材料学导论试题答案

材料科学导论试题一、必作题（每题10分，共50分）1）材料的组织结构与其性能之间有什么样的关系?材料的性能往往取决于材料组分，结构。材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性、不同性能的材料。材料的组织结构通常由自身原料和后期加工决定的。材料的加工成型不是单纯的物理过程，而是决定材料最终结构和性能的重要环节。材料的加工有可能受温度、压强、应力及作用时间等变化的影响，导致材料降解、交联以及其他化学反应，使材料的化学结构发生变化，从而影响材料的性能。2）金属材料是由晶体组成的，常见的金属晶体结构点阵有哪些种类，试举例说明之。最典型的是面心立方点阵(A1)、体心立方点阵(A2)和密排六方点阵(A3)面心立方点阵：面心立方点阵的每个阵点上只有一个金属原子，结构很简单。体心立方点阵：体心立方结构晶胞除了晶胞的8个角上各有一个原子外，在晶胞的中心尚有一个原子。因此体心立方晶胞原子数为2。密排六方结构可看成是由两个简单六方晶胞穿插而成。密排六方结构亦是原子排列最密集的晶体结构之一。3）什么是碳钢，合金钢？它们的主要区别在哪里？钢的强度是由什么因素决定的？碳钢：主要指碳的质量分数小于2.11%而不含有特意加入的合金元素的钢。有时也称为普碳钢或碳素钢。指含碳量Wc小于2.11%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。合金钢：钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。区别：合金钢含有一种或多种特意加入的合金元素。因素：钢的含碳量。含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。钢的强度认定标准是屈服强度和抗拉强度，而影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。4）实际的金属当中存在哪些缺陷，它们的特点是什么?这些特点对钢的性能产生了什么样的影响？人们怎样利用这些特点来发展金属材料？点缺陷、线缺陷、面缺陷三种缺陷。其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子。线缺陷包括刃型位错、螺型位错。面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界。他们对力学性能的影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等通过硬度低的性能发展可塑性高的金属。5）什么是相变？钢的淬火工艺是一种相变吗？它对提高钢的强度与硬度有什么帮助？其本质的原因是什么？物质从一种相转变为另一种相的过程。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相，其间物理特性和分子结构发生了明显变化。与固、液、气三态对应，物质有固相、液相、气相。不是一种相变淬火通常是对工件的整体处理（也有表面淬火），以提高硬度，改变了其原始状态。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体，获得高硬度二、专题报告，共50分试选取本课程中某一专题，联系自己的专业，在阅读一定的参考资料的前提下，写一篇专题报告。要求：必做题及选做题的答案均手写；读书报告不超过2000字，不能长篇copy，加注参考文献。材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具，材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的，材料也被视为人类社会进化的里程碑。任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将促进当时社会文明的发展和技术的进步。也就是说，对材料的认识和利用的能力,决定着社会的形态和人类生活的质量。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下几个发展阶段：1．使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），也就是人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。2．人类单纯利用火制造材料的阶段这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。金属材料金属材料科学主要是研究金属材料的成分组织、结构、缺陷与性能之间内在联系的一门学科。对其按化学成份进行分类可以分为钢铁、有色金属以及复合金属材料。按用途分类包括结构材料和功能材料。无机非金属材料无机非金属材料是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料已从传统的水泥、玻璃、陶瓷发展到了新型的先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维、半导体材料以及光学材料。3．利用物理与化学原理合成材料的阶段这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和无机非金属材料构成了现代材料的三大支柱。高分子材料高分子材料为有机合成材料,亦称聚合物高分子材料。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类:塑料、橡胶以及合成纤维。4．材料的复合化阶段20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。5．材料的高科技化阶段纳米材料，即晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围（小于100nn）的材料。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要包括：l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子讲结构；3）功半结晶聚合物和聚合物混和物；4）纳米晶体和纳米玻璃材料；5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。目前纳米材料主要用于下列方面：（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，③网络通讯的关键纳米器件④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术(3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。(4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。(6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。作为一个经管院的学生，我认为纳米技术的高速发展，会为经济带来不可估量的贡献。随着生活水平的不断提高，以及人们对高科技产品的喜爱，对环保意识的增强，都在一个侧面推动纳米技术的发展。因此，我们可以预见，在现今加大对纳米技术的投资研发，以及对纳米产品的专利注册、开发生产等，相信相对于未来可观的收益，现今的投资绝对物有所值。纳米材料的高速发展，除了能够给人们带来可观的经济收益，也会对环境进行不小的改造，让我们的生活变得更加美好。材料的发展对于我们的社会的发展也是至关重要的。如果材料能够最大程度的发展，必能引发新的科技进步，为我们社会的发展做出巨大的贡献。参考文献:[1]谢盛辉.《材料科学发展史》课程构想及教学纲要.2006.[2]许顺生.金属材料科学概述.中国科学院上海冶金研究所.[3]王军,严彪,徐政.金属基复合材料的发展和未来.1999.[4]董炎明,张海良.高分子科学简明教程.科学出版社,2008.