材料科学与工程的四个基本要素
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
1.3组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素: 材料科学与工程的四个基本要素: 合成与加工, 组成与结构, 性质, 使用性能. 探索这四 合成与加工 , 组成与结构 , 性质 , 使用性能 . 个要素之间的关系(图 0.2), 覆盖从基础学科到工程的全部 个要素之间的关系 图 , 内容.四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这 内容 . 一领域,确定了材料科学基础课程的教学线索. 一领域,确定了材料科学基础课程的教学线索.
组成-结构 性质-工艺过程之间 图0.2组成 结构 性质 工艺过程之间 组成 结构-性质 关系示意图
使用性能
组物理学) 合成与制备过程
材料的性质是指材料对电, 材料的性质是指材料对电,磁,光,热,机械载荷的反 性质是指材料对电 应,主要决定于材料的组成与结构. 主要决定于材料的组成与结构. 使用性能是材料在使用状态下表现的行为, 使用性能是材料在使用状态下表现的行为,它与材料设 是材料在使用状态下表现的行为 工程环境密切相关.实用性能包括可靠性,耐用性, 计 , 工程环境密切相关 . 实用性能包括可靠性, 耐用性 , 寿 命预测及延寿措施等. 命预测及延寿措施等. 合成与制备过程包括传统的冶炼,铸锭,制粉, 合成与制备过程包括传统的冶炼,铸锭,制粉,压力加 过程包括传统的冶炼 工,焊接等,也包括新发展的真空溅射,气相沉积等新工艺, 焊接等,也包括新发展的真空溅射,气相沉积等新工艺, 使人工合成材料如超晶格,薄膜材料成为可能. 使人工合成材料如超晶格,薄膜材料成为可能.
�
支撑材料发展的4个要素
支撑材料发展的4个要素
材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。
因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。
上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。
材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。
抓住了这四个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。
而各种材料，其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。
如果我们这样去认识，则许多长期困扰科技工作者的问题都将迎刃而解。
材料科学与工程四要素之间的关系
材料科学与工程四要素之间的关系英文回答：Materials science and engineering (MSE) encompasses the design, development, and application of materials for a wide range of industries. It involves the study of the structure, properties, and behavior of materials, and how these factors influence their performance in specific applications. MSE is a multidisciplinary field that draws on knowledge from chemistry, physics, mathematics, and engineering.The four elements of MSE are:1. Materials Characterization: This involves using a variety of techniques to determine the structure, composition, and properties of materials. Characterization techniques can be used to identify different phases, defects, and impurities in materials, as well as to measure their mechanical, electrical, thermal, and opticalproperties.2. Materials Processing: This involves the techniques used to produce materials with specific properties. Processing techniques can include casting, forging, rolling, heat treatment, and chemical vapor deposition.3. Materials Design: This involves using knowledge of the structure and properties of materials to design new materials with specific properties. Design techniques can include alloying, doping, and composite materials.4. Materials Applications: This involves usingmaterials in a variety of applications, such as in electronics, energy, transportation, and medicine. Applications engineers must consider the specific requirements of each application when selecting materials.The four elements of MSE are closely interrelated. For example, the characterization of a material's propertiescan inform the design of a new material with improved properties. Similarly, the processing of a material canaffect its structure and properties, which in turn can affect its performance in a specific application.MSE is a rapidly growing field, driven by the need for new materials with improved properties for a wide range of applications. MSE research is focused on developing new materials that are stronger, lighter, more durable, more efficient, and more sustainable.中文回答：材料科学与工程（MSE）涵盖了为广泛的行业设计、开发和应用材料。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构和制备工艺的学科，它是现代工程技术的重要基础。
在材料科学与工程中，有四个重要的要素，它们分别是材料的结构、性能、加工工艺和应用。
这四个要素相互联系、相互影响，构成了材料科学与工程的核心内容。
首先，材料的结构是材料科学与工程的基础。
材料的结构包括原子、晶体、晶粒、晶界、晶粒内部的位错等。
不同的材料结构决定了材料的性能，如金属材料的晶粒大小和形状决定了其力学性能，陶瓷材料的晶粒尺寸和分布决定了其导热性能等。
因此，理解和控制材料的结构对于材料的性能和加工具有重要意义。
其次，材料的性能是材料科学与工程的核心内容之一。
材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、热学性能等。
不同的材料具有不同的性能，如金属材料具有良好的导电性和导热性，陶瓷材料具有良好的耐高温性和耐腐蚀性等。
因此，理解和控制材料的性能对于材料的应用具有重要意义。
再次，材料的加工工艺是材料科学与工程的重要组成部分。
材料的加工工艺包括原料的提取、材料的制备、材料的成型、材料的热处理等。
不同的加工工艺会对材料的结构和性能产生重要影响，如金属材料的热处理会改变其晶粒的尺寸和分布，陶瓷材料的成型工艺会影响其力学性能等。
因此，理解和控制材料的加工工艺对于材料的性能和应用具有重要意义。
最后，材料的应用是材料科学与工程的最终目的。
材料的应用包括材料在工程、制造、生活等方面的应用。
不同的材料具有不同的应用领域，如金属材料广泛应用于汽车、航空、建筑等领域，陶瓷材料广泛应用于电子、化工、医药等领域。
因此，理解和控制材料的应用对于推动工程技术的发展具有重要意义。
综上所述，材料科学与工程的四要素，即材料的结构、性能、加工工艺和应用，相互联系、相互影响，共同构成了材料科学与工程的核心内容。
只有深入理解和掌握这四个要素，才能推动材料科学与工程的发展，促进工程技术的进步。
材料科学与工程的四个基本要素资料
重要性
随着科技的不断发展，新材料的需求和应用越来越广泛，如航空航天、能源、医 疗等领域。
材料科学与工程的发展对于推动科技进步和满足人类需求具有重要意义，是现代 工业和科技发展的重要支柱之一。
02
材料科学与工程的四个基 本要素
结构
1 2
结构决定性质
材料的内部原子或分子的排列方式决定了其物理 和化学性质。例如，金属的晶格结构决定了其导 电性和延展性。
03
材料科学与工程的发展趋 势
高性能材料
高性能材料是指具有优异性能的材料，通常具 有高强度、高硬度、高耐热性等特点，广泛应 用于航空航天、汽车、能源等领域。
高性能材料的研发和应用对于提高产品性能、 降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。
当前，高性能材料的研发正朝着复合化、多功 能化的方向发展，如碳纤维复合材料、钛合金 等。
相与晶体结构
材料可以由一种或多种相组成，相与相之间的界 面结构和性质对材料的整体性能有重要影响。
3
非晶体与晶体
非晶体材料如玻璃和陶瓷，其原子或分子无序排 列，而晶体材料则有序排列，两者在性质上有显 著差异。
性质
物理性质
如密度、电导率、热导率、磁导率等，这些性质 决定了材料在特定应用中的性能。
化学性质
对未来的展望
可持续发展
01
随着环保意识的提高，未来材料科学与工程将更加注重可持续
发展和绿色制造。
新材料与新技术的研发
02
未来将不断涌现出新型材料和制造技术，为各领域的发展提供
更多可能性。
智能化与复合化
03
材料科学与工程将与信息技术、生物技术等交叉融合，实现材
料的智能化和复合化。
THANKS
0208-材料科学与工程学科的“四要素”
0208-材料科学与⼯程学科的“四要素”材料科学与⼯程学科的“四要素”------兼顾说明组织、结构的认识邓安华认为，组织、结构是两个不同的概念。
陈明彪提到了在英语著述中，组织、结构的表述使⽤了同⼀个词：structure (结构)；并且分别从组成材料的原⼦结构( structure 或architecture)、原⼦排列结构、晶粒及晶界结构组成相及其结构进⾏表述。
这显然不够简明，⽽且不如中⽂著作中使⽤“结构”(指原⼦结构或原⼦的组合结构)和“组织”(指材料组织状态)这两个不等同的概念更⽅便和合乎逻辑。
这⾥，两位特别关注了“组织、结构”的专业⼈⼠认为组织、结构是不同的；但是，⼀个认为是“不同的概念”，⼀个认为是在使⽤过程中“更⽅便和合乎逻辑”。
这两个认识虽然都认可了“组织”、“结构”的中⽂提法，但是，却是本质上的不同，⽽不是“细节上有所差异”。
我个⼈倾向于陈明彪的认识，只是需要明确的是：组织、结构在这⾥是⼀回事；之所以在不同的地⽅使⽤“组织”或者“结构”，确实是与观察的对象的尺度范围有关。
当跨越原⼦级别后，更多的采⽤“结构”的说法。
对于这⼀概念的认识，我个⼈的来源是源于⼯作中的⼀位同事兼导师。
他曾经问过我⼀个问题：我们平时总说的“⾦相组织”到底是什么？电镜观察的事物是不是“⾦相组织”？最初，我有些懵，感觉有些不好回答。
我的导师最后说明：从本质上讲，所观察到的都可以称之为“组织”；仅仅因为技术⼿段不同，分辨能⼒、表述形式上有所差异。
在《Introduction to Structures in Metals》（Metallography and Microstructures, Vol 9, ASM Handbook, ASM International, 2004, p. 23–28）中对于structure (结构)的表述，也体现了这⼀内涵。
英语著述中的structure (结构)，涵盖了整个实际、可能的从宏观、到现有技术⼿段可以达到的最微⼩的尺度范围内的。
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素
材料科学与工程是一门研究材料的科学、技术和工程的多学科交叉学科，也是一门关乎工业发展的重要学科。
它涉及的内容包括四要素：材料结构、力学性能、化学性能和工艺性能。
首先，材料结构是材料科学与工程中最基础的要素。
它既涉及材料的组成元素，也涉及各种材料的结构构造，尤其是各种复杂结构的材料，例如金属材料、金属氧化物、多层结构等。
其次，力学性能是材料科学与工程中非常重要的要素。
它涉及材料的强度、刚度、塑性、疲劳性能以及其他力学性能等。
在这一要素中，我们可以研究普通的材料，也可以研究复杂的金属材料、纳米材料或高分子材料等。
第三，化学性能是材料科学与工程中重要的要素。
它涉及材料的耐腐蚀性、物理-化学反应性、表面活性等等。
化学性能要求材料具有良好的耐热性、耐腐蚀性以及其他特殊性能。
最后，工艺性能是材料科学与工程中重要的要素，它涉及材料的成型性能、加工性能、焊接性能等等。
这些工艺性能要求材料可以在各种工艺条件下满足实用要求，也要求材料可以承受成型过程中的温度、压力、冲击等。
材料导论第十章 材料科学与工程的四个基本要素
电负性与元素周期表
电负性与键性的关系
• 电负性小的原子结合形成金属键； • 电负性大的原子结合形成共价键； • 电负性相差大的原子结合形成离子键； • 电负性相差小的原子结合形成共价键和离子键的
混合键。
2.2.2 材料中的化学键
• 金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力 特征： 1. 电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动 2. 无方向性和饱和性 3. 强度高(稍低于共价键或离子键，25-200 kcal/mol) 4. 在低电负性的原子之间形成
还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300－2500，分子量2－16万
材料的相组成
• 金属：单相材料
• 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔 多相材料。
• 水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF • 玻璃：单相材料
多相材料。
• 高分子：单相材料
• 复合材料：多相材料
2.2 材料的结构
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷、 官能团结构等内涵。
• 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多 种。
• 金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自 矿物。 在118种元素中，惰性元素7种 非金属元素 17 种 金属元素 94 种
地壳中的矿物组成：
单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag 、Au、 Pt、Bi、Sb、C、S
材料原子间结合能与热膨胀系数之间的关系
• 材料的热膨胀系数（CTE）定义为 =(1/L)(dL/dT), 即材料在给定方向上的尺度L 随温度T 的升高而增加，其反映了材料尺寸随温度的变化。该宏观性质也与材料原 子间的键强有关。
• 材料中原子间结合能和原子间距的曲线形状反映了化学键的强度，进而反映了材料 热膨胀系数的大小。曲线越陡峭，最小值越低，其线性热膨胀系数越小。
材料导论材料科学与工程的四个基本要素
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
2.1.1 材料科学的形成
“材料科学”概念的提出只是20世纪50 年代末到60年代初的事情。
卫星上天引发的震动
1957年，前苏联人造卫星首先上天，
对美国人触动很大。1957年10月和11月，
苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和
把四大要素连接在一起，就形成一个四面体。该四面体模型较好 地描述了作为一个整体的材料科学与工程的内涵和特点，反映了材料 科学与工程研究中的共性问题。因此，抓住了材料科学与工程的四个 要素，就抓住了材料科学与工程的本质。
10
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
1）材料的结构与成分 每个特定的材料都具科学的形成奠定了重要的理论基础； 而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料 的物理化学性质的理解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、 高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大 大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间 的相互关系的研究也越来越深入。 2）不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成
1966年，美国麻省理工学院将“冶金系”改为“冶金 与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程 系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一 个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。
2
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
科技发展的必然结果
1） 20世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学
4
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
材料科学的形成
■ 材料科学的提出－20世纪60年代初 “材料”早以存在 1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继
材料导论--第二章--材料科学与工程的四个基本要素
□ 多学科交叉 □ 密切结合实际应用 □ 发展中的学科
5
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
2.1.2 材料科学与工程的形成
材料科学的核心内容，在于研究材料的成分、组织结构与 性能的关系，具有科学的性质，其目的是解决“为什么”。
材料工程的核心内容，在于研究材料在制备、成形、处理 和加工过程中的工艺技术问题，其目的是解决“怎样做”。
面上会发生突变，但有界面分开的不一定都是两相，例 如，如果材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的， 尽管各晶粒之间有晶界隔开，但它们仍属于同一种相。
21
§2.2 材料的结构与性能
●组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。 在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各
组成相形态、尺寸及分布的图像。
●材料的使用依赖于材料的性 能，而其性能都是由其化学组 成和结构决定的。 ●只有从微观上了解材料的组 成、结构与性能的关系，才能 有效地选择制备和使用材料。
17
§2.2 材料的结构与性能
材料的结构
键合结构 晶体结构
组织结构
定义: 组成材料的原子或分子之间的空间分布。 材料的结构决定材料的性能。
内涵：包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。
在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都 已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间 可以相互借鉴，促使了该学科的发展。
3
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
3）不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料 科学的形成
虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段， 但它们在许多方面是相同或相近的。
11
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵 材料的结构层次
1.3组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素： 材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、 组成与结构、 性质、 使用性能。 探索这四 合成与加工 、 组成与结构 、 性质 、 使用性能 。 个要素之间的关系(图 0.2)， 覆盖从基础学科到工程的全部 个要素之间的关系 图 ， 内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这 内容 。 一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。 一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。
组成-结构 性质-工艺过程之间 图0.2组成 结构 性质 工艺过程之间 组成 结构-性质 关系示意图
使用性能
组 成 与 结 构
（工程） 工程） 性质 （化学） 化学） （物理学性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反 性质是指材料对电 应，主要决定于材料的组成与结构。 主要决定于材料的组成与结构。 使用性能是材料在使用状态下表现的行为， 使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设 是材料在使用状态下表现的行为 工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、 计 、 工程环境密切相关 。 实用性能包括可靠性、 耐用性 、 寿 命预测及延寿措施等。 命预测及延寿措施等。 合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、 合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加 过程包括传统的冶炼 工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺， 焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺， 使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。 使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
材料科学与工程的四要素
30
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
传统方式： 结构与功能 确定材料的性质 （选择材料）
先进方式：结构与功能 材料的性质
完成设计
31
例
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
汽车喷油嘴的设计--方案一
强度：材料抵抗外应力的能力。 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。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或
破裂的能力。 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。
5
2.1.1基础内容
结构材料性材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏的能力。
抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。
2.1.1基础内容
15
材料力学性能
5. 疲劳强度表征： 疲劳极限 疲劳寿命 ……
2.1.1基础内容
16
材料力学性能
6. 抗蠕变性表征： 蠕变极限 持久强度 ……
2.1.1基础内容
17
材料力学性能
7. 韧性表征： 断裂韧性 KIC 断裂韧性 JIC
2.1.1基础内容
18
材料物理性能
1. 电学性能表征： 导电率 电阻率 介电常数 ……
2. 性质与使用性能的区别与关系
环境
成分
使用
性质
结构
性能
规范
所以，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。
23
2.1.2性质与性能的区别与关系
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。
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
第二章 材料科学与工程的四个基本要素 MSE 四要素；– 使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容;– 仪器与设备，分析与建模§2。
1 性质与使用性能 1。
基础概念2。
性质与性能的区别与关系 3。
材料的失效分析4. 材料（产品）使用性能的设计5. 材料性能数据库6. 其它问题2。
1。
1基础内容 材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热。
机械载荷的应。
材料性质描述• 力学性质;强度,硬度,刚度，塑性,韧性物理性质;电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质 化学性质；催化性质，防化性质结构材料性质的表征——-—材料力学性质 强度:材料抵抗外应力的能力.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。
硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。
刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。
疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力.抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。
韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力.6强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应 变2.1.1基础内容7材料的物理性质磁学性质光学性质电学性质· 导电性 · 绝缘性 · 介电性· 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性· 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性热学性质· 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容物理性质的交互性———-材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特 殊的物理交互性。
例如: 电学———-机械电致伸缩 机械————电学压电特性 磁学————机械磁致伸缩 电学————磁学巨磁阻效应 电学——-—光学电致发光 性能定义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。
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础 Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
大连理工大学 材料科学导论 第二章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础答案
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．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。
（√）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（√）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（错）4．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。
（√）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（错）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（√）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（错）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（√）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（错）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（√）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？答：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。
2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？答：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。
材料科学与工程的四要素及其关系
材料科学与工程的四要素及其关系
材料科学与工程的四要素及其关系
一、四要素
材料科学与工程是一个复杂的系统，主要包括以下四要素：
（1）基础科学：指材料科学的基础知识，如物理、化学、力学、数学等;
（2）材料科学：指研究材料特性的学科，如结构材料、新能源材料、纳米材料等;
（3）材料工程：指设计、制造、运用各种材料的技术;
（4）材料应用：指将材料用于各种实际应用的学科，如能源技术、动力学技术、电子技术、生物技术等。
二、四要素之间的关系
四要素之间的关系如下：
（1）基础科学作为材料科学的基石，是材料科学与工程的基础。
它对于材料科学和材料工程的发展起到不可替代的作用。
（2）材料科学则是以基础科学为基础的一门学科，它主要研究不同材料的性能及其影响因素，同时也对材料工程的研究与开发提供了理论支持。
（3）材料工程是以材料科学为基础的应用学科，它负责设计、制造、运用各种材料，使其能够满足工程需要。
（4）材料应用是将材料好好投入工程应用的学科，它是材料科学、材料工程及其他专业知识的具体应用，致力于推动技术的创新与
进步。
总之，四要素之间的关系，分别是：基础科学支撑材料科学，材料科学支撑材料工程，材料工程支撑材料应用，材料应用促进技术创新与进步。
支撑材料研究的四个关键要素
材料"四要素"
材料科学与工程的四个基本要素
合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。
四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。
组成与结构∶组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。
习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构，这两者统称为结构。
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。
合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。
使用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。
材料的性质
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
如何描述材料的性质?
力学性质∶强度、硬度、刚度、塑性、韧性
物理性质∶电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质
化学性质∶催化性质、腐蚀性质。
材料科学与工程的四个基本要素
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10 个空共10 分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、和2．材料性质的表述包括、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、和比例界限等来表征。
4．三类主要的材料力学失效形式分别是：、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、和准晶体。
7．化学分析、物理分析和是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有、加工强化、弥散强化、和相变增韧。
第二部分判断题（10 题共20 分，每题 2 分）1．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。
（）2．疲劳强度材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（）4．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。
（）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（）第三部分简答题（ 4 题共40分，每题10 分）1．材料性能的定义是什么？2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？3．流变成型包括哪几个方面？4．材料改性的目的和内容是什么？第四部分论述题（ 2 题共30分，每题15 分）1．材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？它们使用于哪些范围？2．加工与合成的定义和主要内容是什么？以及它们的关系是什么？发展方向是什么？作业第一部分填空题（10 题共10 分，每题 1 分）1．材料的物理性质表述为、磁学性质、和热学性质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、和。
2．材料性质的表述包括、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、和比例界限等来表征。
4．三类主要的材料力学失效形式分别是：、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、和准晶体。
7．化学分析、物理分析和是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有、加工强化、弥散强化、和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．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。
（）2．疲劳强度材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（）4．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。
（）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？3．流变成型包括哪几个方面？4．材料改性的目的和内容是什么？第四部分论述题（2题共30分，每题15分）1．材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？它们使用于哪些范围？2．加工与合成的定义和主要内容是什么？以及它们的关系是什么？发展方向是什么？作业二第一部分填空题（10题共10分，每题1分）1．材料的物理性质表述为、磁学性质、和热学性质。
2．材料的硬度表征为、洛氏硬度和维氏硬度等。
3．材料的化学性质主要表现为和。
4．、熔炼与凝固、粉末烧结和是四种主要的材料制备方法。
5．如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种：液态成型、和流变成型。
6．金属材料的改性包括以及材料的热处理7．典型热处理工艺有、退火、回火和正火。
第二部分选择题（5题共10分，每题2分）1．分析材料的相组成你会选取何种测试手段（）A 扫描电镜 B透射电镜 C 红外吸收光谱2．分析各相之间的位相关系选取何种测试手段（）A红外吸收光谱 B X射线衍射 C 扫描电镜3．进行断口形貌观察最好用何种仪器（）A 扫描电镜 B透射电镜 C X射线衍射 D 红外吸收光谱4．观察原子结构采用何种仪器（）A光学显微镜 B隧道扫描线微镜 C 扫描电镜 D 红外吸收光谱５．下列仪器中分辨率最高的是（）A 体式显微镜 B光学显微镜 C 隧道扫描线微镜 D 电子扫描显微镜第三部分判断题（10题共10分，每题1分）1．材料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。
（）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（）3．韧性指材料从塑性变形到断裂全过程中吸收的能量。
（）4．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。
（）5．准晶体的特点是原子排列长程有序，有周期。
（）6．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。
（）7．热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的组织组成的情况，达到改变材料性能的方法。
（）8．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。
（）9．正火是在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，降低韧性。
（）10．材料表面工程有：表面改性、表面防护和薄膜技术。
（）第四部分简答题（4题共40分，每题10分）1．从事材料工程的人们为什么必须注重材料性能数据库。
2．什么是材料的组织组成。
3．“材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。
表现在哪三个方面。
4．新型材料设计的内容。
第五部分论述题（2题共30分，每题15分）1．材料科学与工程的四要素是什么，它们之间的关系如何？2．你认为材料工作者需要具备什么样的条件？你认为哪些方面是新技术新材料的代表？一、名词解释（6题共30分，每题5分）(1).晶体：(2).硬度：(3).疲劳强度：(4).材料组织：(5).韧性：(6).材料的“合金化”：二、填空题（10个空共10分，每空1分）(1).固体中的结合键可以分为（）种，它们是（）、离子键、（）、共价键。
(2).共晶反应式为：( )，共晶反应的特点为：()。
(3).材料力学性能的硬度表征：布氏硬度、()、维氏硬度等。
(4).马氏体的显微组织形态主要有：（）、（）两种。
其中（）的韧性较好(5).液态金属结晶时，结晶过程的推动力是：（）。
三、是非题（5题共10分，每题2分）(1).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。
(2).一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由三相组成。
(3).三束表面改性是指：激光束、电子束、离子束(4).材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
(5).不论含碳量的高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。
）四、选择题（5题共10分，每题2分）(1).决定晶体结构和性能最本质的因素是：a. 原子间的结合能 b.原子间的距离 c.原子的大小。
(2).固溶体的晶体结构： a.与溶剂相同b.与溶质相同.c.为其它晶型(3).材料的刚度和有关：a.弹性模量 b屈服强度 c抗拉强度(4).间隙相的性能特点是：a.熔点高，硬度低；b 硬度高，熔点低c 硬度高、熔点高(5).珠光体是一种：a.单相固溶体 b 两相混合物 c. Fe和C的化合物五、简答题（4题共20分，每题5分）(1).何为粉末烧结？影响烧结的因素有哪些？(2).简述纤维增强复合材料的机理。
(3).简述从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库。
(4).简述材料设计的主要内容六、综合分析题（2题共20分，每题10分）(1).材料的四大要素是什么？叙述材料四大要素之间的关系。
(2).试述材料的强韧化的主要方法及其各自原理。
一、名词解释（6题共30分，每题5分）(1).塑性：(2).刚度：(3).抗蠕变性：(4).马氏体：(5).断裂韧性：(6).材料的热处理：二、填空题（10个空共10分，每空1分）(1).材料的物理性质主要包括：( )、磁学性质、( )、热学性质等(2).三类主要的材料力学失效形式：( )、( )、腐蚀。
(3).材料物理性能的电学性能表征有：（）、（）、介电常数等。
(4).三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。
如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种：（）、（）、流变成型。
(5).三束表面改性是指：（）、（）、离子束等。
三、是非题（5题共10分，每题2分）(1).结构材料是指工程上要求机械性能的材料。
（）(2).表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心部的组织和性能。
（）(3).材料的加工与合成主要内容包括材料制备、材料加工、表面工程、材料复合。
（）(4).有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是：物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD。
（）(5).合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。
（）四、选择题（5题共10分，每题2分）(1).晶体中的位错属于：a.体缺陷.b面缺陷.c.线缺陷（）(2).奥氏体是：a.碳在γ-Fe中的间隙固溶体；b. 碳在α-Fe中的间隙固溶体c. 碳在β-Fe中的间隙固溶体（）(3).在发生L→α+β共晶反应时，三相的成分：a. 确定b.相同c.不定（）(4).设计纤维复合材料时，对于韧性较低的基体，纤维的膨胀系数可（）；对于塑性较好的基体，纤维的膨胀系数可（）a.略低 b相差很大 c略高 d相同五、简答题（4题共20分，每题5分）(1).何为复合材料？简述材料复合的目的。
(2).简述性质与性能的关系和区别。
(3).简述材料的加工的主要范畴(4).简述材料改性的目的以及其主要内容六、综合分析题（2题共20分，每题10分）(1).材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？(2).试述材料热处理的常见工艺及其目的。