第二章 材料科学与工程的四个基本要素.
材料四要素
材料科学四要素的内涵和关系摘要：材料科学四要素的提出，在貌似不相关的材料之间找到了共同点，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。
这里综述了材料科学四要素的内涵，并具体讨论了它们相互之间的关系与作用。
关键字：材料科学,四要素,共同点，内涵，关系与作用Connotation and relationship of four elementsin materials scienceAbstract:There find common ground in the material that seemingly do not related to eachother with the four elements of materials science that reflects the common problems in materials science and engineering research are proposed. Here reviewed the connotation of the four elements of materials science, And the relationship between them are discussed in detail.Key words: materials science，the four elements，common ground，connotation，relationship and effect材料是人类赖以生存和发展的物质基础。
它不仅是人类进化的标志，而且是社会现代化的物质基础与先导。
20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关，材料的研究、开发和应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。
材料概论练习题答案-1
绪论1。
什么是材料？答：材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质2。
人类文明历史与材料发展的关系?答:材料是人类文明的里程碑；材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分。
3。
材料按组成、结构特点可分为哪几类?无机非金属材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金属材料黑色、有色、特殊金属材料高分子材料塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂复合材料金属基、陶瓷基、树脂基、碳-碳材料4。
材料科学与工程的概念？答：材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与应用之间有关知识开发和应用的科学。
它是一个多学科的交叉领域,是从科学到工程的一个专业连续领域。
同时材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学自然科学为基础，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、应用科学和工程学。
5。
日本专家岛村昭治将材料的发展历史划分为哪五代?答：旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代高分子材料与硅材料时代第二章 MSE的四个基本要素1。
材料科学与工程的四个要素是什么？答：组成，结构，合成与加工，性质/使用性能2.什么是材料的化学组成？相的概念？材料相的组成？答：材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物质，可为纯元素或稳定的化合物,以及其种类和数量；相:材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为相；组成材料的相的种类和数量称为相组成3.什么是材料的结构?答：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、晶体结构和缺陷等内涵。
材料的结构决定材料的性能4.材料的合成的概念？材料加工的概念?答：合成：常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法。
合成是在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉.加工：这里所指的是成型加工，除了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外,还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程5。
材料制备科学与技术答案
材料制备科学与技术答案【篇一：化学与人类_尔雅慕课_课后答案】.1化学研究的对象和内容1.天然气中主要成分是什么？（）a、丁烷b、丙烷c、乙烷d、甲烷我的答案：d2.（）研究除碳元素以外的所有元素的单质及其化合物的性质。
a、生物化学b、有机化学c、无机化学d、物理化学我的答案：c3.分析化学是研究（）成分的测定方法和原理。
a、原子b、量子c、物质d、电子我的答案：c4.甲烷的泄露会引起人的中毒。
（）我的答案：x5.有机化学研究的是碳氢化合物及其衍生物的性能。
（）我的答案：√6.化学是一门研究物质变化的科学。
（）我的答案：√1.2煤气和爆炸极限1煤气中的臭味是因为在其中人为加入了什么？（）a、甲醇b、乙醇c、乙醚d、硫醇我的答案：d2在常温常压下，氢会呈现什么状态？（）a、固态b、气态c、液态d、混合态我的答案：b31.3关于广告的问题1上个世纪80年代谁表演了“水变油”的荒唐骗局。
（）a、王洪志b、李洪成c、王洪成d、李洪志我的答案：c2．1卡路里是等于多少焦耳？（）a、4.19b、5.19c、6.19d、7.19我的答案：a34二恶烷别名又叫做二氧六环。
（）我的答案：√1.4化学与新闻专业的关系1白金是哪种化学元素的俗称？（）a、金b、银c、铂d、钋我的答案：c2铹元素的名称是为纪念回旋加速器的发明者（）。
a、洛伦兹b、伦琴c、斯特恩d、劳伦斯我的答案：d3氯是一种非金属元素。
（）我的答案：√2.1石油是一种碳氢化合物的混合物1石油实际上是以（）为主的烃类化合物。
a、烯烃b、炔烃c、烷烃d、环烃我的答案：c2以下哪项不是当今人类使用的四大能源之一？（）a、石油b、煤c、原子能d、风能我的答案：d3煤是地球上分布最广、储量最大的能源资源。
（）我的答案：√ 2.2汽油的制备1以下哪一项不是内燃机气缸的工作原理？（）a、进气b、排气c、点火d、爆缸我的答案：d2所谓93号汽油就是指（）为93的汽油。
材料科学基础考点答案
倾斜晶界：一个晶粒相对于另一个晶粒以平行于晶界的某轴线旋转一 定角度所形成的晶界称为倾斜晶界。 扭转晶界：一个晶粒相对于另一个晶粒以垂直于晶界的某轴线旋转一 定角度而形成的晶界称为扭转晶界。 小角度晶界的结构：①倾斜晶界的结构 a、对称倾斜晶界 b、不对称 倾斜晶界
1. 金属间化合物分类：电负性决定的原子价化合物、电子浓度决定的 电子化合物、原子尺寸决定的尺寸因素化合物。
2. 材料科学与工程四要素：组成与结构、使用性能、性质、合成与加 工。
3. 晶胞：是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单 元。
4. 七大晶系、十四种布拉菲格子：三斜（简单三斜）、单斜（简单、 底心）、斜方（简单、体心、底心、面心）、三方（简单）、四方 （简单、体心）、六方（简单）、立方（简单、体心、面心）。
5. 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶
面指数。
晶向指数：用[uvw]来表示。
6.1mol离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所 释放的能量。
7. 球体最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球 体的堆积。按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则，从球体 堆积的几何角度来看，球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶 体越稳定。
②螺位错：由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡 面，故称为螺位错。其几何特征是位错线与原子滑移方向相平行；位错 线周围原子的配置是螺旋状的，几形成螺位错后，原来与位错线垂直的 晶面，变成以位错线i中心轴的螺旋面。 19. 位错应变能：位错使其周围点阵畸变，点阵能量增加，点阵所增加
材料科学与工程基础教案第二章
得：
∗ K
d 2 ∆G dr 2
2 = −8πσ ≤ 0；故在 r ≤ − ∆σ 处有极大值点， G 处有极大值点，
σ 有最大值： 记为rk = − ∆2GV ，此时 ∆G有最大值：
∆G =
16πσ 3 2 3 （∆G）
∆GK称为临界形核功，rK称为临界形核半径。 当r<rK时，晶胚的长大使∆G增大，由于自发过程 向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长 大，而被重熔。 当r≥rK时，晶胚的长大使∆G减小，所以能自发进 行，晶胚能长大成为晶核。
材料科学与工程基础
第二章 材料的凝固 Material Concretion
材料由液态转变为固态的过程称为 凝固，由于材料通常在固态下使用， 凝固，由于材料通常在固态下使用， 所以凝固常常作为材料制备的基本 手段。如果凝固后得到晶体， 手段。如果凝固后得到晶体，这种 凝固过程就称为结晶。 凝固过程就称为结晶。
材料科学与工程基础
四、长大 晶核的长大需要两个条件： 晶核的长大需要两个条件： 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子， 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子， 使晶面向液相扩展， 使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能 温度足够高。 力，温度足够高。 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子， 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子， 这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加， 这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加， 即在一定的过冷度下进行。 即在一定的过冷度下进行。 因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、 因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、 界面附近的温度梯度等条件有关。 界面附近的温度梯度等条件有关。
液体 晶核
我对材料科学四要素的认识
我对材料科学四要素的认识武晓博材料科学是上世纪五十年代提出的，以研究和揭示固体材料性质规律为主的一门科学，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。
随着高技术的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。
如今，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民群众生活的重要组成部分。
一般所说的材料,包括传统材料和各种新型材料。
材料科学的任务，就是研究材料的性质、使用性能、结构与成分、合成与加工这四者间的关系，因而将其称为材料科学的四个基本要素。
1、材料的性质。
材料的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，包括力学性质、物理性质以及化学性质。
（1）力学性质。
包括强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。
强度：材料抵抗外应力的能力；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；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中吸收能量的能力。
（2）物理性质。
包括电学性质、磁学性质、光学性质及热学性质等。
电学性质：主要包括材料的导电性、绝缘性及介电性等；磁学性质：主要包括材料的抗磁性、顺磁性及铁磁性等；光学性质：主要包括材料的光反射、光折射、光学损耗及光透性等；热学性质：主要包括材料的导热性、热膨胀、热容和熔化等。
（3）化学性质包括催化性质及防化性质等。
2、材料的性能。
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，称为材料的性能。
包括力学性能、（1）力学性能。
弹性表征：包括弹性极限、屈服强度、比例极限等；塑性表征：包括延伸率、断面收缩率、冲杯深度等；硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；刚度表征：包括弹性模量、杨氏模量、剪切模量等；疲劳强度表征：包括疲劳极限和疲劳寿命等；抗蠕变性表征：包括蠕变极限和持久强度等；韧性表征：包括断裂韧性和K IC和断裂韧性J IC等。
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
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）。
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。
注：上面只列出了材料的主要物理性质7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。
材料力学性能1.强度表征：弹性极限，屈服强度，比例极限……2・塑性表征：延伸率8,断面收缩率®冲杯深度h3. 硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度……4. 刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量……5. 疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命……6. 抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度…■…7. 韧性表征：断裂韧性忑，断裂韧性J C材料物理性能1・电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数……2. 磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率……3・光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率……4.热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热……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。
第二篇 材料四要素
材料科学与工程的四个基本要素材料工程材料科学与工程四面体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材料科学与工程的四个基本要素材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质机械电学机械磁学光学电致伸缩压电特性磁致伸缩巨磁阻效应电致发光材料的性质电致伸缩----压电特性巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显材料的性质材料的材料的组成与结构固定时，材料的便是组成材料的排列方式和空间分布材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构共价键是一种强吸引力的结合键。
当两个相同原分子键又叫范德瓦尔斯键，是最弱的一种结合键。
材料的材料的组成与结构二、结合键对材料性能的影响材料的材料的组成与结构2．陶瓷材料材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构．非晶体材料的材料的组成与结构晶体和非晶体的转化加热后，熔化的琥珀会部分出现结晶；拉伸状态下的尼龙纤维强化且晶化。
琥珀晶态SiO2Si O 空间点阵格架材料的材料的组成与结构③体积要最小。
材料的材料的组成与结构Z材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构十四种点阵三斜P 单斜P 单斜C 正交P 正交C 正交F 正交I 六方H 三方R 四方P 四方I 立方P 立方I 立方F材料的材料的组成与结构二、结晶指数晶向：在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向材料的材料的组成与结构用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。
晶向指数:标定方法：1. 建立坐标系，结点为原点，三棱为方向，晶格常数为单位；2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。
(若平移晶向或坐标，让第一点在原点则下一步更简单)；3. 计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；4. 化成最小、整数比u：v：w ；5. 放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。
在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。
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。
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。
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。
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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。
材料力学性能1. 强度表征：弹性极限，屈服强度，比例极限……2. 塑性表征：延伸率δ，断面收缩率φ，冲杯深度 h3. 硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度……4. 刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量……5. 疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命……6. 抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度……7. 韧性表征：断裂韧性 K IC ，断裂韧性 J IC 材料物理性能1. 电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数……2. 磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率……3. 光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率……4. 热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热…… 2.1.2性质与性能的区别与关系 性质与使用性能的区别与关系222. 性质与使用性能的区别与关系成分结构环境性质规范使用 性能所以，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。
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。
需要注意的一点在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力：能 针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。
3. 失效分析----材料使用性能的重要研究内容失效性质失效环境失效行为力学低温、过载荷脆断、疲劳、断裂化学化学介质腐蚀破坏催化剂失效电学电压、电流电介质击穿电流过载热学高温高温融化蠕变破坏三类主要的材料力学失效形式 断裂 磨损 腐蚀 材料的断裂韧性3.1.4材料（产品）使用性能的设计在材料使用性能（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。
传统方式：结构与功能－确定材料的性质（选择材料）－完成设计先进方式：结构与功能，材料的性质－完成设计2.1.5材料性能数据库从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为；1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；2.材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的基础。
国际材料数据库建设简况•英、美金属学会合建金属材料数据库•西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”•原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库•北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库•武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库•北京钢铁研究总院建立合金钢数据库•航天航空部材料研究所建立航天材料数据库2.1.6其它问题主要结构材料的产量统计材料世界产量中国产量钢铁71437.310124.0水泥137466.049199.0合成橡胶818.260.0合成树脂13940.0643.6合成纤维2155.4460.3§2.2 成分与结构1. 材料的结构2. 成分结构检测技术3.与其它要素的关系4.材料的成分.结构数据库5.新的机遇2.2.1材料的结构键合结构，晶体结构，组织结构38材料的结构----键合结构2.2.1材料的结构离子建共价键 金属键• 化学键氢键分子键• 物理键结合能陶瓷材料 高分子材料 金属材料冰（H 20） 卤族晶体注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC 陶瓷； 2. 分子键又称范德瓦尔斯力3. 实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）材料的结构----晶体结构晶 体：原子排列长程有序，有周期 非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期 材料的结构----组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织结构特征；fcc 结构，bcc 结构，hcp 结构 组织特征；单相组织，两相组织，多相组织2.2.2成分、结构检测技术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。
成分分析化学分析：化验物理分析：物理量间接测定谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等 结构分析检测仪器 分辨率体视显微镜mm(毫米)--μm （微米）光学显微镜μm （微米）电子扫描显微微米--纳米（nm ）达0.7nm 透射电镜观察到原子排列面，达0.2nm 场离子显微镜形貌观察 0.2--0.3nm隧道扫描显微镜观察到原子结构0.05--0.2nm2.2.3 与其它要素的关系是材料性质的原因是合成加工的结果材料的强度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，原因有两点：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-----结构是性能的原因。
塑性加工金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：等轴晶---带状组织---细晶组织------是加工的结果材料的强韧化----位错理论的建立固溶强化，加工硬化，弥散强化，第二相强化，相变增韧2.2.4成分、结构数据库»X衍射数据库：建立了结构---测定参数的关系»相图数据库：建立了成分---相的关系具有一种晶体结构的物质称为一相注：这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的便利，几乎所有材料合成的研究都是从了解上面两个对应关系的研究开始的。
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇准晶，准晶的结构，潜在的应用价值纳米材料，纳米碳管，C60(巴基球)，等界面科学–超导体与基体的界面结构–功能复合材料的梯度界面–半导体材料与封装材料的界面–纤维增强体与基体的结合界面以上新的研究课题，都主要是围绕成分与结构展开的，向上追溯到材料的合成与加工，向下则牵联到材料的特征性质。
可以说，这些研究是新材料新技术的代表。
§2.3 合成与加工1.定义2.合成与加工的主要内容3.与其它要素的关系4.发展方向2.3.1 定义“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。
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向。
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。
需要说明的问题在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径2.3.2 合成与加工的主要内容材料制备材料加工表面工程材料复合一．材料的制备冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：冶金过程－冶金物理化学熔炼与凝固－凝固学理论粉末烧结－烧结原理高分子聚合－聚合反应冶金过程（化学冶金）目的：从原料中提取出金属内容:火法冶金，熔盐电冶金，湿法冶金熔炼与凝固（物理冶金）目的: １．金属的精练提纯２．材料的“合金化”３．晶体的生长内容: 1. 平衡凝固 4. 区域熔炼2. 快速凝固 5. 玻璃的熔炼3. 定向凝固 6. 熔融法提拉单晶粉末烧结目的: １. 粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合内容: 1 . 粉末冶金技术2 . 现代陶瓷材料的制备高分子聚合目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。
高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程。
内容: 1 . 本体聚合 3 . 悬浮聚合2 . 乳液聚合 4 . 溶液聚合二．材料的加工传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的联接：焊接、粘接注：从课程体系上分析，材料的切削应在机械工程中重点讨论材料的成型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： １．液态成型 金属的铸造、溶液纺丝 ２．塑变成型 金属的压力加工3 . 流变成型 金属、陶瓷、高分子成型70液态成型A B C液相区液固区 固相区成 分温度A C 铸造BC半固态成型流变铸造 触变铸造研究的内容： 1. 凝固过程 2. 成型工艺 3. 流变特性2.3.2 合成与加工的主要内容二．材料的加工材料的成型71塑变成型A高应力 低形变量 实现加工硬化B 应 变应力冷加工热加工AB低应力 大形变量实现超塑性变形2.3.2 合成与加工的主要内容二．材料的加工材料的成型流变成型金属的半固态成型高分子材料的熔融成型 陶瓷泥料、浆料成型 玻璃的熔融浇注 材料的改性目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。