材料科学与工程四个基本要素
0805材料科学与工程学科简介
0805材料科学与工程一级学科简介一级学科（中文）名称：材料科学与工程（英文）名称： Materials Science and Engineering一、学科概况材料科学与工程学科是研究材料的组成与结构、合成与加工、性质、使用性能等要素和它们之间相互关系的规律，并研究材料与构建的生产过程及其技术，制成具有一定使用性能和经济价值的材料及构建的学科。
材料是具有一定性能，可用于制作器件、构件、工具、装置、物品的物质。
在人类历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代标志；在近代，钢铁材料的发展对于西方工业革命进程起了决定性的作用；半导体材料的发展把人类带入了信息时代。
自２０世纪６０年代初以来，物理、化学等学科的发展推动了对物质结构、物性和材料本质的研究和了解；冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展推动了对材料的制备、结构、性能及其相互关系的研究；金属材料、无机非金属材料、高分子材料等各类材料具有共同的或相似的学科基础、学科内涵、研究方法与研究设备；同时科学技术的发展在客观上需要对各类材料的全面了解和研究。
在此背景下，材料科学与工程学科逐步形成并迅速发展成为一门独立的一级学科。
当今，材料是社会进步的物质基础和先导。
人们把材料、信息、能源作为现代文明的三大支柱。
材料是冶金、机械、化工、建筑、信息、能源、航天航空等工业的支撑，是社会发展与技术进步的物质基础和技术先导。
随着社会和科技进步，人们不仅要求性能更为优异的各类高强、高韧、耐热、耐磨、耐腐蚀新材料，而且需要各种具有光、电、磁、声、热等特殊性能及其耦合效应的新材料，同时对材料与环境的协调性等方面的要求也日益提高。
生物材料、信息材料、能源材料、智能材料及生态环境材料等将成为材料研究的重要领域。
展望未来，材料科学与工程学科的发展方向将是：实现微结构不同层次上的材料设计以及在此基础上的新材料开发；材料的复合化、低维化、智能化和结构材料－功能材料一体化设计与制备技术；材料加工过程的自动化、集成化等。
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.
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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。
材料科学与工程基础第二版考试必备宝典
第1章绪论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．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1．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2．电离能及其影响电离能的因素解：电离能：从孤立原子中,去除束缚最弱的电子所需外加的能量;影响因素：①同一周期,核电荷增大,原子半径减小,电离能增大；②同一族,原子半径增大,电离能减小；③电子构型的影响,惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；3．混合键合实例解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合,层与层之间以范德华力结合；高分子：同一条链原子之间以共价键结合,链与链之间以范德华力结合;4.将离子键,共价键,金属键按有无方向性进行分类,简单说明理由有方向性：共价键无方向性：离子键,金属键③金属键：正离子排列成有序晶格,每个原子尽可能同更多的原子相结合, 形成低能量的密堆结构,正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力,无饱和性又无方向性;②共价键：共用电子云最大重叠,有方向性③离子键：正负离子相间排列,构成三维晶体结构,无方向性和饱和性5.简述离子键,共价键,金属键的区别6.为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料金属密度高的两个原因：第一,金属有较高的相对原子质量;第二,金属键没有方向性,原子趋于密集排列;7.影响原子离子间距的因素：1温度升高, 原子间距越大, 热膨胀性；2离子价负离子的半径 > 其原子半径 > 正离子的半径3键能增强,原子距离缩短,键长减少 C-C 单, 双, 叁键；4相邻原子的数目配位数配位数增加,相邻原子的电子斥力越大, 原子间距增大;相邻原子的数目越多,原子间距结合原子或离子有效半径越大;8.原子的电子排布式按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布;解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p 2Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1Br:1s22s22p63s23p63d104s24p59．比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别;解：①金属材料：简单金属指元素周期表上主族元素的结合键完全为金属键,过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合,但以金属键为主;②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属通常为氧相结合的化合物,其主要结合方式为离子键,也有一定成分的共价键;③高分子材料：高分子材料中,大分子内的原子之间结合方式为共价键,而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键;④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质,因而其结合键非常复杂,不能一概而论;10．比较键能大小,简述各种结合键的主要特点,简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响;解：键能大小：化学键能 > 物理键能共价键≥离子键 >金属键 >氢键 >范德华力共价键中：叁键键能 >双键键能 >单键键能结合键的主要特点：①金属键,由金属正离子和自由电子,靠库仑引力结合,电子的共有化,无饱和性,无方向性；②离子键以离子为结合单元,无饱和性,无方向性；③共价键共用电子对,有饱和性和方向性；④范德华力,原子或分子间偶极作用,无方向性,无饱和性；⑤氢键,分子间作用力,氢桥,有方向性和饱和性; 结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：①结合键的键能大小决定材料的熔点高低,其中纯共价键的金刚石有最高的熔点,金属的熔点相对较低,这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因;金属中过渡金属具有较高的熔点,这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满,是结合键中有一定比例的共价键;具有二次键结合的材料如聚合物等,熔点偏低;②密度与结合键类型有关,金属密度最高,陶瓷材料次之,高分子材料密度最低;金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量,另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性,所以金属原子中趋向于密集排列,金属经常得到简单的原子密排结构;离子键和共价键结合时的情况,原子排列不可能非常致密,所以陶瓷材料的密度比较低;高分子中由于是通过二次键结合,分子之间堆垛不紧密,加上组成的原子质量比较小,所以其密度最低;③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小;结合键的键能是影响弹性模量的主要因素,键能越大,则弹性模量越大;陶瓷250~600GPa,金属70~350GPa,高分子~;④塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性;材料的塑性也与结合键类型有关,金属键结合的材料具有良好的塑性,而离子键、共价键的材料的塑性变形困难,所以陶瓷材料的塑性很差,高分子材料具有一定的塑性;11.晶体的共同性质1 确定的熔点温度升高到某一值,排列方式解体,原子成无规则堆积,呈现液体；2自发形成规则多面体外形的能力；3 稳定性能量最低状态；4 各向异性不同方向, 物理性能不同；5 均匀性一块晶体各部分的宏观性质相同12.名词解释：致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比;13．同素异构转变,并举例说明;解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下,固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构; 例：铁在不同温度下晶体结构不同, < 906℃体心立方结构,α- Fe 906～1401℃面心立方结构,γ－ Fe 1401℃～熔点1540 ℃体心立方结构,δ- Fe 高压下150kPa 密排六方结构,ε－Fe14．按键合类型,晶体分哪几类各自的键合类型和主要特点如何解：按键合类型,晶体分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体; ①金属晶体：金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和性；低能量密堆结构;大多数金属晶体具有面心立方,体心立方和密排六方结构,金属晶体的原子排列比较紧密,其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高; ②离子晶体：离子键结合,无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子,离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小;硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点; ③共价晶体：共价键结合,具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制,晶体的配位数为 8-N;N表示原子最外层的电子数;强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点;配位数比金属晶体和离子晶体低④分子晶体：范德华键合氢键结合；组元为分子,仅有范德华键时,无方向性和饱和性, 趋于密堆,分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用,限制了堆砌方式；有氢键时,有方向性和饱和性;16书中各例题; 属于立方晶系d=a/√h2+k2+l2,面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时d=a/2√h2+k2+l2∴100面,d=a/2√h2+k2+l22=111面,d=a/√h2+k2+l2=112面,d=a/2√h2+k2+l2=19. 2-39在温度为912℃,铁从bcc转到fcc;此温度时铁的两种结构的原子半径分别为和,1求其变化时的体积变化V/O;从室温加热到铁1000℃,铁的体积变化解：1 bcc N1=2 fcc N2=4ρ1=N1/NaM Fe/a31,ρ2=N2/NaM Fe/a32∴ρ1/ρ2= N1a32/ N2a31=VO = V1V2/V1=1V2/ V1∴Vo =1= ∴其变化时的体积变化为;2912℃时,由bcc转变为fcc,体积减小；912℃-1000℃,受热膨胀,体积增大20. 计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度21. 计算a面心立方金属的原子致密度；b面心立方化合物NaCl的离子致密度离子半径rNa+=,rCl-=;c由计算结果,可以引出什么结论c结论：原子大小相同时,致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时,其原子的相对大小必然影响致密度;22．有序合金的原子排列有何特点这种排列和结合键有什么关系解：特点：各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列,称为分点阵,整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵,称为超点阵或超结构;23 2-5724.如何根据固溶体密度判断固溶体类型ρc<ρe间隙式固溶体ρc=ρe置换式固溶体ρc<ρe缺位式固溶体25.举例说明非化学计量化合物判断其正负离子空缺情况组分偏移化学式的化合物即为非化学计量化合物如FeO中Fe2+氧化成Fe3+则形成阳离子空位26.书上各例题27.铝为面心立方晶体,摩尔质量为原子半径为,求铝的密度ρc=NM/NaV28．晶体缺陷的分类; 肖脱基缺陷Schottky Defect 弗仑克尔缺陷 Frenkel Defect：点缺陷对晶体性质的影响解：肖脱基缺陷：有空位,无间隙原子,原子逃逸到晶体外表面或内界面晶界; 弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子,空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基空位缺陷;点缺陷对晶体性质的影响：点缺陷存在和空位运动,造成小区域的晶格畸变; 1使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力,使电子在传导中的散射增加； 2加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动； 3使材料体积增加,密度下降 4比热容增大附加空位生成焓 5改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在,增加位错运动阻力,使强度提高,塑性下降;29．柏氏矢量的物理意义;解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小;30.体积晶格扩散的微观机制类型解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置;包括3种微观扩散机制：①空位机制,其中一个原子与相邻空位交换位置;②间隙机制,自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上; ③直接交换机制,相邻原子成对的互相交换位置31.比较下列各因素对扩散系数的影响,并简要说明原因;1．温度对扩散系数的影响2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3．体积扩散系数晶格或点阵与短路扩散系数沿位错、晶界、表面4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数;5．铁的自扩散系数αFe 与γ Fe解：1.温度越高,扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律,温度提高,超过能垒几率越大,同时晶体的平衡空位浓度也越高,扩散系数提高;2.原子的迁移要挤开通路上的原子,引起局部点阵畸变,部分破坏原子结合键才能通过;键能越强,原子间的结合键力越强,激活能越大,扩散系数越小; 共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数;3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况,原子排列越紧密,原子间的结合力越强,扩散激活能越高,而扩散系数越小；②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子,他们扩散所需的活化能也较小,相应的扩散系数较大;D表面>D晶界>D沿位错>D晶内4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散;因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散;间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙,而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时,需要首先形成空位,因而激活能高;5.αFe 属于体心结构,γ Fe 属于面心结构,面心结构点阵比体心结构点阵紧密,铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-Fe相比, 在912℃时,Dα-Fe≈280Dγ-Fe32.书上例题33.无规网络模型的结构特点34 2-6635．结构弛豫,非晶态的晶化和熔体结晶有何异同解：②结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料,常温或加热保温退火,许多性质将随时间发生变化,达到另一种亚稳态;③非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点：都是由亚稳态向晶态的相变,受成核和晶体生长控制;非晶态晶化: T ＜Tg,相变驱动力大,成核功小,利于成核和晶体生长；粘度大,固相内扩散,扩散慢,不利于成核和晶体生长,更有利于保持非晶状态;熔体冷凝结晶：Tg＜T＜Tm,液体内的扩散36．分别求WSn=%和WSn=50%时,在183℃转变时,各相的相对含量解：②WSn=50% w α = 50/19 ×100%=%,w β =1w α =%37.固体表面结构的主要特点解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力;晶体不同晶面的表面能数值不同,密排面的表面能最低,故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；38.分析讨论影响材料表面能的因素解：表面能是增加单位面积的表面,需要做的功.扩张表面时;要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用;作用力弱,做功小,表面能低;1键性：表面能反映质点间的引力作用,强键力的金属和无机材料表面能较高;低表面能物质：水,石蜡,PE,PTFE,PA662温度：温度升高,表面能一般减小;热运动削弱了质点间的吸引力;3杂质：含少量表面能较小的组分,可富集于表面,显着降低表面能；含少量表面能较大的组分,倾向于体内富集,对表面能影响小39.三种润湿的数学表达式解：①沾湿：WA = －ΔG = γSg+ γLg－γSL②润湿：Wi= －ΔG = γsg - γsL③铺展：S = －ΔG = γsg - γLg - γsL三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开,使原有的固/气或液/气界面消失,被固/液界面取代三种润湿的规律：沾湿粘附功Wa = A+ γLg Wa =γSg+ γLg－γSL浸湿Wi = A =γsg - γsL铺展S = A －γLgγSg越大,γSL越小,粘附张力A越大,越有利于各种润湿；沾湿：γLg大,有利沾湿；浸湿：γLg,无影响;铺展：γLg小,有利铺展; 改变润湿性主要取决于γSg,γLg,γSL的相对大小,改变γSg较难,实际上更多的是考虑改变γLg和γSL;40.润湿的本质是解：润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降;2-2341.硅烷偶联剂硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物,其经典产物可用通式YSiX3表示;式中,Y为非水解基团,包括链烯基主要为乙烯基,以及末端带有Cl、NH2、SH、环氧、N3、甲基丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基,即碳官能基；X为可水解基团,包括Cl,OMe, OEt, OC2H4OCH3, OSiMe3, 及OAc等;由于这一特殊结构,在其分子中同时具有能和无机质材料如玻璃、硅砂、金属等化学结合的反应基团及与有机质材料合成树脂等化学结合的反应基团,可以用于表面处理第三章思考题1．高分子材料组成和结构的基本特征解：①平均分子量大和存在分子量分布；②高分子链具有多种形态；③分子链间以范氏力为主,部分化学键；分子内为共价键；④组成与结构的多层次性2．比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响解：①主链结构;极性小的碳链高分子,分子内相互作用不大,内旋转位垒小,柔性较大;主链中含非共轭双键,相邻单键的非键合原子带原子间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易,柔顺性好;主链中含共轭双键,因电子云重叠,没有轴对称性,Л电子云在最大程度交叠时能量最低,而内旋转会使Л键的电子云变形和破裂,不能内旋转,刚性链分子;主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时,可提高分子链的刚性;②取代基;侧基极性越大,极性基团数目越多,相互作用越强,单键内旋转越困难,分子链柔顺性越差;③氢键和交联结构的影响;高分子的分子内或分子间形成氢键,氢键影响比极性更显着,增加分子链的刚性;3.相容剂及其增容作用添加相容剂是改善高分子分散相与基体之间相容性,稳定熔融分散混合效果的有效方法; 相容剂通常为两相高分子的共聚物;相容剂共聚物的链段会与共混体系中相应的均聚物部分相互作用,从而降低表面张力,增强分散相与基体的粘附;这一过程称为“增容作用”4.内聚能密度对高聚物结构和性能的影响内聚能密度: 单位体积的内聚能CEDCED < 290J/cm3,分子间力小,分子链柔顺,非极性高聚物,用作橡胶；CED﹦290～400J/cm3分子间力适中,分子链刚性大,用作塑料；CED > 400J/cm3 ,多含强极性基团和氢键,分子间作用力大,有较高结晶性和强度,用作纤维;5.聚合物制备方法,主要结构类型加成聚合和缩聚主要结构：无规 ~ABBAABAB~ Random n < 102交替 ~ABABAB~ Alternating嵌段 ~AAAAAAAABBBBBBB~ Block 均聚链段 n = 102～3接枝 ~AAAAAAAAAAAA~ Graft 主链和支链6.与小分子相比,高分子有何特点①平均分子量大和存在分子量分布②高分子链具有多种形态③组成与结构的多层次性7.高分子按结构单元的化学组成可分为碳链高分子,杂链高分子,元素有机高分子,无机高分子,8.聚乙烯可分为低密度聚乙烯,高密度聚乙烯,线性低密度聚乙烯,超高分子质量聚乙烯,改性聚乙烯9.与低分子晶体比较,聚合物晶体的特点;解：特点：①链段排入晶胞,分子链轴常与一根结晶主轴平行；②半晶结构结晶不完全；③熔程范围较宽,④结晶速度慢；⑤晶体形态多样;10.名词解释：热塑性聚合物：指具有加热后软化、冷却时固化、可再度软化等特性的塑料热固性聚合物：一般先形成预聚物,成型时,经加热使其中潜在的官能团继续反应成交联结构而固化;这种转变时不可逆的,只能成型一次,再加热时不能熔融塑化,也不溶于溶剂,一般是体型聚合物,如酚醛树脂、硫化橡胶等;铁碳合金1.高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体2.铁素体 F Ferrite: C溶于α-Fe中的间隙固溶体,bcc,室温 C% %727℃,硬度和强度低,塑性韧性好;3.奥氏体 A Austenite C溶于γ-Fe中的间隙固溶体,fcc, 727℃ % C% %1148℃,塑性和可锻性好,无磁性;4.渗碳体 Fe3C cementite 铁和碳的间隙化合物,熔点高1600℃; C含量%；正交晶系,塑性差,脆性大;5. 珠光体 P Pearlite 铁素体和渗碳体的共析混合物；6.马氏体 Martensite钢和铁从高温奥氏体急冷淬火强化,化学成分不变, 晶格重构, fcc变为bcc,碳在-Fe中的过饱和固溶体;硬度和强度很高;7.黄铜：黄铜是由铜和锌所组成的合金8.青铜：纯铜红铜中加入锡或铅的合金2. 根据铁碳相图,说明各点A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S和Q的含义;3碳对铁碳合金机械性能有何影响铁素体软而韧,铁碳合金的塑性主要由铁素体提供；渗碳体硬而脆;铁素体和渗碳体形成片状珠光体,使铁碳合金的强度和硬度提高;合金中珠光体的数量越多,合金的强度和硬度越高;wC ＝％,全部为珠光体,合金强度和硬度较高,兼有塑性和韧性;合金组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体时,铁碳合金的塑性和韧性大大降低,强度也降低;白口铸铁脆性很大,使用价值不大;wC >％, 沿珠光体边界形成网状Fe3CⅡ,降低了晶界的断裂强度,使合金脆性大大增加; 碳钢,一般要求 wC <％4 . 钢和铸铁在成分组织性能上的主要区别是什么钢: 碳含量 < %重量的铁-碳合金;碳钢和合金钢1 碳钢1 按碳含量质量百分数分类：低碳钢 C≤％中碳钢％< C ≤％ 45号钢的概念高碳钢 C＞％含碳量越高,碳钢硬度和强度越大,但塑韧性降低;2 按钢中杂质的质量含量分类杂质硫、磷含量：普通碳素钢 S ≤％,P ≤％优质碳素钢 S ≤％,P ≤％高级优质碳素钢 S ≤％,P ≤％3按用途分类：碳素结构钢：桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等;碳素工具钢：刀具、模具、量具等;合金钢: 碳钢中加入一种或多种合金元素,形成的钢;1按含合金元素的总含量分类：低合金钢合金元素总质量分数≤5％中合金钢合金元素总质量分数 = 5％～10％高合金钢合金元素总质量分数＞10％;2按主要合金元素种类分：铬钢不锈钢铬镍钢锰钢硅锰钢等;铸铁含碳量＞％的铁-碳合金;铸铁成分范围：C:～%, Si: ～ %,Mn: ～ %, S: ～ %,P: ～ %;为改善性能,也加入 Cr、Mo、V、Cu、Al等；与钢相比,铸铁含碳和硅量较大,含杂质元素较多;铸铁的生产设备和工艺简单,价格便宜;广泛用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域;按质量分数计算,铸铁件在农业机械中占 40 ～ 60％；汽车拖拉机中占 50 ～ 70％；机床制造中占 60 ～ 90％;灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等;铸铁中,碳可以石墨G形式存在,与铁构成Fe－ G平衡状态5;Fe-Fe3C相图6.分析wC ＝％、wC＝％、wC＝％、wC＝％的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程,用组织示意图说明各阶段的组织变化;7. 计算wC = %和wC = %的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织成物和相组织物含量.8．铁碳合金中碳的存在形式;灰铸铁,白口铸铁,麻口铸铁的碳的存在形式有何不同; 解：铁碳合金中,碳的存在形式：①与铁间隙固溶；溶入铁的晶格,形成间隙固溶体;②化合态的渗碳体；亚稳态,在一定条件下分解为铁和石墨;③游离态的石墨G :稳定态,可从铸铁熔液中析出,也可从奥氏体中析出; 白口铸铁碳以渗碳体形式存在,断口为白亮色灰口铸铁碳以游离石墨形式存在,断口为暗灰色麻口铸铁同时含有石墨和渗碳体,断口灰白相间9．灰铸铁的组织特点,影响灰铸铁性能的因素;解：灰口铸铁：基体组织和石墨两部分组成基体铁素体、铁素体-珠光体、珠光体＋石墨影响因素：①石墨对铸铁机械性能的影响石墨：松软而脆弱的固态物质,抗拉强度<20MPa,延伸率趋近于零；石墨存在基体中,尤如一种裂纹或孔洞,分割削弱基体,破坏基体组织连续性；还会引起应力在该处集中,构成裂纹源;因而,铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比钢铁低得多; 基体相同的情况下,石墨形状由片状普通灰铸铁变为细片状孕育灰铸铁和球状球墨铸铁时,其对基体的削弱作用以及应力集中的程度将依次减弱,表现出抗拉强度依次升高; ②基体对铸铁机械性能的影响基体中铁素体的数量增多,塑性、韧性提高；珠光体数量增加,塑性、韧性降低,但强度、硬度有所增高;10.灰口铸铁的组织按其基体的不同,可分为哪三种;灰口铸铁的组织可看成是；解：铁素体灰口铸铁、铁素体-珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁; 灰口铸铁的组织可看成是钢加上片状石墨11. 灰口铸铁和球墨铸铁在组织和性能上有何区别;解：灰口铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨; 球墨铸铁的组织特点是基体加球状石墨性能：球化越完整,球状石墨尺寸越细小,可减少应力集中,力学性能越优越；疲劳强度与中碳钢相似,耐磨性好,制造重要和形状复杂机械零件,如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套等;无机非金属材料1硅酸盐结构的基本特点和类型;解：硅酸盐晶体的结构特点：1结构中Si4+间没有直接的键,而是通过O2－连结；2以硅氧四面体为结构的基础；3每一个O2－只能连接2个硅氧四面体；4硅氧四面体间只能共顶连接,不能共面连接;硅酸盐晶体的主要结构类型：岛状结构；组群状环状结构；链状结构；层状结构；架状结构;2玻璃的定义及其通性,玻璃中的氧化物分为哪三类;。
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--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。
材料导论材料科学与工程的四个基本要素
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。
2.组元、相和组织 ●组元：组元是组成材料最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素，也可以是能稳定存在的化合物。金
属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。高
分子材料则是以高分子化合物为主要组元的材料。
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§2.2 材料的结构与性能
●相：材料中具有同一化学成分并且结构和性质相同的均 匀连续部分称为相。 相与相之间有明显的界面，材料的结构和性质在相界
11
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵 材料的结构层次
宏观结构
Macroscopic Structure
微观结构
Microscopic Structure 12
原子尺度
Atomic Level
亚原子尺度
Subatomic Level
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵 材料的不同层次的结构：
• 原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次; • 键合结构: 描述原子/离子间的化学键性质 • 纳米结构: 纳米尺度上的结构 • 显微组织（显微结构, Microstructure）指多晶材料的微观形
一方面，不同材料的结构与性能表征方法大体上是相通 的。
例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物 理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。
另一方面，在材料的制备与加工中，有许多工艺也是通 用的。
(完整版)材料科学与工程导论试题
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、屈服强度和比例界限等来表征。
4．三类主要的材料力学失效形式分别是：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。
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。
0805材料科学与工程学科简介
0805材料科学与工程一级学科简介一级学科（中文）名称：材料科学与工程（英文）名称： Materials Science and Engineering一、学科概况材料科学与工程学科是研究材料的组成与结构、合成与加工、性质、使用性能等要素和它们之间相互关系的规律，并研究材料与构建的生产过程及其技术，制成具有一定使用性能和经济价值的材料及构建的学科。
材料是具有一定性能，可用于制作器件、构件、工具、装置、物品的物质。
在人类历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代标志；在近代，钢铁材料的发展对于西方工业革命进程起了决定性的作用；半导体材料的发展把人类带入了信息时代。
自２０世纪６０年代初以来，物理、化学等学科的发展推动了对物质结构、物性和材料本质的研究和了解；冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展推动了对材料的制备、结构、性能及其相互关系的研究；金属材料、无机非金属材料、高分子材料等各类材料具有共同的或相似的学科基础、学科内涵、研究方法与研究设备；同时科学技术的发展在客观上需要对各类材料的全面了解和研究。
在此背景下，材料科学与工程学科逐步形成并迅速发展成为一门独立的一级学科。
当今，材料是社会进步的物质基础和先导。
人们把材料、信息、能源作为现代文明的三大支柱。
材料是冶金、机械、化工、建筑、信息、能源、航天航空等工业的支撑，是社会发展与技术进步的物质基础和技术先导。
随着社会和科技进步，人们不仅要求性能更为优异的各类高强、高韧、耐热、耐磨、耐腐蚀新材料，而且需要各种具有光、电、磁、声、热等特殊性能及其耦合效应的新材料，同时对材料与环境的协调性等方面的要求也日益提高。
生物材料、信息材料、能源材料、智能材料及生态环境材料等将成为材料研究的重要领域。
展望未来，材料科学与工程学科的发展方向将是：实现微结构不同层次上的材料设计以及在此基础上的新材料开发；材料的复合化、低维化、智能化和结构材料－功能材料一体化设计与制备技术；材料加工过程的自动化、集成化等。
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。
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。
新材料科学导论期末复习题（有答案版）
新材料科学导论期末复习题（有答案版）一、填空题：1.材料性质的表述包括力学性能、物理性质和化学性质。
2.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。
3.材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
4.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、制备/加工和结构/成分。
5.按组成和结构分，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。
6.高分子材料分子量很大，是由许多相同的结构单元组成，并以共价键的形式重复连接而成。
7.复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。
8.聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。
9.功能复合材料是指除力学性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。
如有光，电，热，磁，阻尼，声，摩擦等功能。
10.材料的物理性质表述为光学性质、磁学性质、电学性质和热学性质。
11.由于高分子是链状结构，所以把简单重复（结构）单元称为链节，简单重复（结构）单元的个数称为聚合度。
12.对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。
（ppt-复合材料，15页）13.影响储氢材料吸氢能力的因素有：（1）活化处理；（2）耐久性（抗中毒性能）；（3）抗粉末化性能；（4）导热性能；（5）滞后现象。
14.典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。
15.功能复合效应是组元材料之间的协同作用与交互作用表现出的复合效应。
复合效应表现线性效应和非线性效应，其中线性效应包括加和效应、平均效应、相补效应和相抵效应。
16.新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。
17.功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。
功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：①功能小分子固定在骨架材料上；②大分子材料的功能化；③已有功能高分子材料的功能扩展；18.材料的化学性质主要表现为催化性能和抗腐蚀性。
材料科学与工程的四要素
材料科学与工程的四要素材料科学与工程，听起来是不是有点高大上？其实，里面的门道可不少，今天咱们就来轻松聊聊这四个基本要素，让你对这门学科有个更直观的了解。
话说回来，谁说科学就得死板呢？咱们也能把它说得活灵活现！1. 材料的种类首先，得说说材料的种类。
生活中我们见到的材料，可以说是五花八门，简直是琳琅满目。
你看，金属、陶瓷、聚合物、复合材料，每种材料都有它独特的性格，就像人一样，铁汉子就得是金属，温柔的小仙女就得是聚合物。
金属的强度和导电性让它在建筑和电子产品中呼风唤雨，而陶瓷呢，坚硬耐磨，还能抵抗高温，简直是厨房里的得力助手。
而聚合物的轻便和灵活性则让它成为了生活中的“百变女王”，从塑料袋到手机壳，全都少不了它的身影。
1.1. 金属的魅力说到金属，那可真是不可小觑！从古代的青铜器到现代的飞机制造，金属材料的应用无处不在。
想象一下，金属的强度能支撑起高楼大厦，而它的导电性又让电流畅通无阻，真是现代生活的脊梁。
1.2. 陶瓷的坚韧而陶瓷呢，更是个沉稳的“老司机”。
它的耐热性让你在烤箱里随意折腾，绝对不会怕！从日常的茶具到高级的工艺品，陶瓷都能带给你一种优雅的感觉。
2. 材料的性能接下来，我们聊聊材料的性能。
这可是材料科学的“绝对主角”，性能好坏直接关系到它能否胜任某个角色。
就像演员一样，不是每个人都能演好英雄，材料也有自己的“拿手绝活”。
2.1. 力学性能材料的力学性能，包括强度、韧性和硬度，这些就像是材料的身体素质。
强度高的材料，简直就像是个“拳击手”，能抵挡住各种冲击；而韧性好的材料，则是个“铁人”，即使被折腾也不会轻易断裂。
2.2. 热学性能然后就是热学性能了。
某些材料在高温下依然能保持稳定，而某些材料则可能在热浪中“崩溃”，这可不是开玩笑。
像一些耐火材料，就像是一位“消防员”，时刻准备着应对高温的挑战。
3. 材料的加工再说到材料的加工，这个环节就像是把原材料变成美食的厨师。
无论是铸造、焊接，还是切割，每种加工方法都有自己的诀窍和窍门，能让材料变得更加适合实际应用。
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材料与化学化工学院
2
材料概论 Materials Conspectus
• 本章主要内容
• 一． 材料的组成 • 二． 材料的结构 • 三． 材料的合成与加工 • 四． 材料的性质与使用性能
材料与化学化工学院
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材料概论 Materials Conspectus • 2.1 材料的组成 • 材料由原子和分子组合而成。 材料由原子和分子组合而成。 化学组成： • 材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物 材料的化学组成 组成材料最基本、 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 可为纯元素或稳定的化合物， 数量。 数量。 • 材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结 材料的相组成 相组成： 构相同的均匀部分称为相 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。可分为单相材料、 和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材 相组成 料。
• Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 的含量分别为0.0006％、0.0009 0.000001％，但这些元素有很强的富集能力， ％，但这些元素有很强的富集能力 0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可 达到百分之几、百分之几十。 达到百分之几、百分之几十。 2000－ 100多种 • 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。 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 金属、玻璃、陶瓷、 • 矿物。 矿物。 • 在103种元素中，惰性元素6 种 103种元素中 惰性元素6 种元素中， • 非金属元素16 非金属元素16 种 • 金属元素81 金属元素81 种
金刚石涂层刀具材料与化学化工学院
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原子排列： 原子排列：长程有序
材料概论 Materials Conspectus
• 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3 （PZT） 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1PZT） Pb(ZrxTi1 • 当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体 的方式排列时，材料表现出压电性能。 的方式排列时，材料表现出压电性能。 • PZT 陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器 陶瓷广泛地应用于点火装置、 及振动控制。 及振动控制。 • 10-10 ～ 10-9 m (1～10Å) 1010(1～
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宏观结构
材料概论 Materials Conspectus
• 涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美 观，还提高了抗腐蚀性能。 • ～>10-6 m (1000,000 nm).
无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀， 无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加 20 材料与化学化工学院 美观。 美观。
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不同层次的结构
材料概论 Materials Conspectus
• 原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的 原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的 物质层次; 物质层次 • 键合结构 描述原子 离子间的化学键性质 键合结构: 描述原子/离子间的化学键性质 • 纳米结构 纳米尺度上的结构 纳米结构: • 显微组织（显微结构 Microstructure）指多晶材料的 显微组织（显微结构, ） 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、 亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、 亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹 有序化等。 杂、有序化等。 • 宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的 宏观组织（ ）如材料的孔隙、 木材的纹理（纤维状） 层 理、木材的纹理（纤维状）等。
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地壳中主要元素的储量
材料概论 Materials Conspectus
• 氧(O)：50%，存在于水、岩石和各种有机体 ： ，存在于水、 • 硅(Si)：25%，存在于 ： ，存在于800余种硅酸盐矿物中 余种硅酸盐矿物中 ： ， 90% • 铝(Al)：8.23%，存在于岩石矿物中 • 铁(Fe)：5.8%，存在于 ： ，存在于300余种矿物中 余种矿物中 • 钙(Ca)：5.2%， 以碳酸盐、硫酸盐和硅酸 ： ， 以碳酸盐、 • 盐等形式存在。 盐等形式存在。 • 此外，钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钛(Ti) 此外， 、 、 、 • 上述九种元素约占地壳总重量的 上述九种元素约占地壳总重量的99% 以上。 以上。
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•自然界中的元素和物质 自然界中的元素和物质
材料概论 Materials Conspectus
• 人类从天然材料的使用到人造材料的制备,材料的发展与地球中 人类从天然材料的使用到人造材料的制备, 所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。 所孕含的元素和物质的存在形式密切相关。 • 材料所用的原料均取自于地壳。 材料所用的原料均取自于地壳。
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2.2 材料的结构
材料概论 Materials Conspectus
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 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、 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等 内涵。 内涵。 • 材料的结构决定材料的性能。 材料的结构决定材料的性能。 • 材料结构的描述： 材料结构的描述： 宏观组织结构: 1. 宏观组织结构: >1000,000 nm 微观显微结构: 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: <100nm 纳米结构: 键合结构: 原子/ 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 原子结构: 5. 原子结构: 原子的电子结构 材料与化学化工学院
材料与化学化工学院
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地壳中的矿物组成：
材料概论 Materials Conspectus
• 单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag 、Au、 单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、 Au、 多种 0.1％。Cu Pt、Bi、Sb、 Pt、Bi、Sb、C、S。 • 硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中 硫化物类矿物：200多种，占地壳总重的75％。其中 多种 75％。 Sn和 75％。 FexSn和H2S 占75％。 • 氧化物类矿物：有200多种，占地壳总重的17％。Fe、 氧化物类矿物： 200多种 占地壳总重的17％。Fe 多种， 17％。Fe、 Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、 Re等元素的重要矿 Cr、Mn、Al、Ti、Sn、Nb、Ta、U、Re等元素的重要矿 物。 • 卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成 卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、 的盐，阳离子主要是K 的盐，阳离子主要是K+、Na+、Ca2+、Mg２+等。 • 含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3。硅酸盐、硫酸盐、 含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3 硅酸盐、硫酸盐、 2/3。 9 材料与化学化工学院 磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。 磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。
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材料概论 Materials Conspectus
• 金的(111)晶面结构（原子力显微镜）
材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。 材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。 14
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原子结构
材料概论 Materials Conspectus
• 金刚石 • C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在 共价键结合的金刚石硬度大、熔点高， 共价键结合的金刚石硬度大 切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性 能。 • ～10-10 m （1Å）
2.2.1 原子结构
材料概论 Materials Conspectus
• 原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材 原子的结构影响到原子之间的键合， 料的力学性能和物理性质。 料的力学性能和物理性质。 • Atoms=nucleus (protons and neutrons) + electrons • 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 库仑。 1.6 ×10-19 库仑。 • 中子是电中性的。 中子是电中性的。 • 质量: 质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10-27 kg. 质量: 质子和中子具有相同的质量, • 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 × 10-31kg • 原子质量(A) = 质子质量+ 中子质量 原子质量(A) 质子质量+ 21 • 质子= atomic number (Z) 材料与化学化工学院 质子=
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纳米结构
材料概论 Materials Conspectus
• 纳米氧化铁(～5-10 nm) 颗粒分散在液体 纳米氧化铁( 制备铁磁流体和液态磁体， 中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音 器的传热冷却。 器的传热冷却。 • 10-9 ～ 10-7 m (1～100 nm)。 (1～ nm)。
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材料的相组成
• 金属：单相材料 金属：
材料概论 Materials Conspectus
• 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。 • 水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF 多相材料。 水泥： 多相材料。 、 、 、 • 玻璃：单相材料 玻璃： • 高分子：单相材料 高分子： • 复合材料：多相材料 复合材料：
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地壳中主要元素的储量
材料概论 Materials Conspectus
其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的 ％。 其余 多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。 多种元素的重量加起来不到地壳总重的