学生新型工程材料复习题

1、百度文库-让每个人平等地提升自我 新型工程材料复习题.什么是功能材料？ TOC o 1-5 h z 人们常常将以物理、化学性能为主要技术指标应用的工程材料称为 功能材料”，因此, 功能材料是指在电、磁、光、热、声、化、生物学等方面具有特殊性质，或者在其作 用下表现出有特殊功能的材料。减振合金、超导材料、贮氢合金、形状记忆合金、生物医用材料等。 /结构材料：以强度、塑性等力学性能为主要技术指标应用的工程材料。如工程结构材 料、机器零件材料。.简介工程材料的种类。工程材料的种类繁多，有各种各样的分类方法，最常用的是按材料的组成与结合 键特点进行分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料4

2、大类。金属材料：以金属键为主导电、导热、延展性好，具有金属光泽陶瓷材料：以共价键+离子键为主熔点、硬度、化学稳定性高、脆性大高分子材料： 以共价键十分子键为主 耐蚀、绝缘、减振性能好，密度小 复合材料：两种或两种以上上述材料的组合 混合键具有比强度、比模量高，抗疲劳、减振性能好，耐高温等特点。.简介材料使用性能和工艺性能。材料的性能分为使用性能和工艺性能两大类。材料的使用性能主要包括力学性能 （机械性能）、物理性能和化学性能；材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、 切削加工性能、热处理性能、焊接性能等。材料的性能指标是设计、制造零件和工具 的重要依据。对于一般的工程材料应重点了解其力学性能

3、，其次是工艺性能。工程材料中最常用的力学性能是强度、硬度、塑性和韧性。强度和硬度是金属材 料抵抗塑性变形能力的标志。对于具有一定塑韧性的材料，硬度高，其强度也高，一 些金属材料（不是所有金属材料）的硬度和强度大致成正比，如钢、铸铁和黄铜。塑性是材料受力断裂前承受永久变形的能力，伸长率低于5%的材料为脆性材料。 一般说，塑性高，韧性也高。但韧性与塑性是不同的概念，韧性是材料受力断裂前吸 收能量能力的度量。在动载荷且存在缺口的情况下，用冲击试验来评价韧性，对于存 在微裂纹和缺陷的材料则用断裂韧性评价。在静载荷条件下，韧性可通过应力-应变曲线下所包围的面积来确定。.常用强化方法：细晶强化固溶强化弥散

4、强化加工硬化/对于多晶体金属，由于晶界和晶粒位向的影响，使位错运动阻力增大，变形更加 均匀，韧脆转变温度下降。因而晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好， 即细品强化。合金发生塑性变形时，由于固溶体中的溶质原子使晶格发生畸变和对位错的钉扎 作用而产生固溶强化。当合金中出现化合物第二相时，其对位错运动有阻碍作用，产 生弥散强化或第二相强化。由于冷塑性变形使金属的空位密度、位错密度增加，亚结构细化及几何硬化作用， 因而产生加工硬化，即随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下 I.常用的改变钢整体组织的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火4种，简称“四把火”。改变钢表面组织的热处

5、理主要有表面淬火和化学热处理两种。.形状记忆合金材料经变形后，在一定温度下恢复变形前的形状和体积的现象称形状记忆效应。具有形状记忆效应的合金即为形状记忆合金。形状记忆合金应具备的三个条件是：马氏体相变是热弹性类型的；马氏体相变通过切变完成；母相和马氏体相均属有 序结构。外力去除后，因应力诱发的马氏体消失而引起的形状和体积恢复的现象称超 弹性。已实用化的形状记忆合金有Ti-Ni系合金和铜系合金，可用作连接件（如管接 头）、热敏元件、航天器天线及机器人、医疗、机械储能等方面的材料。.非晶态合金非晶态合金是指原子呈长程无序排列的合金，又称金属玻璃。利用旋辗急冷法已 能批量生产非晶合金薄带。非晶合金具

6、有高的强韧性、耐蚀性、软磁性，低的电阻温 度系数等特点，可作为铁芯材料、增强纤维材料、耐蚀材料等。.纳米材料纳米材料是指尺寸为1500nm的粒子，由纳米粒子凝聚成的纤维、薄膜、块体及 与其他纳米粒子或常规材料（薄膜、块体）组成的复合材料。当超微粒子的尺寸小到 纳米数量级时，将会产生小尺寸效应、表面与界面效应及量子尺寸效应纳米材料强 度、硬度高，塑性和韧性好，还具有许多优异的物理、化学特性。纳米材料种类繁多、 新材料层出不穷（如G。、纳米管、人工纳米阵列体系等）。纳米材料在陶瓷增韧、磁 性液体发电、光学、生物医学、超微粒传感器、催化及材料强化等领域有着广泛的应 用前景。什么是纳米材料？纳米材料的

7、性质、纳米材料的应用前景与潜在危害以及我们应以科 学的态度对待纳米科技。纳米材料是指在一维、二维或三维的空间中始终处于1nm 100nm范围内的晶体或非 晶体材料。其性质不同于常规材料，而具有特殊性。1,小尺寸效应熔点：大块金、银的熔点为 1064c和960 C ；而直径为2nm的金、银的纳米颗粒熔 点分别为300和100 C颜色变化，纳米金可以表现出橘黄色、紫色、红色或绿色导电：铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电； 绝缘的二氧化硅颗粒在20 nm时却开 始导电。力学性能：高分子材料加纳米材料（制成的刀具）比金钢石制品还要坚硬。2,表面效应表面效应，是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳

8、米微粒尺寸的减小而大 幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。大比表面积引起特性：金属纳米颗粒在空气中会燃烧，无机纳米颗粒在空气中会吸附 气体并发生反应。原因：纳米微粒表（界）面的原子与块体表（界）面的原子不同，处于非对称的 力场，在纳米微粒表面作用着特殊的力，处于高能状态。为了保持平衡，纳米微粒表 面总是处于施加弹性应力的状态， 有着比常规固体表面过剩许多的能量， 具有较高的 表面能和表面结合能3,量子效应/当颗粒粒子尺寸下降到一定尺寸时，纳米微粒就会呈现一系列与大块材料截然 不同的反常特性，即量子尺寸效应。从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。 如，吸收光线

9、能力非常强的金属纳米粒子，向水里放入1/1000这种粒子，水就会变得完全不透明。材料的形态分类：纳米点、纳米线、纳米带、纳米块。根据化学成分：纳米金属、纳米陶瓷、纳米玻璃，纳米高分子根据物理性质： 纳米半导体、纳米磁性材料、纳米光学材料、纳米铁磁材料、纳米 超导体材料、纳米热电材料根据应用：纳米电致材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳 米储能材料纳米科技的应用纳米医学1纳米药品能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排 布制造具有特定功能的药品。使药物在人体内的传输更为方便，用纳米粒子包裹 的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织

10、。使用纳米技术 的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和dna诊断出各种疾 /病。纯天然的基础材料在纳米技术的改造下，可发挥明显的杀菌效果。2 ,医疗纳米机器人遥控式的纳米机器人（mobile nanorobots）。可以携带工具，随着血液的循环，到体内 各处，疏通梗塞的（漂浮的脂肪、胆固醇）血管，爆破肾结石，修补损伤的组织，稳 定心脏的跳动（取代体外白搏动器）等工作。用来进行人体器官的修复工作，做整容手 术，从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行等。 对付癌症的 生物导弹”。对月中瘤有针对性的识别力，加上纳米型杀癌药物。纳米电脑由纳米结构技术支持

11、和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，运算速度比现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智 能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。 纳米技术的军事应用 主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前研制 的主要有：微型间谍飞行器、袖珍遥控飞机、间谍草、纳米卫星、高性能敌我识 别器、有毒化学战剂报警传感器

12、。纳米攻击系统。运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。有所谓微机器人电子智能系统、蚂蚁雄兵”、机器虫“，蚊子”导弹、针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000）。这些微型武器广泛应用于战斗中，将使那些重装武器系统被取代。所谓小鱼吃大鱼。纳米工业化利用纳米技术制造机器微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是 五 脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是 机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或 融合的产物。纳米农业利用纳米技术，只要操纵 DNA链上少数几种氨基酸甚至改变几个原子的排列，就可 以培养出有新性状品种甚至全新的物种。

13、纳米农药。这种纳米级农药，易进入害虫的呼吸系统、消化系统及表皮内发挥作用。动物杂碎骨、珍珠、蚕丝、茶叶等农副产品都可用纳米加工技术粉碎，生产食品、化 妆品、保健品。利用纳米技术解决了植物水培过程中的营养液无能耗杀菌，以及栽培空间除臭消毒与净化。利用纳米技术开发多功能的园艺观赏植物，如荧光植物，负离子植物，及除臭杀菌植 物。纳米材料抗菌机理 使细菌体内的蛋白酶丧失活力，导致细菌死亡。洗衣机的内外桶，由于其结构的原因不能随意清洗，每次洗涤完衣物后，就会有一些污垢粘附在桶 的表面，再加上适宜的温度和湿度就成为细菌滋生温床。如果这些细菌不能被及时杀 死，就会粘附在洗涤后的衣物上，形成二次污染，危害人体

14、健康。洗衣机应用纳米技 术，是指把纳米材料添加在内外桶材料或内外桶的表面涂敷材料中，使细菌无法在桶 壁上存活，从而防止细菌的滋生，达到抗菌目的。纳米技术与生活.更精彩的纳米世界电影如果人们要看一部病菌和杀菌分子机器人决斗”的记录片。可以将无数台分子摄像机放入血管中，进行现场转播或拍摄成电影。其真实性则大过现实人们电脑合成 的仿生动画片。利用这一纳米电影形式，还可以帮助人们诊断疾病和观察病人治疗 的情况。.优美的自然音乐而在微小的纳米世界中，也存在着各种物质的分子和原子运动时所发出优美动听 的音乐旋律。.纳米光盘出版物一张3寸光盘，可以储存上百万亿个字符。如果使用生物纳米碳管，则储存量更 大，可

15、以达到1T （万亿）个字符，相当于1千万本书的字数。.布料表层形成一层特别的微观薄膜，使油或水无法与布料直接接触，在布料表面产 生防水防油的超双疏”性能.纳米涂料将大大提高涂料的附着力.纳米技术生产的瓷砖不沾油污，始终清洁如新。.纳米玻璃纳米科技是一把双刃剑常规药物被纳米颗粒物装载后，急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性 明显增强。纳米材料易进入人体。纳米材料易透过细胞膜进入细胞内。9.钢铁材料的强韧化/提高材料的强度措施一般有：固溶强化、第二相弥散强化、加工（或形变）强化和晶粒细化强化。这些强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料 难以产生塑

16、性变形而提高强度。但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，造成高强 度材料往往缺乏塑性和韧性，而高塑韧性材料的强度往往很低。材料的断裂过程要经历弹性变形、塑性变形、裂纹的形成与扩展，整个断裂过程要消耗一定 的断裂能。因此，为了提高材料的强度和韧性，应尽可能提高其断裂能。而提高材料的韧性有如下四项措施：.细化一一细化晶粒或各种显微组织；.纯化一一尽量降低材料中有害杂质的含量；.球化一一球化脆性第二相粒子，减少应力集中系数；.复化一一引入韧性较好的不连续组元，对于裂纹扩展，可以起到如下一些有益的作用：裂纹遇到韧性相，由于韧性相不易断裂，而塑性变形又要消耗较大能量，因而阻止了裂纹扩展；裂纹遇

17、到韧性相，由于直接前进受阻，被迫转向，消耗能量，提高韧性；复合结构，如多层板，可以使各层在平面应力下工作，从而提高韧性。一、形变强化利用形变使钢强化的方法。也称应变强化或加工硬化。因为通常把硬度和强度都看作是材料 的“强度性质”。强度是材料在宏观上抵抗形变的能力。硬度是材料局部抵抗塑性形变的能力。 二者在不少情况下有近似的相应关系。材料的强度越高，塑性形变抗力越大，硬度值也越高。反 之，材料的硬度越高，可能因材料脆性增大， 其强度未充分反映出来， 使得强度指标数值并不高。 对于不再经受热处理，并且使用温度远低于材料再结晶温度的金属材料（譬如低碳低合金钢），经常利用冷加工（冷形变）手段使之通过形

18、变强化来提高强度。因而，形变强化的实质就是在材料的 再结晶温度以下进行冷形变，随着形变程度（应变量）的增大，在晶体内产生高密度的位错 （晶体缺陷），位错密度越高，强化的程度越大，即流变应力值越高。二、细晶强化常温下，钢的强度受基体组织的晶粒尺寸影响。随晶粒细化值增大，钢的强度线性增高。常 温及低温下晶粒细化之所以提高钢的强度，是因为晶界阻碍位错运动的结果。当把晶粒进一步超 细化以后，可使钢的强度大幅度升高。 通过形变热处理，在近于钢的临界点 Ac3的温度强烈形变， 恒温或慢冷一段时间使形变奥氏体再结晶，然后快速冷却阻止再结晶的晶粒长大；或者通过快速 反复奥氏体化和淬火的方法（反复次数的多少视钢

19、种而定），均可获得超细奥氏体晶粒。这样超细 的奥氏体晶粒可使钢的强度显著升高。三、固溶强化利用固溶的置换式溶质原子或间隙式溶质原子来提高基体金属的屈服强度的方法。它是一种 常用的强化方法。绝大多数钢材的基体铁都免不了用固溶强化方法强化。这种强化方法的实质是，溶质原子使基体的点阵（或称晶格）发生畸变，位错运动受到阻碍，从而有效地提高了合金的强度。 间隙溶质强化的效果比置换溶质的强化效果高得多，前者是后者的10100倍。然而，碳在“-铁中的最大溶解度却只有0. 0218%,这样就使得强化的总效果有限。不过，利用铁基固溶体的 /多形性转变这一重要现象，把钢加热到高温丫相区，这样就可以有大量的碳溶在丫

20、-铁中.例如Fe C合金中，丫-铁的最大溶碳量可高达 2. 11%（是“-铁中最大溶碳量的近 100彳）,然后再用 淬火的方法使丫相转变成具有同样碳含量的马氏体（非扩散型相变）。这样，碳的固溶强化就成了淬火马氏体强化的主要因素。这是结构钢和工具钢中最基本、最常用的强化方法。同样，当固溶 强化效果过大导致材料脆性增大时，也需要采取韧化措施（如回火）来加以改善。四、弥散强化通过高温加热的固溶处理，将多量的合金元素的化合物溶入丫/-铁中，淬火后形成马氏体，即过饱和的铁基固溶体，然后再在较低温度（固溶度线以下）加热，依靠过饱和固溶体的脱溶产生的强化称脱溶强化。这种强化方式也称时效强化或沉淀强化。铁基过

21、饱和固溶体的脱溶分解，按 脱溶后期形成的平衡相的不同（间隙式化合物或金属间化合物 ）可分作两种情况：（1）在低碳、中碳或高碳低合金钢（或高合金钢）中，利用过饱和的碳和锯、钮、钛、铝、鸨、铭等合金元素，在钢 脱溶过程中碳化物的析出导致强化。例如低碳工程结构钢中，碳机械结构钢以及高碳工具钢中碳 化物脱溶的强硬化。（2）在微碳（0 . 03% ）的高合金钢中，例如马氏体时效钢， 则是利用固溶的置换式合金元素馍、铝、钛、铜等，在脱溶过程中析出金属间化合物导致强化。. 21世纪以来，材料、能源、信息和生物技术已经成为当今新技术革命的四大支柱， 而材料则是其中的物质基础。晶体：原子在空间呈有规则地周期性重

22、复排列。 TOC o 1-5 h z 非晶体：原子无规则排列。、晶体和非晶体两大性能的差别： 熔点和方向性、多品：由许多小晶体组成的晶体称为多晶体。液晶：是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物， 如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。正是由于它的这种特性，所以被称之为液晶液晶电视：指用液晶屏做显示器的电视机。 特点画面稳定图像逼真 消除辐射节省空间节省能耗延长寿命.合金：指两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特 性的物质。相：(在金属或合金中)具有同一化学成分且结构相同并以界面分开的均匀部 分。炼钢的目的：

23、除去生铁中多余的碳和杂质铭是不锈钢获得不锈性和耐蚀性的最主要元素。非铁金属或有色金属：除钢铁以外的金属称铝是自然界蕴藏量最丰富的金属，约占地壳质量的 8 %左右。铝对人体的危害长期摄入过量的铝，会导致老年痴呆症。孕妇和婴儿摄入过量的铝，会导致婴幼儿脑部功能的不健全，形成智力障碍。铝 可以干扰孕妇体内的酸碱平衡，使卵巢萎缩，影响胎儿生长并影响机体磷、钙的代谢 等。铝在大脑和皮肤中积沉，还会加快人体的整体衰老过程，特别明显地使皮肤弹性 降低、皱纹增多。铝沉积在骨骼中，会导致骨质疏松、骨折、关节疼痛等疾病。过多的铝会对肾脏造成压力，引起肾功能障碍。过多的铝也会危及消化系统，使人食欲不振和消化不良，并

24、且影响肠道对磷、锹、 铁、钙等元素的吸收。12.塑料：以聚合物为主要成分，在一定条件(温度、压力 等)下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。塑料的性能特点：/(1)质轻：一般比较轻，相对密度大致为，仅为钢铁的 /1/41/6。泡沫塑料相对 密度更低，只有。(2)比强度高：通常情况下塑料的强度都低于金属，但各种增强塑料的力学性能却 可以与金属相比。由于密度远小于金属，因此其比强度则与金属相当，甚至远比金属 高。(3)电绝缘性能优异： 所有的塑料均为电的不良导体，因而广泛用作电绝缘材料。 塑料中加入导电的填料，如金属粉、石墨等，或经过特殊处理，可制成具有一定导电 率的导体或半导体以供特

25、殊需要。(4)耐化学腐蚀性能好： 塑料的耐化学腐蚀性能优于金属，它对酸、碱等化学药品 具有良好的抗腐蚀能力。(5)减摩、耐磨性好：许多塑料的摩擦系数都很低，可用作制造轴承、轴瓦、齿轮 等减摩、耐磨部件，且可用水作润滑剂。有些塑料摩擦系数较高，可用于配制制动装 置的摩擦零件。(6)消音或隔热性优良： 用塑料制成的传动摩擦件能减少噪声，降低震动，改善劳 动条件。泡沫塑料常用来作隔音、隔热或保温材料。(7)塑料还容易成型加工，可制成各种装饰品，制成各种薄膜、型材、配件及产品。.大多数陶瓷材料均含有一种或一种以上的晶体(或晶相)、一定数量的玻璃相及少量的气相(或称气孔)，为一种多相固体材料。 熔点、硬

26、度、化学稳定性高、脆性 大。与传统陶瓷相比，新型陶瓷： 具组成、纯度、粒度得到了精选，组成已超出了 传统陶瓷的硅酸盐成分范围，是一些纯的氧化物、氮化物、硼化物及其他盐类或单质； 成形工艺方面采用了现代技术和工艺；制品的形态有单晶、薄膜纤维及复合形式等。 应用领域已从结构材料扩展到电、光、声、热、磁等功能材料方面；. 一、复合材料是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的 性能优异的新材料。具有比强度、比模量高，抗疲劳、减振性能好，耐高温等特点。二、复合材料与传统材料相比有许多不同的特点，最明显的是性能的各向异性和可设计性。三、复合材料设计的条件1力学条件即该结构所承受力学载荷的条

27、件。强度、弹性模量、冲击韧性、蠕变强 度、疲劳强度等性能指标。2环境条件 即该结构所处的环境条件，如：机械条件：振动、噪声、加速度、声音等。物理条件：压力、温度、湿度等。气象条件：风雨、雷电、冰雪、日光等。大气条件：射线、烟雾、风沙等。3功能性要求某些结构除了力学性能要求外，对功能性有很高的要求，如高强高导 电、低膨胀高导热等，这在很大程度上决定了复合材料体系的选择。4结构重量、几何形状和尺寸特点 不仅影响复合材料体系的选择，而且对于制备工 艺、设备的选择影响巨大。5可靠性、安全性和经济性要求 对于飞机、火箭或人造卫星等航空、航天器等可/ 靠性和安全性是至关重要的，而经济性是第二位的，而对于某

28、些民用零部件，在保证 一定的安全性条件下，经济性是一个重要指标。 TOC o 1-5 h z 6可修复性和可回收性要求 随着现代技术的发展和节能、环保意识的提高，对复 合材料的可修复性和可回收性要求逐渐加强，但目前该方面要求相对较差。材料之王：碳纤维/.材料的可持续发展战略(从材料的生产、使用和效益方面谈谈如何实现材料的可持续发展。)/1在尽可能满足用户对材料性能要求的同时，必须尽可能节约资源与能源，尽可能减少对环境的污染，要改变片面追求性能的观点；2在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，一定要把材料及其整个寿命 周期对环境的协调性作为重要评价指标，改变只管制备生产、不顾使用和废弃后

29、资源 在利用及环境污染的观点；3不但要讲科学技术效益、经济效益，还要讲社会效益，最终把材料科技与产业的具体发展目标和各国、各地区可持续发展的大目标结合起来4发展生态环境材料生态环境材料 是指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性的一大类材料，这类材料对资源和能源的消耗少、对生态和环境的污染小、再生利用率高或可降解和 可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中， 都必学具有与环境的协调共存性。环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料， 是材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料。任何 一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，就应视为环境材 料。/传统材料的地位不容丝毫忽略：1传统材料与国民经济支柱产业密不可分。2对于发展中国家来说，传统材料往往比新材料更为重要。3传统材料量大面广，稍有改进，则收益就十分可观。4传统材料既是矿产资源消耗大户，又在制备过程中污染严重，必须重视和采取相应 对策。. 为什么要大力发展钢结构建筑，具优点：质量轻、强度高。用钢结构建造的住宅质量是钢筋混凝土住宅的一半左右；可满足住宅大开间的需要，使用面积比钢筋混凝土住宅提高 4%左右。 抗震性能好，具延展性比钢筋混凝土好。从国