最新材料科学与工程导论试题文档格式.docx

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（√）

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。

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？

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？

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。

3．流变成型包括哪几个方面？

金属的半固态成型、高分子材料的熔融成型、陶瓷泥料、浆料成型和玻璃的熔融浇注。

4．材料改性的目的和内容是什么？

目的：

通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。

内容:

１.材料的“合金化”2.材料的热处理

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？

“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。

提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题。

作业二

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电学性质、磁学性质、光学性质和热学性质。

2．材料的硬度表征为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

3．材料的化学性质主要表现为催化性质和防化性质。

4．冶金过程、熔炼与凝固、粉末烧结和高分子聚合是四种主要的材料制备方法。

5．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：

液态成型、塑变成型和流变成型。

6．金属材料的改性包括材料的合金化以及材料的热处理

7．典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。

第二部分选择题（5题共10分，每题2分）

1．分析材料的相组成你会选取何种测试手段（B）

A扫描电镜B透射电镜C红外吸收光谱

2．分析各相之间的位相关系选取何种测试手段（B）

A红外吸收光谱BX射线衍射C扫描电镜

3．进行断口形貌观察最好用何种仪器（A）

A扫描电镜B透射电镜CX射线衍射D红外吸收光谱

4．观察原子结构采用何种仪器（Ｂ）

A光学显微镜B隧道扫描线微镜C扫描电镜D红外吸收光谱

５．下列仪器中分辨率最高的是（Ｃ）

A体式显微镜B光学显微镜C隧道扫描线微镜D电子扫描显微镜

第三部分判断题（10题共10分，每题1分）

1．材料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。

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．韧性指材料从塑性变形到断裂全过程中吸收的能量。

4．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。

5．准晶体的特点是原子排列长程有序，有周期。

6．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。

7．热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的组织组成的情况，达到改变材料性能的方法。

8．淬火通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。

9．正火是在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，降低韧性。

10.材料表面工程有：

表面改性、表面防护和薄膜技术。

第四部分简答题（4题共40分，每题10分）

1．从事材料工程的人们为什么必须注重材料性能数据库。

材料性能数据库是材料选择的先决条件；

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

2．什么是材料的组织组成。

组成材料的不同物质表示出的某种形态特征

3．“材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。

表现在哪三个方面。

1）基础理论的形成和发展2）计算机科学技术的发展3）合成与加工新技术的涌现

4．新型材料设计的内容。

◆成分结构设计

◆性质性能预测

◆合成加工过程的控制与优化

第五部分论述题（2题共30分，每题15分）

1．材料科学与工程的四要素是什么，它们之间的关系如何？

a）使用性能

b）材料的性质

c）结构与成分

d）合成与加工

2．你认为材料工作者需要具备什么样的条件？

你认为哪些方面是新技术新材料的代表？

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。

准晶、纳米材料和界面科学等是新的研究课题，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。

作业三

一、名词解释（6题共30分，每题5分）

（1）.晶体：

原子在空间呈有规则的周期性的重复排列。

（2）.硬度：

材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。

（3）.疲劳强度：

材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。

（4）.材料组织：

材料的组织是对材料的类型、形状、数量、大小、分布等特征的描述，特征相同的部分归为一种组织组成物。

（5）.韧性：

材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。

（6）.材料的“合金化”：

通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。

这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。

二、填空题（10个空共10分，每空1分）

（1）.固体中的结合键可以分为（4）种，它们是（金属键）、离子键、（分子键）、共价键。

（2）.共晶反应式为：

（L→α+β），共晶反应的特点为：

（一个液相生成两个固相）。

（3）.材料力学性能的硬度表征：

布氏硬度、（洛氏硬度）、维氏硬度等。

（4）.马氏体的显微组织形态主要有：

（板条马氏体）、（片状马氏体）两种。

其中（板条马氏体）的韧性较好

（5）.液态金属结晶时，结晶过程的推动力是：

（液相和固相之间存在过冷度）。

三、是非题（5题共10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）.一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由三相组成。

（×

）

（3）.三束表面改性是指：

激光束、电子束、离子束（ 

（4）.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。

（ 

（5）.不论含碳量的高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。

四、选择题（5题共10分，每题2分）

（1）.决定晶体结构和性能最本质的因素是：

a.原子间的结合能b.原子间的距离c.原子的大小。

（a）

（2）.固溶体的晶体结构：

（a）a.与溶剂相同b.与溶质相同.c.为其它晶型

（3）.材料的刚度和（a）有关：

a.弹性模量b屈服强度c抗拉强度

（4）.间隙相的性能特点是：

a.熔点高，硬度低；

b硬度高，熔点低c硬度高、熔点高（c）

（5）.珠光体是一种：

a.单相固溶体b两相混合物c.Fe和C的化合物（b）

五、简答题（4题共20分，每题5分）

（1）.何为粉末烧结？

影响烧结的因素有哪些？

烧结是陶瓷何粉末冶金工艺中最重要的工序。

所谓烧结就是指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐密化，且机械强度大大提高的过程。

影响烧结的因素有很多，如坯体的初始密度、物相组成、烧结气氛、压力以及添加剂等。

（2）.简述纤维增强复合材料的机理。

纤维复合材料强度高的原因是：

纤维尺寸小强度高韧性改善，纤维表面受基体保护，基体有止裂作用，断裂时纤维拔出要克服粘结力，以及纤维处于三向受力状态等。

（3）.简述从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库。

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。

（4）.简述材料设计的主要内容

材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即：

成分结构设计

性质性能预测

合成加工过程的控制与优化

六、综合分析题（2题共20分，每题10分）

（1）.材料的四大要素是什么？

叙述材料四大要素之间的关系。

提示：

•材料四要素：

使用性能、材料的性质、结构与成分、合成与加工

关系：

略

（2）.试述材料的强韧化的主要方法及其各自原理。

固溶强化、加工硬化、弥散强化、第二相强化、相变增韧

原理：

作业四

（1）.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。

（2）.刚度：

外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

（3）.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。

（4）.马氏体：

碳在α-Fe的过饱和固溶体。

（5）.断裂韧性：

工程上使用的各种材料，本身不可避免地存在着微裂纹，在应力的作用下，这些裂纹进行扩展，一旦达到失稳扩展状态，便会发生低应力脆断。

（6）.材料的热处理：

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。

（1）.材料的物理性质主要包括：

（电学性质）、磁学性质、（光学性质）、热学性质等

（2）.三类主要的材料力学失效形式：

（断裂）、（磨损）、腐蚀。

（3）.材料物理性能的电学性能表征有：

（导电率）、（电阻率）、介电常数等。

（4）.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：

（液态成型）、（塑变成型）、流变成型。

（5）.三束表面改性是指：

（激光束）、（电子束）、离子束等。

（1）.结构材料是指工程上要求机械性能的材料。

（2）.表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心部的组织和性能。

（3）.材料的加工与合成主要内容包括材料制备、材料加工、表面工程、材料复合。

（4）.有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是：

物理气相沉积PVD和化学气相沉积CVD。

（5）.合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。

（1）.晶体中的位错属于：

a.体缺陷.b面缺陷.c.线缺陷（c）

（2）.奥氏体是：

a.碳在γ-Fe中的间隙固溶体；

b.碳在α-Fe中的间隙固溶体c.碳在β-Fe中的间隙固溶体（a）

（3）.在发生L→α+β共晶反应时，三相的成分：

a.确定b.相同c.不定（b）

（4）.设计纤维复合材料时，对于韧性较低的基体，纤维的膨胀系数可（a）；

对于塑性较好的基体，纤维的膨胀系数可（c）

a.略低b相差很大c略高d相同

（1）.何为复合材料？

简述材料复合的目的。

复合材料为由两种以上不同性质的材料组成的多相固体材料，具有其组成材料所，没有的优越性能，材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。

因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。

（2）.简述性质与性能的关系和区别。

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。

使用性能：

是指材料在最终使用状态（产品、元件）下表现出的行为。

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

（3）.简述材料的加工的主要范畴

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

（4）.简述材料改性的目的以及其主要内容

１.材料的“合金化”

2.材料的热处理

（1）.材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？

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

光学显微镜、SEM、TEM、场离子显微镜、隧道扫描显微镜等

（2）.试述材料热处理的常见工艺及其目的。

典型热处理工艺

淬火、退火、回火、正火

第三章结构材料

一、填空题：

1、碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。

2、优质碳素结构钢的钢号是以碳的平均万分数来表示的。

3、碳钢常规热处理有退火、正火、淬火、回火四种

4、碳在铁碳合金中的存在形式有与铁间隙固溶、化合态的渗碳体、游离态的石墨

5、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。

6、塑料、橡胶、纤维被称为三大合成高分子材料。

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、聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。

9、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。

10、陶瓷材料的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷，其中导电性与点缺陷有直接关系。

11、陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷材料的最大弱点。

12、陶瓷材料热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。

13、由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料叫做复合材料。

14、复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

15、颗粒增韧的增韧机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧、和分叉增韧。

16、界面是复合材料中基体与增强材料之间发生相互作用和相互扩散而形成的结合面。

17、复合材料界面结合的类型有机械结合、溶解与侵润结合、反应结合、混合结合。

二、判断题：

1、不锈钢中含碳量越低，则耐腐蚀性就越好。

（√）

2、纯铝中含有Fe、Si等元素时会使其性能下降。

3、正火是在保温一段时间后随炉冷却至室温。

（×

）

4、受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环的塑料称为热塑性塑料。

5、聚乙烯从是目前产量最大，应用最广泛的品种。

6、陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容大。

7、陶瓷材料中位错密度很高。

8、陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强。

9、纤维增强金属基复合材料的目标是，提高基体在室温和高温下的强度和弹性模量。

（√）

10、复合材料有高的强度和弹性模量、良好的减震性。

11、界面的特性对复合材料起着举足轻重的作用。

三、简答题：

1、碳钢按照不同的分发可以分为哪几类？

1、按碳的质量百分数分：

低碳钢（C：

≤0.25％）

中碳钢（C：

0.25％≤C≤0.6％）

高碳钢（C：

＞0.6％）

2、按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：

普通碳素钢（S≤0.055％，P≤0.045％）

优质碳素钢（S≤0.040％，P≤0.040％）

高级优质碳素钢（S≤0.030％，P≤0.035％）

3、按用途分：

碳素结构钢

碳素工具钢

2、什么叫做退火，退火的作用是什么？

退火：

将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。

退火的目的主要是为了消除内应力。

3、石墨的存在对铸铁有着什么样的作用？

简述其原因。

1、铸铁的切削加工性能优异；

2、铸铁的铸造性能良好；

3、铸铁具有耐磨性；

4、铸铁具有良好的减振性；

5、铸铁对缺口不敏感；

对铸铁的作用

原因：

主要是石墨的存在具有润滑作用。

4、简述镁合金的主要优缺点。

优点：

低比重：

工业用材料中最轻量材料（铝的2/3重）

高比强度：

优于钢和铝

震动吸收性好：

可将震动能吸收并转化成热放出

易机械加工、耐冲击性好、电磁屏蔽性好

可再生利用：

有利于环境优化

缺点：

抗腐蚀性能差、塑性变形能力差。

5、与小分子相比高分子有什么特点？

与小分子相比，高分子：

分子量不确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；

没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；

分子间力很大，没有沸点，加热到2000C~3000C以上，材料破坏（降解或交联）。

6、高分子有哪三种力学状态？

各有什么特点？

高分子有玻璃态、高弹态、粘流态三种力学状态。

玻璃态链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。

具有虎克弹性行为，质硬而脆。

高弹态链段运动已充分发展。

在较小应力下，即可迅速发生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。

粘流态由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对位移，产生不可逆位移即粘性流动；

交联聚合物无粘流态存在

7、什么是玻璃化转变温度，有何特点？

聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变。

从分子运动的角度看，玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动的温度。

特点：

玻璃化转变是一个松弛过程。

在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等结构因素，都使Tg下降。

8、高分子的废弃物造成了环境问题，可采取什么措施？

1．开发可降解的高分子材料

2．回收利用

9、举例说明陶瓷材料的结合键主要有哪两种，各有什么特点？

陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）。

以离子键结合的晶体称为离子晶体。

离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。

它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。

但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。

金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。

以共价键结合的晶体称为共价晶体。

共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。

共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。

但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。

最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。

10、陶瓷材料主要有哪些相组成，各有什么作用？

有晶体相、玻璃相和气孔组成。

晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。

玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。

其作用是：

将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；

降低烧成温度，加快烧结过程；

阻止晶体转变、抑止晶粒长大。

陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。

这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。

气孔对陶瓷的性能是不利的。

它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。

11、简述陶瓷材料的力学性能特点。

硬度陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。

刚度陶瓷的刚度很高。

刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。

离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高