材料科学与工程导论重点

《材料科学与工程》期末复习题一、填空题（每空1分，共24分）1.根据材料的化学组成，材料可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。2.生态环境材料的三要素为先进性、环境协调性、舒适性。3.生态环境材料可分为原料无害化材料、绿色环境过程材料、可循环利用材料、高资源生产率材料。4.按照断口颜色分，铸铁可以分为灰铸铁、白口铸铁和马口铸铁。5.按照化学类型，贮氢合金可以分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型。6.减震合金的分类：孪晶型、铁磁性型、位错型、复相型、复合型。7.常用的硬度测试方法：布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法、显微维氏硬度、肖氏硬度法。8.按研究的尺度，材料的结构可以分为四个层次：宏观组织结构、显微组织结构、原子(分子)排列结构和原子中的电子结构。9.塑性变形方式：位错运动、孪晶、蠕变、粘滞性流动。10.选矿的主要方法有：手工选矿法、重力选矿法、磁选法、浮选法、联合选矿法。11.从工艺角度看，冶炼可以分为火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。二、判断题：（所给的是正确表述）（每题1分，共6分）1.用洛氏硬度的三种表示方法HRC、HRB、HRA表示出来的硬度无法比较。2.σmax/гmax越大，脆性越大。3.刃型位错的位错线与滑移方向垂直，螺旋位错的位错线与滑移方向平行。4.位错属于线缺陷。5.防锈铝合金，不可以采用热处理强化，而是采用冷加工变形硬化。6.冷变形温度比淬火温度高。7.工业高纯铝，数字越大,纯度越高。8.固溶体的晶质类型跟溶剂保持一致。三、简答题：（每题4分，共16分，8选4）1.什么是生命周期评价方法？答：是用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资料、能源消耗、废物排放、环境吸收和消耗能力等环境负担性进行评价、定量该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。2.传统陶瓷与现代陶瓷的区别？答：区别点传统陶瓷现代陶瓷、、3.聚集态原子间相互作用的一般规律。答：不同类型的固体有不同的结合键，可以用双原子模型来说明。当两原子相距无限远时，相互作用力为零。两原子靠近时，原子间产生引力FA和斥力FR，但引力大于斥力，并均随原子间距离r减小而增大。当r=r0时，FA+FR=0。此时达到平衡态，一旦处于这个位置，它们之间的引力对抗任何企图分离它们的作用，同时欲使它们更靠近，而它们之间的排斥作用与之相对抗。4.弹性形变与塑性形变的定义和特点。答：弹性形变：材料在外力作用下会发生变形，如果外力卸载后变形也随之消失，这种可恢复的形变就称为弹性形变。特点：变形可逆，去除外力后变形消失；服从虎克定律，应力和应变成线性关系。塑性形变：材料在外力作用下发生变形，如果外力卸载后变形不能完全消失，这种不可恢复的形变就称为塑性形变。特点：卸载后材料会留下一定的残余变形或永久变形；应力和应变不再成线性关系。5.提高陶瓷材料强度及改善脆性（增韧）的途径。答：（1）制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷；（2）消除表面缺陷，可有效提高材料的实际强度和韧性；（3）在陶瓷表面引入压应力，可提高材料的强韧性；（4）细化晶粒；（5）复合增韧；（6）相变增韧。6.粉末冶金的特点。答：（1）粉末冶金可以生产普通方法无法生产的特殊性能的材料；（2）粉末冶金容易控制材料的组成，从而生产出组织均匀、晶粒细小、性能稳定的优质材料，特别适合于生产高合金粉末冶金材料；（3）粉末冶金可直接将金属粉末制成成品或接近成品的最终形状和尺寸的零件，因此是一种少、无切削的成型加工方法；（4）生产率较高。7.单晶体制备的基本原理是什么？不同单晶体的生长方法是什么？答：基本原理：设法使液体在结晶时只有一个晶核形成并长大。原料天然矿物原料人工精制合成原料(氧化物和非氧化物两大类)成型注浆、可塑成型为主压制、热压铸、注射、轧膜、流延、等静压成型为主烧成温度在1350℃以下，燃料以煤、油、气为主结构陶瓷常需1600℃左右高温烧结，功能陶瓷需精确控制烧结温度，燃料以电、气油为主结构[SiO4]为基本结构单元Ti-O、Al-O、Si-N、Si-C等多面体为基本结构单元性能以外观效果为主以内在质量为主，常呈现耐磨、耐腐蚀耐高温等各种敏感特性加工一般不需要加工常需切割、打孔、研磨和抛光用途餐、饮具，陈设品主要用于宇航、能源、冶金、交通、电子、家电等行业生长方法：（1）从熔体中制备单晶；（2）从溶液中制备单晶；（3）气相生长法制备单晶；（4）固相生长法制备单晶。8.什么是金属材料表面强化及表面改性处理技术？答：就是利用各种物理、化学或机械等手段，改变材料表面的形貌、化学成分、相组织、微观结构、缺陷状态或应力状态，或者给材料表面施加各种覆盖层，从而使机件表面获得希望的成分、组织结构和性能。四、论述题：（每题10分，共30分,6选3）1.金属的蠕变变形机理和蠕变断裂机理?答：蠕变变形机理：（1）位错滑移蠕变。常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能进行；高温位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散克服某些短程障碍，从而产生变形。（2）扩散蠕变。无外力作用下，原子和空位的移动无方向性，材料无塑性变形。有外力作用时，拉应力下的晶界产生空位，而压应力作用下的晶界空位浓度小，因此空位由拉应力晶界向压应力晶界迁移，致使晶体产生伸长的蠕变。（3）晶界滑移蠕变。高温下T/Tm0.5，晶界上的原子容易扩散，受力后发生滑动，促进蠕变。蠕变断裂机理：金属在高温持久载荷下的断裂多为沿晶断裂，不同温度及应力条件下，晶界裂纹的形成方式有两种：（1）在三晶粒交会处形成楔形裂纹；（2）在晶界上由空洞形成晶界裂纹。2.固体热膨胀的微观机理。答：（1）大多数固体材料都会随着温度的升高而发生膨胀。（2）膨胀的原因是原子受热后其能量增大，发生偏离平衡位置的振动，导致原子间距离的增加，从而使材料在宏观上表现出体积或线尺寸增大。（3）以双原子模型的势能——原子间距的关系曲线作以解释。设0K时两个原子中的一个固定在原点，另一个原子的平衡位置为r0，随温度的升高，一是原子振动的振幅加大；二是原子围绕平衡位置作非对称的振动，即原子振动的平均位置不在原来的平衡位置r0处，而是右移了。正是由于势能曲线的不对称性，才导致了两原子间的距离增大，因而显示出热膨胀。3.材料弹性模量的影响因素答:(1)键合方式和原子结构：共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量，分子键结合力较弱，弹性模量较低；金属元素弹性模量的大小还与元素在周期表中的位置有关，原子半径越大E值越小，过渡族金属的E值较高。(2)晶体结构：单晶体－弹性各向异性；多晶体－弹性伪各向同性；非晶态－各向同性。(3)化学成分：化学成分变化引起原子间距和键合方式的变化，从而影响材料的弹性模量。固溶体合金在溶解度较小的情况下一般影响不大。(4)微观组织：合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模量的影响较小，晶粒大小对E值无影响。因此热处理对材料的弹性模量的影响不大。(5)温度：温度升高，E值降低；室温附近E值变化不大。(6)冷塑性变形：使E值稍有降低。(7)加载条件和负荷持续时间：对E值影响不大。4.举例说明形成固溶体后对晶体性质的影响答：（1）稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生。ZrO2是一种高温耐火材料,熔点2680℃，单斜1200C四方232但发生相变时伴随很大的体积收缩,这对高温结构材料是致命的,若加入CaO、Y2O3等氧化物则和ZrO2形成固溶体,无晶型转变,体积效应减少,使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。（2）活化晶格。形成固溶体后,晶格结构有一定畸变,处于高能量的活化状态,有利于进行化学反应。如Al2O3熔点高(2050℃)不利于烧结,若加入TiO2,可使烧结温度下降到1600℃,因为AlO与TiO形成固溶体,Ti4+置换Al3+后带正电,为平衡电价,产生了正离子空位,加快扩散,有利于烧结进行。（3）固溶强化。固溶强化的程度(或效果)取决于它的成分、固溶体的类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等一系列因素。间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著；溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小,固溶强化越显著。（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响。固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化,但一般都不是线性关系,固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低。如PbTiO3是一种铁电体,纯PbTiO3烧结性能极差,Tc=490℃；PbZrO3是一种反铁电体,Tc=230℃。两者结构相同,Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多,能在常温生成连续固溶体后，压电性能、介电常数都达到最大值,烧结性能也很好。5.玻璃相的形成、成分、特点、作用、对陶瓷材料性能的影响答：形成：陶瓷烧结时各组成物和杂质产生一系列物理化学反应后所形成的液相冷却而形成的。成分：二氧化硅和其他氧化物。特点：(1)非晶态，无规网络的硅酸盐结构；(2)是一种低熔点的固体。作用：（1）填充晶粒间的空隙，粘结分散的晶相，提高材料的致密度；（2）降低烧结温度，促进烧结，改善工艺性；（3）阻止晶体转变，抑制晶体长大；（4）获得一定程度的玻璃特性，如透光性等。玻璃相对陶瓷材料的影响：（1）组成不均匀，使材料的物化性质不均匀；（2）玻璃相的机械强度比晶相低一些，热稳定也差一些，在较低温度下便开始软化；（3）玻璃相过多，陶瓷的熔点也降低。6.位错与晶体材料强度的关系答：强度是材料抵抗变形的能力。大多数工程材料都是晶体材料，晶体材料的塑性变形以滑移为主，是通过晶体内部的位错运动实现的，由此似乎可以得出结论，实际晶体中位错密度越低，晶体的强度越高。但在生产实际中，位错的密度越高，晶体的强度就越高。因此，可以采取两条完全相反的路径，尽量减少位错密度，或尽量增大位错密度。（1）尽可能地减少晶体中的位错密度，使其接近于完整晶体，或者说制成无缺陷的完整晶体，使金属实际强度接近于理论强度；（2）尽量增大晶体中的位错密度，并且尽可能地给运动着的位错设置障碍，以及抑制位错源的运动。五、计算题（每题12分，共24分,1必考，2、3选1）1.通过计算判断下列位错能否自发进行。（注意：解答时先写上“需满足两个条件，即几何条件和能量条件”，然后作答，本步1分）2.利用阿伦尼乌斯公式计算。计算公式V=Aexp(-Q/KT)（Q单位为J，K=1.38×10-23J/K）或V=Aex(-Q/RT)（Q单位为J/mol，R=8.314J/mol/K）（课本p155）3.利用蠕变速率公式εss=Aσnexp（-Q/RT）计算。（课本p165）