北工大2015材料科学与工程学导论复习题

材料导论复习题一、名词解释材料：材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。新材料：新材料，主要是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新材料：新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。高技术发展需要，具有特殊性能的材料。由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，或者出现了新的功能的材料。结构材料：结构材料是主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，分为机械结构材料和建筑结构材料。功能材料：具有某种优良的电学、磁学、热学、声学、光学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的高技术材料。复合材料：复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料的基本组分可划分为基体相（基体材料）和增强相（增强材料）两种。弹性模量：一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。材料在弹性范围内，应力与应变成正比关系，比例系数称为弹性模量。抗拉强度：抗拉强度就是试样拉断前承受的最大标称拉应力。材料承受拉伸载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力，称为抗拉强度。屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。材料承受载荷时，产生屈服现象时的临界应力，称为屈服强度。延伸率：延伸率（δ）是描述材料塑性性能的指标——延伸率δ和截面收缩率ψ。延伸率即试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数：。材料在外力作用下被拉断后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分率，称为伸长率或延伸率。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。蠕变极限：表示材料抵抗蠕变能力大小的指标，一般用规定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应力值表示。疲劳极限：材料能经受“无限”次循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限或持久极限。退火：通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的。淬火：通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。回火：淬火或正火的材料重新加热,可以松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性。正火：在奥氏体状态下的钢铁材料，由空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。热容：通常用摩尔热容表征，表示1mol物质温度升高1K时所吸收的热量，单位：。热膨胀系数：分为线膨胀系数和体积膨胀系数；前者指温度变化1K时材料单位长度的变化量；后者指温度变化1K时材料单位体积的变化量，单位均是：。电阻率：用来表示各种物质电阻特性的物理量。ρ就是电阻率，l为材料的长度，S为面积。材料的电阻大小与材料的长度成正比，而与其截面积成反比。电阻率是反应材料绝缘性能的参数，与材料的截面积成正比，与长度成反比。介电常数：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与介质中电场的比值即为相对介电常数(permittivity，不规范称dielectricconstant)，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。光损耗率：光损耗是指光在光纤中的衰减量,标志着光纤透光程度的大小,其大小影响到光纤传输距离的远近。磁导率：

表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后，产生磁通的阻力或者是其在磁场中导通磁力线的能力，其公式μ=B/H、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。磁导率是衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标，是磁感应强度与磁场强度的比值。材料性能：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。二、简答材料按组成结构分为四种材料：金属材料（钢铁、合金）无机非金属材料（陶瓷，玻璃，水泥）高分子材料（塑料、合成橡胶、合成纤维）复合材料（硼/铝复合材料、石墨/铝复合材料、石墨/镁复合材料、碳化硅/钛复合材料、氧化铝/铝复合材料；氧化铝/铝复合材料、碳化硅/铝复合材料、氧化铝/镍复合材料；碳化硅/铝复合材料、碳化钛/钛复合材料）材料按使用性能分为两种材料：结构材料（水泥材料、高分子材料、钢铁材料、玻璃材料、陶瓷材料、复合材料、有色金属材料）功能材料（超导材料、纳米材料、能源材料、热电材料、生物医学材料、功能陶瓷材料、功能高分子材料）材料性质是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应材料性质主要分为三类：力学性质，物理性质，化学性质材料的力学性质：材料在外应力作用下的行为。力学性质是人类最早认识和学会利用的材料性质，也是材料一系列物理性质的基础。力学性能指标：刚度、硬度、强度、塑性、韧性……材料性能与性质的区别与联系：性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。在材料使用性能（产品）设计的同时，力求改变传统的研究及设计路线，将材料性质同时考虑进去，采取并行设计的方法。材料结构的分类有三种：键合结构，晶体结构，组织结构金属材料的晶体结构有三种：bcc体心立方结构：α-Fe，W，Mo，V，β-Ti等；fcc面心立方结构：γ-Fe，Al，Cu，Ag，Au，Pb等；hcp密排六方结构：Mg，Zn，Be，Cd，α-Ti等材料成分结构的表征方法：现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。有两种：成分分析和结构分析。主要的表征仪器设备：化学分析、物理分析、光谱分析系统；体视显微镜、光学显微镜、电子扫描显微、透射电镜、场离子显微镜、扫描隧道显微镜材料的制备与加工：“制备/合成”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列,在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构、性能的控制，以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程。制备/合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方法。加工可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。主要内容：材料制备、材料加工、表面工程、材料复合材料的失效形式有三种：断裂、磨损、腐蚀根据钢铁中的含碳量，钢铁材料可以分为四种：低碳钢<0.25%、中碳钢0.25%～0.6%、高碳钢0.6%～2.11%、铸铁>2.11%。钢铁材料可以分为含碳量越高，硬度、强度越高，但塑性降低。碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。根据铸铁中的石墨化程度，铸铁可以分为五种：白口铸铁：完全按照相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体形式存在，断口呈银白色。灰口铸铁：其中碳主要以片状石墨形状存在，断口为暗灰色，常见的铸铁件多数是灰口铸铁。可锻铸铁：由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得，其中碳大部分或全部以团状石墨形式存在，由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在，机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。蠕墨铸铁：碳以蠕虫状石墨形式存在，介于片状和球状石墨之间。此外，为了满足一些特殊要求，向铸铁中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蚀、耐热及耐磨等特性的合金铸铁。钢铁典型的热处理方法：退火、淬火、回火、正火结构陶瓷的种类：氧化物结构陶瓷、碳化物结构陶瓷、氮化物结构陶瓷陶瓷材料的相组成：晶体相、玻璃相、气相（气孔）陶瓷材料主要的力学性能：硬度很高、刚度很高、理论强度很高、塑性和韧性较低水泥按用途分为两类：通用水泥、特性水泥；按组成成份分为三系列：硅酸盐水泥（波特兰水泥）、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分：硅酸三钙3CaOSiO2——C3S（）硅酸二钙2CaOSiO2——C2S（）铝酸三钙3CaOAl2O3——C3A（）铁铝酸四4CaOAl2O3Fe2O3——C4AF（）硅酸盐水泥的主要矿物成分对水泥性能的影响：提高C3S()可以提高水泥的强度，得到高强水泥提高C3A()、C3S()，可以得到快硬水泥降低C3A（）和C3S（），提高C2S（），可以得到中低热水泥提高C4AF（），降低C3A（），可以得到道路水泥玻璃：凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。玻璃主要的力学性能特点：理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。硬度高，脆性大。复合材料的有两类：结构复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料、水泥基复合材料；功能复合材料：导电导磁复合材料、阻尼吸声复合材料、屏蔽功能复合材料、摩擦磨损复合材料复合材料的性能特点：比强度和比弹性模量高抗疲劳与断裂安全性能好良好的减震性能良好的高温性能超导材料：在一定温度以下，材料电阻为零，物体内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。这一特定温度称为转变温度、或临界温度Tc。超导材料的两个基本特征：零电阻效应：物质在一特定的温度下没有电阻。零电阻是超导体的基本特征之一，称为零电阻效应。迈斯纳效应：超导态的物质完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部。这一特征称为完全抗磁性或迈斯纳效应。按材料化学组成，超导材料可分为四类：元素超导体、合金超导体、化合物超导体、氧化物超导体纳米材料：纳米材料通常定义为材料的显微结构中，包括颗粒直径、晶粒大小、晶界、厚度等特征尺寸都处于纳米尺寸水平的材料，其性能发生突变的材料。纳米材料的三个特殊效应：表面效应、小尺寸效应、量子效应纳米材料的主要制备方法和工艺：气相冷凝法：其中纳米微粒采用气相冷凝制得。然后再通过压制、烧结等环节制备纳米材料的方法。球磨法：球磨法可以降低粉粒尺寸，固态合金化、混合或融合，以及改变粉粒的形状。球磨法可以制备纳米晶纯金属、不互溶体系的固溶体纳米晶、纳米非晶、纳米金属间化合物以及纳米金属－陶瓷复合材料等。非晶晶化法：先将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜，控制晶化退火时间和温度，使非晶全部或部分晶化，生成尺寸为纳米级的粉粒。溶胶－凝胶法：将易于水解的金属化合物与水溶剂中水发生水解与缩聚反应而逐渐凝胶化，再讲过干燥、烧结等过程，可制得纳米材料。新能源材料：新能源材料指正在发展的，可能支撑新能源体统的建立，满足各种新能源及节能技术所要求的一类材料。新型二次电池材料、燃料电池材料、太阳电池材料、储氢材料……储氢材料：能以物理或化学方法保存氢气而使氢气改变状态的材料。活性碳储氢材料储氢合金无机化合物储氢材料有机液体氢化物储氢材料燃料电池：燃料电池(Fuel

Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池的体系有：碱性、磷酸、熔融碳酸盐、固体氧化物、质子交换膜；磷酸型(PAFC)(第一代)、熔融碳酸盐(MCFC)(第二代)、固体电解质型(SOFC)(第三代)、质子交换膜型(PEMFC)、碱性氢-氧型(AFC)功能陶瓷：功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料。其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等。功能陶瓷的分类有：电子陶瓷、生物陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、超导陶瓷、光学陶瓷；压电陶瓷、光电陶瓷、磁性陶瓷、敏感陶瓷、超导陶瓷、光学陶瓷磁致伸缩现象：有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外电场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩材料有三类：金属合金磁致伸缩材料、铁氧体磁致伸缩材料、稀土金属间化合物磁致伸缩材料按材料属性分类，生物医学材料可以分为：医用金属及合金、生物陶瓷、医用高分子、生物衍生材料、医用复合材料三、问答材料的“四要素”：制备加工，结构成分，性质，使用性能；“四要素”之间的关系：制备与加工提供结构与成分，结构与成分具备材料性质，材料性质产生使用性能；成分结构是合成加工的结果，成分结构是材料性能的原因有色金属主要有四种：铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、镁及镁合金铝及铝合金特点:密度低、比强度高。纯铝的密度为2700kg/m3，约为铁的1/3。优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度。铜及铜合金特点：导电、导热性能好、耐腐蚀等，是抗磁材料。加工性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐摩性高的弹性极限和疲劳强度。色泽美观。钛及钛合金特点：耐腐蚀性高，生物相容性材料，非磁性材料，比重小，比强度高，加工条件复杂，成本较高镁及镁合金特点：比重小：铝的2/3，铁的1/4；比强度高：比铝合金高50MPa，碳钢的2倍；减震性好：阻尼性优于铸铁；抗冲击：优于铝合金和软钢；切削性好：切削力为铝和软钢的1/2；电磁屏蔽优良:可屏蔽频率范围较广；易再生利用：可节约资源、保护环境外载荷与纤维方向一致：假设复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的结合为理想结合，在界面上不产生滑移。则：在外载荷作用下纤维和基体处于等应变状态εc=εf=εm（）复合材料上总力等于纤维和基体受力的和Fc=Ff+Fm（）则：Fc=σcAc=σfAf＋σmAm（）σc=σfVf＋σmV