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1、材料科学与工程概论复习思索题一、名词说明1 .磁化曲线：磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。2 .磁滞效应及磁化曲线：磁感应强度的变更总是落后于磁场强度的变更，这种效 应称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个闭合回线，称为磁滞 回线。3 .磁致伸缩：铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场 后，其又复原原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。4 .硅酸盐材料：化学组成为硅酸盐类的材料称为硅酸盐材料，也称为无机非金 属材料。5 .水泥：水泥是一种粉末状的谁硬性胶凝材料，加入适量水拌合后成为塑性浆 体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并可
2、将砂、石、纤维和钢筋等材料坚固 地念接起来，成为有较高强度的石状体，是建立高楼大厦、桥梁隧道、港口码头 等工程的主要材料。6 .复合材料：将两种或两种以上的单一材料复合可获得新的材料，这些新的材 料保留了原有材料的优点，克服和弥补了各自的缺点，并显示出一些新的特性， 这就是复合材料。7 .合金：由一种金属跟另一种或几种金属或非金属所组成的具有金属特性的物 质叫合金。8 .晶体：由结晶物质构成的、其内部的构造质点（如原子、分子）呈平移周期性规 律排列的固体。长程有序，各向异性。9 .晶粒：结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有 规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状称晶粒。10
3、 .晶界：结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个 取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的 接触界面叫做晶界。11 .高分子材料：由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、 纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料等。12. 材料。复合材料主要特性有：（1）性能可设计性：复合材料的性能可依据运用 要求进行设计，如要求耐水、防腐、高强，可选用树脂基复合材料。（2）物理性 能好：比强度高、质量轻、比模量高，例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比 强度和比模量均比钢和铝合金大数倍；热稳定性好，例如，石墨纤维与树脂复合 可得到热膨胀系数几乎等于零
4、的材料；抗冲蚀，耐烧蚀，碳纤维增加碳、石墨纤 维增加碳或石墨纤维增加石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原 子能反应堆中，导电导热好，鸨铜复合材料具有良好的导电导热性、低的热膨胀 系数而被广泛地用作电接触材料、电子封装和热沉材料。（3）力学性能好：抗疲 惫性能好及减振性能好，耐磨性好，例如，由于复合材料具有特殊的振动阻尼特 性，可减振和降低噪声、抗疲惫性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用 于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件，高温性能好，例 如，碳化硅纤维与陶瓷复合，运用温度可达1500,比超合金涡轮叶片的运用 温度（noo）高得多。二、填空题材料分为自然材料
5、和人工材料两大类。材料的电学性能包括电阻率和电导率以及超导电性等。材料的磁学性能中依据物质对磁场反应的大小可分为顺磁性、抗磁性、铁磁 性。材料的热学性能包括热容、热导率、熔化热、热膨胀、熔沸点等性质。材料的光学性能包括光的反射、折射、汲取、透射以及发光、荧光等性质。固体材料依据原子排列方式可分为晶体和非晶体。晶体缺陷分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等。线位错包括刃型位错、 螺型位错、混合位错。体缺陷主要是沉淀相、晶粒内的气孔和其次相夹杂物等。塑性变形是通过位错的滑移、攀移或李生的方式发生的永久性变形。弹性变 形是由于外力的作用使得原子间距发生变更引起的,当外力去除后便复原到变形 前的状态，
6、为非永久性变形。复合材料按基体材料分类分为：聚合物基复合材料,金属基复合材料和陶瓷 基复合材料。按材料作用分类分为：结构型复合材料和功能型复合材料两大类。高分子工程材料包括：塑料、合成纤维、橡胶和胶粘剂等。线性非晶态高分子材料的力学三态包括：玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态 向高弹态转变温度：玻璃化转变温度（Tg）；高弹态和粘流态转变温度：粘流温 度（Tf）o三、推断对错位错、空位、间隙原子都是实际晶体中的点缺陷。错以离子键或共价键结合无机非金属材料比金属键结合的金属材料硬度高。对钢材的最大缺点是易腐蚀。对碳素钢的牌号越大，其强度越高，塑性越好。错钢材的强度和硬度随含碳量提高而提高。错（缘由：当
7、钢中含碳量超过0.9%以后，钢组织中的二次渗碳体网趋于完整、变粗，钢的 强度这时不但不会增加，反而会快速降低。）材料的实际断裂强度远小于理论断裂强度是由于材料中存在缺陷。对每一个轨道只能容纳两个自旋方向相反的电子。对晶体中原子在三维空间中呈现周期性规则排列，长程有序，各向异性。对 三、选择题1 .晶体中存在很多点缺陷，例如：（b ）a）沉淀相粒子；b）空位；c）被激发的电子2 .这些物质都属于非晶体（a ）oa）蜡烛、橡胶、沥青；b）玻璃、松香、石英；c）味精、食盐、石英3 .原子排列最密的一族晶面其面间距（a ）oa）最大；b）最小；c）介于两者之间4点缺陷主要表现以下三种形式（a ）oa）
8、空位、间隙原子、置换原子；b）表面空位、晶内空位、晶格间隙；c）刃形 位错、螺旋位错、混合位错5 .元素周期表中，同周期元素金属性从左到右随原子序数增加而（b）,同主族 元素（Si、Ge、Sn、Pb）金属性从上到下随原子序数增加而（b）。a）增加，减小;b）减小，增加；c）不变6 .过渡族W、Mo,以（a ）为主，（b）为辅，这正是它们存在高熔点的缘由。a）金属键；b）共价键；c）离子键7 .过渡族元素中，多数过渡族元素表现为（a ）,少数过渡族元素（Fe、Co、Ni、 Gd）表现为（b）,此外，还有一些过渡族元素（Cu、Ag、Au）表现为（c）oa）顺磁性；b）铁磁性；c）抗磁性8 .大多数
9、金属具有较高密度的主要缘由是（C）。a）金属键结合方式无方向性；b）结合键能高；c）原子排列方式规则四、简答题1 .简述材料科学与工程四要素及其相互关系。答：材料的成分、结构、工艺、性能被认为是材料科学与工程的四要素。这些要 素彼此相互作用就构成了材料科学与工程的四面体或六面体。2 .为什么金属的电阻随温度上升而增大，而半导体的电阻随温度上升而减小？答:金属材料主要导电机制是电子电导，金属产生电阻的缘由一个是晶格振动, 另一个缘由是金属晶体不纯净，有杂质，温度越高，晶格振动越激烈,对点阵的偏离 越大，金属的电阻率就增大。半导体靠晶体空穴和自由电子导电，温度上升时， 空缺的移动速度快，所以电阻小
10、。3 .表征超导体性能的三个主要指标是什么？答：（1）临界温度。即超导体保持其超导性的最高温度；（2）临界磁场，即超导 体保持其超导性和完全抗磁性的最强磁场；（3）临界电流，即超导体保持其超导 性所能承载的最大电流。4 .原子间有哪两种力相互作用？材料为何具有肯定的体积？答：不论是何种形式的结合健，固体中原子间总存在两种力：一种是吸引力, 来源于异种电荷间的吸引力；另一种是来源于同种电荷间的排斥力。在某距离下, 原子间吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此位置上，这一距离相当于原子的 平均距离，从空间上，也就是材料存在肯定体积。5 .晶体缺陷有哪几种？它们对力学性能有哪些影响？答：点缺陷、线缺陷
11、、面缺陷三种缺陷。其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换 原子。线缺陷包括刃型位错、螺型位错。面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、 相界。他们对力学性能地影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等 等。6 .说明三大材料类的健性及其与性质的关系。答：离子键：无方向性、饱和性；共价键：有方向性、饱和性、键能最大；金 属键：无方向性、饱和性；氢键：有方向性、饱和性；分子键又叫范德化力（物 理键）：无方向性、饱和性。金属材料健性主要是金属键。金属具有下列特性：良好的导电性和导热性，正 的电阻温度系数，不透亮并呈现特有的金属光泽，良好的塑性变形实力，金属材 料的强韧性好。陶瓷材料（无机非金属材料）健性
12、主要为离子键或共价键或离子共价键混合 健，由于这些化学键的特点，例如高的键能和强大的键极性等，给予了这一大类 材料以高熔点，高强度，耐磨损，高硬度，耐腐蚀及抗氧化的基本属性，但塑性 差，很脆。高分子材料健性主要为共价键和分子键。机械强度大、弹性高、可塑性强、硬 度大、耐磨、耐腐蚀、耐溶剂、电绝缘性强、气密性好等，但耐热性差。7 .归纳并比较原子结构、原子结合健、原子排列方式以及晶体的显微组织等四 个结构层次对材料性能的影响。 答：（1）原子结构虽然原子很小，但它却是由位于原子中心的原子核和一些微 小的电子组成的，原子结构从根本上确定了原子间的结合键，从而影响元素的性 质。例如，钠原子与镁原子的
13、化学性质不同是因为最外层电子数不同，钠原子最 外层电子数为1,钠离子最外层电子数为2。（2）原子结合健，离子键、共价键 和金属键，范德华键和氢键等，可以确定材料的物理性能、力学性能，例如，金 刚石和石墨，金刚石中的碳原子是正四面体结构，原子之间以共价键结合，故硬 度极高，石墨是六方晶系结构，层与层之间以分子键结合，而且层间距大，硬度 较小，可用作润滑材料，此外，石墨层内每一碳原子以三个价电子与邻近的三个 碳原子以共价键结合，另一个为该层所共有，具有金属性质，可以用作加热碳棒。（3）原子排列方式，固体材料依据原子排列方式可分为晶体和非晶体。晶体的 原子排列具有规则性，长程有序，各向异性。包括体心
14、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质的差异。例如，非晶体组成物质 的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列，长程无序，各向同性。因 此，没有肯定规则的外形，如玻璃、松香、石蜡等，其物理性质在各个方向上是 相同的，叫“各向同性”，并且没有固定的熔点。晶体组成物质的分子（或原子、 离子）呈空间有规则周期性排列，因此，晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温 度始终保持不变，晶体有各向异性的特点。（4）晶体的显微组织，包括单晶或 多晶、晶粒大小、形态、取向和分布等以及位错、晶界的状况等。易于随成分及 加工工艺而变更，是材料的性能的及敏感因素。例如单晶硅和多晶硅，在力学性
15、 质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面, 多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。8、单晶体和多晶体有何差异？答：有的晶体是由许很多多的小晶粒组成，若晶粒之间的排列没有规则，这种晶 体称之为多晶体，如金属铜和铁。但也有晶体本身就是一个完整的大晶粒，这种 晶体称之为单晶体，如水晶和金刚石。晶体中各原子或离子定向有序排列的就是 单晶体，反之则是多晶体，在肯定条件下多晶体可转变为单晶体，同理单晶体也 可转变为多晶体。多晶与单晶体的差异主要表现在物理性质方面。例如单晶硅和 多晶硅，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显; 在
16、电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导 电性。在化学活性方面，两者的差异微小。9 .材料典型的热处理工艺有哪些?什么叫退火?退火、正火、淬火、回火。将钢加热到肯定温度并保温一段时间，然后使它渐渐冷却，称为退火。钢的 退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方 法。退火的目的，是为了消退组织缺陷，改善组织使成分匀称化以及细化晶粒, 提高钢的力学性能，削减残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切 削加工性能。所以退火既为了消退和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又 为后续工序作好打算，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。正火
17、：将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为匀称的奥氏体，然后在空 气中自然冷却的热处理方法。它能消退过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正 火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比 较经济的。淬火：将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中, 使其温度隧然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主 的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要削减其塑性。淬 火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。回火：将已经淬火的钢重新加热到肯定温度，再用肯定方法冷却称为回火。 其目的是消退淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期
18、的力学性能。回 火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火协作运用。 淬火 后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650之间进行回 火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较 好，具有良好的综合机械性能。表面处理：表面淬火：将钢件的表面通过高频快速加热到临界温度以上，但热量还将来 得及传到心部之前快速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没 有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。化学热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的实力，把它渗 入到工件的表面层去，来变更工件表面层的化学成分和结构，从而达
19、到使钢的表 面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。依据渗入元素的种类不同， 化学热处理可分为渗碳、渗氮、氟化和渗金属法等四种。渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有 高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性, 而工件的中心部分仍旧保持着低碳钢的韧性和塑性。渗氮：又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面 层的硬度与耐磨性以及提高疲惫强度、抗腐蚀性等。氧化：又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢 表面具有渗碳与渗氮的特性。渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。 它是使钢的表面汇合金化，
20、以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐 热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。10 .无机材料与硅酸盐材料有何区分？答：无机材料包括除金属及高分子材料外的几乎全部的材料，如陶瓷，玻璃，水 泥，耐火材料，碳材料即以此为基体的复合材料。这类材料来源丰富成本低廉， 所以应用广泛。它有很多优良性能，如耐高温，抗腐蚀，高硬度，多种介电压电, 光学，电磁性能及其动能转换特性。作为结构性用途其强度和韧性偏低，但作为 功能性用途潜力很大。半导体材料，先进碳材料，铁电材料，非线性光学晶体材 料都是近年的活跃探讨领域。硅酸盐材料一般指以自然的硅酸盐矿物（黏土，石 英，长石等）作为主要原料，经高温窑烧制而成的一大类材
21、料。硅酸盐材料包括 日用陶瓷，一般工业用陶瓷，一般玻璃水泥，耐火材料等。11 .无机材料相对于金属及高分子材料在性能方面有何特点？答：传统无机非金属材料：具有性质稳定，抗腐蚀、耐高温等优点，但质脆，经 不起热冲击。新型无机非金属材料：除具有传统无机非金属材料的优点外，还有某些特征如： 强度高、具有电学、光学特性和生物功能等。12 .什么是高分子材料？高分子材料具有哪些性能特点？高分子材料(polymer, mocromolecular)就是由小分子聚合而成的。当然从 形成上区分，又分为自然高分子和合成高分子材料。力学性能：其最大特点是高 弹性和黏粘弹性。电性能：绝大多数高分子材料为绝缘体。热性
22、能：绝热性。 13.材料按用途分为哪些类型？答：可以将材料分为结构材料和功能材料两大类，结构材料是以材料的力学性能 为基础，用以制造受力构件所用的材料。当然，结构材料对物理或化学性能也有 肯定要求，如热导率、抗辐射、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料则主要是利用材料 特有的物理、化学性质和生物功能。利用材料物理性能的功能材料有电子材料， 光电材料，半导体材料，磁性材料，光学材料等，利用其化学性能的功能材料有 储氢材料、敏感材料等。14 .简述新型干法水泥生产工艺过程。答：硅酸盐水泥的生产工艺可以用“两磨一烧”来概括，即生料的配制与磨细。将 生料煨烧使之部分熔融形成以硅酸钙为主要成分的孰料矿物；将孰料与
23、适量石膏 或适量混合材料共同磨细为水泥，制备工艺可以大致示意如下：石灰质原料石膏配料煨烧粘土质原料生料孰料水泥磨细温度达45 磨细校正原料混合材料15 .材料工业在国名经济中有什么重要地位？答：材料特殊是新材料与社会现代化及现代文明的关系非常亲密，新材料对提高 人们生活，增加国家平安，提高工业生产率与经济增长供应了物质基础，因此新 材料的发展什么重要。1991年美国商业部公布的资料表明，到2000年，先进材 料在人美国12项新兴科技中的产值居首位，即在3500亿美元中先进科技占1500 亿美元，达43%,从全世界看，先进材料的产值为4000亿美元，占整个新型技 术产值亿美元的40%,假如把因采
24、纳新材料而得到的附加值计算在内，将 10100倍于此。16 .试比较金属材料、高分子材料、以及无机非金属材料之间的差异性。(从化 学组成、结构、性能以及运用效能和牛产工艺等方面考虑)答：金属材料的基本性质：结合键为金属键；常规方法生产的金属为多晶结构，其中一些熔点较高；具有金属光泽；金属范性大、展性、延性也大、可机械加工；强度、韧性较高；金属存在自由电子、导热和导电性能好；多数金属在空气中或在高温下易被氧化；无机非金属材料的基本性质：结合键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压而不抗拉、强度高但对缺陷敏感；熔点高、具有优良的耐高温柔化学稳定性；自由电子数目少、一般导热性和导
25、电性较小；高分子材料的性质：结合键主要为共价键，有部分范德华力；分子量大，无明显的熔点、有玻璃态狡较变温度，黏度温度，并有热塑性和热 固性两类；力学状态下有玻璃态、高弹态和黏流态、强度较高；质量轻；良好的玻璃绝缘子性能；优越的化学稳定性；耐高温性能差；16 .金属或合金材料的实际断裂强度往往低于其理论强度,缘由是什么？答：因为理论强度计算的是志向晶体，而实际的金属或合金材料是非志向晶体， 有各种各样的缺陷，这些缺陷降低了材料的强度，如点缺陷：空位、间隙原子、 置换原子，线缺陷如螺位错、刃位错、混合位错、不全位错等，面缺陷如晶界、 亚晶界，体缺陷如非金属夹杂物、硅酸盐、氧化物、氮化物、其次相等，都使材 料的强度降低，假如制作没有缺陷的晶体如须晶就已经达到其理论强度了。17 .什么是复合材料？复合材料有何特性？答：将两种或两种以上的单一材料复合可获得新的材料，这些新的材料保留了原 有材料的优点，克服和弥补了各自的缺点，并显示出一些新的特性，这就是复合