第一章材料科學概論
1. 氧化鋁既牢固又堅硬而且耐磨，為什麼不用來製造榔頭？
[答] 因為al2o3的耐震性不佳，且脆性較高，故不適合做榔頭的材料。
2. 將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物或複合材料進行分類：黃銅、氯化鈉、環氧樹脂、混凝土、鎂合金、玻璃鋼、瀝青、碳化矽、鉛-錫焊料、橡膠、紙杯
[答] 金屬有黃銅、鉛-錫焊料、鎂合金。
陶瓷有氯化鈉、碳化矽。
聚合物有環氧樹脂、橡膠、瀝青、紙杯。
複合材料有混凝土、玻璃鋼。
3. 下列用品選材時，哪些力學效能和物理效能具有特別重要性：汽車曲柄軸、電燈泡燈絲、剪刀、汽車擋風玻璃、電視機螢光屏
[答] 汽車曲柄軸的疲勞壽命最為重要。
電燈泡燈絲的熔點需高，其發光力要強。
剪刀的刀刃的硬度要強。
汽車擋風玻璃的光的穿透性要強。
電視機螢光屏光學的顏色及其他穿透性各種光學特性極重要。
4. 什麼是奈米材料？奈米材料有哪些效應？請舉例說明。
[答] 通常把粒子尺寸小於0.1μm（10nm）的顆粒稱為奈米材料
奈米材料有以下效應：
小尺寸效應
表面效應
量子尺寸效應
巨集觀量子隧道效應
舉例略第二章原子結構
1. 原子序數為12的mg有三個同位素：78.
70%的mg原子有12個中子，10.13%的mg原子有13個中子，11.17%的mg原子有14個中子，計算mg的原子量。
[答] m = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol
2. 試計算原子n殼層內的最大電子數，若k、l、m和n殼層中所有的能級都被填滿，試確定該原子的原子序數。
[答] n殼層內最大電子數為2×42 = 32。但考慮能級交錯：n殼層內剛剛達到最大電子數時的電子排布為：
1s22s22p63s2**64s23d104p65s24d105p66s24f14，該原子的原子數為70。
(本題目書上原解：n殼層中電子最多有2+6+10+14 = 32個，k、l、m、n殼層中電子共有2+8+18+32 = 60個，故原子序數為60。)
3. 試計算原子o殼層內的最大電子數，並定出k、l、m、n和q殼層中所有能級都被填滿時的原子序數。
[答] o殼層內最大電子數為2×52 = 50。但考慮能級交錯：o殼層內剛剛達到最大電子數時的電子排布為：
，該原子的原子數為130。
(本題目書上原解：o殼層中電子最多有2+6+10+14+18 = 50個，k、l、m、n、o殼層中電子共有2+8+18+32+50 = 110個，故原子序數為110。)
4. 試說明四種原子結合力並舉例說明。
[答] 金屬鍵：由金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構成的鍵合稱為金屬鍵。其基本特點是電子的共有化，無飽和性，無方向性。例如：hg、al、fe、w。
離子鍵：金屬原子將最外層家電子給予非金屬原子成為帶正電的正離子，非金屬原子得到價電子後成為帶負電的負離子，正負離子依靠靜電引力結合在一起。其基本特點是以離子而不是以原子為結合單元。
大多數鹽類、鹼類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結合，例如：nacl、mgo。
共價鍵：共價鍵是由兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。共價鍵有方向性和飽和性。
氫分子中兩個氫原子的結合是最典型的共價鍵。其它例如：si、c(金剛石)。
范德華(van der waals)力：包括靜電力、誘導力和色散力，沒有方向性和飽和性。例如：ar、cl2。
p36 習題
2. 1s22s22p63s2**63d74s2 過渡元素co
1s22s22p63s2**6 惰性元素 ar
1s22s22p5 鹵素元素f
1s22s22p63s2 鹼土元素 mg
1s22s22p63s2**63d24s2 過渡元素ti
1s22s22p63s2**64s1 鹼金屬k
3. 鑭系稀土族元素的電子排列特點是1s22s22p63s2**63d104s24p64d104f1~145s25p66s2，這些元素的核外電子依次填入4f態，而外層電子數沒有變化，因此這些元素具有幾乎相同的化學性質，將他們劃為一組元素而放入週期表的一格。
5. 氫鍵的本質與范德華力一樣，也是靠原子（或分子、原子團）的偶極吸引力結合起來的，但是氫鍵中氫原子起了關鍵作用。當h原子與乙個電負性很強的原子（或原子團）結合成分子時，氫原子的乙個電子轉移至該原子殼上；分子的氫離子則實質上是裸露的質子，對另乙個電負性很強的原子表現出吸引，這樣氫原子便將兩個電負性很強的原子結合起來，形成氫鍵。
6. 1）金屬元素有較高的相對原子質量
2）金屬鍵的結合方式沒有方向性，所以金屬原子總是趨於密集排列，得到原子排列結構；而對於共價鍵，相鄰原子的個數要受到共價鍵樹木的限制，離子鍵結合，則要滿足正、負離子間電荷平衡的要求。
9. 單相組織是指具有單一相的組織，即所有的晶粒的化學組成相同，晶體結構也相同。兩相組織指具有兩相，兩個相的晶粒尺度不同。
採用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能觀測清楚晶粒的形貌特徵，稱為顯微組織。顯微組織是材料的四級結構，主要隨組成和加工工藝而變化，它是影響材料機械效能的重要因素。材料的組織包括粒徑的大小、形狀、分布及其相對量等特徵，比如單相多晶材料的強度很低，而多相組織可以增加瀰散相的個數，大幅提高材料的強度。
11．原子結構（一級結構）決定了原子的結合方式，並影響材料的化學、物理性質。原子結合鍵（二級結構）決定了結合力的大小，並影響材料的物理和力學效能。原子排列方式（**結構）決定了材料的形態，影響材料的物理力學效能，並與加工工藝有關。
顯微組織結構（四級結構）決定了材料機械效能如強度、塑性等、主要由加工工藝來決定。
第三章固體材料的晶體結構
1. 麵心立方鎳的原子半徑是1.243 ，試計算：（a）鎳的點陣引數，（b）鎳的密度。
[答] （a）
（b）2. 體心立方鉬的點陣引數是3.1468 ，試計算鉬的原子半徑。
[答]3. 鉻的點陣引數是2.8844 ，密度是7.19 g/cm3，通過適當計算確定鉻是簡單立方、體心立方還是麵心立方結構。
[答]所以鉻為麵心立方結構。
4. 試確定圖中所示方向的密勒指數。
[答]方向a：0，1，1 → 1，0，1 = -1，1，0，故為；
方向b：0，1，0 → 1，0，1 = -1，1，-1，故為；
方向c：1，0，1/2 → 1/2，1，0 = 1/2，-1，1/2，故為；
方向d：0，1，1/2 → 1，0，0 = -1，1，1/2，故為。
方向a：0，0，1 → 1，1，1 = -1，-1，0，故為；
方向b：1，2/3，0 → 0，0，1 = 1，2/3，-1，故為；
方向c：1/2，0，0 → 1，1，3/4 = -1/2，-1，-3/4，故為；
方向d：1/2，1，1 → 0，1，0 = 1/2，0，1，故為[102]。
5. 在立方系中繪出、晶面族所包括的晶面以及（112）、的晶面。
[答]（圖略）
（圖略）
（圖略）
（圖略）
6. 試比較間隙固溶體、間隙相和間隙化合物的結構和效能特點。
[答] 間隙固溶體：溶質原子分布於溶劑晶格間隙而形成的固溶體成為間隙固溶體。當溶質原子半徑很小，使溶質與溶劑的原子半徑差δr > 41%時，溶質原子就可能進入溶劑晶格間隙中而形成間隙固溶體。
溶質原子通常是原子半徑小於0.1 mm的一些非金屬元素。溶質原子引起溶劑點陣畸變，點陣常數變大，畸變能公升高。
因此，間隙固溶體都是有限固溶體，而且溶解度很小。
原子半徑較小的非金屬元素如c，h，n，b等可與金屬元素（主要是過度族金屬）形成間隙相或間隙化合物。這主要取決於非金屬(x)和金屬(m)原子半徑的比值rx/rm；當rx/rm < 0.59時，形成具有簡單晶體結構的相，稱為間隙相；當rx/rm > 0.
59時，形成具有複雜晶體結構的相，通常稱為間隙化合物。
間隙相具有比較簡單的晶體結構，如fcc，hcp，少數為bcc或簡單六方結構，與組元的結構均不相同。間隙相可以用化學分子式表示。間隙相不僅可以溶解其組成元素，而且間隙相之間還可以相互溶解。
間隙相中原子間結合鍵為共價鍵和金屬鍵，即使大於非金屬組元的原子數分數大於50%時，仍具有明顯的金屬特性，而且間隙相具有極高的熔點和硬度，同時其脆性也很大，是高合金鋼和硬質合金中的重要強化相。
間隙化合物的晶體結構都很複雜，原子間結合鍵位共價鍵和金屬鍵。間隙化合物也具有很高的熔點和硬度，脆性較大，也是鋼中重要的強化相之一。但與間隙相相比，間隙化合物的熔點和硬度以及化學穩定性都要低一些。
7. 簡述陶瓷材料的相組成及常見相結構。
[答] 陶瓷材料中的相組成較為複雜，常見的相有晶相、玻璃相和氣相。它們對陶瓷效能都有很大影響。
晶相是陶瓷材料的主要組成相，常見結構有氧化物結構和矽酸鹽結構。氧化物結構包括ab型結構(nacl型)、ab2型結構(金紅石型)、a2b3型結構(剛玉型)以及其它一些結構。矽酸鹽的結構特點是矽、氧離子組成四面體，矽離子位於四面體中心。
矽氧四面體sio44-之間又以共有頂點的氧離子相互連線起來。由於連線方式不同而形成多種矽酸鹽結構，如島狀、環狀、鏈狀和層狀等。
玻璃相是在陶瓷燒結時形成的一種非晶態物質，其結構是由離子多面體（如矽氧四面體）構成的無規則排列的空間網路，如非晶態石英的結構。玻璃相熱穩定性差，在較低溫度下即開始軟化。玻璃相的作用是粘結分散的晶相、降低燒結溫度、抑制晶相的粗化。
氣相是指陶瓷中的氣孔，它是在陶瓷生產過程中形成並被保留下來的。氣孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震動，並進一步降低了導熱係數。但也導致陶瓷強度下降，介電損耗增大，絕緣性降低。
8. 簡述高分子材料的鍵結構和聚集態結構以及高、低分子聚集態結構的差異。
[答] 高分子材料的結構主要包括二個微觀層次：高分子鏈結構（分子內結構）和高分子鏈的聚集態結構（分子間結構）。
高分子鏈的結構是指結構單元的化學組成、鍵接方式、空間構型以及高分子鏈的長短、幾何形狀及其構象。簡言之，高分子鏈結構指的是單個分子的結構和形態，並可分為近程結構和遠端結構。近程結構包括構造與構型。
構造是指鏈中的原子種類和排列、取代基和端基的種類，單體單元的排列順序，支鏈的型別和長度等。構型是指某一原子的取代基在空間的排列。因此，近程結構實質為化學結構，又稱一級結構。
遠端結構包括分子鏈的大小與形態、鏈的柔順性及其高分子鏈在各個環境中採取的構象，又稱二級結構。
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三 問答題 1 影響珠光體向奧氏體轉變的因素有哪些？影響奧氏體形成的因素 一 加熱溫度和保溫時間低溫長時間 高溫短時間，溫度的影響更顯著。二 原始組織鐵素體和滲碳體的介面越多，奧氏體的形核位置越多，奧氏體化所需時間越短。三 化學成分 1 碳碳含量高滲碳體數量多，形核率增大 2 合金元素合金元素的擴散...
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