材料科学研究方法 江苏大学

2013材料科学与研究方法复习题一、名词解释(5题，15%)材料、材料是指具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。

材料科学与工程、材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程科学。

移植法、指讲某学科的原理，方法或技术等应用于研究和解决同一学科内的分支科学或其他学科和技术或方法问题，又称转域创造法。

原型启发法、对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明的。

起启发作用的事物称为原型耗散结构、指从环境中输入能量或（和）物质，使系统转变为新型的有序状态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和)物质来维持。

蠕变是指金属在恒定应力作用下，随着时间的延长发生的缓慢而持续的形变( 非弹性变形).超塑性、材料在特定的组织状态(如超细晶或复合材料) ，在一定温度和形变速率下表现出极高塑性的现象。

仿生学、指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象，从材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和制造先进复合材料材料设计、是依据积累的经验，归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科学多尺度材料模型、一般是由三个不同尺度的模型组成，即连续介质和介观层次，微观层次及原子层次材料模型。

材料设计专家系统、具有相当数量的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统有限元法、有限元的基本思想是将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，以单元节点的位移或结点力作为基本未知量求解。

物理模型、对具有相同物理本质特征事物的抽象。

在工程技术中，就是利用物理模型模拟实际系统的行为和过程的方法。

数值模拟、数值模拟是以实际系统和模型之间数学方程式的相似性为基础的分子动力学方法、一种确定性方法，跟踪每个粒子的运动。

求解所有粒子的运动方程，模拟原子的路径相关的基本过程。

细晶强化、由于晶界两侧晶粒的取向不同，多晶体晶粒中的位错滑移除了要克服晶格阻力、滑移面上杂质原子对位错的阻力外，还要克服晶界的阻力，由此产生的强化称为～。

晶粒愈小，晶界就相对愈多，晶界阻力也愈大，强度越高。

回火、将淬火后的钢/铁，在AC1以下加热、保温后冷却下来的金属热处理工艺。

调质处理、淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

时效强化、合金经固溶处理后，获得过饱和固溶体，在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度，硬度提高以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效强化。

GP区、GP区为溶质原子（如Cu）的富集区，其晶体结构与基体相同，溶质原子集中在Al晶格的{100} 面上。

有序结构、物体内部质点在空间呈某种有序排布的结构，具有空间周期性。

但较常被用于专指“超结构”。

如晶体，有序固溶体Cu3 Au。

无序结构,当两种(或两种以上)原子或离子在晶体结构中占据某种位置时，如果它们相互间的分布是任意的,即它们占据任何一个该种位置的几率都是相同的，则这种结构称为无序结构。

如非晶态固体，气体，液体。

二、简答题(5题，15%)1,简要叙述材料可以分为几大类，各大类又可分为哪几种。

根据材料的化学组成可将材料分为金属材料，无机非金属材料，高分子材料和复合材料四大类。

金属材料可分为黑色金属和有色金属两大类。

无机非金属材料分为天然无机非金属材料，硅酸盐材料和新型硅酸盐材料三大类。

高分子材料分为天然高分子材料和合成高分子材料。

2,材料发展可以分为哪几个时代。

古代材料发展：石器时代，青铜器时代，铁器时代。

近代材料发展史。

3,简述材料的近代发展史。

第一次技术革命18世纪后期，以蒸汽机的发明为主要标志，促进了钢铁材料发展。

第二次技术革命19世纪末，以电的发明为标志，促进了无机材料发展和高分子材料出现。

第三次技术革命20世纪中期，以原子能应用为重要标志，实现了合成材料、半导体材料的工业化。

第四次技术革命20世纪70年代，以计算机、特别是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志，促进了各类新型材料发展。

4,材料主要有哪些共性规律和共同效应。

材料科学的共性规律晶体学结构规律,材料缺陷与强度,材料的相变原理,材料的形变与断裂,材料的强韧化原理. 材料的共同效应界面效应,表面效应,复合效应,形状记忆效应,动态效应,环境效应和纳米效应.5,简述材料研究开发趋势。

单一材料向多种材料扬长避短的复合化；结构材料和功能材料的整体化；材料多功能的集成化，功能材料和器件一体化；材料制备加工的智能化、敏捷化、功能仿生化；材料科技的微型化、纳米化；材料设计的优选化；材料研究开发的环境意识化、生态化；材料科学技术的多学科渗透综合化、大科学化。

全材料科学的形成6,材料科学与工程学科发展的特点。

（1）各类材料逐步趋向统一（2）材料的发展和应用是系统工程（3）科学与工程的全面融合（4）多学科和跨学科交叉研究和应用（5）新的思维、方法、发现和理论不断产生（6）绿色材料科学技术是必然趋势7,材料研究基本方法有哪些？并就一种方法举例说明。

P47归纳与演绎法，分析与综合法，类比与移植法，数学与模型法，系统方法，假说与理论法，原型启发法与仿生法8,移植法可分为哪几种？①技术移植创新法。

②原理移植创新法；③方法移植创新法；④综合移植创新法。

9,关于组织结构与层次，应注意哪五个共性问题。

可分与穷尽，转换与守恒，树木与森林，表象和真实，质变和量变10,材料性能的基本特性有哪些。

现象与本质，区分与联系，复合与转换，主要与次要，常规与突变。

11,材料结构的设计与控制（选择和改进）的基本思路是什么？（1）根据工程结构的服役条件，提出零部件所使用的性能要求；（2）查阅有关资料，依据知识和经验初步选择材料；（3）根据所选材料的基本知识，设计相关的工艺；（4）检测微观组织，测试其性能；（5）如测定结果达到了设计要求，则进行实际试验；（6）根据失效分析，确定改进的技术方案。

12,从石墨烯的发现过程可得到什么启示？从他们的研究过程，我们还可以得到一些宝贵的启示。

有科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但制取单层石墨烯的努力一直没有成功。

但海姆和诺沃肖洛夫没有放弃，他们不断地试验，研究分析，最后用普通胶带完成了他们“魔术”般的发现。

他们用胶带从石墨上沾下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。

但反复沾上十到二十次，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。

早在上世纪40年代就有科学家对类似石墨烯的结构进行过研究，用胶带从石墨上沾下薄片的方法之前也有人试过，但他们都没有坚持下去。

只有海姆和诺沃肖洛夫一直没有放弃努力，不断探索研究，最终取得成功。

他们只不过比别人多走了一步，多坚持了一下，就走到了成功的彼岸。

13,简述材料制备或加工过程有三个共性的问题：方向、途径和结果，并举一例说明。

这三个问题遵循着三条原理：(1)方向——沿着能量降低的方向发生(2)途径一沿着阻力最小的途径进行(3)结果—过程的结果是适者生存。

在材料中也有不同过程的竞争，过程产物适者生存。

例如，有色合金的时效脱溶产物。

只有最适合于环境（即结构、成分、能量的起伏）的过程，才是最易发生的。

P8914,材料设计的特点有哪些？包括哪几个层次及其相互关系？特点：（1）经验设计和科学设计并存与兼容；（2）材料设计将逐渐综合化；（3）材料设计将逐步计算机化。

材料设计层次：微观设计层次，介观设计层次，宏观设计层次。

空间尺度约1nm数量级，是电子、原子、分子层次的设计。

典型尺度约1μm数量级，材料被看作是连续介质，是组织结构层次的设计。

对应宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计，是工程应用层次的设计。

不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次间常常是交叉、联合的，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。

15,材料设计主要途径与方法有哪些？举一例说明。

P1301，从相图角度进行设计，2从数量冶金学角度进行设计，3，基于量子理论的设计，4基于物理，数值模拟的设计，5多尺度材料模型与计算设计。

16,材料设计的主要技术有哪些？1材料数据库和知识库技术；2材料设计专家系统；3材料计算设计中的计算机模拟；4基于数据采掘的半经验材料设计。

17,有限元法的适用范围有哪些？对于实际的非均匀介质，要得到热应力分布的解析解几乎是不可能的，特别是对于三维的问题和非线性情况，有限元法是解决问题的最有效的方法。

18,材料研究模拟设计的基本思路。

P16019,物理模拟有哪些特点及应用。

（1）在特殊情况下，物理模拟意义大。

（2）利用物理特性相似模拟。

重大工程→首先建造出物理模型进行物理模拟，（3）可建立整体系统的物理模型；复杂系统可分别对子系统进行模拟试验。

（4）要进行物理模拟试验与分析。

物理模拟已成功应用于汽车行业的大量冷锻、冷挤压件生产和零件精密成形20,举一例说明数值模拟的应用。

P16721,物理模拟与数值模拟的关系。

物理模拟通过建立物理模型和试验了解实际系统的行为特征模拟结果一般不能外推，准确性及普遍性依赖于测量范围和相似条件数值模拟利用控制方程描述过程参数变化，采用数值方法求解而定量提供整个域内的数据，很多非线性问题可以用数值方法获得定量结果数值模拟与物理模拟具有不同的特点和应用，两者具有互补性，物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿，两者结合，才能有效地解决工程复杂问题。

22,分子动力学方法有哪些应用，举一例说明。

在材料科学：界面、位错、裂纹、界面偏析、亚晶等问题的研究。

纳米材料研究应用：模拟晶格畸变、晶体生长、弹性模量、应力-应变关系、高温形变行为、扩散、烧结等，都取得了比较满意的结果。

材料包括：纳米纯金属(如Cu、Ni等)及其合金、Si等非金属和陶瓷等材料。

23,为什么细晶强化既能提高强度，又能同时提高塑性？常温下，晶粒越细，变形量可分散在更多晶粒中进行，产生较均匀塑性变形，而且夹杂等更加分散，不至于造成较大应力集中→避免裂纹产生。

24,什么是回火？回火的种类？什么是调质处理？回火（课堂提问）定义：将淬火后的钢/铁，在AC1以下加热、保温后冷却下来的金属热处理工艺。

目的：用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其塑韧性。

低温回火：150~250℃，回火后得到回火马氏体，高的硬度和耐磨性，硬度58～64HRC。

应用范围：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。

中温回火：350～500 ℃，回火后得到回火屈氏体，较高的弹性极限、屈服点和一定的韧性，硬度35～50HRC。

应用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。

高温回火：500 ℃以上，回火后得到回火索氏体，强度、塑性和韧性都较好，硬度200～350HBS。