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第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例界限等来表征。4．三类主要的材料力学失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。第二部分判断题（10题共20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．疲劳强度材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。（√）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。（错）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。（错）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。（错）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？答：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？答：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？答：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？答：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？答：“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。检测仪器分辨率体视显微镜mm(毫米)--μm（微米）光学显微镜μm（微米）电子扫描显微微米--纳米（nm）达0.7nm透射电镜观察到原子排列面，达0.2nm场离子显微镜形貌观察0.2--0.3nm隧道扫描显微镜观察到原子结构0.05--0.2nm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。（错）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。（错）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。（错）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。（错）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。答：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。答：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。答：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？答：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。合成与加工结构与成分材料性质使用性能具备产生提供作业三一、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。(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。提示：固溶强化、加工硬化、弥散强化、第二相强化、相变增韧原理：略作业四一、名词解释（6题共30分，每题5分）(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。二、填空题（10个空共10分，每空1分）(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。三、是非题（5题共10分，每题2分）(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。（×）四、选择题（5题共10分，每题2分）