材料科學(xué)與工程導(dǎo)論10

1、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論復(fù)習(xí)題2013年一、 名詞解釋1、 材料 材料是人類用于制造機(jī)器、構(gòu)件和產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2、 新材料 新材料，主要是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。3、 結(jié)構(gòu)材料 結(jié)構(gòu)材料是主要利用材料的強(qiáng)度、韌性、彈性等力學(xué)性能，用于制造在不同環(huán)境 下工作時(shí)承受載荷的各種結(jié)構(gòu)件和零部件的一類材料，即機(jī)械結(jié)構(gòu)材料和建筑結(jié)構(gòu)材料。4、 功能材料 具有某種優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。5、 復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成 的多相

2、固體材料。6、 彈性模量 一般地講，對(duì)彈性體施加一個(gè)外界作用（稱為“應(yīng)力”）后，彈性體會(huì)發(fā)生形狀的改變（稱為“應(yīng)變”），“彈性模量”的一般定義是：應(yīng)力除以應(yīng)變。7、 抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是金屬由均勻塑性變形向局部集中塑性變形過(guò)渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。8、 屈服強(qiáng)度 是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。9、 延伸率 材料在拉伸斷裂后總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。10、 塑性 外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。11、 韌性 材料從塑性變形到斷裂全過(guò)程吸收能量的能力。12、 硬度 材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的。13、

3、蠕變極限 表示材料抵抗蠕變能力大小的指標(biāo)，一般用規(guī)定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定總變形量的應(yīng)力值表示。14、 疲勞極限 材料能經(jīng)受“無(wú)限”次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值，稱為材料的疲勞極限或持久極限。15、 退火 通過(guò)緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達(dá)到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。16、 淬火 快速冷卻，獲得遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。17、 回火 淬火或正火的材料重新加熱，可以松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)定態(tài)過(guò)度，改善材料的延展性和韌性。18、 正火 在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護(hù)氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，改善韌性。19、 熱容 通常用摩爾熱容表征，表示1mol物質(zhì)溫度升

4、高1k時(shí)所吸收的熱量，單位20、 熱膨脹系數(shù) 分為線膨脹系數(shù)、體積膨脹系數(shù) ；前者指溫度變化1k時(shí)單位長(zhǎng)度的變化量；后者指溫度變化1k時(shí)材料單位體積的變化量，單位均是21、 電阻率 用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。22、 介電常數(shù) 同一電容器中用某一物質(zhì)為介電體與該物質(zhì)在真空中的電容的比值。 23、 光損耗率24、 磁導(dǎo)率 磁介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比。分為絕對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率，是表征磁介質(zhì)導(dǎo)磁性能的物理量。25、 材料性能 在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量。二、 簡(jiǎn)答1、 材料按組成結(jié)構(gòu)分為哪幾種材料，各舉例3種：金屬(鑄鐵、碳鋼、鋁合金

5、)、無(wú)機(jī)非金屬(水泥、玻璃、陶瓷)、高分子(塑料、合成橡膠、合成纖維)、復(fù)合（石墨/鋁復(fù)合材料、碳/陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料）2、 材料按使用性能分為哪兩種材料，各舉例3種： 結(jié)構(gòu)（金屬、高分子、復(fù)合）、功能（超導(dǎo)、能源、生物）3、 什么是材料性質(zhì)，材料的性質(zhì)主要有哪幾類？ 是功能特性和效用的描述符，是材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。有力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)。4、 什么是材料的力學(xué)性質(zhì)，舉例3種材料的力學(xué)性能指標(biāo)；材料在外應(yīng)力作用下的行為。剛度、強(qiáng)度、韌性5、 簡(jiǎn)述材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系； 材料性能是包括材料在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)特征的體現(xiàn)，性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。性能是隨著

6、 外因的變化而不斷變化，是個(gè)漸變過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性；當(dāng)量變達(dá)到一個(gè)“度”時(shí)，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。6、 材料結(jié)構(gòu)的分類有哪幾種？鍵合、晶體、組織7、 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種，每種晶體結(jié)構(gòu)各舉例3種金屬； 體心立方結(jié)構(gòu)-Fe，W，Mo，V，-Ti等 面心立方結(jié)構(gòu)-Fe，Al，Cu，Ag，Au，Pb等 密排六方結(jié)構(gòu)Mg，Zn，Be，Cd，-Ti等8、 材料結(jié)構(gòu)的表征方法有哪幾種，列舉3種主要的表征儀器設(shè)備。成分分析：化學(xué)分析，物理分析，光譜分析系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)分析：體視顯微鏡，檢測(cè)儀器，分辨率體視顯微鏡，光學(xué)顯微鏡，電子掃描顯微，透射電鏡，場(chǎng)離

7、子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡9、 什么是材料的制備與加工？材料的制備與加工主要內(nèi)容？ “制備”與“加工”是指建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料與元件的演化過(guò)程。 材料制備,材料加工,表面工程,材料復(fù)合10、 材料的失效形式有哪幾種？斷裂,磨損,腐蝕11、 根據(jù)鋼鐵中的碳含量，鋼鐵材料可以分為哪幾種，碳含量范圍分別是多少？ 鋼是含碳量為0.03%2.11%的碳鐵合金。其中按鋼中含碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可分為小于0.25%的為低碳鋼，大于0.25%小于0.6%的為中碳鋼，大于0.6%小于2.11%

8、的為高碳鋼。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.11%的鐵碳合金稱之為鑄鐵，通常還含有較多的Si、M 、S、P等元素。12、 根據(jù)鑄鐵中的石墨化程度，鑄鐵可以分為哪幾種？ 白口鑄鐵：完全按照Fe-Fe3C 相圖進(jìn)行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體(Fe C)形式存在，斷口呈銀白色。 可鍛鑄鐵：由一定成分的白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團(tuán)狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習(xí)慣上稱為可鍛鑄鐵，實(shí)際上并不可鍛。 灰口鑄鐵：其中碳主要以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色。 球墨鑄鐵：鐵水在澆注前經(jīng)球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在，機(jī)械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡(jiǎn)

9、單，近年來(lái)日益得到廣泛的應(yīng)用。 蠕墨鑄鐵：碳以蠕蟲狀石墨形式存在，介于片狀和球狀石墨之間此外，為了滿足一些特殊要求，向鑄鐵中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蝕、耐熱及耐磨等特性的合金。13、 鋼鐵材料典型的熱處理工藝有哪些？淬火、退火、回火、正火14、 結(jié)構(gòu)陶瓷材料的種類？ 氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷 炭化物結(jié)構(gòu)陶瓷 氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷15、 陶瓷材料主要由哪些相組成的？晶體相、玻璃相、氣相（氣孔）16、 簡(jiǎn)述陶瓷材料的主要力學(xué)性能特點(diǎn)。陶瓷的硬度很高、剛度很高、理論強(qiáng)度很高、塑性和韌性較低17、 水泥按用途分為哪幾類？按組成成分分為哪些系列？ 按用途分為兩類：通用水泥、特性水泥 按組成成

10、份分為三系列： 硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥18、 硅酸鹽水泥的主要礦物成分有哪些？它們對(duì)水泥的性能有哪些影響？ 硅酸三鈣3CaO SiO2C3S 硅酸二鈣2CaO SiO2 C2S 鋁酸三鈣3CaO Al2O3 C3A 鐵鋁酸四鈣4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 硅酸鹽水泥的主要礦物成分對(duì)水泥性能的影響： 提高C3S可以提高水泥的強(qiáng)度，得到高強(qiáng)水泥 提高C3A、C3S，可以得到快硬水泥 降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低熱水泥 提高C4AF，降低C3A，可以得到道路水泥19、 什么是玻璃？簡(jiǎn)述玻璃的主要力學(xué)性能特點(diǎn)。 凡熔融體通過(guò)一定方式冷卻，因黏度

11、逐漸增加而具有固體性質(zhì)與一定結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃 理論強(qiáng)度高，實(shí)際強(qiáng)度低?？箟簭?qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低。硬度高，脆性大。20、 復(fù)合材料的分類，復(fù)合材料的性能特點(diǎn)有哪些？ 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理、化學(xué)、力學(xué)性能不同的物質(zhì)，經(jīng)人工組合而成的多相固體材料。 比強(qiáng)度和比彈性模量高 抗疲勞與斷裂安全性能好 良好的減震性能 良好的高溫性能21、 什么是復(fù)合材料中的相變?cè)鲰g？相變?cè)鲰g的特征？ 通過(guò)相變產(chǎn)生的體積膨脹，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而抵消外加應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到增韌的目的。 相變?cè)鲰g特征： a. 相變前后沒(méi)有成分變化，具有無(wú)熱、無(wú)擴(kuò)散、相變激活能小、相變速度快的特點(diǎn)。 b. 相變伴隨有

12、體積變化。 c. 相變具有可逆性，因此相變發(fā)生在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)而非一個(gè)特定的溫度點(diǎn)上。22、 什么是超導(dǎo)材料？超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特征？ 超導(dǎo)材料：在一定溫度以下，材料電阻為零，物體內(nèi)部失去磁通成為超導(dǎo)材料完全抗磁性的物質(zhì)。這一特定溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度、或臨界溫度Tc。 零電阻效應(yīng)：物質(zhì)在一特定的溫度下沒(méi)有電阻。零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，稱為零電阻效應(yīng) 邁斯納效應(yīng)：超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部。這一特征稱為完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)磁懸浮的物理基礎(chǔ)23、 什么是納米材料？敘述納米材料的三個(gè)特點(diǎn)？ 納米材料：通常定義為材料的顯微結(jié)構(gòu)中包括顆粒直徑、晶粒大小、晶界、厚度等特

13、征尺寸都處于納米尺寸水平的材料，其性能發(fā)生突變的材料。 界面結(jié)構(gòu)類似于氣態(tài)的更無(wú)序排列；晶粒結(jié)構(gòu)點(diǎn)畸變效應(yīng)；晶界偏聚降低晶界能。24、 納米材料的主要制備方法和工藝。 氣相冷凝法 其中納米微粒采用氣相冷凝制得。然后再通過(guò)壓制、燒結(jié)等環(huán)節(jié)制備納米材料的方法。 球磨法 球磨法可以降低粉粒尺寸，固態(tài)合金化、混合或融合，以及改變粉粒的形狀。球磨法可以制備納米晶純金屬、不互溶體系的固溶體納米晶、納米非晶、納米金屬間化合物以及納米金屬陶瓷復(fù)合材料等。 非晶晶化法 先將原料用急冷技術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，控制晶化退火時(shí)間和溫度，使非晶全部或部分晶化，生成尺寸為納米級(jí)的粉粒。 溶膠凝膠法 將易于水解的金屬化合物

14、與水溶劑中水發(fā)生水解與縮聚反應(yīng)而逐漸凝膠化，再講過(guò)干燥、燒結(jié)等過(guò)程，可制得納米材料。25、 什么是功能陶瓷，功能陶瓷的分類主要有哪些？ 功能陶瓷：以電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測(cè)，轉(zhuǎn)換，耦合，傳輸及儲(chǔ)存等功能為主要特征的介質(zhì)材料。 分類：電子陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、生物陶瓷、光學(xué)陶瓷。26、 什么是新能源材料，列舉所學(xué)的新能源材料？二次電池材料、燃料電池材料、太陽(yáng)電池材料、儲(chǔ)氫材料、核能材料27、 什么是儲(chǔ)氫材料，列舉所學(xué)的儲(chǔ)氫材料并簡(jiǎn)述其各自的特點(diǎn)。儲(chǔ)氫材料的分類無(wú)機(jī)化合物儲(chǔ)氫材料： 過(guò)程：無(wú)機(jī)化合物與氫氣發(fā)生反應(yīng)儲(chǔ)氫，在一定條件下分解放氫。 優(yōu)點(diǎn)：原料易得、儲(chǔ)存方便、安全性好。 缺

15、點(diǎn)：儲(chǔ)氫量較小，催化劑價(jià)格較貴。有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫材料： 過(guò)程：借助儲(chǔ)氫載體（如苯和甲苯等）與H2的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫量大，儲(chǔ)氫載體苯和甲苯可循環(huán)使用，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸都很安全方便。 缺點(diǎn)：裝置和投資費(fèi)用大，儲(chǔ)氫操作較復(fù)雜?；钚蕴?jī)?chǔ)氫材料： 過(guò)程：活性炭低溫加壓吸附儲(chǔ)氫。 優(yōu)點(diǎn)：活性炭原料易得，吸附儲(chǔ)氫和放氫操作都較簡(jiǎn)單。儲(chǔ)氫合金材料： （儲(chǔ)氫合金：在一定溫度和氫氣壓力下能多次吸收、儲(chǔ)存和釋放氫氣的合金。） LaNi5:具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)特征。 TiFe:具有優(yōu)良的儲(chǔ)氫特性，價(jià)格較低，具有很大的使用價(jià)值。 Mg2Ni:穩(wěn)定性強(qiáng)，釋氫困難，但可改善吸/釋氫的速度，具有使用

16、價(jià)值。28、 什么是正溫度系數(shù)熱電材料、負(fù)溫度系數(shù)熱電材料？29、 按材料屬性分類，生物醫(yī)學(xué)材料可以分為哪些？30、 什么是生物陶瓷材料？它應(yīng)具有哪些要求？三、 問(wèn)答題1、 什么是材料的“四要素”？敘述材料“四要素”之間的關(guān)系。 使用性能，性質(zhì)，制備加工，成分結(jié)構(gòu)。 關(guān)系：材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料的基本表征。它們一方面是特定的合成與制備條件的產(chǎn)物，另一方面又是決定材料性能與使用效能的內(nèi)在因素。材料本身的性質(zhì)決定了材料的合成與制備過(guò)程，材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料合成與制備的產(chǎn)物，材料的組成與結(jié)構(gòu)又反過(guò)來(lái)決定了材料的性能。這就是材料四要素之間的關(guān)系。在四要素關(guān)系中,最基本的是結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系,而“材料科

17、學(xué)基礎(chǔ)”這門課程的主要研究材料的結(jié)構(gòu).性能及二者間的關(guān)系。2、 有色金屬材料主要有哪幾種，簡(jiǎn)述其各自的性能特點(diǎn)。 鋁及鋁合金：密度低、比強(qiáng)度高。純鋁的密度為2700kg/m3，約為鐵的1/3。優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電性能好、磁化率 低、加工性能好。鑄造性能好、易于塑性變形，經(jīng)熱處理后還具有很高的強(qiáng)度。 鎂及鎂合金：比重?。轰X的2/3，鐵的1/4?比強(qiáng)度高：比鋁合金高50MPa，碳鋼的2倍，減震性好：阻尼性優(yōu)于鑄鐵抗沖擊：優(yōu)于鋁合金和軟鋼切削性好：切削力為鋁和軟鋼的1/2電磁屏蔽優(yōu)良 可屏蔽頻率范圍較廣易再生利用：可節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。 鈦及鈦合金：加工條件復(fù)雜，成本較高 銅及銅合金：導(dǎo)電、導(dǎo)

18、熱性能好、耐腐蝕等，是抗磁材料。加工性能好。容易冷熱成形，鑄造銅合金鑄造性能好具有某些特殊力學(xué)性能。比如優(yōu)良的減摩性和耐摩性高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度。色澤美觀。3、 當(dāng)外載荷與增強(qiáng)纖維方向一致時(shí)，推導(dǎo)單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度c、彈性模量Ec與基體、增強(qiáng)纖維的拉伸強(qiáng)度m、f和彈性模量Em、Ef之間的關(guān)系。 外載荷與纖維方向一致假設(shè)復(fù)合材料中基體是連續(xù)的、均勻的，纖維的性質(zhì)和直徑都是均勻的，且平行連續(xù)排列，同時(shí)纖維與基體間的結(jié)合為理想結(jié)合，在界面上不產(chǎn)生滑移。則：在外載荷作用下纖維和基體處于等應(yīng)變狀態(tài)c=f=m復(fù)合原理c=f=m復(fù)合材料上總力等于纖維和基體受力的和則：F = A = A AFc= Ff + Fm則：Fc=cAc = fAfmAmc = fVfmVmEc= EfVfEmVm其中：c、f、m分別代表復(fù)合材料、增強(qiáng)纖維和基體4、 當(dāng)外載荷與增強(qiáng)纖維方向垂直時(shí)，推導(dǎo)單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度c、彈性模量Ec與基體、增強(qiáng)纖維的拉伸強(qiáng)度m、f和彈性模量Em、Ef之間的關(guān)系。如果外載荷垂直于單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維方向,則復(fù)合材料、纖維、基體處于等應(yīng)力狀態(tài)。 c= f = m復(fù)合材料中應(yīng)變量等于各組員應(yīng)變量與體積分?jǐn)?shù)乘積之和 c fVfmVm 1/Ec = Vf/EfVm/E