大連理工大學(xué)-材料科學(xué)導(dǎo)論-第二章-材料“四要素”是材料研究與應(yīng)用的共性基礎(chǔ)答案

第二章材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素作業(yè)一第一部分填空題（10個(gè)空共10分，每空一分）材料科學(xué)與工程有四個(gè)基本要素，它們分別是：使用性能、材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與成份和合成與加工。材料性質(zhì)的表述包括力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。強(qiáng)度可以用彈性極限、屈服強(qiáng)度和比例極限等來表征。結(jié)構(gòu)材料三類主要的失效形式分別是：斷裂、磨損和腐蝕。材料的結(jié)構(gòu)包括鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)有三種形式，它們分別是：晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體。化學(xué)分析、物理分析和譜學(xué)分析是材料成分分析的三種基本方法。材料的強(qiáng)韌化手段主要有固溶強(qiáng)化、加工強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化和相變?cè)鲰g。第二部分判斷題（10題共20分，每題2分）材料性質(zhì)是功能特性和效用的描述符，是材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。（√）疲勞強(qiáng)度是材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力。（√）硬度是指材料在表面上的大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。（錯(cuò)）性能是包括材料在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。（√）晶體是指原子排列短程有序，有周期。（錯(cuò)）材料的熱處理是指通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達(dá)到改變材料性能的方法。（√）材料表面工程包括表面改性和表面保護(hù)兩個(gè)方面。（錯(cuò)）材料復(fù)合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。（√）材料合成與加工過程是在一個(gè)不限定的空間，在給定的條件下進(jìn)行的。（錯(cuò)）材料中裂紋的形成和擴(kuò)展的研究是微觀斷裂力學(xué)的核心問題。（√）第三部分簡(jiǎn)答題（4題共40分，每題10分）材料性能的定義是什么？答：在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量。金屬材料的尺寸減小到一定值時(shí)，材料的工程強(qiáng)度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪兩點(diǎn)？答：1）按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算單位面積上的位錯(cuò)缺陷數(shù)目，由于截面減小而不能滿足大樣本空間時(shí)，這個(gè)數(shù)值不再恒定；2）晶體結(jié)構(gòu)越來越接近無缺陷理想晶體，強(qiáng)度值也就越接近于理論強(qiáng)度值。流變成型包括哪幾個(gè)方面？答：金屬的半固態(tài)成型、高分子材料的熔融成型、陶瓷泥料、漿料成型和玻璃的熔融澆注。材料改性的目的和內(nèi)容是什么？答：目的：通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)來改變材料的性能。內(nèi)容:１.材料的“合金化”2.材料的熱處理第四部分論述題（2題共30分，每題15分）材料的成分和結(jié)構(gòu)主要的測(cè)試手段有哪些？它們使用于哪些范圍？答：加工與合成的定義和主要內(nèi)容是什么？以及它們的關(guān)系是什么？發(fā)展方向是什么？答：“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料與元件的演化過程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方法。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。提高材料合成與加工的技術(shù)水平是我們的最重要的課題。作業(yè)二第一部分填空題（10題共10分，每題1分）材料的物理性質(zhì)表述為電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。材料的硬度表征為布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。材料的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為催化性質(zhì)和防化性質(zhì)。冶金過程、熔煉與凝固、粉末燒結(jié)和高分子聚合是四種主要的材料制備方法。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：液態(tài)成型、塑變成型和流變成型。金屬材料的改性包括材料的合金化以及材料的熱處理。典型熱處理工藝有淬火、退火、回火和正火。第二部分選擇題（5題共10分，每題2分）分析材料的相組成你會(huì)選取何種測(cè)試手段？（B）A掃描電鏡B透射電鏡C紅外吸收光譜2．分析各相之間的位相關(guān)系選取何種測(cè)試手段？（B）A紅外吸收光譜BX射線衍射C掃描電鏡3．進(jìn)行斷口形貌觀察最好用何種儀器？（A）A掃描電鏡B透射電鏡CX射線衍射D紅外吸收光譜4．觀察原子結(jié)構(gòu)采用何種儀器？（Ｂ）A光學(xué)顯微鏡B隧道掃描線微鏡C掃描電鏡D紅外吸收光譜５．下列儀器中分辨率最高的是（Ｃ）。A體式顯微鏡B光學(xué)顯微鏡C隧道掃描線微鏡D電子掃描顯微鏡第三部分判斷題（10題共10分，每題1分）材料性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個(gè)漸變過程，在這個(gè)過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性；當(dāng)量變達(dá)到一個(gè)“度”時(shí)，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。（√）疲勞強(qiáng)度是材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力。（√）韌性指材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收的能量。（錯(cuò)）在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的同時(shí)，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)路線，將材料性質(zhì)同時(shí)考慮進(jìn)去，采取并行設(shè)計(jì)的方法。（√）準(zhǔn)晶體的特點(diǎn)是原子排列長(zhǎng)程有序，有周期。（錯(cuò)）現(xiàn)代材料科學(xué)家對(duì)材料成分、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是由分析、檢測(cè)獲得的。（√）熱處理是指通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的組織組成的情況，達(dá)到改變材料性能的方法。（錯(cuò)）淬火通過快速冷卻，獲得遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。（√）正火是在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護(hù)氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，降低韌性。（錯(cuò)）材料表面工程有：表面改性、表面防護(hù)和薄膜技術(shù)。（√）第四部分簡(jiǎn)答題（4題共40分，每題10分）1．從事材料工程的人們?yōu)槭裁幢仨氉⒅夭牧闲阅軘?shù)據(jù)庫。答：材料性能數(shù)據(jù)庫是材料選擇的先決條件；材料性能數(shù)據(jù)庫是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助選材（CAMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)2．什么是材料的組織組成。答：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征。3．“材料設(shè)計(jì)”構(gòu)想始于50年代，80年代后實(shí)現(xiàn)“材料設(shè)計(jì)”的條件漸趨成熟。表現(xiàn)在哪三個(gè)方面。答：1）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展2）計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展3）合成與加工新技術(shù)的涌現(xiàn)。4．新型材料設(shè)計(jì)的內(nèi)容。成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性質(zhì)性能預(yù)測(cè)合成加工過程的控制與優(yōu)化。第五部分論述題（2題共30分，每題15分）材料科學(xué)與工程的四要素是什么，它們之間的關(guān)系如何？使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工提供合成與加工提供合成與加工結(jié)構(gòu)與成分材料性質(zhì)使用性能具備產(chǎn)生你認(rèn)為材料工作者需要具備什么樣的條件？你認(rèn)為哪些方面是新技術(shù)新材料的代表？答：在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，材料人員應(yīng)具備這樣一種能力：能針對(duì)不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料。準(zhǔn)晶、納米材料和界面科學(xué)等是新的研究課題，都主要是圍繞成分與結(jié)構(gòu)展開的，向上追溯到材料的合成與加工，向下則牽聯(lián)到材料的特征性質(zhì)?？梢哉f，這些研究是新材料新技術(shù)的代表。作業(yè)三名詞解釋（6題共30分，每題5分）晶體：原子在空間呈有規(guī)則的周期性的重復(fù)排列。硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。疲勞強(qiáng)度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力。材料組織：材料的組織是對(duì)材料的類型、形狀、數(shù)量、大小、分布等特征的描述，特征相同的部分歸為一種組織組成物。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。材料的“合金化”：通過改變材料的成分，達(dá)到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。填空題（10個(gè)空共10分，每空1分）固體中的結(jié)合鍵可以分為（4）種，它們是（金屬鍵）、離子鍵、（分子鍵）、共價(jià)鍵。共晶反應(yīng)式為：(L→α+β)，共晶反應(yīng)的特點(diǎn)為：(一個(gè)液相生成兩個(gè)固相)。材料力學(xué)性能的硬度表征：布氏硬度、(洛氏硬度)、維氏硬度等。馬氏體的顯微組織形態(tài)主要有：（板條馬氏體）、（片狀馬氏體）兩種。其中（板條馬氏體）的韌性較好液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶過程的推動(dòng)力是：（液相和固相之間存在過冷度）。是非題（5題共10分，每題2分）材料性質(zhì)是功能特性和效用的描述符，是材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。

（

√）一個(gè)合金的室溫組織為α+βⅡ+（α+β），它由三相組成。（×）三束表面改性是指：激光束、電子束、離子束。（

√）材料中裂紋的形成和擴(kuò)展的研究是微觀斷裂力學(xué)的核心問題。（

√）不論含碳量的高低，馬氏體的硬度都很高，脆性都很大。（×）選擇題（5題共10分，每題2分）決定晶體結(jié)構(gòu)和性能最本質(zhì)的因素是：a.原子間的結(jié)合能b.原子間的距離c.原子的大小。（a）固溶體的晶體結(jié)構(gòu)：（a）a.與溶劑相同b.與溶質(zhì)相同.c.為其它晶型材料的剛度和（a）有關(guān)：a.彈性模量b屈服強(qiáng)度c抗拉強(qiáng)度間隙相的性能特點(diǎn)是：a.熔點(diǎn)高，硬度低；b硬度高，熔點(diǎn)低c硬度高、熔點(diǎn)高（c）珠光體是一種：a.單相固溶體b兩相混合物c.Fe和C的化合物（b）簡(jiǎn)答題（4題共20分，每題5分）何為粉末燒結(jié)？影響燒結(jié)的因素有哪些？燒結(jié)是陶瓷何粉末冶金工藝中最重要的工序。所謂燒結(jié)就是指在高溫作用下，坯體發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，由松散狀態(tài)逐漸密化，且機(jī)械強(qiáng)度大大提高的過程。影響燒結(jié)的因素有很多，如坯體的初始密度、物相組成、燒結(jié)氣氛、壓力以及添加劑等。簡(jiǎn)述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)理。纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高的原因是：纖維尺寸小強(qiáng)度高韌性改善，纖維表面受基體保護(hù)，基體有止裂作用，斷裂時(shí)纖維拔出要克服粘結(jié)力，以及纖維處于三向受力狀態(tài)等。簡(jiǎn)述從事材料工程的人們必須注重材料性能數(shù)據(jù)庫。材料性能數(shù)據(jù)庫是材料選擇的先決條件；材料性能數(shù)據(jù)庫是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助選材（CAMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)述材料設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容材料設(shè)計(jì)貫穿于材料“四要素”的各個(gè)方面，即：成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性質(zhì)性能預(yù)測(cè)合成加工過程的控制與優(yōu)化綜合分析題（2題共20分，每題10分）材料的四大要素是什么？敘述材料四大要素之間的關(guān)系。提示：材料四要素：使用性能、材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工關(guān)系：略試述材料的強(qiáng)韌化的主要方法及其各自原理。提示：固溶強(qiáng)化、加工硬化、彌散強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、相變?cè)鲰g原理：略作業(yè)四名詞解釋（6題共30分，每題5分）塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。剛度：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力?？谷渥冃裕翰牧显诤愣☉?yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。馬氏體：碳在α-Fe的過飽和固溶體。斷裂韌性：工程上使用的各種材料，本身不可避免地存在著微裂紋，在應(yīng)力的作用下，這些裂紋進(jìn)行擴(kuò)展，一旦達(dá)到失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷。材料的熱處理：通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達(dá)到改變材料性能的方法。填空題（10個(gè)空共10分，每空1分）材料的物理性質(zhì)主要包括：(電學(xué)性質(zhì))、磁學(xué)性質(zhì)、(光學(xué)性質(zhì))、熱學(xué)性質(zhì)等。結(jié)構(gòu)材料三類主要的失效形式：(斷裂)、(磨損)、腐蝕。材料物理性能的電學(xué)性能表征有：（導(dǎo)電率）、（電阻率）、介電常數(shù)等。三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：（液態(tài)成型）、（塑變成型）、流變成型。三束表面改性是指：（激光束）、（電子束）、離子束等。是非題（5題共10分，每題2分）結(jié)構(gòu)材料是指工程上要求機(jī)械性能的材料。（×）表面淬火既能改變鋼的表面化學(xué)成分，也能改善心部的組織和性能。（×）材料的加工與合成主要內(nèi)容包括材料制備、材料加工、表面工程、材料復(fù)合。（√）有許多種薄膜技術(shù)能夠在基材表面覆蓋薄膜材料層，其中最重要的兩種方法是：物理氣相沉積PVD和化學(xué)氣相沉積CVD。（√）合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)化效果主要是固溶強(qiáng)化。（×）選擇題（5題共10分，每題2分）晶體中的位錯(cuò)屬于：a.體缺陷.b面缺陷.c.線缺陷（c）奧氏體是：a.碳在γ-Fe中的間隙固溶體；b.碳在α-Fe中的間隙固溶體c.碳在β-Fe中的間隙固溶體（a）在發(fā)生L→α+β共晶反應(yīng)時(shí)，三相的成分：a.確定b.相同c.不定（a）設(shè)計(jì)纖維復(fù)合材料時(shí)，對(duì)于韌性較低的基體，纖維的膨脹系數(shù)可（a）；對(duì)于塑性較好的基體，纖維的膨脹系數(shù)可（c）略低b相差很大c略高d相同簡(jiǎn)答題（4題共20分，每題5分）何為復(fù)合材料？簡(jiǎn)述材料復(fù)合的目的。復(fù)合材料為由兩種以上不同性質(zhì)的材料組成的多相固體材料，具有其組成材料所沒有的優(yōu)越性能，材料復(fù)合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)作用的原則，進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)與制備。因此材料復(fù)合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。簡(jiǎn)述性質(zhì)與性能的關(guān)系和區(qū)別。材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。使用性能：是指材料在最終使用狀態(tài)（產(chǎn)品、元件）下表現(xiàn)出的行為。性能是包括材料在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。簡(jiǎn)述材料的加工的主要范疇傳統(tǒng)意義上，材料的加工范疇包括四個(gè)方面：材料的切削：車、銑、刨、磨、切、鉆材料的成型