北工大2015材料科學(xué)與工程學(xué)導(dǎo)論復(fù)習(xí)題

1、材料導(dǎo)論復(fù)習(xí)題一、名詞解釋1. 材料：材料是人類用于制造機器、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。為了規(guī)范新材料的含義，一般把具備以下三個條件之一的材料稱為新材料：1) 新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)良性能的材料。2) 高技術(shù)發(fā)展需要，具有特殊性能的材料。3) 由于采用新技術(shù)（工藝、裝備）明顯提高了性能，或者出現(xiàn)了新的功能的材料。3. 結(jié)構(gòu)材料：結(jié)構(gòu)材料是主要利用材料的強度、韌性、彈性等力學(xué)性能，用于制造在不同環(huán)境下工作時承受載荷的各種結(jié)構(gòu)件和零部件的一類材料，分為機械結(jié)構(gòu)材料和建筑結(jié)構(gòu)

2、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固體材料。復(fù)合材料的基本組分可劃分為基體相（基體材料）和增強相（增強材料）兩種。6. 彈性模量：一般地講，對彈性體施加一個外界作用（稱為“應(yīng)力”）后，彈性體會發(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。材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，比例系數(shù)稱為彈性模量。7. 抗拉強度：抗拉強度就是試樣拉斷前承受的最大標稱拉應(yīng)力。材料承受拉伸載荷時，斷裂

3、前單位面積上所承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強度。8. 屈服強度：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。材料承受載荷時，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的臨界應(yīng)力，稱為屈服強度。9. 延伸率：延伸率（）是描述材料塑性性能的指標延伸率和截面收縮率。延伸率即試樣拉伸斷裂后標距段的總變形L與原標距長度L之比的百分數(shù)：。材料在外力作用下被拉斷后，在標距內(nèi)總伸長長度同原來標距長度相比的百分率，稱為伸長率或延伸率。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)抵抗變形或破裂的能力。13. 蠕變

4、極限：表示材料抵抗蠕變能力大小的指標，一般用規(guī)定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)達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：通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。16. 淬火：通過快速冷卻，獲得遠離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達到強化材料的目的。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)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性。18. 正火：在奧氏體狀態(tài)下的鋼鐵材料，由空氣或保護氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強度，改善韌性。19. 熱容：通常用摩爾熱容表征，表示1mol

5、物質(zhì)溫度升高1K時所吸收的熱量，單位：。20. 熱膨脹系數(shù)：分為線膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)；前者指溫度變化1K時材料單位長度的變化量；后者指溫度變化1K時材料單位體積的變化量，單位均是：。21. 電阻率：用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量。就是電阻率，l為材料的長度， S為面積。材料的電阻大小與材料的長度成正比，而與其截面積成反比。電阻率是反應(yīng)材料絕緣性能的參數(shù)，與材料的截面積成正比，與長度成反比。22. 介電常數(shù)：介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與介質(zhì)中電場的比值即為相對介電常數(shù)(permittivity， 不規(guī)范稱 dielectric constant)，又稱誘

6、電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。23. 光損耗率：光損耗是指光在光纖中的衰減量,標志著光纖透光程度的大小,其大小影響到光纖傳輸距離的遠近。24. 磁導(dǎo)率： 表征磁介質(zhì)磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后，產(chǎn)生磁通的阻力或者是其在磁場中導(dǎo)通磁力線的能力，其公式=B/H 、其中H=磁場強度、B=磁感應(yīng)強度，常用符號表示，為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱絕對磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率是衡量磁性材料磁化難易程度的性能指標，是磁感應(yīng)強度與磁場強度的比值。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、簡答1. 材

7、料按組成結(jié)構(gòu)分為四種材料：1) 金屬材料（鋼鐵、合金）2) 無機非金屬材料（陶瓷，玻璃，水泥）3) 高分子材料（塑料、合成橡膠、合成纖維）4) 復(fù)合材料（硼/鋁復(fù)合材料、石墨/鋁復(fù)合材料、石墨/鎂復(fù)合材料、碳化硅/鈦復(fù)合材料、氧化鋁/鋁復(fù)合材料；氧化鋁/鋁復(fù)合材料、碳化硅/鋁復(fù)合材料、氧化鋁/鎳復(fù)合材料；碳化硅/鋁復(fù)合材料、碳化鈦/鈦復(fù)合材料）2. 材料按使用性能分為兩種材料：1) 結(jié)構(gòu)材料（水泥材料、高分子材料、鋼鐵材料、玻璃材料、陶瓷材料、復(fù)合材料、有色金屬材料）2) 功能材料（超導(dǎo)材料、納米材料、能源材料、熱電材料、生物醫(yī)學(xué)材料、功能陶瓷材料、功能高分子材料）3. 材料性質(zhì)是功能特性和效

8、用的描述符，是材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應(yīng)材料性質(zhì)主要分為三類：力學(xué)性質(zhì)，物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)4. 材料的力學(xué)性質(zhì)：材料在外應(yīng)力作用下的行為。力學(xué)性質(zhì)是人類最早認識和學(xué)會利用的材料性質(zhì)，也是材料一系列物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。力學(xué)性能指標：剛度、硬度、強度、塑性、韌性5. 材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系：性能是包括材料在內(nèi)的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對穩(wěn)定性；當量變達到一個“度”時，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計的同時，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計路線，將材料性

9、質(zhì)同時考慮進去，采取并行設(shè)計的方法。6. 材料結(jié)構(gòu)的分類有三種：鍵合結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)7. 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)有三種：1) bcc體心立方結(jié)構(gòu)：-Fe，W，Mo，V，-Ti等；2) fcc面心立方結(jié)構(gòu)：-Fe，Al，Cu，Ag，Au，Pb等；3) hcp密排六方結(jié)構(gòu)：Mg，Zn，Be，Cd，-Ti等8. 材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法：現(xiàn)代材料科學(xué)家對材料成分、結(jié)構(gòu)的認識是由分析、檢測實現(xiàn)的。有兩種：成分分析和結(jié)構(gòu)分析。主要的表征儀器設(shè)備：化學(xué)分析、物理分析、光譜分析系統(tǒng)；體視顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、電子掃描顯微、透射電鏡、場離子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡9. 材料的制備與加工：“制備/合成”與“加工”

10、是指建立原子、分子和分子團的新排列,在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結(jié)構(gòu)、性能的控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件的演化過程。制備/合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方法。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。主要內(nèi)容：材料制備、材料加工、表面工程、材料復(fù)合10. 材料的失效形式有三種：斷裂、磨損、腐蝕11. 根據(jù)鋼鐵中的含碳量，鋼鐵材料可以分為四種：低碳鋼<0.25%、中碳鋼0.25%0.6%、高碳鋼0.6%2.11%、鑄鐵>2.11%。鋼鐵材料可以分為含碳量越高，硬度、強度越高，但塑性降低。碳的質(zhì)量分數(shù)大于2

11、.11%的鐵碳合金稱之為鑄鐵，通常還含有較多的Si、Mn、S、P等元素。12. 根據(jù)鑄鐵中的石墨化程度，鑄鐵可以分為五種：1) 白口鑄鐵：完全按照相圖進行結(jié)晶而得到的鑄鐵。其中碳全部以滲碳體形式存在，斷口呈銀白色。2) 灰口鑄鐵：其中碳主要以片狀石墨形狀存在，斷口為暗灰色，常見的鑄鐵件多數(shù)是灰口鑄鐵。3) 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，實際上并不可鍛。4) 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，機械性能高，生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得

12、到廣泛的應(yīng)用。5) 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鑄鐵。13. 鋼鐵典型的熱處理方法：退火、淬火、回火、正火14. 結(jié)構(gòu)陶瓷的種類：氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷、碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷、氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷15. 陶瓷材料的相組成：晶體相、玻璃相、氣相（氣孔）16. 陶瓷材料主要的力學(xué)性能：硬度很高、剛度很高、理論強度很高、塑性和韌性較低17. 水泥按用途分為兩類：通用水泥、特性水泥；按組成成份分為三系列：硅酸鹽水泥（波特蘭水泥）、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥18. 硅酸鹽水泥熟料的主

13、要礦物成分：1) 硅酸三鈣3CaOSiO2C3S（）2) 硅酸二鈣2CaOSiO2C2S（）3) 鋁酸三鈣3CaOAl2O3C3A（）4) 鐵鋁酸四4CaOAl2O3Fe2O3C4AF（）硅酸鹽水泥的主要礦物成分對水泥性能的影響：1) 提高C3S()可以提高水泥的強度，得到高強水泥2) 提高C3A()、C3S()，可以得到快硬水泥3) 降低C3A（）和C3S（），提高C2S（），可以得到中低熱水泥4) 提高C4AF（），降低C3A（），可以得到道路水泥19. 玻璃：凡熔融體通過一定方式冷卻，因黏度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。玻璃主要的力學(xué)性能特點：理論強度高，

14、實際強度低?？箟簭姸雀?，抗拉強度低。硬度高，脆性大。20. 復(fù)合材料的有兩類：1) 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材料；2) 功能復(fù)合材料：導(dǎo)電導(dǎo)磁復(fù)合材料、阻尼吸聲復(fù)合材料、屏蔽功能復(fù)合材料、摩擦磨損復(fù)合材料復(fù)合材料的性能特點：1) 比強度和比彈性模量高2) 抗疲勞與斷裂安全性能好3) 良好的減震性能4) 良好的高溫性能21. 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。超導(dǎo)材料的兩個基本特征：1) 零電阻效應(yīng)：物質(zhì)在一特定的溫度下沒有電阻。零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，稱為

15、零電阻效應(yīng)。2) 邁斯納效應(yīng)：超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部。這一特征稱為完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。22. 按材料化學(xué)組成，超導(dǎo)材料可分為四類：元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體、化合物超導(dǎo)體、氧化物超導(dǎo)體23. 納米材料：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。納米材料的三個特殊效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)24. 納米材料的主要制備方法和工藝：1) 氣相冷凝法：其中納米微粒采用氣相冷凝制得。然后再通過壓制、燒結(jié)等環(huán)節(jié)制備納米材料的方法。2) 球磨法：球磨法可以降低粉粒尺寸，固態(tài)合金化、混合

16、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。3) 非晶晶化法：先將原料用急冷技術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，控制晶化退火時間和溫度，使非晶全部或部分晶化，生成尺寸為納米級的粉粒。4) 溶膠凝膠法：將易于水解的金屬化合物與水溶劑中水發(fā)生水解與縮聚反應(yīng)而逐漸凝膠化，再講過干燥、燒結(jié)等過程，可制得納米材料。25. 新能源材料：新能源材料指正在發(fā)展的，可能支撐新能源體統(tǒng)的建立，滿足各種新能源及節(jié)能技術(shù)所要求的一類材料。新型二次電池材料、燃料電池材料、太陽電池材料、儲氫材料26. 儲氫材料：能以物理或化學(xué)方法保存氫氣而使

17、氫氣改變狀態(tài)的材料。1) 活性碳儲氫材料2) 儲氫合金3) 無機化合物儲氫材料4) 有機液體氫化物儲氫材料27. 燃料電池：燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池的體系有：堿性、磷酸、熔融碳酸鹽、固體氧化物、質(zhì)子交換膜；磷酸型(PAFC)(第一代)、熔融碳酸鹽(MCFC)(第二代)、固體電解質(zhì)型(SOFC)(第三代)、質(zhì)子交換膜型(PEMFC)、堿性氫-氧型(AFC)28. 功能陶瓷：功能陶瓷是指具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無機固體材料。其功能的實現(xiàn)主要來自于它所具有的特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電

18、性、磁性、生物適應(yīng)性等。功能陶瓷的分類有：電子陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷；壓電陶瓷、光電陶瓷、磁性陶瓷、敏感陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷29. 磁致伸縮現(xiàn)象：有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場作用下，其尺寸也伸長（或縮短），去掉外電場后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮材料有三類：金屬合金磁致伸縮材料、鐵氧體磁致伸縮材料、稀土金屬間化合物磁致伸縮材料30. 按材料屬性分類，生物醫(yī)學(xué)材料可以分為：醫(yī)用金屬及合金、生物陶瓷、醫(yī)用高分子、生物衍生材料、醫(yī)用復(fù)合材料三、問答1. 材料的“四要素”：制備加工，結(jié)構(gòu)成分，性質(zhì)，使用性能；“四要素”之間的關(guān)系：制備

19、與加工提供結(jié)構(gòu)與成分，結(jié)構(gòu)與成分具備材料性質(zhì)，材料性質(zhì)產(chǎn)生使用性能；成分結(jié)構(gòu)是合成加工的結(jié)果，成分結(jié)構(gòu)是材料性能的原因2. 有色金屬主要有四種：鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金、鎂及鎂合金1) 鋁及鋁合金特點:密度低、比強度高。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、耐腐蝕等。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度。2) 銅及銅合金特點：導(dǎo)電、導(dǎo)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度。色澤美觀。3) 鈦及鈦

20、合金特點：耐腐蝕性高，生物相容性材料，非磁性材料，比重小，比強度高，加工條件復(fù)雜，成本較高4) 鎂及鎂合金特點：比重?。轰X的2/3，鐵的1/4；比強度高：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、保護環(huán)境3. 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)合材料上總力等于纖維和基體受力的和Fc=Ff+Fm（）則：Fc=cAc=fAfmAm（）c=fVfmVm（）Ec=EfVfEmVm（）其中：c、f、m分別代表復(fù)合