net net q q = 既是，)()(4 24 111T T t t h g c -=-σε 热电偶的读数误差应为： [] C T T h t t c g t ?=+-+??= -= -=-6.33)100273()200273(1067.552 .469 .0) (44842411 1σεδ 即，管道内空气的真实温度t g =233.6℃。 上例说明，热电偶在管道中测量透热气体温度时，其测温误差较大。 从计算过程中可看出测温误差与下列因素有关： （1） 测温误差与热电偶外套管材料的发射率成正比，因此，宜采用表面比较光滑、发 射率比较小的热电偶外套。 （2） 测温误差与对流换热系数成反比，这说明管道内气流速度愈快，测温误差愈小。 测温时热电偶必须装置在气流速度较快处，在热电偶安装处可造成人为的缩颈，或采用抽气式热电偶。 （3） 测温误差随着差值的减小而减小。为了提高t2温度，可以在管道上装置热电偶的 部分包上绝热层，或在热电偶外加上遮热罩。加上遮热罩后，辐射换热在热电偶与遮热罩之间进行，而遮热罩的温度比管道壁高，因此，加上遮热罩后热电偶的辐射换热损失将减小，测温误差也会减小。 2．为了减少上题中由于辐射换热引起的热电偶读数误差，在热电偶接点周围包上遮热罩。如果空气温度为233.6℃，其它各数据不变化。由遮热罩表面到气流的对流换热系数hc=11.63W/m 2℃，遮热罩发射率ε3=0.8。试求此时热电偶的读数应为多少？ 解：（1）设遮热罩温度为t 3，表面积为F 3 , 管道内热空气以对流方式传递给热接点的热量为：)(11t t F h g c -， 管道内热空气以对流方式传递给遮热罩两表面的热量为：)(233t t F h g c -'
材料工程基础复习要点 第一章粉体工程基础 粉体：粉末质粒与质粒之间的间隙所构成的集合。 *粉末：最大线尺寸介于0.1～500μm的质粒。 *粒度与粒径：表征粉体质粒空间尺度的物理量。 粉体颗粒的粒度及粒径的表征方法： 1.网目值表示——（目数越大粒径越小）直接表征，如果粉末颗粒系统的粒径相等时 可用单一粒度表示。 2.投影径——用显微镜测试，对于非球形颗粒测量其投影图的投影径。 ①法莱特（Feret）径D F：与颗粒投影相切的两条平行线之间的距离 ②马丁（Martin）径D M：在一定方向上将颗粒投影面积分为两等份的直径 ③克伦贝恩（Krumbein）径D K：在一定方向上颗粒投影的最大尺度 ④投影面积相当径D H：与颗粒投影面积相等的圆的直径 ⑤投影周长相当径D C：与颗粒投影周长相等的圆的直径 3.轴径——被测颗粒外接立方体的长L、宽B、高T。 ①二轴径长L与宽B ②三轴径长L与宽B及高T 4.球当量径——把颗粒看做相当的球，并以其直径代表颗粒的有效径的表示方法。（容 易处理） *粉体的工艺特性：流动性、填充性、压缩性和成形性。 *粉体的基本物理特性： 1.粉体的能量——具备较同质的块状固体材料高得多的能量。 分体颗粒间的作用力——高表面能，固相颗粒之间容易聚集（分子间引力、颗粒间异性静电引力、固相侨联力、附着水分的毛细管力、磁性力、颗粒表面不平滑引起的机械咬合力）。 3.粉体颗粒的团聚。 第二章粉体加工与处理 粉体制备方法： 1.机械法——捣磨法、切磨法、涡旋磨法、球磨法、气流喷射粉碎法、高能球磨法。 ①脆性大的材料：捣磨法、涡旋磨法、球磨法、气流喷射粉碎法、高能球磨法 ②塑性较高材料：切磨法、涡旋磨法、气流喷射粉碎法 ③超细粉与纳米粉：气流喷射粉碎法、高能球磨法 2.物理化学法 ①物理法（雾化法、气化或蒸发-冷凝法）：只发生物理变化，不发生化学成分的 变化，适于各类材料粉末的制备 ②物理-化学法：用于制备的金属粉末纯度高，粉末的粒度较细 ③还原法：可直接利用矿物或利用冶金生产的废料及其他廉价物料作原料，制的 粉末的成本低 ④电解法：几乎可制备所有金属粉末、合金粉末，纯度高 3.化学合成法——指由离子、原子、分子通过化学反应成核和长大、聚集来获得微细 颗粒的方法
上篇 第一章金属结构 1、试画出纯铁的冷却曲线，分析曲线中出现“平台”的原因。 2、室温和1100°C时的纯铁晶格有什么不同？高温（1000°C）的铁丝进行缓慢冷却时，为什么会发生伸长的现 象？ 3、为什么单晶体有各向异性，而实际的金属（未经过塑性变形的）通常是各向同性？ 4、指出铁素体、奥氏体、渗碳体在晶体结构、含碳量和性能上有何不同。 5、根据铁碳合金状态图，说明产生下列现象的原因： （1）含碳量为1.0%的钢比含碳量为0.5%的钢的硬度高。 （2）在1100°C，含碳量为0.4%的钢能进行锻造，含碳量为4.0%的白口铁不能锻造。 （3）钢适宜通过压力加工成形，而铸铁适宜通过铸造成形。 6、分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过程和室温组织。 第二章金属的工艺性能 1、什么是结晶过冷度？它对金属的结晶过程、铸件的晶粒大小及铸件的机械性能有何影响？ 2、如果其它条件相同，试比较在下列条件下铸件晶粒的大小，并解释原因。 （1）金属型浇注与砂型浇注； （2）铸成薄件与铸成厚件； （3）浇注时采用震动与不采用震动。 3、铅在20°C、钨在1100°C时变形，各属于哪种变形？为什么？（铅的熔点为327°C，钨的熔点为3380°C）10、有四个材料、外形完全一样的齿轮，但制作方法不同，试比较它们中哪种使用效果最好？哪种最差？为什么？ （1）铸出毛坯，然后切削加工成形； （2）从热轧厚钢板上取料，然后切削加工成形； （3）从热轧圆钢上取料，然后切削加工成形； （4）从热轧圆钢上取料后锻造成毛坯，然后切削加工成形。 11、金属经冷变形后，组织和性能发生了哪些变化？分析加工硬化存在的利与弊。有何办法来消除加工硬化？ 12、提高浇注温度可以提高液态合金的充型能力，但实际中为什么又要防止浇注温度过高？ 13、试用图中轨道铸件分析热应力的形成原因，并用虚线表示出铸件的变形方向。 14、“趁热打铁”的含义何在？碳钢的始锻温度和终锻温度是如何确定的？ 15、某种钢材的主要化学成分为C=0.12%，Mn=1.5%，V=0.15%，Mo=0.5%，试分析其焊接性及焊接时应采取的工 艺措施。 16、碳钢在锻造温度围变形时，是否会有加工硬化现象？为什么？
炼铁：还原过程，使铁在铁的的氧化物中还原，并使还原出的铁与脉石分离。炼钢：氧化过程，以生铁为原料，通过冶炼降低生铁中的碳及其他杂质元素的含量。 炼铁原料（1）铁矿石的要求a：含铁量愈高愈好b：还原性要好c：粒度大小合适d：脉石成分SiO2，Al2O3、CaO、MgO e：杂质含量要少。（2）溶剂的作用：a降低脉石熔点b去硫（3）燃料：焦炭作用：作为发热剂提供热量；还原剂；高炉料柱的骨架。要求：含碳量要高，确保它有高的发热量和燃烧温度；有害杂事硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量要低；在常温及高温下有足够的机械强度；气孔率要大，粒度要均匀，以保证高炉的有良好的透气性。 高炉冶炼的理化过程1燃料的燃烧2氧化铁的还原3铁的增碳4非铁元素的还原5去硫6造渣 减少生铁中硫的措施：采取优质炉料，基本措施；提高炉温和炉渣的碱度。生铁铸造生铁：含硅量高（2.75~3.25%）碳以石墨形式存在灰口生铁；炼钢生铁：含碳量高（4~4.4%）含硅量较低碳以fe3c形式存在白口生铁炼钢过程的物理化学原理：1脱碳2硅、锰的氧化3脱磷和回磷过程4脱硫5脱氧 脱磷的基本条件：低温；适量增加渣中CaO的含量；渣中必须含有足够数 1
量的FeO。 回磷现象：在炼钢过程中的某一时期，当脱磷的基本条件得不到满足时，则已氧化进入渣中的的磷会重新被还原，并返回到钢液中，称此为回磷过程。经常发生在炼钢炉内假如铁合金或出钢的过程中。防止措施：控制炼钢后期的钢液的温度；减少钢液在盛钢桶内的停留时间，向盛钢桶中炉渣加石灰提高碱度，采用碱性衬层的盛钢桶。 脱硫：[FeS]+(CaO)=（CaS）+（FeO）（吸热）必须在碱性炉内冶炼脱硫剂：石灰或石灰石生产中采取的措施：1在渣内加入碱；2增加石灰或石灰石的量；3扒掉含硫量高的初期渣，造成无硫的新渣；4加入CaP2、MnO 等能降低炉渣粘度的造渣材料，提高炉渣的流动性；5搅拌钢液，以增加钢液与炉渣的接触面积。 当钢中杂质元素被除去到规定要求后，应采取一定方法来降低钢液中的氧含量。称为脱氧，脱氧是炼钢过程的量后过程，在很大程度上影响着钢的质量。脱氧剂：硅铁、锰铁、铝 脱氧方式：扩散脱氧（硅铁和炭粉）、沉淀脱氧（锰铁、硅铁、铝），加在渣面 沉淀脱氧与扩散脱氧相结合：用锰铁进行沉淀预脱氧；用碳粉和硅铁进行扩散脱氧；用硅进行沉淀脱氧。 镇静钢：经过充分脱氧处理的钢；沸腾钢：未经完全脱氧处理的钢；半镇静 2
工程材料 第三章金属材料 一、名词解释。 合金钢为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢。 回火稳定性淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。 二次硬化某些铁碳合金（如高速钢）须经多次回火后，才进一步提高其硬度。这种硬化现象，称为二次硬化，它是由于特殊碳化物析出和（或）由于与奥氏体转变为马氏体或贝氏体所致。 回火脆性250-400和450-650两个温度区间回火后，钢的冲击韧性明显下降。 铸铁碳的质量分数在2.11％以上的铁碳合金 青铜含铝，硅，铅，鈹，锰等的铜基合金 黄铜以锌为主要合金元素的铜合金。 二、填空题。 1、一些含有合金元素Ni 、Cr 和Mn 的钢容易产生第二类回火脆性，为了消除第二类回火脆性，可采用同时含有合金元素Mo和W的钢。 2、合金元素中，碳化物形成元素有Fe 、Mn、Cr 、Mo等。 3、除Co、Al外，几乎所有的合金元素都使Ms、Mf点下降，因此淬火后相同碳质量分数的合金钢比碳钢残余奥氏体少，使钢的硬度变大。 4、促进晶粒长大的元素有Mn、P 等。 5、按钢中合金元素含量，可将合金钢分为低合金钢、中合金钢和高合 金钢三类。 6、合金钢中常用来提高淬透性的合金元素有Cr 、Mn 、Ni 、Si和 B五种，其中作用最大的是Cr 。 7、20钢是优质碳素结构钢，可以制造冲压件及焊接件。 8、20CrMnTi钢是中淬透性合金渗透钢，可以制造汽车、拖拉机上的重要零件。
9、9SiCr是冷作模具钢，可以制造冷作模具。 10、CrWMn是冷作模具钢，可以制造冷作模具。 11、5CrMnMo是热作模具钢，可以制造热锻模钢。 12、Cr12MoV是冷作模具钢，可以制造冷作模具。 13、T12是碳素工具钢，可以制造锉刀、挂刀等刃具。 14、16Mn是低合金高强度结构钢，可以制造桥梁、船舶、车辆等结构钢。 15、40Cr是低淬透性合金调质钢，可以制造一般尺寸的重要零件。 16、60Si2Mn是合金弹簧钢，可以制造汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。 17、GCr15钢铬弹簧钢，可以制造冷冲模、量具、丝锥等。 18、1Cr13是马氏体不锈钢，可以制造韧性要求较高的紧固件、叶片等。 19、1Cr18Ni9Ti是奥氏体不锈钢，可以制造耐酸容器、抗磁仪表、医疗器械。 20、ZGMn13是高锰钢，可以制造车履带、铁轨分道叉。 21、20CrMnTi是中淬透性合金渗透钢，Cr、Mn的主要作用是提高淬透性，Ti 的主要作用是阻碍渗碳时奥氏体晶粒长大；增加渗碳层，提高研磨性，热处理的工艺是渗碳后直接淬火，再低温回火。 22、W18Cr4V是高速钢，碳质量分数是0.73%~0.83%，W的主要作用是提高热硬性，Cr的主要作用是提高淬透性，V的主要作用是形成VC，阻止奥氏体晶粒长大。热处理工艺是球化退火→淬火→回火。最后组织是回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。 23、0Cr18Ni9Ti是奥氏体钢，Cr、Ni和Ti的作用分别是提高钢的耐蚀性、形成稳定碳化物和防止晶间腐蚀。 24、灰口铸铁中碳主要以石墨的形式存在，可用来制造机床床身、柴油机汽缸。 25、可锻铸铁中石墨的形态为团絮状，可用来制造制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。
材料工程基础 1.材料科学与材料工程研究的对象有何异同？ 材料科学侧重于发现和揭示组成与结构、性能、使用效能，合成与加工等四要素之间的关系，提出新概念、新理论。而材料工程指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题，侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入使用，两者相辅相成。 2.材料的制备技术或方法主要有哪些？ 金属：铸造（砂型铸造、特种铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造、消失模铸造），塑性加工（锻造、板料冲压、轧制和挤压、拉拔），热处理，焊接（熔化焊、压力焊、钎焊） 橡胶：塑炼、混炼、压延、压出、硫化五部分 高分子：挤制成型、干压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型 3.如何区分传统材料与先进材料？ 传统材料指已经成熟且已经在工业批量生产的材料，如水泥、钢铁，这些材料量大，产值高，涉及面广，是很多支柱产业的基础，先进材料是正在发展，具有优异性能和应用前景的一类材料。二者没有明显界限，传统材料采用新技术，提高技术含量、性能，大幅度增加附加值成为先进材料；先进材料长期生产应用后成为传统材料，传统材料是发展先进材料和高技术基础，先进材料推动传统材料进一步发展。
4.纳米材料与纳米技术的异同？它们对科技发展的作用？ 纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米技术：能操作细小到1-100nm物件的一类新发展的高技术。作用：对于高端的技术，如在超导的应用方面，集成电路的发展方面纳米技术有重要作用。 5.简述芯片的主要制备工艺步骤？ 步骤如下：1、氧化；2、光刻；3、浸蚀；4、扩散；5、离子注入； 6、互连； 7、封装； 8、装配。 6.简述熔体法生长单晶的特点以及主要方法？ 答：特点：液相是均匀的单相熔体，熔点以下不发生相变。方法：提拉法，坩埚下降法，水平区熔法，浮区法，尖端形核法。 7.为什么纤维通常具备高强度、高模量且韧性好的特点？ 当纤维材料制成时，拉伸强度变大是因为物体愈小，表面和内部包含一个能导致其脆性断裂的危险裂纹的可能性越小。对高聚物材料，在成纤过程中高分子链沿纤维轴向高度取向，而强度大大减少。 8.简述纤维的主要制备方法？ 抽丝：使高聚物熔体或是高聚物溶液通过一个多孔的喷丝头并使之冷却或通过凝固浴凝固形成细丝。 牵挂：将丝轴向拉伸形成纤维。 定型：使合成纤维在某一温度下作极短时间的处理，使纤维具有良好的柔软性和弹性。
材料科学基础第一章习题答案 1. (P80 3-3) Calculate the atomic radius in cm for the following: (a) BCC metal with a 0=0.3294nm and one atom per lattice point; and (b) FCC metal with a 0=4.0862? and one atom per lattice point. Solution: (a) In BCC structures, atoms touch along the body diagonal, which is 3a 0 in length. There are two atomic radii from the center atom and one atomic radius from each of the corner atoms on the body diagonal, so 340r a = 430a r ==0.14263nm=1.4263 810-?cm (b) In FCC structures, atoms touch along the face diagonal of the cube, which is
02a in length. There are four atomic radii along this length —two radii from the face-centered atom and one radius from each corner, so 240r a =, 420 a r ==1.44447 ?=1.44447810-?cm 2.(P80 3-4) determine the crystal structure for the following: (a) a metal with a0=4.9489?, r=1.75?, and one atom per lattice point; and (b) a metal with a0=0.42906nm, r=0.1858nm, and one atom per lattice point. Solution: We know the relationships between atomic radii and lattice parameters are 430 a r =
《材料工程基础》复习思考题 第一章绪论 1、材料科学与材料工程研究的对象有何异同？ 2、为什么材料是人类赖以生存和发展的物质基础？ 3、为什么材料是科学技术进步的先导？ 4、材料的制备技术或方法主要有哪些？ 5、材料的加工技术主要包括哪些内容？ 6、进行材料设计时应考虑哪些因素？ 7、在材料选择和应用时，应考虑哪些因素？ 8、简述金属、陶瓷和高分子材料的主要加工方法。 9、材料设计包括哪几个层次？进行材料设计时应遵循哪些原则？ 10、如何区分传统材料与先进材料？ 11、工业1.0、2.0、3.0和4.0分别以什么为特征？ 12、钢铁材料是如何分类的？其主要发展趋势？ 13、有色金属材料分为哪些类别？各有何特点？ 14、化工材料主要有哪些？ 15、建筑材料有何特点？ 16、电子信息材料主要有哪些？其发展特点？ 17、航空航天材料的性能特点如何？ 18、先进陶瓷材料如何分类？各有何特点？ 19、什么是复合材料？如何设计和制备复合材料？
20、新能源材料有哪些？各有何特点？ 21、超导材料的三个临界参数是什么？如何区分低温超导与高温超导？ 22、纳米材料与纳米技术的异同？它们对科技发展的作用？ 22、生物医用材料有哪些？应具备什么特性？ 23、什么是生态环境材料？如何对其生命周期进行评价？
1、铸造具有哪些优缺点？适用范围如何？发展方向？ 2、金属的铸造性能主要包括哪些？ 3、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？ 4、铸件的凝固方式有哪些？其主要的影响因素？ 5、什么金属倾向于逐层凝固？如何改变铸件的凝固形式？ 6、什么是缩松和缩孔？其形成的基本条件和原因是什么？ 7、试分析铸造合金的收缩特性对铸件质量影响的基本规律。 8、铸造应力是怎么产生的？对铸件质量有何影响？ 9、试述铸件产生变形和开裂的原因及其防止措施。 10、铸件中的气体和非金属夹杂物对铸件质量有何影响？如何消除？ 11、常用的造型材料有哪些？对其性能有何要求？ 12、什么是冒口？其作用和设计原则？ 13、常见的特种铸造方法有哪些？各有何特点？ 14、陶瓷的液态成形方法有哪些？各有何特点？ 15、聚合物的液态成形方法有哪些？各有何特点？
1、材料主要分为金属、陶瓷、高分子和复合材料四类。T 2、冶金和冶炼没有区别。F 3、地壳中的金属大多以氧化物的形式存在。t 4、冶金主要分为火法冶金和湿法冶金。F 5、铁是地壳中含量最高的金属。F 6、高炉炼铁主要有还原过程、造渣过程、传热及渣铁反应过程三个主要阶段。T 7、富铁矿石的含铁量在50%以上。T 8、高炉炼铁的主要燃料为焦炭。T 9、碳含量在2.11%以上为生铁。T 10、一般来讲，硫化铜矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。F 11、单晶材料的生长也要满足形核生长理论。 12、陶器和瓷器的最大区别在于烧结温度不一样。F 13、制粉的方法主要分为物理方法、化学方法和机械制粉三大类。T 14、纳米银呈银白色、有金属光泽。F 15、进行球磨制粉时最好是符合动能准则和碰撞几率准则。T 16、进行球磨时转速越大越好。F 17、在表征粉体村料的粒径时，除球体以外的任何形状的颗粒并没有一个绝对的粒径值，描述它的大小必须要同时说明依据的规则和测量的方法。T 18、颗粒表面粗糙度越大则颗粒间摩擦力越大，从而体系流动性越小，球形颗粒的流动性最好。F 19、烧结是指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。T 20、烧结的驱动力一般为体系的表面能和缺陷能。T 21、材料的连接分可拆卸和永久性两种。T 22、钎焊一般采用比母材熔点低的金属材料作焊料。T 23、焊接后的工件可以进行热处理来减少由于焊接产生的应力。 24、粘接是借助于一层非金属的中间体材料(胶粘剂)产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力将两个物体紧密连接起来的工艺方法。 F 25、镁合金的常规热处理主要有退火、正火、淬火、回火四种。F 26、热处理是将金属材料以一定的速度加热到预定温度并保持预定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。T 27、常规热处理主要包含加热和冷却两个阶段。T 28、钢铁热处理过程中，其相变过程遵循铁碳相图，并在平衡态附近会出现滞后现象。T 29、加热过程氧化和脱碳对村料有害。T 30、冷却方式的不同可以得到不同组织。T 31、退火的主要目的是为了让材料硬化。F 32、球化退火一般加热到A1温度附近。T 33、正火的目的是得到珠光体。T 34、回火是针对淬火钢的一种热处理工艺。T 35、高温回火脆性一般由于回火后冷却速度过慢。T 36、时效的过程实质是固溶或淬火后溶质原子平衡化的过程。T 37、复合材料是指采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态与性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能、或互补其缺点、或获得新的性能的目的。T 38、陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、强度高 等优点，但往往较脆，易脆裂。F 39、陶瓷材料中加入颗粒、晶须或纤维等进 行复合，可大量提高其韧性以及性能的稳定 性。T 40、外电流通过电极和溶液界面时，阳极电 位向正值方向移动，阴极电位向负值方向移 动，这种现象叫电极极化。T 1、焦碳是炼铁生产中必不可缺的吗？请说 明。 不可缺少的。作用：a)燃料。燃烧后发 热，产生冶炼所需热量。B)还原剂。焦炭中 的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁矿石 还原所需的还原剂。C)料柱骨架。高炉内是 充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭 约占料柱体积的1/3~1/2，对料柱透气性具有 决定性的影响。 2、简要说明炼钢所用原料、各自的作用以及 炼钢过程中发生的一系列主要冶金反应。 炼钢通常需要高炉铁水，废钢，铁合金，脱 氧剂等；高炉铁水提供原材料，废钢吹氧脱 碳，出钢，利用废钢作为炉料，可采用不氧 化法或返吹发进行冶炼，不仅能够大量回收 贵重合金元素，而且也能降低成本，缩短冶 炼时间，进而提高电炉的生产率。中间合金 常作为冶炼高温合金或精密合金的炉料。生 铁在电炉炼钢中一般被用来提高炉料货钢中 的碳含量，并可解决废钢来源不足的状况。 加入冷却剂来平衡热量；为了使钢具有所 需的力学性能，物理性能和化学性能，必须 向钢液中加入合金材料以满足钢的化学成分 和质量要求。 3、为什么不能直接电解铝盐溶液来生产铝？ 铝离子比氢离子活泼，电解时，氢离子先得 电子。生成氢气，得不到铝。 4、连铸、连铸连轧，钢锭的液芯轧制三者各 有何特点，试比较。 a,钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后 从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却， 全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。B,把 液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯（称为连铸 坯），然后不经冷却，在均热炉中保温一定时 间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁 轧制工艺。轧制过程在钢锭凝固尚未完全结 束，芯部仍处于液态的条件下进行的轧制工 艺。 5、与钢、铁冶炼比较有色金属的冶炼有何特 点？请以AL、Cu为例说明。 冶炼铝可以用热还原法，但是成本太高。工 业上冶炼铝应用电解法，主要原理是霍尔- 埃鲁铝电解法：以纯净的氧化铝为原料采用电解制铝，因纯净的 氧化铝熔点高（约2045℃），很难熔化，所以工业上都用熔化的 冰晶石(Na3AlF6)作熔剂,使氧化铝在1000℃左右溶解在液态的冰 晶石中，成为冰晶石和氧化铝的熔融体，然后在电解槽中，用碳块 作阴阳两极，进行电解。铜的冶炼方法包括湿法冶炼和火法冶炼， 以火法冶炼为主。火法冶炼一般是先将含铜百分之几或千分之几的 原矿石，通过选矿提高到20－30％，作为铜精矿，在密闭鼓风炉、 反射炉、电炉或闪速炉进行造锍熔炼，产出的熔锍(冰铜)接着送入 转炉进行吹炼成粗铜，再在另一种反射炉内经过氧化精炼脱杂，或 铸成阳极板进行电解，获得品位高达99.9％的电解铜。现代湿法 冶炼有硫酸化焙烧－浸出－电积，浸出－萃取－电积，细菌浸出等 法，适于低品位复杂矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用 或就地浸出。 6、什么是合金的充型能力及流动性?二者间有何联系与区别? 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成 型件的能力。合金的流动性是指合金本身的流动能力。液态合金充 满型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力称为充型能力。 合金的流动性是指合金本身的流动能力。合金的流动性影响合金 能力的内在因素，它主要与合金本身的性质有关。充型能力可以认 为是考虑铸型及其他工艺因素影响的液态合金的流动性。为提高 合金的充型能力应尽量选用共晶成分合金或结晶温度范围小的合 金，应尽量提高金属液的凝固质量，金属液愈纯净所含气体杂质愈 少，充型能力愈好。 7、简述铸件的收缩对铸件质量的影响及影响铸件收缩的因素。 因素:铸件结构方面的原因铸件结构方面的原因铸件结构方面的 原因铸件结构方面的原因; 熔炼方面的原因熔炼方面的原因熔炼 方面的原因熔炼方面的原因; 工艺设计的原因工艺设计的原因工 艺设计的原因工艺设计的原因; 作用：对铸件强度产生一定的影 响，降低强度，甚至导致铸件在使用过程中出现意外。 8、铸件产生翘曲变形的原因及变形规律是什么？如何来防止和 减小铸件变形。 铸件产生翘曲变形的原因是：1.铸件结构设计不合理，壁厚不均匀； 2.冷却不当，冷缩不均匀。 防止和减小铸件变形的措施有：1.改变结构，使结构尽可能对称， 壁厚尽量逐渐变化；2.改变冷却方法，尽量使各部位均匀冷却。 9、简述熔模铸造的特点及适用范围。 10、熔模铸件尺寸精度较高，表面光洁度也比较高，可以铸造各 种合金的复杂的铸件, 熔模铸造的适合各种合金，生产效率低，生 产成本高。 10、金属型铸造有何特点，为什么未能广泛取代砂型铸造？ 金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。铸件的精 度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定; 铸件的工艺 收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30%；不用砂或 者少用砂，一般可节约造型材料80～100%。原因：(1) 金属型制 造成本高；(2) 金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、 开裂或铸铁件白口等缺陷;(3) 金属型铸造时，铸型的工作温度、合 金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的 涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。 11、什么是半固态合金？简述其主要制备方法和后续成形方法。 半固态成形即半固态合金成形，它是介于液态成形和固态成形之间
（一） 1谈谈你对材料学科及材料四要素之间的关系的认识 2金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？ 3说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？ 5画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么? 6 画出立方晶系中（011）,（312）, [211],[ 211],[101],（101） 7, 画出六方晶系中（1120），（0110），（1012），（1100），（1012） 8. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 9. 在立方系中绘出｛110 ｝、｛111 ｝晶面族所包括的晶面，及（112 ）和（1 20）晶面。 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a）立方晶系（421）, 123 , （130）, [2 11] , [311];
11 .计算面心立方结构（111 ）、（110 ）与（100 ）面的面密度和面间距。 12. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a）立方晶系（421），123，（130），［2 11］，［311］； b）六方晶系2111 ，1101 ，3212，［2111］，1213。 13在体心立方晶系中画出｛111｝晶面族的所有晶面。 14 画出＜110＞晶向族所有晶向 四.作图,在图中表吓出卜列晶面和晶向（10分） 立方晶系I1（2 0 3）（1 2 1）［2 1 3］ 10 .在立方系中绘出｛110 ｝、｛111 ｝晶面族所包括的晶面，及（112 ）和（1 20）晶面。
15. 写出密排六方晶格中的［0001］,（0001）, 1120 , 1100 , 1210 16. 在一个简单立方晶胞内画出一个（110）晶面和一个［112］晶向。 17. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 立方晶系（421），123，（130）, ［211］，［311］； 18. 计算晶格常数为a的体心立方结构晶体中八面体间隙的大小。 19. 画出面心立方晶体中（111）面上的［112］晶向。 20. 已知某一面心立方晶体的晶格常数为a,请画出其晶胞模型并分别计算该晶体 的致密度、｛111｝晶面的面密度以及｛110｝晶面的面间距。 21. 表示立方晶体的（123），［211］, 012 22. 写出密排六方晶格中1120 , 1100 , 1210 ［2 111］，1213 23. 画出密排六方晶格中的［0001］, , 0110 , 1010 ,［2110］,［1120］ 24在面心立方晶胞中的（1 1 1）晶面上画出［110］晶向 25指出在一个面心立方晶胞中的八面体间隙的数目，并写出其中一个八面体间隙的中心位置坐标。假设原子半径为r，计算八面体间隙的半径。 26. 画出密排六方晶格中的（0001）, 1120 , 1100 , 1210 27. 立方晶系中画出（010），（011），（111），（231），［231］,［321］29. 计算晶格常数为a的面心立方结构晶体中四面体间隙和八面体间隙的大小。（4 分） 30. 写出立方晶系110、123晶面族的所有等价面 31. 立方晶胞中画出以下晶面和晶向：102，（112），（213），［110］, & 32. 六方晶系中画出以下晶面和晶向：（2110），（1012），1210，0111 33. 写出立方晶系100、234晶面族的所有等价面 34. 画出立方晶胞内（111），［112］, 35. 画出六方晶胞内（1011），［1123］