材料科学导论复习习题

1、一章1. 氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造鎯头答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。2. 将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类：黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯。答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料 陶瓷：碳化硅 聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯 复合材料：混泥土、玻璃钢3. 下列用品选材时，哪些性能特别重要汽车曲柄、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏。答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度；电灯泡灯丝：熔点，耐高温，电阻大；剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性；汽车挡风玻璃：透光性，硬度；电视机荧光屏：

2、光学特性，足够的发光亮度。4. 概述材料科学的发展史，谈谈你的认识和体会。5 五大基础材料是什么各有哪些特点答：五大基础材料是金属、陶瓷、高分子材料、复合材料和半导体材料。金属：强度高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。陶瓷：硬度高、耐高温、绝缘、隔热，但是脆性大、难加工。高分子材料：质轻、绝缘、易成型，但强度低、耐温性差。复合材料：比强度比模量高、性能可设计，但界面较弱。半导体材料：导电性介于导体与绝缘体之间，化学纯度和表面加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。6. 什么叫材料科学什么叫材料科学与工程它们是如何产生的二者的主要区别是什么答：材料科学是研究材料的组成、结构与性

3、能之间关系的一门学科。它是从化学的角度，研究材料的化学组成与原子结构、原子结合键及其微观结构的相互关系。从晶体学和固体物理学的角度，分析和研究材料的组织形态、微结构、内部缺陷与性质和性能的相互关系。材料科学与工程是研究有关材料的组成、结构、制备工艺与其性质和性能以及它们之间相互关系的技术开发及应用的一门学科。主要有四方面因素促使材料科学的产生，其一，基础学科的发展。二、工艺。三、各种材料的表征仪器和设备。四、不同类型的材料可以相互替代和补充，充分发挥各种材料固有的优异特性。由于材料的研究的目的是面向实际、面向工程应用。因此，材料科学与工程就出现了。许多大学的冶金系、材料系多数更名为材料科学与工

4、程系；侧重于基础研究的叫材料科学系，着重于工艺研究的叫材料工程系。7. 什么叫新材料当今新材料的发展方向有哪些简谈你自己对新材料研发的认识和看法。答：新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料。发展方向主要有以下六个方向：一、信息科学技术 二、新能源科学技术 三、生物科学技术 四、空间科学技术 五、生态环境科学技术 六、用高技术改造、更新现有材料。8. 什么叫纳米材料纳米材料有哪些效应举例说明。答：纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应。如（量子尺寸效应）高的光学非线

5、性，特异的催化和光催化性质。二章9. 材料的四个结构是什么它们影响材料的哪些性能答：材料的四个结构分别是：一、原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，决定其化学性质和物理性质。二、原子键合（二级结构）决定结合力大小，影响其物理、力学等性能。三、 原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理、力学等性能，它与加工工艺密切相关。 四、显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑性等，主要由加工工艺决定。 10. 材料的三级和四级结构可以通过加工工艺来改变，那么材料的二级结构可以改变吗为什么答：原子的结合键是材料的二级结构。对于单一的材料来说，其价键结构是不可以通过加工工艺来改变的。但是实际工程

6、应用中，通过一定的加工工艺来改变材料的二级结构，比如金刚石具有共价键，石墨具有共价键和物理键，而石墨等碳质原料和某些金属在高温高压下可以反应生成金刚石，即一定程度上改变了材料的二级结构。三章11. 简述陶瓷材料的相组成及常见的相结构。答：陶瓷材料中的相组成较为复杂，常见的相有晶相、玻璃相和气相。它们对陶瓷性能都有很大影响。晶相是陶瓷材料的主要组成相，常见结构有氧化物结构和硅酸盐结构。氧化物结构包括AB型结构(NaCl型)、AB2型结构(金红石型)、A2B3型结构(刚玉型)以及其它一些结构。硅酸盐的结构特点是硅、氧离子组成四面体，硅离子位于四面体中心。硅氧四面体SiO44-之间又以共有顶点的氧离

7、子相互连接起来。由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。玻璃相是在陶瓷烧结时形成的一种非晶态物质，其结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成的无规则排列的空间网络，如非晶态石英的结构。玻璃相热稳定性差，在较低温度下即开始软化。玻璃相的作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的粗化。气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。12. 简述高分子的结晶特点，举例说明几种常见的高分子结晶形态。答：高分子结晶的特点如下：（1）高分子晶体属于分子晶

8、体；（2）高分子晶体的熔点Tm定义为晶体全部熔化的温度；（3）高分子链细而长使得高分子链结晶得到的晶体只能属于较低级晶系，无立方晶格；（4）高分子的结晶是通过链段的协同运动排入晶格的，即晶胞由链段组成；（5）高分子结晶不完善，有结晶度的概念；（6）高分子的结晶过程分一次结晶（主结晶）和二次结晶（次级结晶）。（7）高分子链通常以折叠链片晶形态构成高分子晶体。高分子结晶有单晶、球晶、树枝状晶、串晶、柱晶，伸直链晶等。八章13. 简述硬度的各种测定方法举例说明如何测定金属材料、陶瓷材料和高分子材料的硬度。答：常用的测试方法有三种：压痕法、回跳法和刻痕法。(1). 布氏硬度：布氏硬度的测定是把直径为D

9、的淬火钢球，用载荷P压入被测材料的表面，并保持一定时间后卸载，通过测量压痕直径d或计算压痕表面积F来得到，其计算式为：HB = P/F = 2P/D(D - (D2 - d2)1/2)。(2). 洛氏硬度：洛氏硬度是用压头的压痕深度来量度。根据所用压头和载荷不同，可分为HRC(薄板或硬脆材料)、HRB(退火钢及有色金属)和HRA(淬火钢等)三种。洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测量低硬度、高硬度材料。但洛氏硬度载荷大，标尺不能统一，一般不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件用维氏硬度衡量。(3). 维氏硬度：维氏硬度的压头为金刚石四棱锥体，两对面的夹角为136°，通过测量压痕对角线

10、长度求出，HVd2。d为压痕对角线长度，用此值查表得硬度值。陶瓷材料通常用维氏硬度和显微硬度测定。(4).小载荷硬度(a) 维氏显微硬度：维氏显微硬度，简称显微硬度，是用来测量组织中某一相微区的硬度。显微硬度的压头和表示符号与维氏硬度相同，但所用的载荷更小，只有几克至几百克(2g、5g、10g、50g、100g、200g)，并且长度以微米计量，其表达式为：HV d2，(P的单位是g，d为m)，故有时称为小载荷的维氏硬度。由于压痕微小，需要做成金相样品。主要适合于陶瓷材料的硬度测定。(b) 努氏硬度：努氏硬度是从维氏显微硬度发展而来。主要差别：一是压头形状为金刚石长棱形，两个长棱夹角为°

11、;，两个短棱夹角为130°，试样上长短对角线长度之比L/W为倍的棱形压痕；二是硬度值不是试验力F除以压痕的表面积之商值，而是除以压痕投影面积之商值。其定义为：HK1.451F/L2。L为实际压痕对角线长度(m)，K为Knoop的缩写，F为载荷(N)，其值在之间。努氏硬度精度高，适用于无机材料，尤其是先进陶瓷材料，硬度的测量比维氏硬度更精确些，样品的表面光清洁度要求高。(c) 邵氏硬度：使用硬度计，在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的压针压入试样，以压入深度转换为硬度值，直接由硬度计读出邵氏值HS。HS分为邵氏A和邵氏D。邵氏A适合于较软的塑料如橡胶、泡沫塑料等，邵氏D适合于较

12、硬的塑料。(d) 肖氏硬度：肖氏硬度又叫回跳硬度，是动载试验法。其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或者钢球的标准冲头从一定高度h。，自由落体到试件表面，然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试样的硬度越高。(e) 莫氏硬度：陶瓷及其矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度。后面的材料可以划破前面材料的表面。起初，莫氏硬度仅分为10级，1级最小，10级最硬。其相应硬度的排序为：1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7石英，8黄玉，9刚玉，10金刚石。后来，又

13、出现了一些人工合成的高硬度陶瓷材料，莫氏硬度等级范围扩大，现分为15级。其顺序为：1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7 SiO2玻璃，8石英，9黄玉，10石榴石，11熔融氧化锆，12 刚玉，13碳化硅，14 碳化硼，15金刚石。 14. 什么叫材料的I型断裂裂纹尖端的应力场为什么是奇异性的答：材料在垂直于截面的应力作用下发生的断裂称作I型断裂，I型断裂所受应力方向在裂缝平面内，与裂缝的发展方向垂直。由下图看出，裂纹尖端的应力存在奇异性，材料断裂试验也证明，当脆性材料中存在裂纹时，裂纹尖端就是一个应力奇异场，形成应力分布特殊的应力场。从公式上，Irwin指出，应力场强弱程度由

14、应力强度因子KI参数来控制，KI值大小与裂纹尺寸半长a、外加均匀拉伸应力存在以下关系：，因此称之为奇异性的。15. 化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别各举一例说明。答：腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三种。耐腐蚀性是指金属抵抗各种介质侵蚀的能力。化学腐蚀是指金属材料与非电解质直接发生化学反应但不产生电流的破坏过程。例如，金属在干噪气体中的腐蚀（飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒的腐蚀）。电化学腐蚀是指金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏过程。腐蚀过程必须有电极反应并产生电流，即有一个阴极反应和一个阳极反应。金属在大气、海水、土壤、介质中的腐蚀均属于电化学腐蚀，这是最普遍、最常

15、见的腐蚀形式。例如，钢铁生锈等。物理腐蚀是指由于单纯的物理溶解而产生的腐蚀，如钢铁在液态锌中的溶解等。16. 试述非晶态线性高分子材料、晶态高分子材料和体型高分子材料在不同温度下的力学状态。答：(1) 线性非晶态高聚物的三种力学状态：线性非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态：玻璃态、高弹态和粘流态。(a) 玻璃态：T < Tg时，变形曲线基本上是水平的，弹性模量较高，此时物体的变形符合虎克定律，应力应变呈线性关系，其斜率为直线。由于温度低、分子动能小，整个分子链或链段不能发生运动，分子处于冻结状态，但比链段更小的结构部分（链节、侧基、原子等）在其平衡位置附近作小范围的振动。(b)

16、高弹态：T >Tg时，变形量很大，弹性模量显著降低，但外力去除后变形可以回复，弹性是可逆的。高聚物表现为柔软性而富弹性，具有橡胶的特性，处于所谓高弹态或橡胶态。此时，分子动能增大，足以使分子链段运动，但还不能使整个大分子链运动。此时分子链的柔性已大大增加，卷曲状态的分子链可沿外力方向逐渐伸展，变形量可达1001000，这是高聚物所独有的力学状态。(c) 粘流态：温度高于Tf后，变形迅速发展，高聚物开始产生粘性流动，处于所谓粘流态，此时变形已不可逆。因分子的动能增强，不仅链段运动，整个分子链也能运动，产生很大的不可逆的流动变形，出现高聚物的粘性流动。粘流态主要是与大分子链的运动有关。(2)

17、 晶态高聚物的力学状态：聚合物结晶一般不完整，存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。由于结晶部分的存在(结晶度大于40%)，在Tg以上，链段运动仍受到限制，模量下降不大。在Tm以上模量才迅速下降。若聚合物分子量很大，Tm < Tf,则在Tm和Tf之间出现高弹态，若分子量小，Tm > Tf，则熔融之后转变成粘流态。因此，结晶度和分子量对聚合物材料的物理状态和性能有显著影响。17. 什么是高分子材料的粘弹性蠕变、应力松弛和滞后内耗的含义是什么答：大多数高聚物的高弹性是平衡高弹性，应力与应变同步发生。但有些高聚物如橡胶，特别在老化和低温状态下表现出与时间的依赖性，即应变与应力不同步，有些滞

18、后。粘弹性是指高聚物的应变不仅取决于应力，而且取决于加载速率，或高聚物的应力同时依赖于应变和应变速率的变形行为。蠕变是在应力保持恒定的情况下，应变随时间的增长而增加的现象.高聚物受力变形后产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫应力松弛。例如，法兰密封垫圈经长时间后发生渗漏现象。与蠕变一样，它也是大分子链在力的作用下，逐渐改变构象和发生了位移。高聚物受周期载荷作用时，会产生拉伸和压缩的循环应变，如上图所示。高聚物受载拉伸时，应力与应变沿ACB线变化，而卸载回缩时沿BDA变化，回缩是平衡的，伸张则达不到平衡。所以应变落后于应力，出现应变滞后现象。由于应变对应力的滞后，在重复加载时，就会出现上一次变形还

19、没有回复，或分子链的构象跟不上改变时，又施加了下一次载荷，造成分子间的内摩擦，产生所谓的内耗，变形储存的弹性能转变为热能。储存的能量等于滞后回线ACBDA所包围的面积。内耗的存在会引起高聚物温度的升高，加速老化，但内耗能吸收震动波，有利于高聚物的减震性能。18. 陶瓷材料的力学性能有何特点并作简要解释。答：(1) 刚度：陶瓷材料的化学键合是强大的离子键或是离子键与化学键的混合键，故具有很高的弹性模量，是各类材料中属最高的。像金属一样，陶瓷材料的弹性模量对组织不敏感，但受气孔率影响较大，同时随温度的提高会下降。(2) 硬度：与刚度一样，硬度也取决于化学键的强度，所以陶瓷材料也是各类材料中硬度最高

20、。这是陶瓷材料的最大特点。陶瓷的硬度随温度的升高而下降，但高温下仍有较高的保留值。(3) 强度：陶瓷的强度也很高，是弹性模量的1/101/15，但实际强度在1/10001/100，甚至更低。陶瓷材料理论强度低的原因是组织中的晶界形态。陶瓷晶界中存在晶粒间的局部分离或空隙现象，晶界上的原子键间被拉长，键强度被明显，而且晶界上也因相同电荷的靠近产生的斥力产生裂缝。此外，陶瓷的实际强度受致密度、杂质及其缺陷的影响较大。解决的办法是改善晶界、消除缺陷、提高致密度。(4) 塑性：陶瓷在室温下几乎没有塑性变形行为。塑性变形是在剪切应力作用下由位错运动引起的密排原子面间的滑移变形。陶瓷晶体的滑移系很少，比金

21、属少得多。位错运动所需剪切应力很大，接近于晶体的理论剪切强度。另外，共价键有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近斥力很大，所以由离子晶体和共价晶体构成的陶瓷的塑性极其差。但在高温时，原子的扩散可以促进陶瓷中的位错运动，以及晶界原子的迁移，这时陶瓷表现出一定的塑性。(5) 韧性和脆性：陶瓷材料是典型的脆性材料，受外力作用时在没有塑性变形的情况下发生低应力断裂。韧性极其低。冲击韧性在10kJ/m2以下。比金属低一个数量级。由于陶瓷材料的断裂韧性很低，它对表面状态极其敏感。表面划伤、界面等固有缺陷处类同微裂纹，是应力集中点。一旦受力，由于材料没有塑性变形，裂纹就会迅速扩展。脆性是陶瓷材料作为

22、结构材料使用的最大障碍。改善其脆性的方法主要有：(a) 预防表面出现缺陷；(b) 表面施加压应力；(c) 纤维或颗粒增强进行增韧。九章19. 概述钢铁材料的分类。 20. 有色金属分哪几种试举例说明。答：有色金属主要分为：一、铝及铝合金 二、铜及铜合金 三、钛及钛合金 四、镁及镁合金21. 概述钢中主要杂质元素对钢的性能的影响。常存杂质元素对碳钢钢材性能的影响普通碳素钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材

23、的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。l.硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和 Fe形成低熔点(985)化合物。而钢材的热加工温度一般在11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S%；优质钢：S%；普通钢：S%以下。2.磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"

24、冷脆"。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢： P%；优质钢： P%；普通钢： P%。3.锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达%。4.硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅

25、与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在%，沸腾钢中只含有%。由于钢中硅含量一般不超过%，对钢性能影响不大。5.氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。6.氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、

26、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。7.氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了

27、钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。22. 简要说明以下金属材料缩写符号的含义及其碳元素的平均含量：20、16MnR、12Cr1Mo、0Cr18Ni9、304、316L、Q235、T8A、20g、304L 。答：20：含碳量为%的碳钢 16Mng：含碳量为% 12Cr1MoV：含碳量为% 0Cr18NI9Ti：含碳量低于% 314：国际符号：含碳量为% 316L：含碳量低于%。23. 陶瓷材料是如何分类的概述普通陶瓷和先进陶瓷的不同点。答：普通材料（硅酸盐材料）与特种材料（结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷） 24. 概述聚合物材料的分类，试举出五个以上热塑性和热固性树脂的名称及其它们在生活中的应

28、用实例。答;通常分为三大类：塑料、橡胶、纤维。热塑性树脂：PVC（薄膜）PS（电器、发泡品）PE（薄膜、瓶子）PA（纤维、机械零件）PC(汽车及机器零件、杂货)热固性树脂：酚醛树脂（增强塑料）聚氨酯（涂料）。25. 复合材料是什么它分哪几类它的主要特性是什么答：复合材料是一种混合物。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内层间混杂和超混杂复合材料。复合材料保留了原有组分材料的优点，克服或弥补了缺点，并显示出一些新的性能。复合材料有很强的可设计性，是材料设计方面的一个突破。能够按照使用要求的性能设计制造新材料。26. 什么是半导体材料主要是哪些材料未来发展趋势是什么答：半导体是指一种导电性介于绝缘体和导体间的材料。其导电性