《材料科學與工程概論》復習思考題

《材料科學與工程概論》復習思考題一、名詞解釋1.磁化曲線：磁感應強度或磁化強度與外加磁場強度的關系曲線稱為磁化曲線。2.磁滯效應及磁化曲線：磁感應強度的變化總是落后于磁場強度的變化，這種效應稱為磁滯效應。由于磁滯效應的存在，磁化一周得到一個閉合回線，稱為磁滯回線。3.磁致伸縮：鐵磁性物質在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應）。4.硅酸鹽材料：化學組成為硅酸鹽類的材料稱為硅酸鹽材料，也稱為無機非金屬材料。5.水泥：水泥是一種粉末狀的誰硬性膠凝材料，加入適量水拌合后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并可將砂、石、纖維和鋼筋等材料牢固地念接起來，成為有較高強度的石狀體，是建造高樓大廈、橋梁隧道、港口碼頭等工程的主要材料。6.復合材料：將兩種或兩種以上的單一材料復合可獲得新的材料，這些新的材料保留了原有材料的優(yōu)點，克服和彌補了各自的缺點，并顯示出一些新的特性，這就是復合材料。7.合金：由一種金屬跟另一種或幾種金屬或非金屬所組成的具有金屬特性的物質叫合金。8.晶體：由結晶物質構成的、其內部的構造質點(如原子、分子)呈平移周期性規(guī)律排列的固體。長程有序，各向異性。9.晶粒：結晶物質在生長過程中，由于受到外界空間的限制，未能發(fā)育成具有規(guī)則形態(tài)的晶體，而只是結晶成顆粒狀稱晶粒。10.晶界：結構相同而取向不同晶粒之間的界面。在晶界面上，原子排列從一個取向過渡到另一個取向，故晶界處原子排列處于過渡狀態(tài)。晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。11.高分子材料：由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料等。12.二、填空題材料分為天然材料和人工材料兩大類。材料的電學性能包括電阻率和電導率以及超導電性等。材料的磁學性能中按照物質對磁場反應的大小可分為順磁性、抗磁性、鐵磁性。材料的熱學性能包括熱容、熱導率、熔化熱、熱膨脹、熔沸點等性質。材料的光學性能包括光的反射、折射、吸收、透射以及發(fā)光、熒光等性質。固體材料根據(jù)原子排列方式可分為晶體和非晶體。晶體缺陷分為：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷等。線位錯包括刃型位錯、螺型位錯、混合位錯。體缺陷主要是沉淀相、晶粒內的氣孔和第二相夾雜物等。塑性變形是通過位錯的滑移、攀移或孿生的方式發(fā)生的永久性變形。彈性變形是由于外力的作用使得原子間距發(fā)生改變引起的，當外力去除后便恢復到變形前的狀態(tài)，為非永久性變形。復合材料按基體材料分類分為：聚合物基復合材料，金屬基復合材料和陶瓷基復合材料。按材料作用分類分為：結構型復合材料和功能型復合材料兩大類。高分子工程材料包括：塑料、合成纖維、橡膠和膠粘劑等。線性非晶態(tài)高分子材料的力學三態(tài)包括：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變溫度：玻璃化轉變溫度（Tg）；高彈態(tài)和粘流態(tài)轉變溫度：粘流溫度（Tf）。三、判斷對錯位錯、空位、間隙原子都是實際晶體中的點缺陷。

錯以離子鍵或共價鍵結合無機非金屬材料比金屬鍵結合的金屬材料硬度高。對鋼材的最大缺點是易腐蝕。

對碳素鋼的牌號越大，其強度越高，塑性越好。錯鋼材的強度和硬度隨含碳量提高而提高。錯（原因：當鋼中含碳量超過0.9%以后，鋼組織中的二次滲碳體網趨于完整、變粗，鋼的強度這時不但不會增強，反而會迅速降低。）材料的實際斷裂強度遠小于理論斷裂強度是由于材料中存在缺陷。對每一個軌道只能容納兩個自旋方向相反的電子。對晶體中原子在三維空間中呈現(xiàn)周期性規(guī)則排列，長程有序，各向異性。對三、選擇題1．晶體中存在許多點缺陷，例如：（b

）a)沉淀相粒子；b)空位；c)被激發(fā)的電子2.這些物質都屬于非晶體（a

）。a)蠟燭、橡膠、瀝青；b)玻璃、松香、石英；c)味精、食鹽、石英3.原子排列最密的一族晶面其面間距（a）。a)最大；b)最?。籧)介于兩者之間4.點缺陷主要表現(xiàn)以下三種形式（a）。a)空位、間隙原子、置換原子；b)表面空位、晶內空位、晶格間隙；c)刃形位錯、螺旋位錯、混合位錯5.元素周期表中，同周期元素金屬性從左到右隨原子序數(shù)增加而（b），同主族元素（Si、Ge、Sn、Pb）金屬性從上到下隨原子序數(shù)增加而（b）。a)增加，減??；b)減小，增加；c)不變6.過渡族W、Mo，以（a）為主，（b）為輔，這正是它們存在高熔點的原因。a)金屬鍵；b)共價鍵；c)離子鍵7.過渡族元素中，多數(shù)過渡族元素表現(xiàn)為（a），少數(shù)過渡族元素（Fe、Co、Ni、Gd）表現(xiàn)為（b），此外，還有一些過渡族元素（Cu、Ag、Au）表現(xiàn)為（c）。a)順磁性；b)鐵磁性；c)抗磁性8.大多數(shù)金屬具有較高密度的主要原因是（C）。a)金屬鍵結合方式無方向性；b)結合鍵能高；c)原子排列方式規(guī)則四、簡答題1.簡述材料科學與工程四要素及其相互關系。答：材料的成分、結構、工藝、性能被認為是材料科學與工程的四要素。這些要素彼此相互作用就構成了材料科學與工程的四面體或六面體。2.為什么金屬的電阻隨溫度升高而增大，而半導體的電阻隨溫度升高而減??？答：金屬材料主要導電機制是電子電導，金屬產生電阻的原因一個是晶格振動，另一個原因是金屬晶體不純凈,有雜質,溫度越高,晶格振動越激烈,對點陣的偏離越大，金屬的電阻率就增大。半導體靠晶體空穴和自由電子導電，溫度升高時，空缺的移動速度快，所以電阻小。3.表征超導體性能的三個主要指標是什么？答：(1)臨界溫度。即超導體保持其超導性的最高溫度；(2)臨界磁場，即超導體保持其超導性和完全抗磁性的最強磁場；（3）臨界電流，即超導體保持其超導性所能承載的最大電流。4.原子間有哪兩種力相互作用？材料為何具有一定的體積？答：不論是何種形式的結合健，固體中原子間總存在兩種力：一種是吸引力，來源于異種電荷間的吸引力；另一種是來源于同種電荷間的排斥力。在某距離下，原子間吸引力和排斥力相等，兩原子便穩(wěn)定在此位置上，這一距離相當于原子的平均距離，從空間上，也就是材料存在一定體積。5.晶體缺陷有哪幾種？它們對力學性能有哪些影響？答：點缺陷、線缺陷、面缺陷三種缺陷。其中點缺陷包括空位、間隙原子、置換原子。線缺陷包括刃型位錯、螺型位錯。面缺陷包括晶體的表面、晶界、亞晶界、相界。他們對力學性能地影響：使得金屬塑性、硬度以及抗拉壓力顯著降低等等。6.說明三大材料類的健性及其與性質的關系。答：離子鍵：無方向性、飽和性；共價鍵：有方向性、飽和性、鍵能最大；金屬鍵：無方向性、飽和性；氫鍵：有方向性、飽和性；分子鍵又叫范德化力(物理鍵)：無方向性、飽和性。金屬材料健性主要是金屬鍵。金屬具有下列特性：良好的導電性和導熱性，正的電阻溫度系數(shù)，不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤，良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。陶瓷材料（無機非金屬材料）健性主要為離子鍵或共價鍵或離子共價鍵混合健，由于這些化學鍵的特點，例如高的鍵能和強大的鍵極性等，賦予了這一大類材料以高熔點，高強度，耐磨損，高硬度，耐腐蝕及抗氧化的基本屬性，但塑性差，很脆。高分子材料健性主要為共價鍵和分子鍵。機械強度大、彈性高、可塑性強、硬度大、耐磨、耐腐蝕、耐溶劑、電絕緣性強、氣密性好等，但耐熱性差。7.歸納并比較原子結構、原子結合健、原子排列方式以及晶體的顯微組織等四個結構層次對材料性能的影響。答：（1）原子結構雖然原子很小，但它卻是由位于原子中心的原子核和一些微小的電子組成的，原子結構從根本上決定了原子間的結合鍵，從而影響元素的性質。例如，鈉原子與鎂原子的化學性質不同是因為最外層電子數(shù)不同，鈉原子最外層電子數(shù)為1，鈉離子最外層電子數(shù)為2。（2）原子結合健，離子鍵、共價鍵和金屬鍵，范德華鍵和氫鍵等，可以決定材料的物理性能、力學性能，例如，金剛石和石墨，金剛石中的碳原子是正四面體結構，原子之間以共價鍵結合，故硬度極高，石墨是六方晶系結構，層與層之間以分子鍵結合，而且層間距大，硬度較小，可用作潤滑材料，此外，石墨層內每一碳原子以三個價電子與鄰近的三個碳原子以共價鍵結合，另一個為該層所共有，具有金屬性質，可以用作加熱碳棒。（3）原子排列方式，固體材料根據(jù)原子排列方式可分為晶體和非晶體。晶體的原子排列具有規(guī)則性，長程有序，各向異性。包括體心立方、面心立方、密排六方等。由于原子排列方式的不同可造成物理性質的差異。例如，非晶體組成物質的分子（或原子、離子）不呈空間有規(guī)則周期性排列，長程無序，各向同性。因此，沒有一定規(guī)則的外形，如玻璃、松香、石蠟等，其物理性質在各個方向上是相同的，叫“各向同性”，并且沒有固定的熔點。晶體組成物質的分子（或原子、離子）呈空間有規(guī)則周期性排列，因此，晶體有固定的熔點，在熔化過程中，溫度始終保持不變，晶體有各向異性的特點。（4）晶體的顯微組織，包括單晶或多晶、晶粒大小、形態(tài)、取向和分布等以及位錯、晶界的狀況等。易于隨成分及加工工藝而變化，是材料的性能的及敏感因素。例如單晶硅和多晶硅，在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面，遠不如單晶硅明顯；在電學性質方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性。8、單晶體和多晶體有何差異？答：有的晶體是由許許多多的小晶粒組成，若晶粒之間的排列沒有規(guī)則，這種晶體稱之為多晶體，如金屬銅和鐵。但也有晶體本身就是一個完整的大晶粒，這種晶體稱之為單晶體，如水晶和金剛石。晶體中各原子或離子定向有序排列的就是單晶體，反之則是多晶體，在一定條件下多晶體可轉變?yōu)閱尉w，同理單晶體也可轉變?yōu)槎嗑w。多晶與單晶體的差異主要表現(xiàn)在物理性質方面。例如單晶硅和多晶硅，在力學性質、光學性質和熱學性質的各向異性方面，遠不如單晶硅明顯；在電學性質方面，多晶硅晶體的導電性也遠不如單晶硅顯著，甚至于幾乎沒有導電性。在化學活性方面，兩者的差異極小。9.材料典型的熱處理工藝有哪些?什么叫退火？退火、正火、淬火、回火。將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它慢慢冷卻，稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發(fā)生相變或部分相變的溫度，經過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的，是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細化晶粒，提高鋼的力學性能，減少殘余應力；同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。所以退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力，又為后續(xù)工序作好準備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預先熱處理。

正火：將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網狀滲碳體，對于亞共析鋼正火可細化晶格，提高綜合力學性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經濟的。

淬火：將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有：水、油、堿水和鹽類溶液等。

回火：將已經淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻稱為回火。其目的是消除淬火產生的內應力，降低硬度和脆性，以取得預期的力學性能?；鼗鸱指邷鼗鼗稹⒅袦鼗鼗鸷偷蜏鼗鼗鹑??；鼗鸲嗯c淬火配合使用。

淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調質處理。高溫回火是指在500-650℃之間進行回火。調質可以使鋼的性能，材質得到很大程度的調整，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能。

表面處理:表面淬火：將鋼件的表面通過高頻快速加熱到臨界溫度以上，但熱量還未來得及傳到心部之前迅速冷卻，這樣就可以把表面層被淬在馬氏體組織，而心部沒有發(fā)生相變，這就實現(xiàn)了表面淬硬而心部不變的目的。適用于中碳鋼。

化學熱處理：是指將化學元素的原子，借助高溫時原子擴散的能力，把它滲入到工件的表面層去，來改變工件表面層的化學成分和結構，從而達到使鋼的表面層具有特定要求的組織和性能的一種熱處理工藝。按照滲入元素的種類不同，化學熱處理可分為滲碳、滲氮、氰化和滲金屬法等四種。滲碳：滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲氮：又稱氮化，是指向鋼的表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度與耐磨性以及提高疲勞強度、抗腐蝕性等。

氰化：又稱碳氮共滲，是指在鋼中同時滲入碳原子與氮原子的過程。它使鋼表面具有滲碳與滲氮的特性。滲金屬：是指以金屬原子滲入鋼的表面層的過程。它是使鋼的表面層合金化，以使工件表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。10.無機材料與硅酸鹽材料有何區(qū)別？答：無機材料包括除金屬及高分子材料外的幾乎所有的材料，如陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料，碳材料即以此為基體的復合材料。這類材料來源豐富成本低廉，所以應用廣泛。它有許多優(yōu)良性能，如耐高溫，抗腐蝕，高硬度，多種介電壓電，光學，電磁性能及其動能轉換特性。作為結構性用途其強度和韌性偏低，但作為功能性用途潛力很大。半導體材料，先進碳材料，鐵電材料，非線性光學晶體材料都是近年的活躍研究領域。硅酸鹽材料一般指以天然的硅酸鹽礦物（黏土，石英，長石等）作為主要原料，經高溫窯燒制而成的一大類材料。硅酸鹽材料包括日用陶瓷，一般工業(yè)用陶瓷，普通玻璃水泥，耐火材料等。11.無機材料相對于金屬及高分子材料在性能方面有何特點?答：傳統(tǒng)無機非金屬材料：具有性質穩(wěn)定，抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，但質脆，經不起熱沖擊。新型無機非金屬材料：除具有傳統(tǒng)無機非金屬材料的優(yōu)點外，還有某些特征如：強度高、具有電學、光學特性和生物功能等。12.什么是高分子材料？高分子材料具有哪些性能特點？高分子材料（polymer,mocromolecular）就是由小分子聚合而成的。當然從形成上區(qū)分，又分為天然高分子和合成高分子材料。力學性能：其最大特點是高彈性和黏粘彈性。電性能：絕大多數(shù)高分子材料為絕緣體。熱性能：絕熱性。13.材料按用途分為哪些類型？答：可以將材料分為結構材料和功能材料兩大類，結構材料是以材料的力學性能為基礎，用以制造受力構件所用的材料。當然，結構材料對物理或化學性能也有一定要求，如熱導率、抗輻射、抗腐蝕、抗氧化等。功能材料則主要是利用材料特有的物理、化學性質和生物功能。利用材料物理性能的功能材料有電子材料，光電材料，半導體材料，磁性材料，光學材料等，利用其化學性能的功能材料有儲氫材料、敏感材料等。14.簡述新型干法水泥生產工藝過程。答：硅酸鹽水泥的生產工藝可以用“兩磨一燒”來概括，即生料的配制與磨細。將生料煅燒使之部分熔融形成以硅酸鈣為主要成分的孰料礦物；將孰料與適量石膏或適量混合材料共同磨細為水泥，制備工藝可以大致示意如下：石灰質原料石膏配料煅燒粘土質原料生料孰料水泥磨細溫度達45℃磨細校正原料混合材料15.材料工業(yè)在國名經濟中有什么重要地位?答：材料特別是新材料與社會現(xiàn)代化及現(xiàn)代文明的關系十分密切，新材料對提高人們生活，增加國家安全，提高工業(yè)生產率與經濟增長提供了物質基礎，因此新材料的發(fā)展什么重要。1991年美國商業(yè)部公布的資料表明，到2000年，先進材料在人美國12項新興科技中的產值居首位，即在3500億美元中先進科技占1500億美元，達43%，從全世界看，先進材料的產值為4000億美元，占整個新型技術產值億美元的40%，如果把因采用新材料而得到的附加值計算在內，將10~~100倍于此。16.試比較金屬材料、高分子材料、以及無機非金屬材料之間的差異性。（從化學組成、結構、性能以及使用效能和生產工藝等方面考慮）答：金屬材料的基本性質：①結合鍵為金屬鍵；②常規(guī)方法生產的金屬為多晶結構，其中一些熔點較高；③具有金屬光澤；④金屬范性大、展性、延性也大、可機械加工；⑤強度、韌性較高；⑥金屬存在自由電子、導熱和導電性能好；⑥多數(shù)金屬在空氣中或在高溫下易被氧化;無機非金屬材料的基本性質：①結合鍵主要是離子鍵、共價鍵以及它們的混合鍵；②硬而脆、韌性低、抗壓而不抗拉、強度高但對缺陷敏感；③熔點高、具有優(yōu)良的耐高溫和化學穩(wěn)定性；④自由電子數(shù)目少、一般導熱性和導電性較??；高分子材料的性質：①結合鍵主要為共價鍵，有部分范德華力；②分子量大，無明顯的熔點、有玻璃態(tài)狡較變溫度，黏度溫度，并有熱塑性和熱固性兩類；③力學狀態(tài)下有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)、強度較高；④質量輕；⑤良好的玻璃絕緣子性能；