材料科学导论复习题

一章1. 氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造鎯头？答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。

2. 将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类：黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯。

答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料陶瓷：碳化硅聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯复合材料：混泥土、玻璃钢3. 下列用品选材时，哪些性能特别重要？汽车曲柄、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏。

答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度；电灯泡灯丝：熔点，耐高温，电阻大；剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性；汽车挡风玻璃：透光性，硬度；电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。

4. 概述材料科学的发展史，谈谈你的认识和体会。

5 五大基础材料是什么？各有哪些特点？答：五大基础材料是金属、陶瓷、高分子材料、复合材料和半导体材料。

金属：强度高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。

陶瓷：硬度高、耐高温、绝缘、隔热，但是脆性大、难加工。

高分子材料：质轻、绝缘、易成型，但强度低、耐温性差。

复合材料：比强度比模量高、性能可设计，但界面较弱。

半导体材料：导电性介于导体与绝缘体之间，化学纯度和表面加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。

6. 什么叫材料科学？什么叫材料科学与工程？它们是如何产生的？二者的主要区别是什么？答：材料科学是研究材料的组成、结构与性能之间关系的一门学科。

它是从化学的角度，研究材料的化学组成与原子结构、原子结合键及其微观结构的相互关系。

从晶体学和固体物理学的角度，分析和研究材料的组织形态、微结构、内部缺陷与性质和性能的相互关系。

材料科学与工程是研究有关材料的组成、结构、制备工艺与其性质和性能以及它们之间相互关系的技术开发及应用的一门学科。

主要有四方面因素促使材料科学的产生，其一，基础学科的发展。

二、工艺。

三、各种材料的表征仪器和设备。

四、不同类型的材料可以相互替代和补充，充分发挥各种材料固有的优异特性。

由于材料的研究的目的是面向实际、面向工程应用。

因此，材料科学与工程就出现了。

许多大学的冶金系、材料系多数更名为材料科学与工程系；侧重于基础研究的叫材料科学系，着重于工艺研究的叫材料工程系。

7. 什么叫新材料？当今新材料的发展方向有哪些？简谈你自己对新材料研发的认识和看法。

答：新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料。

发展方向主要有以下六个方向：一、信息科学技术二、新能源科学技术三、生物科学技术四、空间科学技术五、生态环境科学技术六、用高技术改造、更新现有材料。

8. 什么叫纳米材料？纳米材料有哪些效应？举例说明。

答：纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米材料有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应。

如（量子尺寸效应）高的光学非线性，特异的催化和光催化性质。

二章9. 材料的四个结构是什么？它们影响材料的哪些性能？答：材料的四个结构分别是：一、原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，决定其化学性质和物理性质。

二、原子键合（二级结构）决定结合力大小，影响其物理、力学等性能。

三、原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理、力学等性能，它与加工工艺密切相关。

四、显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑性等，主要由加工工艺决定。

10. 材料的三级和四级结构可以通过加工工艺来改变，那么材料的二级结构可以改变吗？为什么？答：原子的结合键是材料的二级结构。

对于单一的材料来说，其价键结构是不可以通过加工工艺来改变的。

但是实际工程应用中，通过一定的加工工艺来改变材料的二级结构，比如金刚石具有共价键，石墨具有共价键和物理键，而石墨等碳质原料和某些金属在高温高压下可以反应生成金刚石，即一定程度上改变了材料的二级结构。

三章11. 简述陶瓷材料的相组成及常见的相结构。

答：陶瓷材料中的相组成较为复杂，常见的相有晶相、玻璃相和气相。

它们对陶瓷性能都有很大影响。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，常见结构有氧化物结构和硅酸盐结构。

氧化物结构包括AB型结构(NaCl型)、AB2型结构(金红石型)、A2B3型结构(刚玉型)以及其它一些结构。

硅酸盐的结构特点是硅、氧离子组成四面体，硅离子位于四面体中心。

硅氧四面体SiO44-之间又以共有顶点的氧离子相互连接起来。

由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。

玻璃相是在陶瓷烧结时形成的一种非晶态物质，其结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成的无规则排列的空间网络，如非晶态石英的结构。

玻璃相热稳定性差，在较低温度下即开始软化。

玻璃相的作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的粗化。

气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。

气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。

但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。

12. 简述高分子的结晶特点，举例说明几种常见的高分子结晶形态。

答：高分子结晶的特点如下：（1）高分子晶体属于分子晶体；（2）高分子晶体的熔点Tm 定义为晶体全部熔化的温度；（3）高分子链细而长使得高分子链结晶得到的晶体只能属于较低级晶系，无立方晶格；（4）高分子的结晶是通过链段的协同运动排入晶格的，即晶胞由链段组成；（5）高分子结晶不完善，有结晶度的概念；（6）高分子的结晶过程分一次结晶（主结晶）和二次结晶（次级结晶）。

（7）高分子链通常以折叠链片晶形态构成高分子晶体。

高分子结晶有单晶、球晶、树枝状晶、串晶、柱晶，伸直链晶等。

八章13. 简述硬度的各种测定方法？举例说明如何测定金属材料、陶瓷材料和高分子材料的硬度。

答：常用的测试方法有三种：压痕法、回跳法和刻痕法。

(1). 布氏硬度：布氏硬度的测定是把直径为D的淬火钢球，用载荷P压入被测材料的表面，并保持一定时间后卸载，通过测量压痕直径d或计算压痕表面积F来得到，其计算式为：HB = P/F = 2P/πD(D - (D2 - d2)1/2)。

(2). 洛氏硬度：洛氏硬度是用压头的压痕深度来量度。

根据所用压头和载荷不同，可分为HRC(薄板或硬脆材料)、HRB(退火钢及有色金属)和HRA(淬火钢等)三种。

洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测量低硬度、高硬度材料。

但洛氏硬度载荷大，标尺不能统一，一般不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件用维氏硬度衡量。

(3). 维氏硬度：维氏硬度的压头为金刚石四棱锥体，两对面的夹角为136°，通过测量压痕对角线长度求出，HV＝1.8544P/d2。

d为压痕对角线长度，用此值查表得硬度值。

陶瓷材料通常用维氏硬度和显微硬度测定。

(4).小载荷硬度(a) 维氏显微硬度：维氏显微硬度，简称显微硬度，是用来测量组织中某一相微区的硬度。

显微硬度的压头和表示符号与维氏硬度相同，但所用的载荷更小，只有几克至几百克(2g、5g、10g、50g、100g、200g)，并且长度以微米计量，其表达式为：HV ＝1854.4P/d2，(P的单位是g，d为μm)，故有时称为小载荷的维氏硬度。

由于压痕微小，需要做成金相样品。

主要适合于陶瓷材料的硬度测定。

(b) 努氏硬度：努氏硬度是从维氏显微硬度发展而来。

主要差别：一是压头形状为金刚石长棱形，两个长棱夹角为172.5°，两个短棱夹角为130°，试样上长短对角线长度之比L/W为7.11倍的棱形压痕；二是硬度值不是试验力F除以压痕的表面积之商值，而是除以压痕投影面积之商值。

其定义为：HK＝1.451F/L2。

L为实际压痕对角线长度(μm)，K为Knoop的缩写，F为载荷(N)，其值在0.4903~19.61N之间。

努氏硬度精度高，适用于无机材料，尤其是先进陶瓷材料，硬度的测量比维氏硬度更精确些，样品的表面光清洁度要求高。

(c) 邵氏硬度：使用硬度计，在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的压针压入试样，以压入深度转换为硬度值，直接由硬度计读出邵氏值HS。

HS分为邵氏A 和邵氏D。

邵氏A适合于较软的塑料如橡胶、泡沫塑料等，邵氏D适合于较硬的塑料。

(d) 肖氏硬度：肖氏硬度又叫回跳硬度，是动载试验法。

其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或者钢球的标准冲头从一定高度h。

，自由落体到试件表面，然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。

肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试样的硬度越高。

(e) 莫氏硬度：陶瓷及其矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。

它只表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度。

后面的材料可以划破前面材料的表面。

起初，莫氏硬度仅分为10级，1级最小，10级最硬。

其相应硬度的排序为：1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7石英，8黄玉，9刚玉，10金刚石。

后来，又出现了一些人工合成的高硬度陶瓷材料，莫氏硬度等级范围扩大，现分为15级。

其顺序为：1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7 SiO2玻璃，8石英，9黄玉，10石榴石，11熔融氧化锆，12 刚玉，13碳化硅，14 碳化硼，15金刚石。

14. 什么叫材料的I 型断裂？裂纹尖端的应力场为什么是奇异性的？答：材料在垂直于截面的应力作用下发生的断裂称作I 型断裂，I 型断裂所受应力方向在裂缝平面内，与裂缝的发展方向垂直。

由下图看出，裂纹尖端的应力存在奇异性，材料断裂试验也证明，当脆性材料中存在裂纹时，裂纹尖端就是一个应力奇异场，形成应力分布特殊的应力场。

从公式上，Irwin 指出，应力场强弱程度由应力强度因子KI 参数来控制，KI 值大小与裂纹尺寸半长a 、外加均匀拉伸应力σ存在以下关系：I I ; ()2K K Y a f r θθσπσθπ==，因此称之为奇异性的。

15. 化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别？各举一例说明。

答：腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三种。

耐腐蚀性是指金属抵抗各种介质侵蚀的能力。

化学腐蚀是指金属材料与非电解质直接发生化学反应但不产生电流的破坏过程。

例如，金属在干噪气体中的腐蚀（飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒的腐蚀）。

电化学腐蚀是指金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏过程。

腐蚀过程必须有电极反应并产生电流，即有一个阴极反应和一个阳极反应。

金属在大气、海水、土壤、介质中的腐蚀均属于电化学腐蚀，这是最普遍、最常见的腐蚀形式。

例如，钢铁生锈等。

物理腐蚀是指由于单纯的物理溶解而产生的腐蚀，如钢铁在液态锌中的溶解等。

16. 试述非晶态线性高分子材料、晶态高分子材料和体型高分子材料在不同温度下的力学状态。

答：(1) 线性非晶态高聚物的三种力学状态：线性非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态：玻璃态、高弹态和粘流态。