材料科学与工程导论杨瑞成版(2012)课本思考题与习题答案

温馨提示:并非标准答案,网上也何难找到这本书的标准答案,恰好我正在看这本书,便做了总结归纳,有需要的同学可以参考查看

第一章 材料与人类

1.试选“最伟大的材料事件“中的某一项阐述材料与人类的关系。
答:门捷列夫设计出元素周期表,成为材料科学家和工程师普遍使用的参考工具。


2.试阐述材料科学兴起的科学基础。何为材料科学与工程?
答:材料科学兴起的科学基础:
固体物理等相关基础学科对物质结构的研究以及冶金学等相关应用学科对材料本身的研究,成为材料科学兴起的科学基础
材料科学与工程的定义:
材料科学与工程就是研究各种材料的成分/结构、制备/加工、性能以及使用性能之间关系的科学


3.说明材料科学与工程四个要素与四面体的概念。
答:四个要素是指 成分/结构、制备/加工、性能和使用性能
将材料科学与工程的四个基本要素连接在一起就形成了一个四面体


4.材料设计的目的是什么?
答:改进已有的材料和开发新材料


5.以杯子、窗框用材为例,说明材料选择的原则和绿色选材(自行发挥)
答:材料选择的原则和绿色选材:
1)胜任某一特定功能(杯子:满足装水的需要;窗框:满足固定窗户的需要)
2)综合性能比较好(杯子:装热水的时候,材料性能稳定,不会产生有毒物质;窗框:便于拆装,寿命长)
3)成本,经济效益与社会效益(杯子,窗框:成本要在我们可接受的范围之内)
4)对环境友好(杯子,窗框:废弃后易回收处理,可重复使用)


6.举例说明什么是材料循环。(×)
答:比如说 资源开采(铁矿石)-生产加工(炼铁)-消费使用(铁锅)-废物丢弃-回收/再生(重新熔炼)-生产加工,以此循环


7.说明可持续发展、生态环境材料和全寿命周期评价的概念。
答:可持续发展是指既满足当代人需要又不对后代人满足需要的能力构成威胁的发展
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
全寿命周期评价是指对产品从最初的原材料采掘到原材料生产、产品制造、产品使用以及产品用后处理的全过程进行跟踪和定量分析与定性评价

第二章 工程材料概述

1.何为结构材料?何为功能材料?
答:结构材料是以力学性能和化学性能为主要指标,用于承力、腐蚀或磨蚀等环境的构件;
功能材料是以物理性能及生物功能为主要指标,用于制造各种功能元器件


2.含碳量对碳钢的性能和应用有何影响?(×)
答:碳钢随着含碳量的增加,其强度和硬度会变高,塑性变差,应用场景也从钢板->建筑材料->钻头->耐磨件


3.简述不锈钢的定义和分类。根据奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的定义,如何区分这三类不锈钢?(√)
答:定义:不锈钢是以不锈,耐蚀性为主要特性,且铬含量至少为10.5%、碳含量最大不超过1.2%的钢。
分类:分为5类,奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双向不锈钢和沉积硬化不锈钢
区分:奥氏体不锈钢的基体以奥氏体组织为主,无磁性,可通过冷加工强化;
铁素体不锈钢的基体以铁素体组织为主,有磁性,不能通过热处理强化,可通过冷加工轻微强化;
马氏体不锈钢的基体以马氏体组织为主,有磁性,通过热处理可明显强化


4.铸铁材料是怎样分类的?应用时怎样选择?(√)
答:按照碳在铸铁中的主要存在形式,可以分为白口铸铁和灰口铸铁
按照石墨形态的差异可以对灰口铸铁分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁
白口铸铁仅用于犁铧等农具这样少数耐磨场合;
灰铸铁主要用于制造各种形状比较复杂的低强度要求的机器零部件;
可锻铸铁常用来制造一些截面较薄而形状复杂,工作时受振动而强度、韧性要求较高的一些零件;
球墨铸铁可代替部分钢材用来制造一些受力复杂,强度、韧性和耐磨性要求较高的一些零件;
蠕墨铸铁主要应用在一些经受热循环载荷的铸件和要求组织致密的零件以及一些结构复杂而设计又要求较高强度的零件。


5.铝及其合金在力学性能、物理和化学性能方面有何独特的优点?其在哪些方面可以与钢相媲美?
答:低的密度和高的比强度;高的热导率和电导率;良好的耐大气腐蚀性;良好的焊接性;
铝及其合金低的密度和高的比强度可以和钢相媲美


6.根据铜及铜合金的特殊色泽和主加元素,对其进行分类。(√)
答:纯铜(紫铜)、黄铜(主加Zn,Zn低于20%为红色,Zn高于20%为黄色)、白铜(主加Ni,银色)、青铜(主加Sn,锈蚀后青绿色)


7.钛合金在哪些方面可以和钢相媲美?钛合金的主要应用在哪些领域?
答:钛合金优异的耐蚀性、高的比强度可以和钢相媲美,主要用于航空航天领域


8.简述陶瓷材料的定义和分类
答:定义:陶瓷材料是由陶瓷粉料经过成形、高温烧结制成的一类无机非金属材料
分类:主要分为传统陶瓷材料和新型陶瓷材料
新型陶瓷材料按照性能和应用范围可分为:结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷


9.何为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷?试列举各自典型材料及主要应用。
答:结构陶瓷:就是主要以力学性能和化学性能为主要指标的陶瓷材料;比如说氧化铝陶瓷应用于火箭用的导流罩
工具陶瓷:就是主要以物理性能为主要指标的陶瓷材料;比如说金刚石应用于钻头
功能陶瓷:就是主要以非力学性能为主要指标的陶瓷材料;比如说压电陶瓷应用于医学影像


10.简述塑料中常用添加剂及其作用。(√)
答:填充剂:改善力学性能和物理性能
增塑剂:增加可塑性
稳定剂:延长使用寿命
着色剂:赋予各种色泽
润滑剂:提高在加工过程中流动性和脱膜性


11.简述热塑性塑料和热固性塑料的特性和主要品种。
答:热塑性塑料是指加热及冷却过程中,其在固态和液态之间产生可逆的物理变化。比如说:聚乙烯,聚苯乙烯
热固性塑料是指加热固化后具有不可溶解、不融化特性的塑料,只可成形一次。比如说:酚醛树脂、氨基树脂


12.复合材料是怎样分类的?复合材料的主要特点有哪些?
答:按照基体和增强剂的类型分类,可分为聚合物基(树脂基)、陶瓷基、金属基等复合材料,以及颗粒增强、晶须增强或纤维增强和层状复合材料等
主要特点有:1)高的比强度和比模量 2)良好的抗疲劳性能和破损安全性 3)减振性比较好 4)高温性能得到改善


13.树脂基复合材料有哪些性能?玻璃钢的应用有哪些特点?
答:比强度高、 比模量大、抗疲劳性能好、化学性能稳定;
玻璃钢主要应用于制作耐磨、耐蚀、无磁、绝缘场合的一些机械零件。

第三章 工程材料的基本性能

1.试述材料性能的实用意义?试论述材料性能的几点属性。
答:材料科学与工程同各工程领域联系的纽带就是性能,材料通过各种性能服务于各工程领域、服务于人类。比如说机械工业主要对材料的力学性能有要求。
几点属性:1)材料性能指标的条件性 2)材料性能的参量化 3)环境对材料性能的影响 4)材料性能的多样性及评价


2.什么是非结构敏感性能?什么是结构敏感性能?各自的含义如何?
答:非结构敏感性能:就是材料的一些物理参量的理论计算值和实验值相吻合
结构敏感性能:就是材料的一些物理参量的理论计算值和实验值有明显差异


3.工程材料都有哪些主要性能?
答:力学性能(弹性、强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性、疲劳抗力、高温力学性能)
物理性能(电学性能、磁学性能以及热学性能)
化学性能(金属的腐蚀和高分子的老化)


4.试说明以下符号的意义:(×)
$\sigma_e;\sigma_s(\sigma_{0.2});\sigma_b;\sigma_f;\delta;\psi;\alpha_k;\sigma_{-1};K_{1C}$
答:1)弹性极限,材料发生弹性形变的最大应力
2)屈服强度,在拉伸过程中,出现载荷不增加而式样还继续伸长的现象称为屈服,材料开始屈服时所对应的应力称为屈服应力
3)抗拉强度,材料开始发生“颈缩”的应力。相当于断裂时的应力
4)式样发生断裂时的应力值
5)延伸率
6)断面收缩率
7)冲击总功Ak除以缺口处式样的截面积,表示冲击韧性
8)堆成交变应力的疲劳强度
9)裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子


5.材料弹性模量E的工程含义是什么?它和零件的刚度有何关系?
答:弹性模量E表征了材料对弹性形变的抗力。E值越大,在相同的应力作用下材料的弹性形变越小,故而工程上也称E为材料的刚度。


6.试述材料的强度、塑性指标的含义以及工程应用的意义。
答:材料的强度指标的含义:比如说屈服强度是指开始塑性变形时的应力值。
工程应用意义:如果用变形材料制造具有某种形状的部件,那么所施加的应力必须超过所用材料的屈服极限,才能使材料的形状产生永久的变化
材料的塑性指标的含义:材料断裂前发生塑性形变的能力称为塑性。 工程应用意义:零件工作过程中,难免偶然过载,这时,材料如果具有一定的塑性,则可用局部塑性变形松弛,避免断裂,保证安全。


7.试论述材料的韧性与其强度、塑性的关系。断裂韧性和冲击韧性这两个韧性指标一样吗?各自的含义和适用场合是什么?(√)
答:韧性是材料断裂时所需要的功或消耗能量的度量。它与强度、塑性不同,强度是使材料变形或断裂所需要应力的度量,塑性是材料变形能力的度量。
不一样,用冲击试验所得的是冲击韧性;用断裂力学方法测得的是断裂韧性
冲击试验适用场合:金属压力加工;
断裂力学试验适用场合:船体钢材;


8.试比较布氏、洛氏、维氏硬度的共同点与不同点以及各自应用范围,并简述各自优缺点。(√)
答:布氏硬度法:
优点:测量精度高;因压痕面积大,能比较真实的反映出材料的平均性能
缺点:不适合测试高硬度材料
洛氏硬度法:
优点:操作迅速简便,可由表盘直接读出硬度值
缺点:因压痕小,只可测量薄工件的硬度
维氏硬度法:
优点:可测定薄工件和各种表面渗层硬度;准确度高
缺点:因需测量压痕对角线长度,测量手续较繁


9.与静负荷破坏相比,(高周)疲劳断裂有何特点?试述材料的疲劳极限的含义。(√)
答:与静载荷破坏相比,高周疲劳断裂具有以下特点:
(1)疲劳断裂是低应力脆性断裂,其断裂应力往往低于材料的屈服强度。断裂是突然的,危害较大
(2)疲劳破坏是长期损伤积累的过程
(3)疲劳破坏对缺陷十分敏感
材料的疲劳极限表示材料经受无限多次循环而不断裂的最大应力


10.评定材料高温力学性能的常用指标有哪些?如何表示它们?
答:高温力学常用性能指标有: 蠕变极限、持久强度
蠕变极限:一种是在规定的温度下,第二阶段内的稳态蠕变速率不超过规定值的最大应力;
另一种是在给定温度T下和规定的试验时间t内,使式样产生蠕变总伸长率不超过规定值的最大应力
持久强度极限:是在规定温度T下,达到规定的持续时间t而不发生断裂的最大应力


11.材料的主要磨损形式有哪些?通过哪些途径可以提高材料的耐磨性?(√)
答:材料的主要磨损形式有6种:黏着磨损,磨料磨损,疲劳磨损,腐蚀磨损,微动磨损,冲蚀磨损(其中黏着磨损和磨料磨损是最主要的磨损形式)
对于克服或减轻黏着磨损,在完全的润滑的机械可以使用润滑剂;
在非完全润滑的重要机械摩擦副中,尽量不用同种材料;


12.试述金属、半导体以及绝缘体的不同导电特性。超导电性是什么?
答:金属具有良好的导电性;半导体的导电性介于导体和绝缘体之间;绝缘体导电性能很差
超导电性指的是:在一定的低温条件下材料电阻突然失去的现象


13.试述金属材料、陶瓷材料、高分子材料以及复合材料的性能的主要特征。(√)
答:金属材料:
优点:刚度好;塑性好;韧性好;熔点高
缺点:屈服强度低;硬度低;疲劳强度低,腐蚀抗力差
陶瓷材料:
优点:刚度好;硬度高;耐腐蚀;熔点高
缺点:拉伸断裂抗力低;脆性大;耐热冲击抗力差
高分子材料:
优点:塑性好;耐磨蚀;密度低
缺点:刚度低;屈服强度低;韧性较低
复合材料:
优点:刚度好,强度好,韧性好,疲劳抗力高,耐腐蚀,密度低
缺点:成形性较差,成本高

第四章 材料的原子结构和原子间结合键

1.材料结构的具体涵义是什么?可分为哪几个层次?其尺度、内容如何?
答:结构是材料成分的具体存在形式或状态;
比如说对于金属材料,从宏观到微观,其内部结构按照研究尺度可以分为4个层次:宏观组织结构、显微组织结构、原子(分子)排列结构和原子中的电子结构;


2.从原子外层电子相互作用角度,说明各种结合键的具体特征。(×)
答:(这道题回答起来比较长,可参考链接
离子键:正离子和负离子由于静电引力相互吸引,当它们充分接近时会产生排斥,引力和斥力相等即形成稳定的离子键;
共价键:由共价键电子对产生的化学键叫共价键;
金属键:正离子和带脑子之间产生强烈的静电吸引力,使全部离子结合起来,这种结合力就叫金属键;


3.原子间有哪两种相互作用?试绘出双原子模型的互作用能和互作用力曲线。分析二者互作用的性质和特征。(√)
答:吸引力和排斥力;
曲线见下图;
分析:当两原子相聚无限远时,相互作用力为零。两原子靠近时,原子间产生引力和斥力,起先引力大于斥力,并随r减小而增大,但在很靠近时斥力急剧增大。
互作用能和互作用力曲线


4.试分析材料为何具有一定的体积。(×)
答:吸引力和排斥力


5.试说明三大类材料的键性及与其性质的关系。(×)
答:金属:金属键
陶瓷:离子键
高分子材料:共价键


6.试分析控制原子配位二因素的具体内容和它们对原子的空间排列所产生的影响。(×)
答:具体地说,围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目,也成为共价配位。和原子的有效堆积共价结合时限制因素是最大配位数,离子键结合时则是最小半径比,金属由于没有饱和性和明显的方向性,一般都可以达到最密堆积。


7.试分析弹性模量E的微观表达式的含义及其意义。
答:晶体的弹性模量只代表原子间结合键的刚性,是一个仅反映原子间结合能大小的指标,故它是稳定的材料性质。


8.试对比金刚石与石墨,为何它们的性质如此截然不同?(√)
答:金刚石是纯共价键晶体,有极高的硬度,对电热的绝缘性很好,具有三维立体结构;
石墨却是层状结构,尽管石墨层内有强大的共价键,但是层与层之间却是很弱的范德瓦尔斯键,而且层间距很大,易相对滑动,可用作润滑材料。

第五章 固体材料中原子的排列与缺陷

1.材料(物质)中按原子排列的秩序,共有哪三种情况?试讨论与聚集态材料的对应情况。
答:分为无序、短程有序和长程有序三种情况;
若材料中仅存在短程有序排列,称为非晶体材料;
原子具有长程有序排列的材料即为晶体材料。


2.绘出示意图说明材料从液体->固体的凝固方式有哪两种。其实际方式的主要影响因素及主要判据是什么?(√)
答:一种是自然冷却形成晶体,另一种是快速冷却却形成非晶体。
主要影响因素为冷速:转变成玻璃态的温度Tg和结晶温度Tm的间隔,间隔越小,越容易转变为非晶态。
判据:若长有程有序则为晶体,若仅有短程有序则为非晶体。


3.三大材料的结晶倾向如何?原因何在?(√)
答:金属材料是金属晶体:面心立方、体心立方、密排六方 这是因为金属键具有无方向性的性质,且每个阵点只有一个原子的缘故
陶瓷材料一般是离子晶体,也有的是共价晶体 这是因为适应键型、离子尺寸和原子价引起的种种限制


4.晶体的周期性结构如何进行几何描述?试论述晶体结构与空间点阵的相互关系。
答:在探讨晶体结构时,可以把结构设想为在所有方向上都能延伸到无穷远处。原子在空间中分布规律性的基本定义就是空间点阵的基本定义。以几何点代替具体的粒子就是空间点的阵列,如果每一个阵点都具有相同的环境,阵点在三维空间的分布就形成了一个空间点阵,空间点阵是晶体结构的几何抽象。


5.三大材料原子空间排列的主要倾向如何?并简要分析其原因。(×)
答:(同4)


6.掌握三种最简单晶体结构的特征(晶胞原子数、致密度、配位数、密排面与密排方向等)。(×)
答:(略,书上有,感觉没有记忆的必要)


7.陶瓷材料的结构特性是什么?它们是如何构造起来的?了解陶瓷材料比较简单的及几种晶体结构。
答:大多数陶瓷材料是金属与非金属元素之间的化合物所构成的多晶固体材料,它们的原子键结合方式是部分或整个是离子键。大多数陶瓷材料都是由离子键构成的离子晶粒,也有由共价键组成的共价晶体。构成离子晶体基本质点之一的非金属元素的原子半径大,它们的原子排列可以是各种不同的晶系,从而组成离子晶体的骨架,金属原子直径小,它藏在非金属原子的间隙中,可配位四面体或八面体。
金刚石型立方结构、氯化钠结构


8.试归纳高聚物原子排列的主要特征。(×)
答:(不会归纳回答)


9.晶体中存在哪几种结构不完整性?它们的主要意义何在?(√)
答:点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷;
这些缺陷对材料的行为和性能有极重要的影响。


10.举例说明材料中的原子排列是如何影响材料的行为与性能的。(√)
答:金属密度大,是因为金属键无方向性,可以达到密排堆积;
而聚合物及陶瓷是共价键或离子键,不可以达到密排,且组成它们的原子较轻,所以密度较小。

第六章 固体材料热力学状态:自由能、相图、相与组织

1.分析熵的热力学意义及在材料系统中的统计意义,以及熵对于材料系统平衡态的巨大作用(可举例说明)。
答:在自发过程中必定伴随着一些物理量也是单向变化的,熵就是其中的一个物理量。
热力学的熵对应着材料内微观粒子的空间分布,以及粒子种种运动形式的分布,即能量单元或“准粒子”分布的贡献。
材料内部粒子的每一种分布状态和每一种运动形式都会对其熵作出贡献。比如:由于原子的振动方式及其改变产生的振动熵(振动无序)


2.影响材料系统自由能的两大因素是什么?对于材料系统产生什么具体影响?(√)
答:温度:在某温度下存在的相相对于其他相来说都是自由能最低的。自由能数值的相对大小决定了任一相的稳定性。
成分:它是各个组元的相对质量分数,与化学势息息相关,反应都是向降低化学势的方向进行的。


3.试分析自由能-成分曲线与材料相图的关系。
答:由已知的自由能-成分曲线可以将相图作出来。通过热力学计算作出各温度下的自由能-成分曲线。再根据公切线法则,找出平衡相的成分,然后综合画在一张温度-成分坐标图上,即得到相图。


4.分析材料相图的含义和工程意义。(√)
答:相图(状态图/平衡图),是用几何的方式来描述处于平衡状态下材料的成分、相和外界条件的相互关系。
工程意义:1)随着科学技术发展,各行业对材料的要求越来越高,实际材料很少是纯元素的,而是由多种元素组成,要弄清楚组元间的组成规律,了解什么成分在什么条件下形成什么相,因而相平衡关系的研究成为使用和研制材料的理论基础。
2)合金在加工、处理之后的组织状态也可用相图作为分析依据或参考资料。
3)在科研及生产实践中,相图是研制新材料、正确选择和制定合金的熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺,以及进行各种状态分析的重要工具。


5.试分析相与组织二者概念上的差异以及相互间的联系。(√)
答:材料中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相;
材料内部的宏观与微观形貌称为组织;
组织是与相有密切联系的概念,它实际上是指各个晶粒或各种相所形成的团。在不同条件下,相的晶粒大小、形态及分布会有所不同,从而材料内部会呈现不同的微观形貌。因而同样的相可以形成不同的组织。


6.陶瓷材料、金属材料和高分子材料都有哪些主要组成相?说明它们的性质与作用。(√)
答:金属材料中有固溶体和化合物两类基本组成相。(具体性质与作用略)
陶瓷材料有晶相、玻璃相、气相。(具体性质与作用略)
高分子材料的晶区和非晶区可以看成两种不同的“相”。(具体性质与作用略)


7.归纳单相、多相组织的形貌特点以及对材料性能的影响。(×)
答:单相中球状晶粒很少,等轴晶是晶粒完全填满空间而同时保持最小的晶界总面积,除了等轴晶,还有片状、柱状、枝状的。(对性能的影响略)


8.分析材料中的第二相的情况以及对材料性能的具体影响。(×)
答:两相合金中第二相的情况:1)两个相各自成为等轴晶粒,这一般是在两个相均是固溶体且数量较多的情况下产生的,这时两者均匀地分布在一起,合金的机械性能是两个相或两种“组织”性能的加权平均值,合金总的性能通常是具有一定的强度、较好的塑性。2)如果第二相是化合物,而且体积百分数较大,则会使合金显示出极大的脆性,甚至无工业应用价值。在更多的情况下,较少数量的第二相以球状、点状或短片状等均匀地分布在固溶体的晶粒内,这时尽管化合物的数量并不很多,但它将起强化基体相的作用,从而提高材料的机械强度。但与此同时,材料的塑性、韧性必将下降。

第七章 固体材料动力学过程:激活与扩散及相关材料行为

1.动力学方法可在材料中处理哪几方面问题?材料动力学过程的三原理是什么?(√)
答:可以处理的问题:1)研究制备和处理材料的过程 2)合金性能表征的过程 3)使用材料的过程
动力学过程三原理:1)沿着能量降低的方向发生 2)遵循阻力最小的途径进行 3)过程的结果是适者生存


2.何为亚稳定态?举例分析亚稳态的性质。
答:亚稳态:在热力学上虽然不稳定,但由于某种原因而能暂时或长期存在的状态。
性质:要转入稳定的状态,必须获得必要的附加的能量来越过一定的能垒。


3.写出玻尔兹曼分布和阿伦尼乌斯定律的表达式。分析决定反应速度的主要因素。(×)
答:玻尔兹曼分布:显然温度越高,越大;Q越大,就越小。
决定反应速率的主要因素是任一时刻下能量具有等于和大于激活能Q的原子数目,这个数目是由材料的能量分布来决定的,遵循麦克斯韦-玻尔兹曼定律。
阿伦尼乌斯定律:,A表示与温度无关的速度常数,R为气体常数,V为反应速率,Q是激活能。
原子间的反应速率取决于参与反映的原子中的原子中能量为Q或更高的原子数目。阿伦尼乌斯定律适用于任何热激活的反应,其速度取决于Q和T。


4.写出Fick第一定律与第二定律。说明如何进行一般的工业应用。(×)
答:菲克第一定律:即扩散通量J与该截面处的浓度梯度成正比。
菲克第二定律:,式子中表示浓度随时间的变化率。
工业应用:将低碳钢通过渗碳达到某种较高浓度水平,或将带有成分偏析的铸件处理到某一相对比较均匀的程度。


5.原子扩散的主要机制试说明?各自的应用范围、激活能大小及扩散的快慢如何?(×)
答:空位扩散机制是扩散原子跳入空位,同时有空位移动与之配合。实现空位机制的条件是扩散原子的近邻应当有空位,同时空位周围的原子还必须具有超过能垒的能量。这种扩散的激活能由原子跳动激活能和空位形成能两部分组成。
在体心立方金属(自扩散)和合金置换固溶体(互扩散)中,空位机制扩散占主导地位。在许多面心立方、密排六方金属或合金,以及离子化合物和氧化物中也常有这种扩散。
间隙扩散:在间隙固溶体中,晶体结构中存在小的间隙原子,这些溶质原子尺寸较小而易动,而且相比之下溶剂原子的扩散可以忽略。
激活就是溶质原子发生跳动时所需的额外能量,因而必然比空位机制小。
应用范围:中就是这种机制


6.扩散系数D与激活能Q及温度T的关系如何?与阿伦尼乌斯定律有何关系?并举二、三例说明扩散的工业应用。
答:温度越高,D越大,即扩散速度越大;
激活能越大,扩散速度越慢;
半导体的掺杂、钢件表面渗碳;


7.试分析例子晶体、共价晶体和聚合物中扩散的特点。(×)
答:离子晶体:1)不同于金属和合金,原子可以运动并进入附件的任何点阵空位或间隙位置,离子材料的扩散离子只能进入具有同样电荷的位置。
2)与金属相比,离子材料的扩散激活能高而扩散速率低,而且其扩散过程远比金属中复杂
3)阳离子扩散系数比阴离子大。
4)大多数离子晶体的扩散是按空位进行的,也有少部分是间隙扩散

共价晶体:扩散和互扩散仍以空位机制为主


8.说明材料相变发生的条件、生核方式及固态相变的一般特点。(×)
答:条件:相变的产生需要相对于平衡温度有一定的过热过冷程度;
生核方式:1)均匀形核:晶核在母相的微小体积中直接地自发形成
2)不均匀形核:晶核在母相中依赖于未溶的杂质表面或型壁而形成的
固态相变的特点:1)仍然是生核与长大的过程。固态反应非常缓慢,并经受较大的热滞后,实际上很少真正达到平衡状态;
2)在非自发形核方面,处理外来颗粒以外,母相固态结构上的特点给形核带来催化作用,如点缺陷、线缺陷及面缺陷以及局部的高应变区;
3)转变时在总的能量项中,除了表面能项,还要包括应变能项;
4)可以由总的体积变化引起,也可以由于相界面上原子键合的局部不适应所引起;
5)新旧相之间倾向于有一定的位向关系;
6)允许转变过程经过一个或多个亚稳相,因而常形成过渡点阵。


9.归纳固态相变的主要类型及各自特点。(×)
答:晶粒长大;再结晶;多晶型转变;固溶于析出;共析反应;马氏体转变与回火转变(具体特点略)


10.分析相变动力学曲线(C曲线)的形状特征,并分析其原因。(×)
答:TTL曲线(C曲线):测定在不同温度时从转变开始到结束以及达到不同的转变量所经历的时间,作成“温度-时间-转变量”曲线,简称TTT曲线。
由于开始转变时量很小而不易确定,故通常以一定的转变量,例如1%作为转变开始转变线,而在其之前所经历的时间成为孕育期。当过冷度增大时,相变驱动力增加而扩系数D降低,当温度降低较少时,起主导作用,原子从旧相转变为新相的速率随过冷度增大而增大,当温度降低甚多时,由于D值显著减小,扩散因素占主导地位,从而转变速率随着顾冷度增大而减小,因此在一居中温度转变速率最大,所以在C曲线上看到,在中间温度转变时间最短,速度最快。


11.分析材料中的等轴晶粒是如何形成的,其他形状晶粒有无可能形成?条件如何?(×)
答:(没有找到对应的)

第八章 工程材料强化与韧化的主要途径

1.晶体和非晶体材料塑性变形的机理有什么不同?
答:塑性形变分为晶体的塑性流动和非晶体的黏性流动;
塑性流动的主要机理是滑移,滑移是原子面按照晶体学上有规律的方式相互滑动。
黏性流动的主要机理是原子或分子小集团自由置换其相邻集团的位置。


2.材料的理论强度与实际强度之间有什么差别?分析造成这种差别的原因。(√)
答:晶体的实际强度就是实验测得的单晶体的临界分切应力,而理论强度则是按完整晶体刚性滑移模型计算出的强度。
因为实际晶体往往存在缺陷,所以晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移,这种实际滑移要比刚性滑移容易进行,从而造成晶体的实际强度远低于其理论强度。


3.分析位错与晶体强度的关系(√)
答:尽量较小或尽量增大位错密度都能提高晶体的强度。
一种是要尽量减小晶体中的位错密度,使其接近于无缺陷的完整晶体;
另一种是尽量增大晶体中的位错密度,并且尽可能地给运动者的位错设置障碍,抑制位错源的活动;


4.指出金属材料的基本强化途径(√)
答:冷变形强化、固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化


5.比较固溶强化与第二相强化的机理有什么不同。(×)
答:固溶强化:合金元素溶于金属基体中形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象,称为固溶强化。
机理:一是溶质原子的溶入使固溶体的晶格发生畸变,从而产生附加的应力场,阻碍位错的运动;二是溶质原子常常被媳妇在位错线的附近,降低了位错的能量状态。
第二相强化:材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法,称为第二相强化或分散强化。
机理:当移动的位错与第二相质点相遇时,受到质点的阻挡,位错线无法穿过这些硬质点,位错只有绕着它发生弯曲、随着外加应力的增大,位错线受阻的弯曲加剧,以至绕着离子的位错线在左右两边相遇,于是正负位错彼此抵消,形成了包围离子的位错环,位错线的其余部分则越过粒子继续移动。这样第二相硬颗粒狗测了位错运动的阻碍,同时也增加了位错线的长度,从而提高了合金的屈服强度。此为绕过机制,有时位错线可以直接通过第二相,则称切割机制,也产生强化效果。


6.用Griffith理论解释发生脆性断裂时,实际断裂强度低于理论强度的原因。(√)
答:由于固体内部本来就存在着某种微裂纹;材料的脆性断裂就是由裂纹的形成与随后的扩展两个阶段组成,根据Griffith理论,这些裂纹对于任何微塑性的,也就是永久变形能力很小的材料,都有损强度。特别是那种长度方向与作用应力垂直的裂纹,会在裂纹端部引起极为严重的应力集中,从而使该处的实际局部应力达到材料的理论强度。


7.影响脆性断裂的因素主要有哪些?(√)
答:温度、化学成分、组织和晶粒度、应力分布、环境


8.细化晶粒在提高材料强度的同时也提高韧性,为什么?在生产中有哪些实际的应用。
答:晶粒越细小,晶界面积越增加,位错密度也增大,从而强度升高。同时,与细晶伴生的晶内滑移带短,位错塞积群的应力集中效应不如粗晶显著,此外,细晶粒的变形不均匀现象有所缓和等,这些均有助于改善韧性。
应用:孕育铸铁、铝硅基铸造铝合金都是通过专门的处理方法,通过增加液态金属结晶过程中的非自发生核数目或促使液体过冷来细化组织的;在合金渗碳钢和合金工具钢中,通过加入强烈碳化物形成元素,以组织加热时晶粒长大,从而获得细晶组织。


9.指出提高陶瓷材料强度及增韧的主要途径(√)
答:制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷、预加压应力、消除表面缺陷、复合增韧


10.指出提高高分子材料强度的主要途径。(√)
答:合金化(共聚与共混)、增加增塑剂填料以及各种纤维、淬火


11.金属材料、陶瓷材料和高分子材料的强化、韧化的基本思路有何不同?试分析其原因。(×)
答:(不知道)


12.比较表面化学热处理与表面淬火热处理在金属材料表面强化和表面改性方面的作用机理。(×)
答:表面化学热处理是将工件放在含有欲渗元素的特定介质中,通过加热、保温、冷却的方法,使介质中某些元素渗入工件表面并向内扩散,以改变表层的化学成分和组织,从而使工件表面具有与内部不同的特殊性能的一种表面强化及表面处理方法。
表面淬火热处理:表层快速加热淬火是以很快的速度对工件进行加热,使工件表层温度迅速升到以上,进行奥氏体化,而心部温度仍在AC_1以下,然后将其急冷淬火,得到心部为铁素体与珠光体之混合组织,表层为马氏体组织。马氏体回火后得到合适的硬度、强度、而心部的混合组织有较高的韧性和塑性。


13.综合分析和论证工程材料强化和韧化的意义、可行性、主要途径和机理。(×)
答:(开放性题目,略)


第九章 工程材料的制备

1.矿石冶炼前为什么要进行预处理?有哪些预处理方法?作用是什么?(√)
答:预处理的原因:原矿中含有有用矿物成分波动很大,且常伴有大量无价值的矿物,因此不宜直接冶炼;
预处理办法:选矿、干燥和煅烧、焙烧、粉矿造块
作用:提高入炉矿石的品质,增加炉料的孰料比,使高炉多用或全部使用烧结矿,保持入炉料干净,缩小原料粒度上的差距。


2.简述钢铁的生产过程。
答:铁矿石冶炼成生铁->生铁一部分用于铸造,还有一部分再通过进一步冶炼成钢->炼成的钢除少量直接浇注成铸件外,绝大部分都先铸成钢锭,然后再轧制成各种板材


3.简要分析炼铁的原理,简述炼铁的过程
答:炼铁的过程就是铁矿石中还原铁的过程。在这个过程中,以铁矿石为基本原料,以石灰石等为溶剂,以焦炭为燃料,按一定比例投入炼铁高炉,经过冶炼生成铸造生铁、炼钢生铁以及铁合金等。


4.简要分析炼钢的原理,简述炼钢的过程。
答:钢与生铁的主要区别就是钢中硅、碳元素含量较少,硫、磷等元素少,因此炼钢必须降低生铁中的碳、硅质量分数和硫、磷等有害元素及杂质,所以在熔化的生铁中加入氧化剂除去或降低这些元素的含量,炼钢的实质就是氧化的过程。


5.简述钢的炉外精炼的主要方法和原理(×)
答:1)真空精炼法:主要是通过降低外界等有害气体的分压,达到去除钢中有害气体的目的。在真空条件下,不仅能够降低钢中有害气体的浓度,而且可以发生脱氧反应,使熔池产生搅拌,有利于有害气体和有害夹杂物的排除
2)惰性气体稀释法:是向钢液中吹入惰性气体,这种气体本身不参与冶金反应,每个气泡中的等有害气体的分压为零。当其从钢液中上升时,钢液中的有害气体就会向气泡内扩散,并随之带出钢液,这相当于“气洗”的作用
3)喷粉精炼法:一般是用氩气作载体,向高温钢水内部喷吹特定的合金粉末或精炼溶剂。喷粉精炼可较充分地进一步脱硫和去除夹杂物,并且可改变夹杂物的形态,在精炼的同时还可对钢的成分进行调整


6.简述高聚物材料的制备过程。
答:单体的提炼(石油化工工艺、煤炭工艺、农副产品工艺)->高分子的合成(聚合反应)


7.简述陶瓷材料制备的工艺特点。
答:1)类似粉末冶金工艺,即陶瓷由粉末原料经成形、烧结等工艺制成
2)材料制备和零件制备的一体化


8.举例说明复合材料的制备方法。(×)
答:纤维的制备
玻璃纤维:用坩埚法拉丝和池窑漏板拉丝
晶须:化学气相沉积法、溶胶=凝胶法、气液固法、液相生长法、固相生长法和原位生长法
树脂基复合材料的制备:手糊成形、喷射成形、模压成型、缠绕成型
金属基复合材料的制备:固态法、液态法
陶瓷基复合材料的制备:粉末冶金法、浆料浸渍法、熔体浸渍法
共晶复合材料的制备:精密铸造法、连续浇注法、区域熔炼法


9.单晶体有什么特点?举例说明其制备方法。(√)
答:单晶体是液体结晶时只有一个晶核形成并长大而得到的晶体。单晶体往往在电、磁、光、热等方面表现出优异的性能,特别在电子和激光技术中,单晶体是必须使用的重要材料。
制备方法:从熔体中制备单晶;从溶液中制备单晶;气相生长法制备单晶;固相生长法制备单晶


10.非晶态材料具有什么特点?如何制备非晶态金属?
答:一般认为,非静态是指以不同方法获得的以结构无序为主要特征的固体物质状态。其有些特殊的物理化学性能,如金属玻璃是很好的软磁材料,用于制作变压器铁心。
制备方法:液相急冷法;离子注入法


基础知识点(总结类)

第一章:材料与人类

1.历史上最伟大的材料事件
门捷列夫设计出元素周期表,称为材料科学家和工程师普遍使用的参考工具

2.材料的定义
材料是人类社会所能接受的、可经济地用于制造有用器件的物质,是人类赖以生存和发展的基础

3.材料科学与工程的四个基本要素
成分/结构、制备/加工、性能、使用性能

4.材料的单向循环模式以及双向循环模式
单向循环模式:资源开采-制造产品-排放废物
双向循环模式:资源开采-制造产品-排放废物-回收再生-制造产品

第二章 工程材料概述

1.材料的分类
按照物理化学分类:金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料
按照工作时的主要性能分类:结构材料、功能材料

2.钢铁的分类
按照化学组成分类:碳钢、合金钢
按照用途分类:结构钢、工具钢、特殊性能钢

3.铸铁的分类
按照碳在铸铁中的主要存在形式:白口铸铁、灰口铸铁
按照石墨形态差异对灰口铸铁分类:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁

4.有色金属的分类
铝及其合金、铜及其合金、其他有色金属及合金

4.1.铜及铜合金的分类
纯铜、黄铜(Zn)、白铜(Ni)、青铜(Sn)

5.陶瓷材料的分类
传统陶瓷材料和新型陶瓷材料
新型陶瓷材料按照性能和应用范围可分为:结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷

5.1.结构陶瓷材料有哪些
氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷

5.2.工具陶瓷材料有哪些
硬质合金、金刚石

6.高分子(高聚物)材料的分类
按照工艺性质和用途分类:塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合

6.1.塑料的分类
按照其热性能和加工性能分为热塑性塑料(聚乙烯,聚苯乙烯)、热固性塑料(酚醛树脂)
按照应用范围分类:通用塑料、工程塑料、功能塑料

6.1.1.塑料中常用的添加剂及作用
填充剂:改善力学性能和物理性能
增塑剂:增加可塑性
稳定剂:延长使用寿命
着色剂:赋予各种色泽

6.3.橡胶的分类
按照来源或制成方式分类:天然橡胶、合成橡胶
按照性能和用途方式:通用合成橡胶、特种橡胶

7.复合材料的分类
按照基体和增强剂的类型分类,可分为聚合物基、陶瓷基、金属基等复合材料,以及颗粒增强、晶须增强或纤维增强和层状复合材料等

第三章 工程材料的基本性能

1.对材料的性能分类?
从材料内部组织结构的联系上对材料的性能分类:
非结构敏感性能和结构敏感性能

1.1 非结构敏感性能有哪些?
弹性模量、密度、热容量

1.2 结构敏感性能有哪些?
屈服强度、断裂强度、疲劳强度、塑性、韧性

2.材料主要的力学性能指标有?
弹性、强度、塑性、韧性、硬度、耐磨性、疲劳抗力、高温力学性能

2.1 弹性形变的三个特点?
可逆性、单值性、变形量很小

2.2 强度分为?
屈服强度、抗拉强度、实际断裂强度

2.2.1确定材料的屈服强度的三种规则?
比例极限、弹性极限、屈服极限

2.3 衡量材料拉伸时的塑性指标有?
延伸率(断后伸长率)、断面收缩率

2.4 评价材料韧性高低的两种方法?
一种是用冲击试验所得的冲击韧性;另一种是用断裂力学方法测得的断裂韧性

2.5 硬度试验方法的分类?
按照加载方式的不同分类:压入法、划痕法

2.5.1通常采用的压入法中最常用的方法有哪些?
布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法

2.5.2 布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法各有什么优缺点?
布氏硬度法:优点:测量精度高;因压痕面积大,能比较真实的反映出材料的平均性能
缺点:不适合测试高硬度材料
洛氏硬度法:优点:操作迅速简便,可由表盘直接读出硬度值
缺点:因压痕小,只可测量薄工件的硬度
维氏硬度法:优点:可测定薄工件和各种表面渗层硬度;准确度高
缺点:因需测量压痕对角线长度,测量手续较繁

2.6 机械零件的三种失效方式是哪三种?
磨损、断裂、腐蚀

2.6.1 按照磨损机理可以对磨损分为哪6种基本类型?
黏着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀磨损(黏着磨损和磨料磨损为最主要的磨损形式)

2.7 按照断裂寿命的长短和应力的高低不同,对疲劳强度可分为?
高周疲劳(应力疲劳)、低周疲劳(应变疲劳)

2.7.1与静负载荷或一次冲击加载断裂相比,高周疲劳断裂有哪些特点?
(1)疲劳断裂是低应力脆性断裂,其断裂应力往往低于材料的屈服强度。断裂是突然的,危害较大
(2)疲劳破坏是长期损伤积累的过程
(3)疲劳破坏对缺陷十分敏感

2.8 常用的高温力学性能指标(蠕变性能指标)有哪些?
蠕变极限,持久强度

3.材料主要的物理性能指标有?
电学性能、磁学性能以及热学性能

4.材料主要的化学性能指标有?
金属的腐蚀和高分子的老化

4.1材料腐蚀的分类?
按照腐蚀原理分类:化学腐蚀、电化学腐蚀和物理溶解腐蚀
按照腐蚀形式的不同分类:全面腐蚀和局部腐蚀

4.2改善高分子材料老化的方法
改变高分子的结构、添加防老剂、物理防护的方法

5各材料的性能综合对比
(见押题部分问题一)

第四章 材料的原子结构和原子间结合键(概括不全面,具体看课后习题)

1.固体材料按照原子(或分子)的聚集状态进行分类,可分为?
静态(晶体)、非静态(非晶体)

2.元素主要以分子态和凝聚态(液态、固态)的形式存在,凝聚态主要分为哪五大类?
液态、液晶、橡胶态、玻璃态、晶态

3.对结合键的分类
一次键(离子键、共价键、金属键)和二次键(范德瓦尔斯键、氢键)

3.1离子键结合产物举例
氯化钠

3.2共价键结合产物举例
CH4

3.3金属键结合产物举例
金属及合金

3.4 共价键具有哪两个特点?
饱和性、方向性

3.5 范德瓦尔斯键是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接起来的三个来源?
偶极间的静电力(葛生力)、诱导力(德拜力)、色散力(伦敦力)

4.影响原子(例子)半径的三个因素
温度、离子半径与原子半径的不同以及离子价数的影响

第五章 固体材料种原子的排列与缺陷(概括不全面,具体看课后习题)

1.原子排列的秩序有哪三种?并各举一例
无序(惰性气体)、短程有序(水蒸气,大多数高分子材料)、长程有序 (金属材料,陶瓷材料)

2.影响晶体原子排列方式的几个因素?
原子的键合方式、原子的化合价要求、某些键合的无方向性

3.晶体结构缺陷在空间延伸的线度和范围分为哪四类?
点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

第六章 固体材料热力学状态:自由能、相图、相与组织(概括不全面,具体看课后习题)

1.依据系统与环境之间是否有能量及物质交换可分为三类?
开放系统(既有能量交换,又有物质交换)
封闭系统(只有能量交换,没有物质交换)
孤立系统(既无能量交换,又无物质交换)

2.材料系统影响自由能的因素?
温度、成分

3.1固溶体和化合物是固态金属材料种的两类基本组成相(晶体)
3.2陶瓷材料的结构都是由晶相,玻璃相,气相三部分组成

第七章 固体材料动力学过程:激活与扩散及相关材料行为(概括不全面,具体看课后习题)

第八章 工程材料的强化与韧化的主要途径

1.塑性形变的两种最重要的类型是?
晶体的塑性流动(主要机理是滑移)、非晶态物质的黏性流动

2.工程实际种要想获得高强度的材料可以采取的途径有?(尽量减小位错密度,或尽量增大位错密度)
1)制备接近于完整晶体的无缺陷晶体
2)增加晶体种位错运动的阻力

3.问题六:材料的强化机理?(第八章)
金属材料的强化的基本途径:
冷变形强化、固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化
金属材料的韧化的基本途径:
细化晶粒、提高冶金质量控制化学成分、热处理工艺的调整控制、形变热处理
陶瓷材料的强韧化的途径:
制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷、预加压应力、消除表面缺陷、复合增韧
高分子材料的强韧化途径:
合金化(共聚与共混)、增加增塑剂填料以及各种纤维、淬火

4.材料表面强化及改善的方法
表面化学热处理、铸渗和铸镶复合技术、表面快速加热淬火强化、表面形变强化、电镀,化学镀,热喷涂(焊)与气焊法、激光表面改善、气相沉积和离子注入

5.问题四:展开叙述一下焊接的种类?(第八章)
热喷涂(焊):热喷涂是以燃烧火焰、电弧、等离子弧或激光等作热源,将粉末状、丝状或棒状的金属与合金,金属陶瓷以及陶瓷材料加热到熔融或半熔融状态,借助于火焰推力或压缩空气使之雾化,然后喷射、沉积到与处理过的工件表面,形成附着牢固的喷涂层的技术。若将喷涂层再用火焰或感应加热的方法重熔,使之与工件表面融和,则称为热喷焊
气焊:以可燃气体与助燃气体混合燃烧生成的火焰为热源,在金属材料或零件表面熔焊上某种材料,起到保护或修复零件的作用。
电焊:以电能产生的电弧热作为热源,在金属材料或零件表面熔焊上某种材料,起到保护或修复零件的作用。

第九章 工程材料的制备

1.矿石的预处理流程包括哪些?
1)选矿 2)干燥和煅烧 3)焙烧 4)粉矿造块

2.冶炼工艺分为哪几种?
1)火法冶金 2)湿法冶金 3)电冶金(电热冶金,电化冶金)

3.炼铁需要用到哪些原材料?
1)铁矿石 2)熔剂 3)燃料

4.高炉炼铁的主要产品?
1)生铁 2)高炉煤气 3)炉渣

5.常见的炼钢方法有哪几种?
1)氧气顶吹转炉炼钢法
2)平炉炼钢法
3)电炉炼钢法

6.当前单体的提炼工艺主要有哪几种?
1)石油化工工艺
2)煤炭工艺
3)农副产品工艺

7.问题二:说明加聚反应和缩聚反应的例子?
答:一般橡胶都是二烯烃加聚反应的产物;氨基酸与氨基酸可以发生缩聚反应

8.加聚反应的常见聚合方法有哪几种?
本体聚合、乳液聚合、溶液聚合、悬浮聚合

9.缩聚反应的常见聚合方法有哪几种?
熔融缩聚、溶液缩聚、界面缩聚和固相缩聚

10.制备陶瓷的方法?
机械法(机械粉碎、气流粉碎)、化学法(固相法、液相法、气相法)

11.陶瓷成形的方法有哪几种?
注浆成型、干压成形、可塑成形

12.陶瓷的烧结方法有哪几种?
常压烧结,热压烧结、热等静压烧结

13.问题三:简述什么是纳米材料?(第九章)
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。
【全完结】