材料科學(xué)與工程導(dǎo)論課后習(xí)題答案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第1章 材料與人類1. 為什么說(shuō)材料的發(fā)展是人類文明的里程碑？材料是一切文明和科學(xué)的基礎(chǔ)，材料無(wú)處不在，無(wú)處不有，它使人類及其賴以生存的社會(huì)、環(huán)境存在著緊密而有機(jī)的聯(lián)系?？v觀人類利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)和人類生活帶來(lái)巨大的變化。2. 什么是材料的單向循環(huán)？什么是材料的雙向循環(huán)？?jī)烧叩牟顒e是什么？物質(zhì)單向運(yùn)動(dòng)模式：“資源開采-生產(chǎn)加工-消費(fèi)使用-廢物丟棄”冶金等初加工資源開采地球工業(yè)原料原材料進(jìn)一步加工組合加工制造人類使用后失效工程材料產(chǎn)品 廢料雙向循環(huán)模式：以仿效自然生態(tài)過(guò)

2、程物質(zhì)循環(huán)的模式，建立起廢物能在不同生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)，多產(chǎn)品共生的工業(yè)模式，即所謂的雙向循環(huán)模式（或理論意義上的閉合循環(huán)模式）。綜合利用變?yōu)闊o(wú)害廢物綜合利用變?yōu)闊o(wú)害廢物地球工業(yè)用原料原材料經(jīng)過(guò)人類處理重新利用后的無(wú)害廢物廢料工程材料產(chǎn)品差別：?jiǎn)蜗蜓h(huán)必然帶來(lái)地球有限資源的緊缺和破壞，同時(shí)帶來(lái)能源浪費(fèi)，造成人類生存環(huán)境的污染。無(wú)害循環(huán)：流程性材料生產(chǎn)中，如果一個(gè)過(guò)程的輸出變?yōu)榱硪粋€(gè)過(guò)程的輸入，即一個(gè)過(guò)程的廢物變成另一個(gè)過(guò)程的原料，并且經(jīng)過(guò)研究真正達(dá)到多種過(guò)程相互依存、相互利用的閉合的產(chǎn)業(yè)“網(wǎng)”、“鏈”，達(dá)到了清潔生產(chǎn)。3. 什么是生態(tài)環(huán)境材料？生態(tài)環(huán)境材料是指同時(shí)具有優(yōu)良的使用性能和最佳環(huán)境協(xié)調(diào)性

3、能的一大類材料。這類材料對(duì)資源和能源消耗少，對(duì)生態(tài)和環(huán)境污染小，再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用，而且要求在制造、使用、廢棄直到再生利用的整個(gè)壽命周期中，都必須具有與環(huán)境的協(xié)調(diào)共存性。因此，所謂環(huán)境材料，實(shí)質(zhì)是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，它是材料工作者在環(huán)境意識(shí)指導(dǎo)下，或開發(fā)新型材料，或改進(jìn)、改造傳統(tǒng)材料，任何一種材料只要經(jīng)過(guò)改造達(dá)到節(jié)約資源并與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的要求，它就應(yīng)被視為環(huán)境材料。4. 為什么說(shuō)材料科學(xué)和材料工程是密不可分的系統(tǒng)工程？材料科學(xué)與工程的材料科學(xué)部分主要研究材料的結(jié)構(gòu)與性能之間所存在的關(guān)系，即集中了解材料的本質(zhì)，提出有關(guān)的理論和描述，說(shuō)明材料結(jié)構(gòu)

4、是如何與其成分、性能以及行為相聯(lián)系的。而另一方面，與此相對(duì)應(yīng)，材料工程部分是在上述結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)材料的組織結(jié)構(gòu)并在工程上得以實(shí)施與保證，產(chǎn)生預(yù)定的種種性能，即涉及到對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的綜合、運(yùn)用，以便發(fā)展、制備、改善和使用材料，滿足具體要求。兩者只是側(cè)重點(diǎn)不同，并沒有明顯的分界線，一般在使用材料科學(xué)這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，通常都包含了材料工程的許多方面；而材料工程的具體問(wèn)題的解決，毫無(wú)疑問(wèn)，都必須以材料科學(xué)作為基礎(chǔ)與理論依據(jù)，所以材料科學(xué)與材料工程是一個(gè)整體。5. 現(xiàn)代材料觀的六面體是什么？怎樣建立起一個(gè)完整的材料觀？材料科學(xué)與工程研究材料組成、性能、生產(chǎn)流程和使用效能四個(gè)要素，構(gòu)成四面體

5、。成分、合成與加工、結(jié)構(gòu)、性能及使用效能連接在一起組成一個(gè)六面體。6. 什么是材料的使用效能？指材料在使用條件下的表現(xiàn)，如使用環(huán)境、受力狀態(tài)對(duì)材料特征曲線以及壽命的影響。效能往往決定著材料能否得到發(fā)展和使用。7. 試講一下材料設(shè)計(jì)與選用材料的基本思想與原則？材料設(shè)計(jì)是應(yīng)用已知理論與信息，預(yù)報(bào)具有預(yù)期性能的材料，并提出其制備合成方案。材料設(shè)計(jì)可根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象所涉及的空間尺度劃分為顯微結(jié)構(gòu)層次、原子分子層次和電子層次設(shè)計(jì)，以及綜合考慮各個(gè)層次的多尺度材料設(shè)計(jì)。從工程角度，材料設(shè)計(jì)是依據(jù)產(chǎn)品所需材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，利用各種有用信息，建立相關(guān)模型，制定具有預(yù)想的微觀結(jié)構(gòu)和性能的材料及材料生產(chǎn)工藝方法，以

6、滿足特定產(chǎn)品對(duì)新材料的需求。選材原則：1）勝任某一特定功能；2）綜合性能比較好；3）材料性能差異定量化；4）成本、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益；5）與環(huán)境保護(hù)盡可能地一致，即對(duì)環(huán)境盡可能友好。選材思想：設(shè)計(jì)-工藝-材料-用戶最佳組合的結(jié)果第2章 工程材料概述工程材料分為：金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料、復(fù)合材料以及不宜歸入上述四類的“其他材料”。1. 什么是黑色金屬？什么是有色金屬？黑色金屬主要是指鋼鐵和其他鐵基合金，以及鉻、錳及其合金，以其他金屬為基的合金稱為有色金屬或稱為非鐵合金。二者總稱為金屬材料。2. 碳鋼和合金鋼如何分類？含碳量不同：w（C）<0.25% 低碳鋼；w（C）=0.25%0.55

7、% 中碳鋼；w（C）>0.55% 高碳鋼；用途：結(jié)構(gòu)鋼：制造各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件；工具鋼用來(lái)制造各種刃具、模具和量具；質(zhì)量等級(jí)：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼（雜質(zhì)元素或缺陷程度不同）P14 各種牌號(hào)合金鋼用途分類：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特種性能鋼（特殊鋼）按化學(xué)成分分類，可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼等。合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：低合金鋼（合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%）、中合金鋼（5%10%）和高合金鋼（大于10%）熱處理后顯微組織分類：珠光體鋼、貝氏體鋼、鐵素體鋼等特殊鋼主要包括各類不銹鋼，其他還有耐熱鋼、抗氧化鋼、耐磨鋼3. 鑄鐵材料是怎樣分類的？應(yīng)用時(shí)怎樣選擇？鑄鐵是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.

8、11%的鐵碳合金，同時(shí)含有較多的Si、Mn和其他一些雜質(zhì)元素，為了提高鑄鐵的性能，加入一定量的合金元素，稱之為合金鑄鐵。同鋼相比，鑄鐵熔煉簡(jiǎn)便，成本較低，具有優(yōu)良的鑄造性能、很高的耐磨性、良好的減震性能和切削加工性能，且缺口敏感性低等特點(diǎn)。因此鑄鐵廣泛用于機(jī)械、冶金、石化、交通、建筑、國(guó)防等領(lǐng)域。白口鑄鐵 室溫組織的碳全部或絕大部分以化合物滲碳體Fe3C存在，斷口呈銀白色，稱白口鑄鐵。性能硬而脆，難以加工，很少應(yīng)用。灰口鑄鐵 碳全部或大部分以片狀石墨形式存在，組織中沒有硬脆的萊氏體。斷口呈暗灰色。價(jià)格低廉，容易切削加工，可用于制造汽缸、泵體、支座以及機(jī)床床身等。球墨鑄鐵 石墨為球狀的鑄鐵 綜合

9、力學(xué)性能好，可用于制造一些重要的機(jī)器零件，如曲軸、凸輪軸、齒輪等?？慑戣T鐵 碳以團(tuán)絮狀石墨形式存在。 高強(qiáng)度鑄鐵，制造一些形狀復(fù)雜，承受沖擊載荷的薄壁小件。蠕墨鑄鐵 組織為鋼基體上分布著蠕蟲狀石墨。制造工作溫度較高或是具有較大溫度梯度的零件，如大型柴油機(jī)汽缸蓋、制動(dòng)盤、排氣管、鋼錠模、金屬型等。合金鑄鐵分為耐磨鑄鐵：制造機(jī)床導(dǎo)軌、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套等零部件。耐蝕鑄鐵主要用于化工部門、造船部門使用的管道、閥門、泵類等零件。4. 銅合金在工程中怎樣應(yīng)用？純銅的機(jī)械性能較低，為滿足制作工程結(jié)構(gòu)的要求，加入不同的合金元素制成銅合金，實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化和過(guò)剩相強(qiáng)化，從而提高其性能。黃銅 （CuZn合金）

10、、青銅（CuSn合金）、白銅（CuNi合金）。5. 鈦合金為什么耐蝕？鈦合金主要應(yīng)用在那些領(lǐng)域？鈦在大氣中極易形成氧化鈦薄膜，因此在很多介質(zhì)中有極高的抗腐蝕性，特別在海水中不腐蝕。廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域以及大量民用工程，如高爾夫球具、人造關(guān)節(jié)、牙齒等。6. 環(huán)境材料的內(nèi)涵是什么？具有優(yōu)良性能、與環(huán)境相協(xié)調(diào)、有利于環(huán)保的一類材料。分為天然材料（如木制材料等）、循環(huán)再生材料、低環(huán)境負(fù)荷材料以及環(huán)境功能材料。7. 陶瓷材料是如何分類的？陶瓷可定義為經(jīng)過(guò)高溫處理所合成的無(wú)機(jī)非金屬材料。傳統(tǒng)陶瓷按用途可分為 日用陶瓷、建筑陶瓷等。現(xiàn)代陶瓷按性能和應(yīng)用范圍又可分為結(jié)構(gòu)陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等。8. 什

11、么是結(jié)構(gòu)陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷？試列舉各自典型材料及主要應(yīng)用。結(jié)構(gòu)陶瓷：作為結(jié)構(gòu)部件的特種陶瓷1. 氧化鋁陶瓷是一種以Al2O3為主要成分的陶瓷，其中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45%以上。根據(jù)Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小又可分為75瓷、95瓷、99瓷，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是75%、95%、99%。75瓷屬于剛玉-莫來(lái)石瓷，95、99瓷屬于剛玉瓷。剛玉瓷的性能最佳，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。剛玉-莫來(lái)石瓷性能較差，但成本低。優(yōu)點(diǎn)：1）很高的機(jī)械性能和介電性能2）耐高溫；3）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿，且高溫下也不會(huì)氧化；4）優(yōu)良的電絕緣性能，特別是高頻下的電絕緣性能好。缺點(diǎn)：脆性大，不能承受沖擊載荷，且抗熱震性

12、差，不能承受突然的環(huán)境溫度變化。氧化鋁陶瓷應(yīng)用：紡織用的導(dǎo)線器及火箭用的導(dǎo)流罩，氬弧焊機(jī)的氣體罩、噴砂用的噴嘴、熔化金屬的坩堝、高溫?zé)犭娕继坠?、火花塞?. 氮化硅陶瓷氮化硅是六方晶系的晶體，有-Si3N4和-Si3N4兩種。反應(yīng)燒結(jié)的氮化硅是以-Si3N4為主晶相；熱壓燒結(jié)的氮化硅以-Si3N4為主晶相性能：1）良好的化學(xué)穩(wěn)定性，除HF以外，耐各種無(wú)機(jī)酸和堿溶液復(fù)試，也能抵抗熔融非鐵金屬的侵蝕；2） 優(yōu)異的電絕緣性能；3） 硬度高，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，且本身具有自潤(rùn)滑性；4） 熱膨脹系數(shù)小，優(yōu)異的抗高溫蠕變性能，抗熱震性能好應(yīng)用：高溫軸承；測(cè)量鋁液熱電偶套管的理想材料；冶金和熱加工工業(yè)的廣

13、泛應(yīng)用。3. 碳化硅陶瓷性能：1）高溫強(qiáng)度大；2）常溫硬度高，耐磨性好；3）耐蝕性強(qiáng)，與各種酸都不起作用；4）導(dǎo)熱能力強(qiáng)應(yīng)用：1）火箭尾噴管的噴嘴；2）燃?xì)廨啓C(jī)葉片，軸承；3）高溫下熱交換器，如核燃料的包封材料；4）耐磨，可制作各種泵的密封圈。4. 六方氮化硼性能：1）良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性；2）良好的電絕緣性，高溫介電強(qiáng)度高；3）良好的化學(xué)穩(wěn)定性；4）硬度低，自潤(rùn)滑性應(yīng)用：1）理想的高溫絕緣和散熱材料，熱電偶套管，半導(dǎo)體散熱絕緣零件；2）耐熱耐腐蝕，制成高溫構(gòu)件，如火箭燃燒室內(nèi)襯；3）粉狀六方氮化硼可作耐高溫、高載荷、耐腐蝕的潤(rùn)滑劑，在玻璃和金屬成型中做脫模劑。工具陶瓷1.硬質(zhì)合金：又稱粘結(jié)

14、碳化物，它是由金屬粘結(jié)相和碳化物硬質(zhì)相組成的粉末冶金材料，也屬于復(fù)合材料。其中硬質(zhì)相主要成分是WC、TiC，其次是TaC、NbC、VC等。粘結(jié)金屬用鐵族金屬及其合金，以鈷為主。成分與性能碳化物硬質(zhì)相是硬質(zhì)合金的骨架，起堅(jiān)硬耐磨的作用，Co作為粘結(jié)相，使材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，隨著含Co量的增加，硬度下降，而強(qiáng)韌性增加。粗加工選用Co高的合金，精加工選用Co低的合金。三類普通硬質(zhì)合金：YT類 適合加工韌性材料；YG類適合加工硬脆材料；YW類都可以，萬(wàn)能硬質(zhì)合金。性能：與工具鋼相比，室溫硬度較高，熱硬性好，耐磨性好，刀具切削效率高。由于硬度太高，性脆，很難機(jī)械加工，因而普通硬質(zhì)合金常制備成刀片，

15、鑲在刀上使用。應(yīng)用：刀具材料 低鈷（w（Co）<10%）普通硬質(zhì)合金用于車刀、銑刀、轉(zhuǎn)頭； 礦山工具 中鈷（w（Co）=10%25%）普通硬質(zhì)合金主要用于制作中硬和硬巖沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭；低鈷硬質(zhì)合金用于制作地質(zhì)和石油鉆探中的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭。 模具和量具 中鈷普通硬質(zhì)合金用于制作拉伸模、拉拔模等；高鈷硬質(zhì)合金可用于制作沖擊負(fù)荷較大的擠壓模、冷鐓模、沖壓模等。 高硬度的結(jié)構(gòu)件，如噴嘴、軸承；在尖端技術(shù)方面，火箭頭，人造衛(wèi)星返回大氣層防燃燒的遮板等。2. 金剛石性能：自然界硬度最高，極高彈性模量，導(dǎo)熱率最高，極好的絕緣性，電子和空穴的遷移率高，摻入硼可制造半導(dǎo)體；熱敏、透紅外光等物質(zhì)性質(zhì)及良好的

16、耐蝕性。應(yīng)用：刀具、工具、結(jié)構(gòu)、功能材料3. 立方碳化硼性能：很高的硬度、抗壓強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性和極好的導(dǎo)熱性。應(yīng)用：刀具，模具，也可制成拉絲模、散熱片，中子遮蔽窗口和高溫半導(dǎo)體。9. 功能陶瓷是怎樣定義的？通過(guò)光電磁力熱、化學(xué)、生物化學(xué)等作用后，具有特殊功能的陶瓷。10. 高聚物材料是怎樣分類的？11. 塑料有哪些特性？熱塑性塑料主要有哪幾種？熱固性塑料主要有哪幾種？12. 什么是橡膠?它是怎樣分類的？13. 合成纖維有哪些特性？主要用途是什么？14. 膠黏劑有哪些作用？涂料有哪些用途？15. 復(fù)合材料是怎樣分類的？復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的一種多相固體材

17、料。按基體材料種類分：樹脂基復(fù)合材料；金屬基復(fù)合材料；無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)材料形狀和分布分：連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；短纖維、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料；顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料；彌散強(qiáng)化復(fù)合材料；積層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；多組分的纖維、顆?；祀s復(fù)合材料。按復(fù)合效果分：力學(xué)復(fù)合材料；功能復(fù)合材料16. 復(fù)合材料的主要特點(diǎn)有哪些？具有高的比強(qiáng)度和比模量；良好的抗疲勞性能和破損安全性；減振性能好；高溫性能得到改善；獨(dú)特的設(shè)計(jì)與制造。17. 樹脂基復(fù)合材料有哪些性能？玻璃鋼的應(yīng)用有哪些特點(diǎn)？18. 金屬基復(fù)合材料的類型有哪些？它是什么特點(diǎn)？低溫金屬基復(fù)合材料：鋁、鎂合金；中溫金屬基復(fù)合材料：鈦基復(fù)合材料；高溫金屬基復(fù)合材

18、料：鎳合金特點(diǎn)：比非金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能高，特別是在強(qiáng)度方面；具有良好的高溫性能；比非金屬基復(fù)合材料的非軸向和橫向性能好；具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，可以避免靜電聚集和減小構(gòu)件的溫差；具有類似金屬的焊接性能，并能進(jìn)行局部強(qiáng)化；金屬基復(fù)合材料的密度要比非金屬基復(fù)合材料大。19. C/C復(fù)合材料的性能特點(diǎn)是什么？應(yīng)用范圍是什么？?jī)?yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的抗熱震性；優(yōu)良的抗燒蝕性能；具有一定的強(qiáng)度和剛度；良好的化學(xué)穩(wěn)定性缺點(diǎn)：碳在高溫時(shí)易氧化，垂直于纖維方向的強(qiáng)度較低，材料中的孔隙率較高，材料的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制造成本高，性能難以把握。應(yīng)用：航天航空領(lǐng)域（航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣）；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（人造關(guān)節(jié)）第3章 工程材料的

19、基本性能1. 材料的彈性模量E的工程含義是什么？它和零件的剛度有何關(guān)系？材料在彈性變形階段，應(yīng)力（）與應(yīng)變（）成正比關(guān)系，兩者的比值成為彈性模量，記為E，且E=/表征材料對(duì)彈性變形的抗力。其值越大，材料產(chǎn)生一定量的彈性變形所需要的應(yīng)力越大，故工程上也稱E為材料的剛度,主要取決于材料的本性，反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，而材料的組織變化對(duì)彈性模量無(wú)明顯影響。零件剛度的大小取決于零件的幾何形狀和材料的彈性模量一般來(lái)說(shuō)，剛度與彈性模量是不一樣的，彈性模量是物質(zhì)組分的性質(zhì)，而剛度是固體的性質(zhì)；也就是說(shuō)彈性模量是物質(zhì)微觀的性質(zhì)，而剛度是物質(zhì)宏觀的性質(zhì)。2. 試說(shuō)明以下符號(hào)的意義：e:彈性極限，材料發(fā)

20、生彈性變形的最大應(yīng)力。s（0.2）：屈服強(qiáng)度，在拉伸過(guò)程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為屈服，材料開始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力，或稱屈服強(qiáng)度，以s表示。其表征材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力。b：抗拉強(qiáng)度，材料開始發(fā)生“頸縮”的應(yīng)力。相當(dāng)于斷裂時(shí)的應(yīng)力。f：試樣發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力值：延伸率：斷面收縮率K ：沖擊總功Ak除以缺口處試樣的截面積，表示沖擊韌性。-1：堆成交變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度。夏氏沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝?jiǎn)單迅速地評(píng)定材料的韌性，所以至今仍然被廣泛地使用。缺點(diǎn)：由于是缺口試樣，所以不能真實(shí)反映帶裂紋的構(gòu)件的脆斷情況；對(duì)于評(píng)價(jià)材料的溫度脆化傾向，沖擊韌性只能用于具有明顯延性脆性轉(zhuǎn)折的材料

21、；由于加載速度、試樣或工件幾何因素等的影響，沖擊試驗(yàn)最好用于材料的比較和選擇，而不能作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。3. 比較布氏、洛氏、維氏硬度的應(yīng)用范圍，并簡(jiǎn)要說(shuō)明它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍布氏硬度：具有較高的測(cè)量精度，因其壓痕面積大，比較真實(shí)地反映出材料的平均性能，但不能測(cè)定高硬度材料。鑄鐵和鋼、有色金屬洛氏硬度：操作迅速、簡(jiǎn)便，可由表盤上直接讀出硬度值；壓痕小，可測(cè)量較薄工件的硬度。缺點(diǎn)是精度較差，硬度值波動(dòng)較大。很硬的材料、黃銅、低強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼，較硬的材料維氏硬度：測(cè)定材料范圍廣泛，很軟或很硬的都可以；準(zhǔn)確度高；但是測(cè)試手續(xù)較繁。硬材料及一般材料4. 評(píng)定材料高溫力學(xué)性能的常用指標(biāo)有哪些

22、？如何表示它們？蠕變極限：是以在給定溫度T（）下和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間t（h）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變伸長(zhǎng)量的應(yīng)力作為蠕變極限，用符號(hào)（MPa）表示，例如表示材料在900，500小時(shí)內(nèi)，產(chǎn)生0.3%變形量的應(yīng)力為600MPa持久強(qiáng)度：表征材料在高溫載荷長(zhǎng)期作用下抵抗斷裂的能力，以試樣在給定溫度T（）經(jīng)規(guī)定時(shí)間t（h）發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為持久強(qiáng)度，用符號(hào)表示。例如，表示材料在800，經(jīng)600小時(shí)斷裂的應(yīng)力為700Mpa。5. 通常描述材料的電、磁、熱性能的主要指標(biāo)有哪些？主要影響因素是什么？表征材料電性質(zhì)的物理量有：電阻R、電阻率、電導(dǎo)率和電阻溫度系數(shù)t電阻R與被測(cè)試測(cè)試樣的幾何形狀和尺寸有關(guān),表示對(duì)于一

23、定的材料，若長(zhǎng)度越長(zhǎng)，橫截面積越小，則電阻越大溫度和材料的加工工藝過(guò)程等因素對(duì)材料的電阻率產(chǎn)生影響。金屬中，溫度越高，電阻率越高。雜質(zhì)元素增大電阻率，塑性變形增大電阻率相對(duì)磁導(dǎo)率r、磁化率和磁化強(qiáng)度M是描述材料磁性的參數(shù)。為了描述材料磁性的強(qiáng)弱和磁化狀態(tài)，常用磁化強(qiáng)度M來(lái)表示，即單位體積內(nèi)的總磁矩。磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值稱為磁化率，記為；磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值稱為磁導(dǎo)率，記為。定義r=/0為相對(duì)磁導(dǎo)率熱容（材料種類有關(guān)，陶瓷大，金屬?。?、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率表示熱性能。線膨脹系數(shù)表示材料的熱膨脹性，其含義是溫度上升1度，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。與原子間結(jié)合力有關(guān)，結(jié)合力越大，線膨脹系數(shù)越

24、小，以共價(jià)鍵和離子鍵為主的材料的熱膨脹性最小，金屬居中，而具有范德瓦爾鍵的熱膨脹性最大。金屬的熱導(dǎo)率比較強(qiáng)6. 理解以下重要的術(shù)語(yǔ)和基本概念：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體、電導(dǎo)率、電阻率、磁化、磁化率、磁化強(qiáng)度、抗磁性、順磁性、鐵磁性、軟磁材料、硬磁材料、熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、氧化等。導(dǎo)體：導(dǎo)體（conductor）是指很小且易于的物質(zhì)。半導(dǎo)體（ semiconductor），指常溫下能介于（conductor）與（insulator）之間的。絕緣體的定義：不容易導(dǎo)電的物體叫做絕緣體。超導(dǎo)是指導(dǎo)電材料在溫度接近的時(shí)候，物體下材料的趨近于0的性質(zhì)?！俺瑢?dǎo)體”是指能進(jìn)行超

25、導(dǎo)傳輸?shù)膶?dǎo)電材料。零電阻和是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。電導(dǎo)率，物理學(xué)概念，指在介質(zhì)中該量與之積等于傳導(dǎo)電流密度，也可以稱為導(dǎo)電率。電阻率是用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的。某種物質(zhì)所制成的原件（常溫下20°C）的與的乘積與長(zhǎng)度的比值叫做這種物質(zhì)的電阻率。電阻率與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積等因素?zé)o關(guān)，是導(dǎo)體材料本身的電學(xué)性質(zhì)，由導(dǎo)體的材料決定，且與溫度有關(guān)。一些物體在或電流的作用下會(huì)顯現(xiàn)磁性，這種現(xiàn)象叫做磁化。磁化率，表征屬性的物理量。常用符號(hào)cm表示，等于磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比。磁導(dǎo)率 英文名稱：magnetic permeability 表征磁介質(zhì)磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流

26、過(guò)電流后、產(chǎn)生磁通的阻力、或者是其在磁場(chǎng)中導(dǎo)通磁力線的、其公式=B/H 、其中H=磁場(chǎng)強(qiáng)度、B=磁感應(yīng)強(qiáng)度，常用符號(hào)表示，為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱絕對(duì)磁導(dǎo)率。磁化強(qiáng)度：定義為微小體元V內(nèi)的全部分子磁矩矢量和與V 之比?？勾判裕╠iamagnetism）是指一種弱磁性。組成的中，運(yùn)動(dòng)的在中受而表現(xiàn)出的。外加磁場(chǎng)使電子軌道繞磁場(chǎng)，產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向相反的附加磁矩，故k抗為很小的負(fù)值（105106量級(jí)）。因此，所有物質(zhì)都具有。順磁性（paramagnetism）是指材料對(duì)響應(yīng)很弱的磁性。如用 k=M/H 來(lái)表示（M和H分別為和），從這個(gè)關(guān)系來(lái)看，磁化率k是正的，即磁化的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相

27、同，數(shù)值為106103量級(jí)。鐵磁性，是指物質(zhì)中相鄰原子或離子的由于它們的相互作用而在某些區(qū)域中大致按同一方向排列，當(dāng)所施加的增大時(shí)，這些區(qū)域的合磁矩定向排列程度會(huì)隨之增加到某一極限值的現(xiàn)象。軟磁材料的定義：當(dāng)磁化發(fā)生在Hc不大于100A/m，這樣的材料稱為軟磁體。典型的軟磁材料，可以用最小的外磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)最大的磁化強(qiáng)度。磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁材料。一般來(lái)講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。熱容的標(biāo)準(zhǔn)定義是：“當(dāng)一系統(tǒng)由于加給一微小的熱量Q而溫度升高dT時(shí)，Q/dT 這個(gè)量即是該系統(tǒng)的熱容?！保?/p>

28、GB3102.4-93），通常以符號(hào)C表示，單位J/K。熱導(dǎo)率是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位水平截面積所傳遞的。線膨脹系數(shù)：物理名詞，有時(shí)也稱為線彈性系數(shù)（linear expansivity），表示材料膨脹或收縮的程度?；瘜W(xué)腐蝕：金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被氧化損耗的過(guò)程。電化學(xué)腐蝕就是金屬和電解質(zhì)組成兩個(gè)電極，組成腐蝕。氧化(oxidation)： 狹義地，元素與其他的物質(zhì)元素發(fā)生的，稱其為氧化，也是一種重要的。的氧化，指物質(zhì)失電子（升高）的過(guò)程。第4章 材料的原子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)合鍵1. 材料結(jié)構(gòu)的具體涵義是什么？他們與性能的關(guān)系如何？從材料學(xué)角度，材料結(jié)

29、構(gòu)從宏觀到微觀，即按研究的尺度大致可分為四個(gè)層次宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)、原子（分子）排列結(jié)構(gòu)和原子中的電子結(jié)構(gòu)。材料的性能由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定；原子中的電子狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與固體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有密切的聯(lián)系，而原子間相互作用和聚集狀態(tài)則進(jìn)一步?jīng)Q定著材料的行為與性能。2. 從原子外層電子相互作用角度，說(shuō)明各種結(jié)合鍵的具體特征。P82 離子鍵：金屬原子失去最外層電子給鹵族原子，這樣形成一個(gè)正離子和一個(gè)負(fù)離子，異種離子互相吸引離子鍵就是這種庫(kù)倫引力，然而異種離子相吸導(dǎo)致的靠近并不能無(wú)限持續(xù)下去，靠近到一定程度，會(huì)由于電子軌道重疊引起的斥力達(dá)到一個(gè)平衡。由于離子電荷引起的力并不限制在一個(gè)方向上，故離子鍵

30、不具有方向性，即鍵的大小在環(huán)繞離子的所有方向上相等，進(jìn)而導(dǎo)致離子鍵材料很穩(wěn)定，具有高度的對(duì)稱性。又由于離子鍵的穩(wěn)定，其材料熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大和膨脹系數(shù)小，一般情況下，離子晶體沒有自由電子，故為電和熱的絕緣體。共價(jià)鍵結(jié)合的相鄰原子共同占有其部分價(jià)電子，使每個(gè)原子的最外層電子處于滿殼層狀態(tài)，將相鄰原子結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。由于兩個(gè)自旋方向相反的電子結(jié)合可使它們的自旋能量之和為零，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，于是已成對(duì)的電子不能再與其他原子中的電子結(jié)合成對(duì)，即共價(jià)結(jié)合的原子所能形成鍵的數(shù)目有一最大值，故共價(jià)鍵具有飽和性。共價(jià)鍵是借共享電子結(jié)合的，按量子力學(xué)觀點(diǎn)，共價(jià)鍵的形成是靠相鄰原子外層未滿殼層電

31、子云的重疊，重疊越多，所形成的共價(jià)鍵就越穩(wěn)定，故電子云重疊的方向是確定的，故有方向性。固態(tài)（或液態(tài)）金屬中外殼層電子的能量最高，而且最外層電子一般為12個(gè)或最多3個(gè)，由于原子間的相互作用，這些電子傾向于離開自身原子成為公有化的自由電子。這時(shí)價(jià)電子不再與任何一個(gè)特定的原子有特殊的關(guān)系，而是在金屬正離子之間自由地運(yùn)動(dòng)，成為與若干離子實(shí)相關(guān)的電子，從而把金屬原子結(jié)合起來(lái)，這就是金屬鍵。金屬鍵沒有飽和性和明顯的方向性。由于價(jià)電子可以隨意運(yùn)動(dòng)，所以金屬鍵材料有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能；還由于各種金屬鍵的結(jié)合能相差很大，故各種金屬的強(qiáng)度、熔點(diǎn)相差很大。范德瓦爾斯鍵和氫鍵：非常微弱，只有在很低的溫度，才會(huì)液化和凝

32、固3. 原子間有哪兩種相互作用？材料為何具有一定的體積？吸引力和排斥力p784. 說(shuō)明三大類材料的鍵性及與其性質(zhì)的關(guān)系。（理解 p85）金屬：金屬鍵 高的熱傳導(dǎo)系數(shù)和電導(dǎo)率 是因?yàn)橛行╇娮邮欠蔷钟虻?、并可在三維方向移動(dòng)，因此它們能夠很快地輸運(yùn)電荷和熱能。不透明，易拋光出光澤，是由這些非局域電子對(duì)光頻電磁振動(dòng)的響應(yīng)而引起的，這也是某些電子部分地獨(dú)立于母體原子的另一結(jié)果塑性好是因?yàn)榻饘冁I每一個(gè)正離子都是等同的，這樣在某一局部地區(qū)，一群正離子在破壞了它們的鍵合后滑移到一個(gè)新的位置上，又可重新鍵合起來(lái)。陶瓷：離子鍵 離子鍵結(jié)合能大，材料硬脆；根據(jù)組成元素的自然傾向，金屬元素放出外層電子給非金屬原子，并

33、保留在其中，這就是絕緣體，又是良好的熱絕緣體；金屬正離子與非金屬負(fù)離子之間產(chǎn)生了強(qiáng)的吸引力。每個(gè)正離子被負(fù)離子所包圍，反過(guò)來(lái)也一樣，為了使正負(fù)離子分離，通常需要相當(dāng)大的能量，因此陶瓷材料能抗機(jī)械力、抗熱和抗化學(xué)作用。共價(jià)鍵鍵性很強(qiáng)，若要使電子運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生電流，必須破壞共價(jià)鍵，這就需要施加高溫或高電壓，因此共價(jià)鍵材料的力學(xué)行為是脆性的，其電學(xué)行為如同絕緣體而不是導(dǎo)體高分子材料塑料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性很有限，這是因?yàn)槿繜崮鼙仨氁揽吭诱駝?dòng)從熱區(qū)傳到冷區(qū)，這比金屬中發(fā)生的自由電子傳導(dǎo)能量的過(guò)程要緩慢得多；能夠承受變形是因?yàn)?，雖然主鏈內(nèi)具有脆性的共價(jià)鍵，但是鏈與鏈的結(jié)合則是很弱范的德瓦爾斯鍵，只要分子鍵彼

34、此滑動(dòng)時(shí)，范德瓦爾斯鍵逐步發(fā)生局部破裂，所以就可以產(chǎn)生很大的變形；不耐熱是因?yàn)橐欢ǔ潭鹊臒釘_亂雖不會(huì)損傷鏈內(nèi)的共價(jià)鍵，卻對(duì)分子鏈間的范德瓦爾斯鍵造成破壞。5. 分析控制原子配位因素的具體內(nèi)容和它們對(duì)原子的空間排列所產(chǎn)生的影響。（p88 理解）共價(jià)：具體地說(shuō)，圍繞一個(gè)原子的共價(jià)鍵數(shù)取決于原子的價(jià)電子數(shù)目，也可稱為共價(jià)配位。和原子的有效堆積 共價(jià)結(jié)合時(shí)限制因素是最大配位數(shù)，離子鍵結(jié)合時(shí)則是最小半徑比（達(dá)到盡可能接近，又不引發(fā)較大斥力的平衡狀態(tài)），金屬由于沒有飽和性和明顯的方向性，一般都可以達(dá)到最密堆積6. 試分析彈性模量E的微觀表達(dá)式的涵義及其意義。晶體的彈性模量只代表原子間結(jié)合鍵的剛性，是一個(gè)僅

35、反映原子間結(jié)合能大小的指標(biāo)，故它是穩(wěn)定的材料性質(zhì)。7. 試對(duì)比金剛石與石墨，為何它們的性質(zhì)如此截然不同？金剛石是純共價(jià)鍵晶體，有極高硬度，對(duì)電、熱的絕緣性很好，具有三維立體結(jié)構(gòu)。石墨卻是層狀結(jié)構(gòu)，為六方排列的層（或片），盡管石墨層內(nèi)有強(qiáng)大的共價(jià)鍵，但是層與層之間確實(shí)很弱的范德瓦爾斯鍵，而且層間距大，所以層與層間易相對(duì)滑動(dòng)，可用作潤(rùn)滑材料。第5章 固體材料中原子的排列與缺陷1. 材料中按原子排列的秩序，共有哪三種情況。分析與聚集態(tài)材料對(duì)應(yīng)的情況。無(wú)序、短程有序和長(zhǎng)程有序若材料中僅存在短程有序排列，稱其為非晶體或無(wú)定形材料，有時(shí)也稱之為玻璃態(tài)或玻璃。原子具有長(zhǎng)程有序排列的材料即為晶體材料。2. 繪

36、示意圖說(shuō)明材料從液體 固體的凝固方式有哪幾種。其實(shí)際方式的主要影響因素及主要判據(jù)是什么？其內(nèi)在原因是什么？一種是自然冷卻形成晶體，另一種是快速冷卻形成非晶體。冷速；轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)的溫度Tg和結(jié)晶溫度Tm的間隔，間隔越小，越容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)判據(jù)：若為長(zhǎng)程有序則為晶體，短程有序則為非晶體。3. 三大類材料的結(jié)晶傾向如何？原因何在？金屬晶體：面心立方、體心立方、密排六方 這是因?yàn)榻饘冁I具有無(wú)方向性的性質(zhì)，且每個(gè)陣點(diǎn)只有一個(gè)原子的緣故陶瓷材料一般是離子晶體，也有的是共價(jià)晶體 適應(yīng)鍵型、離子尺寸差別和原子價(jià)引起的種種限制4. 晶體的周期性結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行幾何描述？晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的相互關(guān)系如何？在探討晶體結(jié)

37、構(gòu)時(shí)，可以把結(jié)構(gòu)設(shè)想為在所有方向上都能延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)處。原子在空間中分布規(guī)律性的基本定義就是空間點(diǎn)陣的基本定義。以幾何點(diǎn)代替具體的粒子就是空間點(diǎn)的陣列，如果每一個(gè)陣點(diǎn)都具有相同的環(huán)境，陣點(diǎn)在三維空間的分布就形成了一個(gè)空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣是晶體結(jié)構(gòu)的幾何抽象5. 三大類材料原子空間排列的主要傾向如何？并簡(jiǎn)要分析其原因。6. 掌握三種最簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的特征（晶胞原子數(shù)、致密度、配位數(shù)、密排面與密排方向等）。晶胞原子數(shù)致密度配位數(shù)密排面密排方向面心立方40.7412111<110>體心立方20.688無(wú)<111>密排六方40.7412（0001）（0002）<1120>或

38、<100><110>7. 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特性是什么？是如何構(gòu)造起來(lái)的？了解陶瓷材料比較簡(jiǎn)單的幾種晶體結(jié)構(gòu)。大多數(shù)陶瓷材料是金屬與非金屬元素之間的化合物所構(gòu)成的多晶固體材料，它們的原子鍵結(jié)合方式是部分或整個(gè)是離子鍵。大多數(shù)陶瓷材料都是由離子鍵構(gòu)成的離子晶粒，也有由共價(jià)鍵組成的共價(jià)晶體。構(gòu)成離子晶體基本質(zhì)點(diǎn)之一的非金屬元素的原子半徑大，它們的原子排列可以是各種不同的晶系，從而組成離子晶體的骨架，金屬原子直徑小，它藏在非金屬原子的間隙之中，這樣可形成配位四面體或八面體金剛石型立方結(jié)構(gòu)、氯化鈉和氯化銫結(jié)構(gòu)、晶態(tài)氧化硅8. 晶體中存在哪幾種不完整性？它們的主要意義何在？點(diǎn)缺陷：在

39、三維空間中各方向上的尺寸很小，故又稱零維缺陷，如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子、色心等。點(diǎn)缺陷：雜質(zhì)原子共價(jià)晶體中的置換雜質(zhì)，通常引起并存的電子缺陷，從而明顯地改變材料的導(dǎo)電性。例如，半導(dǎo)體材料鍺（四價(jià)）中含有五價(jià)砷或三價(jià)鎵，在鍵合軌道上會(huì)多出一個(gè)自由電子或電子空穴，兩類電子缺陷都可以運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)電率增加。離子晶體也允許置換雜質(zhì)，但條件是保持電中性。例如Ca2+置換了兩Na+離子，卻只占據(jù)一個(gè)位置。于是，這種雜質(zhì)創(chuàng)造了另一種稱為陽(yáng)離子空位的缺陷。它對(duì)離子晶體的電學(xué)性質(zhì)有影響，加電場(chǎng)時(shí)，陽(yáng)離子空位會(huì)反復(fù)地與相鄰陽(yáng)離子交換位置而產(chǎn)生電流。當(dāng)然在這種情況下，導(dǎo)電相當(dāng)于帶正電荷陽(yáng)離子的運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)缺陷：空位與自

40、間隙原子空位是晶體中沒有被占據(jù)的原子位置，而自間隙原子是晶體本身的原子占據(jù)了間隙位置。產(chǎn)生空位原因：晶體中原子熱振動(dòng)，一些原子的動(dòng)能大大超過(guò)給定溫度下的平均動(dòng)能而離開原來(lái)的位置，造成原位置原子的空缺。溫度升高，凝固過(guò)程中的塑性變形以及高能粒子輻射也促進(jìn)空位的形成。自間隙原子分為三種：當(dāng)一個(gè)原子離開點(diǎn)陣正常位置（從而產(chǎn)生一個(gè)空位）并擠入一個(gè)間隙位置時(shí)所產(chǎn)生的一對(duì)點(diǎn)缺陷稱為弗蘭克爾缺陷；肖脫基缺陷，即正負(fù)離子空位；正負(fù)自間隙原子呈中性點(diǎn)缺陷周圍的點(diǎn)陣畸變提高了金屬的強(qiáng)度，其他材料的點(diǎn)缺陷直接影響導(dǎo)電等性質(zhì)。另一方面，點(diǎn)缺陷（如空位）的一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是它們能夠與相鄰原子交換位置而運(yùn)動(dòng)，這使得在較

41、高溫度時(shí)可以在固態(tài)中進(jìn)行迅速遷移，即進(jìn)行擴(kuò)散。線缺陷：在三維空間中兩個(gè)方向尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大，故又稱一維缺陷，位錯(cuò)就是這種缺陷。從晶體塑性變形角度，當(dāng)晶體的一部分相對(duì)于另一部分在切應(yīng)力作用下進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)或滑移時(shí)，晶體的已滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯(cuò)。對(duì)晶體材料的許多現(xiàn)象與行為，如金屬的相變、擴(kuò)散、再結(jié)晶、蠕變與斷裂等起著重要作用。面缺陷：在三維空間中一個(gè)方向尺寸很小，另兩個(gè)方向尺寸較大，故又稱二維缺陷，如晶界、亞晶界、相界、層錯(cuò)、孿晶界、有序疇界、生長(zhǎng)層、胞壁、磁疇界等。細(xì)化晶粒，增大界面面積是強(qiáng)化金屬、陶瓷材料的重要強(qiáng)化手段；界面還往往是相變的發(fā)源地，界面與表面又是原子

42、擴(kuò)散的快速通道；晶界對(duì)于透明陶瓷的透光性能有很大應(yīng)先，晶粒細(xì)小，尺寸接近均一、晶界處無(wú)雜質(zhì)是透明陶瓷獲得高度透光性的重要條件。體缺陷：在三維空間中三個(gè)方向上尺寸較大，故又稱三維缺陷，如沉淀相、夾雜物、空洞等。9. 舉例說(shuō)明材料中原子排列是如何影響材料的行為與性能的。金屬密度大，是因?yàn)榻饘冁I無(wú)方向性，可以達(dá)到密排堆積，而聚合物及陶瓷是共價(jià)鍵或離子鍵，不可以達(dá)到密排，且組成它們的原子（C、H、O）較輕，所以密度較小。在離子和共價(jià)晶體中，結(jié)合鍵的性質(zhì)常對(duì)力學(xué)性能起著更重要的作用，而原子排列的影響成為次要；金屬晶體中，晶體結(jié)構(gòu)因素對(duì)力學(xué)性能則起著重要作用。高聚物中鏈結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響？1） 高聚物由于分

43、子量很大，是由數(shù)量巨大的原子化學(xué)鍵合而成，其與低分子物質(zhì)相比有一定的機(jī)械強(qiáng)度。2） 高聚物主鏈上的原子以共價(jià)鍵結(jié)合，縱向延伸即成長(zhǎng)鏈，長(zhǎng)鏈?zhǔn)侨彳浀?，可以任意彎折，多條長(zhǎng)鏈的聚合，使長(zhǎng)鏈之間具有相互作用，使得強(qiáng)度提高，柔性下降。3） 非晶態(tài)聚合物中相鄰的分子鏈靠范德瓦爾斯力凝固起來(lái)的，比較弱，所以熔點(diǎn)，強(qiáng)度低；若鏈與鏈之間是共價(jià)鍵合，即交聯(lián)，聚合物的強(qiáng)度會(huì)提高。1）鏈狀硅酸鹽的鏈內(nèi)離子鍵結(jié)合，使材料具有較高的硬度和強(qiáng)度，但是鏈與鏈之間的結(jié)合沒有鏈內(nèi)原子間的結(jié)合那樣強(qiáng)，故受力后容易斷裂，即平行于硅酸鹽鏈方向的破壞。有時(shí)鏈間是由分子鏈和離子鍵共同結(jié)合的，常呈細(xì)長(zhǎng)纖維狀形態(tài)，則易以纖維狀進(jìn)行分離。2）

44、層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，由于層與層之間結(jié)合很弱（分子鍵），很容易發(fā)生斷裂。云母易剝裂成片，滑石具有潤(rùn)滑性，它們都與這種結(jié)構(gòu)排列有關(guān)。3）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)則是硅氧四面體以三維方向相互結(jié)合的結(jié)果。實(shí)際上它是分子式為（SiO2）n的巨大分子，由于其共價(jià)鍵的空間立體網(wǎng)絡(luò)，因此具有高硬度4）若為玻璃態(tài)，則硅酸鹽材料也會(huì)具有非晶的一些性質(zhì)，如各向同性。位錯(cuò)會(huì)阻礙晶體的塑性變形，由于陶瓷材料鍵合特點(diǎn)，位錯(cuò)阻力特別大，故又脆又硬。第6章 固體材料熱力學(xué)狀態(tài)：自由能、相圖、相與組織1. 影響材料系統(tǒng)自由能的兩大因素是什么？對(duì)于材料系統(tǒng)產(chǎn)生什么具體影響？溫度：在某溫度下存在的相相對(duì)于其他相來(lái)說(shuō)都是自由能最低的。自由能數(shù)值的相對(duì)

45、大小決定了任一相的穩(wěn)定性。成分:它是各個(gè)組元的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與化學(xué)勢(shì)息息相關(guān)，反應(yīng)都是向降低化學(xué)勢(shì)的方向進(jìn)行。2. 試分析自由能曲線與材料相圖的關(guān)系。由已知的自由能-成分曲線可以將相圖作出來(lái)。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算作出各溫度下的自由能-成分曲線。再根據(jù)公切線法則，找出平衡相的成分，然后綜合畫在一張溫度-成分坐標(biāo)圖上，即得到相圖。自由能-成分相圖 還可用來(lái)判斷和估算與各種反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的自由能變化。3. 分析材料相圖的含義和工程意義。相圖亦稱為狀態(tài)圖或平衡圖，是用幾何的方式來(lái)描述處于平衡狀態(tài)（非平衡態(tài)一般不適用）下材料的成分、相和外界條件的相互關(guān)系。相圖主要用于金屬材料與陶瓷材料領(lǐng)域。相圖是研究這些材料中各

46、種微觀結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的有效工具，它簡(jiǎn)練地描繪了平衡條件下的材料狀態(tài)，為冶金及材料工作者提供了有益的資料。工程意義：1)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)材料的要求也越來(lái)越高，實(shí)際材料很少是純?cè)氐?，而是由多種元素組成，要弄清楚組元間的組成規(guī)律，了解什么成分在什么條件下形成什么相，因而相平衡關(guān)系的研究就成為使用和研制材料的理論基礎(chǔ).2) 合金在加工、處理之后的組織狀況也可用相圖作為分析依據(jù)或參考資料。3) 在科研及生產(chǎn)實(shí)踐中，相圖是研制新材料、正確選擇和制定合金的熔煉、鑄造、壓力加工和熱處理工藝，還有陶瓷材料的燒結(jié)工藝，以及進(jìn)行材料各種狀態(tài)金相分析的重要工具。4. 試分析相與組織兩者概念上的差異與相

47、互間的聯(lián)系。組元是組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)，組元可以是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定化合物。金屬材料的組元多為純?cè)?，陶瓷材料的組元多為化合物。材料中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分叫相。材料內(nèi)部的宏觀與微觀形貌稱為組織，這些組織一般可借助儀器直接觀察到。組織是與相有密切聯(lián)系的概念，它實(shí)際上是指各個(gè)晶?；蚋鞣N相所形成的圖案（形態(tài)或形貌）。在不同條件下，相的晶粒大小、形態(tài)及分布會(huì)有所不同，從而材料內(nèi)部會(huì)呈現(xiàn)不同的微觀形貌。因而同樣的相可以形成不同的組織。5. 陶瓷材料與金屬材料都有哪些主要組成相，說(shuō)明它們的性質(zhì)與作用。金屬材料中有固溶體和化合物兩類基本組成相。置換固溶體：溶質(zhì)原子取代溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)

48、上的溶劑原子而形成的固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)比較接近時(shí)，一般形成置換固溶體；可以為有限或者無(wú)限固溶體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中的間隙位置而形成的固溶體。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑遠(yuǎn)小于溶劑原子時(shí)，一般形成間隙固溶體。溶解度小，為有限固溶體固溶體的強(qiáng)度、硬度高于其溶劑組元，產(chǎn)生了強(qiáng)化效果。塑形、韌性變化不大。因而固溶體具有較好的綜合機(jī)械性能（一定的強(qiáng)度及很好的塑性），良好的塑性成形性能，常作為金屬結(jié)構(gòu)材料中的基本組成相（基體）?；衔锸墙饘俨牧现薪M元之間相互作用而生成的新相，其晶體結(jié)構(gòu)與溶劑、溶質(zhì)均不同。分類：化合物可以是金屬原子與某些非金屬原子形成的化合物，也可以是組元金屬

49、與金屬之間的形成的化合物，稱為金屬間化合物。金屬材料中可能出現(xiàn)的化合物按它們的結(jié)構(gòu)又可分為間隙化合物、正常價(jià)化合物、電子相化合物。金屬材料中的化合物的熔點(diǎn)、硬度較高、脆性較大，這是因?yàn)槌饘冁I外，它們之中尚含相當(dāng)成分的離子鍵或共價(jià)鍵，但如果它以較少數(shù)量與韌性的固溶體適當(dāng)搭配，可以作為強(qiáng)化相。因此，合理控制合金中化合物的數(shù)量、尺寸、分布，可以極大地改善合金性能。陶瓷材料有晶相、玻璃相、氣相晶相是陶瓷材料的基本組成部分；組成陶瓷晶相的晶體通常有三類：氧化物（如氧化鋁、氧化鈦等）；氧酸鹽（如硅酸鹽、鈦酸鹽等）；非氧化合物（金屬碳化物、氮化物、硼化物）。晶相進(jìn)一步可分為主晶相、次晶相、第三晶相等，材料

50、的性質(zhì)主要由主晶相決定。玻璃相是陶瓷燒結(jié)時(shí)各組成物和雜質(zhì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后所形成的液相冷卻而形成的。玻璃相為非晶態(tài)，排列無(wú)序，低熔點(diǎn)固體。作用主要為將分散的晶相粘結(jié)起來(lái)；降低燒結(jié)溫度與改善工藝性；抑制晶體長(zhǎng)大以及提高陶瓷材料的致密程度。缺點(diǎn)：由于其組成不均勻，會(huì)使材料的物化性質(zhì)不均勻；玻璃相的機(jī)械強(qiáng)度比晶相低一些，熱穩(wěn)定性也差一些，在較低溫度下便開始軟化；玻璃相過(guò)多，陶瓷的熔點(diǎn)也降低。氣相是指陶瓷空隙中的氣體，也就是陶瓷組織內(nèi)部殘留下來(lái)的孔洞。 會(huì)降低陶瓷的強(qiáng)度。6. 歸納單相、多相組織形貌特點(diǎn)。單相中球狀晶粒很少，等軸晶是晶粒完全填滿空間而同時(shí)保持最小的晶界總面積，除了等軸晶，還有片狀

51、、柱狀、枝狀的。兩相合金的組織狀態(tài)與性能：是指組成合金的相（類型與性質(zhì)）、各相的相對(duì)量、相的形狀及分布特征等。兩相合金中第二相的分布與形狀兩個(gè)相各自成為等軸晶粒，這一般是在兩個(gè)相均是固溶體且數(shù)量較多的情況下產(chǎn)生的，這時(shí)兩者均勻地分布在一起，合金的機(jī)械性能是兩個(gè)相或兩種“組織”性能的加權(quán)平均值，合金總的性能通常是具有一定的強(qiáng)度、較好的塑性、韌性。另一方面，如果第二相是化合物，而且體積百分?jǐn)?shù)較大，則會(huì)使合金顯示出極大的脆性，甚至無(wú)工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。在更多情況下，較少數(shù)量的第二相以球狀、點(diǎn)狀或短片狀等均勻地分布在固溶體的晶粒內(nèi)，這時(shí)盡管化合物的數(shù)量并不很多，但它將起強(qiáng)化基體相的作用，從而提高材料的機(jī)械強(qiáng)

52、度。但與此同時(shí)，材料的塑性、韌性必將下降。第7章 固體材料的動(dòng)力學(xué)過(guò)程：激活、擴(kuò)散及相關(guān)的材料行為1. 動(dòng)力學(xué)方法可在材料中處理哪幾方面的問(wèn)題？動(dòng)力學(xué)過(guò)程的三原理是什么？1）研究制備和處理材料的過(guò)程；2）合金性能表征的過(guò)程；3）使用材料的過(guò)程1）沿著能量降低的方向發(fā)生；2）遵循阻力最小的途徑進(jìn)行；3）過(guò)程的結(jié)果是適者生存。2. 何為亞穩(wěn)態(tài)？舉例分析亞穩(wěn)態(tài)的性質(zhì)。亞穩(wěn)態(tài)：在熱力學(xué)上雖然不穩(wěn)定，但由于某種原因而能暫時(shí)或長(zhǎng)期存在的狀態(tài)。要轉(zhuǎn)入穩(wěn)定的狀態(tài)，必須獲得必要的附加的能量來(lái)越過(guò)一定的能壘。3. 寫出玻爾茲曼分布和阿倫尼烏斯定律的表達(dá)式？分析決定反應(yīng)速度的主要因素。 玻爾茲曼分布：材料中原子數(shù)N

53、（具有大于q的能量）與NT（材料中原子總數(shù)）之比等于exp（-q/KT）。顯然溫度越高，N/NT越大；q越大，N/NT就越小。決定反應(yīng)速率的主要因素是任一時(shí)刻下能量具有等于和大于激活能Q的原子數(shù)目，這個(gè)數(shù)目是由材料的能量分布來(lái)決定的，遵循麥克斯韋玻爾茲曼定律。阿倫尼烏斯定律：，A表示與溫度無(wú)關(guān)的速度常數(shù)，R為氣體常數(shù)，V為反應(yīng)速率，Q是激活能。原子間的反應(yīng)速率取決于參與反映的原子中能量為Q或更高的原子數(shù)目。阿尼烏斯定律適用于任何熱激活的反應(yīng)，其速度取決于Q和T。4. 寫出Fick第一定律與第二定律。說(shuō)明如何進(jìn)行一般的工業(yè)應(yīng)用。菲克第一定律： 即擴(kuò)散通量J與該截面處的濃度梯度成正比。D為擴(kuò)散能力

54、，常稱擴(kuò)散系數(shù)，負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散從高濃度向低濃度進(jìn)行。菲克第一定律適用于在各區(qū)域濃度不隨時(shí)間而改變情況下所發(fā)生的擴(kuò)散（稱穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散或穩(wěn)定擴(kuò)散）菲克第二定律：，式中表示濃度隨時(shí)間的變化率?？梢?，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散條件下，濃度隨時(shí)間的變化正比于濃度梯度的變化，而不是濃度梯度本身。由此可推知，在開始擴(kuò)散時(shí)，濃度梯度變化較大，故濃度隨時(shí)間變化較快，越到后來(lái)，這個(gè)變化就越慢，所以材料通過(guò)擴(kuò)散達(dá)到均勻化，需要很長(zhǎng)時(shí)間。工業(yè)應(yīng)用：將低碳鋼通過(guò)滲碳達(dá)到某種較高濃度水平，或?qū)в谐煞制龅蔫T件處理到某一相對(duì)比較均勻的程度。5. 原子擴(kuò)散的主要機(jī)制是什么？各自的應(yīng)用范圍、激活能及擴(kuò)散的快慢如何？空位擴(kuò)散機(jī)制是擴(kuò)散原子跳入空位，

55、同時(shí)有空位移動(dòng)與之配合。實(shí)現(xiàn)空位機(jī)制的條件是擴(kuò)散原子的近鄰應(yīng)當(dāng)有空位，同時(shí)空位周圍的原子還必須具有超過(guò)能壘的能量。這種擴(kuò)散的激活能由原子跳動(dòng)激活能和空位形成能兩部分組成。在體心立方金屬（自擴(kuò)散）和合金置換固溶體（互擴(kuò)散）中，空位機(jī)制擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。在許多面心立方、密排六方金屬或合金，以及離子化合物和氧化物中也常有這種擴(kuò)散。間隙擴(kuò)散：在間隙固溶體中，晶體結(jié)構(gòu)中存在小的間隙原子，這些溶質(zhì)原子尺寸較小而易動(dòng)，該原子從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的擴(kuò)散即為間隙擴(kuò)散。這一機(jī)制不需要空位，而且相比之下溶劑原子的擴(kuò)散可以忽略。激活能就是溶質(zhì)原子發(fā)生跳動(dòng)時(shí)所需的額外能量，因而必然比空位機(jī)制要小。擴(kuò)散速度 是

56、間隙擴(kuò)散大于空位擴(kuò)散應(yīng)用范圍：C在-Fe或-Fe中就是這種機(jī)制。6. 擴(kuò)散系數(shù)D與激活能Q及溫度T的關(guān)系如何？與阿倫尼烏斯定律有何關(guān)系，并舉二、三例說(shuō)明擴(kuò)散的工業(yè)應(yīng)用。溫度越高，D越大，即擴(kuò)散速度越大激活能越大，擴(kuò)散速度越慢。半導(dǎo)體的摻雜、鋼件表面滲碳7. 試分析離子晶體、共價(jià)晶體和聚合物中擴(kuò)散的特點(diǎn)。離子晶體：1）不同于金屬和合金，原子可以運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入附近的任何點(diǎn)陣空位或間隙位置，離子材料的擴(kuò)散離子只能進(jìn)入具有同樣電荷的位置。2）與金屬相比，離子材料的擴(kuò)散激活能高而擴(kuò)散速率低，而且其擴(kuò)散過(guò)程遠(yuǎn)比金屬中復(fù)雜3）陽(yáng)離子擴(kuò)散系數(shù)比陰離子大。4）大多數(shù)離子晶體的擴(kuò)散是按空位進(jìn)行的，也有少部分是間隙擴(kuò)散影響擴(kuò)散的缺陷來(lái)自1）本征點(diǎn)缺陷2）摻雜點(diǎn)缺陷共價(jià)晶體：擴(kuò)散和互擴(kuò)散仍以空位機(jī)制為主特點(diǎn)：方向性的鍵合使共價(jià)晶體的擴(kuò)散激活能高于熔點(diǎn)相近的金屬的激活能。應(yīng)用：半導(dǎo)體的摻雜是擴(kuò)散在工業(yè)上的應(yīng)用。8. 說(shuō)明相變的條件、生核方式及固態(tài)相變的一般特點(diǎn)。相變的結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)與起始相性質(zhì)大為不同的相，所產(chǎn)生的相通常具有與原始相不同的晶體結(jié)構(gòu)。條件：相變的產(chǎn)生需要相對(duì)于平衡溫度有一定的過(guò)熱過(guò)冷程度；相變之后