2012年专业课复习题

1.什么是材料科学和材料工程？并试述材料科学与工程的四个要素间的关系。

答案：a材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。

b材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域，主要从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性及其生产工艺和制造技术。

c通常讲的材料科学与工程的四个要素，加工制备，结构，性能和使用性能前面三者共同支撑“性能”。

d要素相互之间关系：这里所说的材料,包括传统材料和各种新型材料.所谓组织结构,包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织(粗视组织),用光学或电子显微镜观察到的微观组织,所谓性能,包括力学性能.物理性能.化学性能,以及冶金和加工性能等工艺性能,所谓加工制备,是指包括材料的制备.加工.后处理等在内的各项生产工艺,所谓使用状况,则是指材料的应用效果和反响(例如,有些材料在使用过程中组织结构不稳定,或易受环境的影响,使性能迅速下降).材料的结构.性能.加工和使用状况这四个因素称为材料科学与工程的四要素.因此,材料科学与工程就是研究四要素之间的关系的一门学科.2、以钢铁材料为例说明影响材料压力加工性能的因素。

答：a金属材料的压力加工性能是指金属的可锻性，即能改变形状而不产生裂纹的性能。

b影响金属材料可锻性的因素主要包括：材料的含碳量和材料的组织组成。

c在一定范围内，材料的含碳量越高，材料的硬度越大。

例如，低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。

d以钢为例，奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，钢加热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的可锻性。

因此钢材的始轧或始锻一般选在固相线以下100--200摄氏度范围内。

终锻温度不能过低，以免钢材因温度过低而使塑性变差，导致产生裂纹。

但终锻温度也不能太高，以免奥氏体晶粒粗大。

亚共析钢终锻温度控制在略高于GS线，以避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低；过共析钢终锻温度控制在略高于PSK线，以利于打碎呈网状析出的二次渗碳体。

e以白口铸铁为例，无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，其可锻性能很差。

3、试评述钢铁材料的铸造性能。

答：a铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流动性能；收缩性和偏析倾向等。

b流动性决定了液态金属充满铸型的能力，流动性受很多因素的影响，其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响。

Eg.在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的结晶温度间隔增大，流动性能应该变差。

但是，随着含碳量的提高，液相线温度降低，因而当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其钢液温度与液相线温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有力，所以钢液的流动性随含碳量的增加而提高。

浇注温度越高，流动性能越好，当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。

铸铁因其液相线温度比钢低，相同条件下，其流动性总是比钢好。

c收缩性是指铸件从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。

金属从浇注温度到室温要经历三个相互联系的收缩阶段。

液态收缩，凝固收缩，固态收缩。

收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生许多缺陷，如缩孔，缩松，残留内应力，变形和裂纹的基本原因。

例如，碳钢收缩性的主要因素是化学成分和浇注温度，对于化学成分一定的钢，浇注温度越高，则液态收缩越大，当浇注温度一定是，随着含碳量的增加，钢液温度与液相线温度之差增加，体积收缩越大。

金属学和热处理p123看看！偏析倾向对材料的铸造能力也有很大影响，以枝晶偏析为例，固相线和液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重。

铸铁的成分越接近共晶点，偏析越小，相反，越远离共晶点，则枝晶偏析越严重。

4、什么是复合材料？按基体类型和分散相的类型可分为哪几类？答：a复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

b复合材料的基体材料分为树脂基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料等。

例如树脂基复合材料常用热固性树脂基和热塑性树脂基复合材料。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

c复合材料按分散相形态（类型）分类：分为颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，片状材料增强复合材料（二维），三维编织复合材料等。

5、什么是固溶体和金属化合物。

它们的特性如何？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。

a固溶体：所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相b金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物c固溶体按照溶质原子在晶格中所占位置分类分为置换固溶体和间隙固溶体，按固溶度分类，分为有限固溶体和无限固溶体；按照溶质原子和溶剂原子的相对分布分类，又分为无序固溶体和有序固溶体。

d固溶体的结构特点(1) 保持着溶剂的晶格类型；(2) 晶格发生畸变(3) 偏聚与（短程）有序(4) 有序固溶体（长程有序化）5 固溶体的性能（1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属;（2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。

固溶体的特性：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度硬度提高，而韧性和塑性有所下降的现象称为固溶强化现象。

溶质原子和溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变越大，强化效果则越好。

一般来说，固溶体的硬度，屈服强度和抗拉强度等总是比组成他的纯金属的平均值高，在塑性韧性方面，如伸长率，断面收缩率等方面，固溶体要比组成它的两个纯金属的平均值低，但比一般的金属化合物要高很多，因此固溶体与纯金属和金属化合物有更优良的综合力学性能。

e金属化合物分为正常价化合物，电子化合物和间隙化合物；金属化合物的力学性能表现为：高强度高硬度低塑性；物理性能表现为：具有电学磁学声学催化性质以及电子发射性质化学稳定性，热稳定性和高温强度等。

并且已经用于，半导体材料，储氢材料，形状记忆材料和耐热材料等。

6、实际金属晶体中存在哪些缺陷？它们对金属的性能有什么影响？答：晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷几种主要类型。

点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

主要有空位和间隙原子 空位是指未被原子所占有的晶格结点。

间隙原子是处在晶格间隙中的多余原子。

点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。

使材料的强度、硬度和电阻率增加。

所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。

线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。

属于这类缺陷主要是位错。

位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

线缺陷包括刃型位错、螺型位错。

面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。

通常是指晶界和亚晶界。

缺陷对材料的结构敏感性能有较大影响。

例如：缺陷对力学性能的影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等，需要指出的是，当位错积累到一定程度，由于位错互相交织，会使材料的力学性能不降反升缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。

化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。

7、热塑性和热固性聚合物各自特点。

并以实例说明。

答：热塑性聚合物： 热塑性材料的热加工过程只是一个物理变化的过程，加热后的熔融体在冷却时变硬，在反复加热冷却后，其性能并没有发生变化且可以重复多次。

因此，热塑性材料可以进行塑料再塑化再加工，其塑料制品可以重复回收，经加工后材料再利用。

这类塑料的优点是易加工成型，力学性能良好，可回收利用；其缺点在于耐热性和刚性较差。

如聚乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯，有机玻璃等。

热固性聚合物：热固性塑料的加热过程发生了化学变化，分子间形成了共价键成为体型分子。

在冷却之后继续加热，在进一步升温的过程中导致共价键破坏，从而原材料的化学结构也随之改变。

也就是说热固性塑料在一定的温度、压力或者加入固化剂的条件下，经一段时间后形成的制品，在硬化后不再能回收再利用了。

这类塑料的优点在于耐热性和刚性较好，硬度高，尺寸稳定，但加工较难，部分性能较差，且不可回收利用。

如酚醛树脂，硫化橡胶等。

例如：聚乙烯塑料（PE）聚乙烯塑料可以说是目前产量最大的一种通用塑料，属热塑性塑料。

聚乙烯塑料外观呈半透明白色状，密度较小，有似蜡的触感，无毒无味，具有良好的化学稳定性、耐寒性、和电绝缘性，易加工成型。

但聚乙烯塑料的机械强度不高，质软且成型收缩大，耐热性、耐老化性较差，其表面不易粘贴和进行印刷。

聚乙烯塑料制品种类繁多，主要可用吹塑、挤出、注射等成型方法生产薄膜、型材、各种中空制品和注射制品等，广泛用于生产生活众多方面酚醛、服醛、三聚氰胺甲醛、环氧、不饱和聚酯以及有机硅等塑料，都是热固性塑料。

主要用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等在恶劣环境中使用的塑料，大部分是热固性塑料，最常用的应该是炒锅锅把手和高低压电器。

8.高分子与低分子化合物的区别。

答：a高分子化合物定义由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的化合物。

b低分子化合物定义，我们也称它们为小分子化合物,一般由几个或几十个原子组成，分子量也在几十到几百之间。

一般分子量在1000以下的，相对分子量较小的的物质。

c高分子与低分子化合物的区别：1高分子相对分子量很大，具有多分散性，是同系聚合物的混合物；2高分子有许多相同的结构单元通过共价键重复连接而成，分子结构有线形结构、支化结构、交联结构等三种结构；3高分子化合物的分子有几种运动单元；4从性能上看，高分子化合物有较好的机械强度，绝缘性，和耐腐蚀性，又具有较好的可塑性和高弹性。

9、简述衡量材料力学性能的四个参数。

答：四个参数是强度，硬度，韧性，塑性a强度是金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。

强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是屈服强度和抗拉强度，这两个强度指标可通过拉伸试验测出。