材料科学导论试题答案

1、材料科学导论试题必作题（每题10分，共50分）1）分析材料强化的主要方法及原理。材料强化的原理：一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，另一强 化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度 弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高 材料强度。材料强化方法主要有：结晶强化、形变强化、固溶强化、相变强化、晶界强 化等。其中结晶强化通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和 显微组织，从而提高金属材料的性能，包括细化晶粒、提纯强化。形变强化是指 金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运 动的阻力增加所

2、致。固溶强化是指通过合金化 （加入合金元素）组成固溶体，使金 属材料得到强化。相变强化是指合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态 相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，分为沉淀强化、马氏体强化。 在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分 发挥强化能力。2）纯铁、低碳钢、中碳钢、高碳钢、铸铁在碳含量上有什么不同。通常碳含量小于0.02%的为纯铁或熟铁，在0.02-2.1%之间的为钢，钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢：在 0.02-0.25%之间的叫低碳钢，强度较低、塑性和可焊性较好；在0.250.60%之间的叫中碳钢，有较高的强度，但塑性和可焊性较差；在0.

3、60%-2.1%之间的叫高碳钢，塑性和可焊性很差，但热处理后会有很高的强度和硬度。而碳含量大于2.1%的为铸铁或生铁。3）晶体中的缺陷有什么？晶体缺陷是指由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，使得原子的排 列往往存在偏离理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体 中的缺陷。晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。点缺陷是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。主要有空位和间隙原子。在金属中，点缺陷越多，它的强度、硬度越高。线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷主要

4、是位错。位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。面缺陷是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。通常是指晶界（晶粒之间的边界）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）。按缺陷的形成又可以分为本征缺陷和杂质缺陷。本征缺陷是指由晶体本身偏离晶格结构形成的缺陷，是由于晶格结点上的粒子的热运动产生的，也称热缺陷。如：空位缺陷、间充缺陷、错位缺陷、非整比缺陷。杂质缺陷是指杂质粒子进入晶体形成的缺陷，如杂质粒子和间隙粒子缺陷。4）什么是奥氏体、珠光体、铁素体和渗碳体？奥氏体是碳溶解在YFe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持yFe的 面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727时溶碳为3C=0.7

5、7%,1148C时可溶碳2.11%。 奥氏体是在大于727C高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在 高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体 薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片装珠光体。用符号P表示，含碳量 为3C=0.77%。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一 层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。铁素体是碳在a-Fe （体心立方结构的铁）中的间隙固溶体，具有体心立方点阵。亚 共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织 上

6、自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、 纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正 火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要 影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为3C = 6.69%，熔点为1227C。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW=800，塑性、韧 性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁 碳合金的性能有直接影响。5）常用金属热处理工艺有哪几种？金属热处理工艺大体可分为

7、整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的 金属热处理工艺，大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。表面热处理是只加热工件 表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。需要在单位面积的工件上给予较大的热能， 使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温，主要方法有火焰淬火和感应加热热处理。化学热 处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺，与表面热处理不同之处 是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其他合金元素的介 质（气体、液体、固体中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和

8、铬等元素。 渗入元素后，有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火，主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。二、选作题（任选一题，共50分）1）纳米材料与人类进步纳米材料是指结构尺寸在1至100纳米范围内的材料。纳米材料是80年代中期发展起 来的新型材料，由于纳米微粒（1-100nm ）的独特结构状态，使得纳米材料具有传统材料所不 具备的奇异或反常的物理、化学特性，如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子 隧道效应等，从而使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活 性等特殊功能。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临 的许多问题，特别是能源、

9、人类健康和环境保护等重大问题。随着科技水平的不断进步， 纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学、生物学、精细化工和 医药生产等诸多领域有着广泛的应用前景。在电子行业的应用，主要集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。在化学领域的应用：由于纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍，应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面，能有效地降解水中的有机污染物。用纳米

10、微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科 学非常重要的研究课题。在精细化工方面的应用：在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发 挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力， 而且弹性也明显增强。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且 致密性和防水性也相应提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很 好的应用，达到抗老化，提高玻璃的高温冲击韧性的目的。在环境科学领域，纳米材料 由于其特有的表面吸附特性，使其在净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前 景。除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能 独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过 滤，从而消除污染。在医药方面的应用：由于纳米材料的尺寸小，纳米颗粒与生物细胞膜的化物作用 很强，极易进入细胞内，所以纳米材料在医学中的应用非常广泛。纳米粒子将使药物在 人体内的传输更为方便。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了 大量的研究工作。微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是