第十一章智能材料和结构
智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。80年代后期，随着材料技术和大规模集成电路的进展，美国军方提出了智能材料和结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。智能材料和智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域，这一领域的研究也越来越受到人们的重视。自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学和工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的使用前景。
第一节智能材料的概念及分类
智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。
1.1智能材料的概念及其特点
智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一，但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能)，通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。智能材料的研究就是将信息和控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的研究开发孕育着新一代的技术革命。智能化将成为21世纪高分子材料的重要发展方向之一。
例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件，能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状，控制
电路根据传感元件得到的信息驱动元件动作。因此融合于材料中的传感元件相当于人体的神经系统，具有感官功能，驱动元件相当于人体的肌肉，控制系统相当于人的大脑。智能材料和普通功能材料的区别如图11－1所示。
被动结构 控制结构 智能结构 扰动 反应 反应 扰动 反应
图11-1 智能材料和普通功能材料的区别
1.2 智能材料分类
智能材料的分类方法很多。根据材料的来源，智能材料包括金属智能材料无机非金属系、智能材料及高分子系智能材料。
金属系智能材料由于其强度比较大耐热性好且耐腐蚀性能好，常用在航空航天和原子能工业中作为结构材料。金属材料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤，所以期盼金属系智能材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制，具有自修复功能，从而确保使用过程中的稳定性。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类。
无机非金属系智能材料的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防止材料整体变坏。目前此类智能材料在电流变流体、压电陶瓷光质变色和电质变色材料等方面发展较快。
高分子系智能材料的范围很广泛。作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。
根据结构来分，智能材料结构可以分成两种类型，分述如下：
（1）嵌入式智能材料
在基本材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的三种原始材料，传感元件采集和检测外界给予的信息，控制处理器指挥驱动元件执行相应的动作。
（2）材料本身具有一定的智能功能
某些材料微结构本身具有智能功能，能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃和受辐射时能自衰减的InP 半导体等。 结构 结构 执行器 传感器
控制器
结构
执行器
传感器 控制器
目前智能材料结构在英语中采用两种写法：一为INTELLIGENT MATERIAL STRUCTURE；另一为SNART MATERIAL STRUCTURE。“INTELLEGENT”的中文翻译为“智能”，它的定义是具有智慧和智力，有思考和推理的本领；和具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领。“SMART”的中文翻译为“机敏”，他的定义为具有和显示出思维的机灵和感受的敏捷性，即具有联想及计算能力，敏捷快速有效的能动性和有生气的活度。目前很多文章中也将“SMART”翻译成“智能”。严格讲，“INTELLGENT MATERIAL STRUCTURE”比“SMART MATERIAL STRUCTURE”要复杂，要高级，前者是仿生命功能的材料，具有识别、分辨、判断、动作等额外功能；后者只能敏捷识别和动作，不具有分析判断的能力。
第二节智能材料结构的信息处理方法
图11-2智能结构的动作流程图
图11-2是智能结构的动作流程图。首先识别外界参数，通过分析、判断，然后行动。其中行动是依靠埋入材料中的驱动元件来实现，它能够自适应的改变结构形状、刚度、位置、应力状态、固有频率、阻尼摩擦阻力等。
对驱动元件的要求是：
（1）驱动元件应能和结构基体材料很好结合，具有高的结合强度；
（2）驱动元件本身的静强度和疲劳强度要高；
（3）激励驱动元件动作的方法要简单和安全，对结构基体材料无影响，激励的能量要小；
（4）激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力，而且能够控制；
（5）驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；
（6）驱动元件的频率响应要宽，响应速度快，并能控制。
正在研究和使用的驱动元件有形状记忆合金、压电元件、电流变材料、磁致伸缩材料、磁变流材料、胶体材料等。当前的驱动元件还不能全部满足上述要求，只能在几个方面具有特点，也就是每种驱动元件都有他们的特色，但也存在问题。
（1）提高驱动元件本身的性能，满足上述六条要求；
（2）改善驱动元件的激励方法；
（3）研究多种激励元件组合使用的方法，达到取长补短的目的；
（4）研究新型的复合驱动元件；
（5）研究驱动元件在材料中的布置方案。
传感器、致动器和控制器是智能结构的重要部分。传感器要求有高度感受结构力学状
态的能力，在振动系统中即能把位移、速度或加速度等信号转换成电信号输出，它直接反应实时的振动状态，所以它必须有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度，以便能迅速、准确地得到振动信息；另外，还要求其具有体积小，易于集成的特点。致动器是执行信息处理单元发出的控制指令，并按照规定的方式对外界或内部状态和特性变化作合理的反应，直接将控制器输出的电信号转变为结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、位置及其它机械特性的能力。控制器位于结构之中，由具有控制功能的硬件电路或电脑芯片和软件组成，是智能结构的神经中枢。
智能结构的设计中首先要明确使用目标，然后分析控制目标的具体要求，确定智能结构中复合材料的控制输入和输出的形式。最关键的问题是必须运用已知材料的特性、振动理论以及自动控制理论，建立合理的数学模型，构建控制系统，并选择有效的控制策略。
第三节智能材料结构中的驱动元件及形状记忆合金20世纪90 年代以来，研究方向倾向民用，特别是智能土建结构的研究和发展，加速了智能材料和结构的全面发展，这一时期国际上各种学术研讨会也特别多，在美国、日本、法国、德国、意大利等国都召开了学术会议或是专题学术研究会。
3.1智能材料结构中的驱动元件
目前研究投入较多的智能材料的驱动元件主要有作为执行器的开关记忆材料（含形状记忆合金、陶瓷、薄膜三个类型）；压电材料（含压电陶瓷、压电聚合物）、电致流变体磁致流变体；作为敏感器的光钎传感器等。利用这些材料的功能，加上精细的复合设计和制作便得到聚传感、驱动和控制于一体的智能材料。
压电材料在受到应力作用时会产生电荷分布，同样在压电材料上外加电压时，会发生形变，成为逆压电效应，因此压电材料即可做传感材料又可做执行材料。压电材料分为陶瓷压电材料如石英、钛酸钡等和有机聚合物压电材料如片聚二氟乙烯树脂（PVDF）。在同样单位应力作用下，有机聚合物压电材料产生的电场强度要比陶瓷压电材料大若干倍。同时具有较优良的加工性能，制备智能材料不受形状的限制，因此有机聚合物压电材料更适合制备智能材料。
压电陶瓷还可以象制作玻璃纤维一样制作压电陶瓷纤维。这种压电陶瓷纤维可和聚氨脂复合制成热释电复合材料、电光复合材料以及半导体铁电纤维，压电纤维的主要使用就是制成压电复合材料，集传感和驱动于一体。
3.2形状记忆材料及性能
形状记忆合金是智能材料结构中最先使用的一种驱动元件,它集感知和驱动于一体。
该元件在高温下定形后冷却到低温并施加变形，从而形成残余形变。当材料加热时，材料的残余形变消失，并回复到高温下所固有的形状。再进行加热或冷却时，形状保持不变，这就是所谓的形状记忆效应(Shape Memory Effect), 就象合金记住了高温状态的形状一样。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属的合金，称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMA.)。
材料在高温下制成特定形状，在低温任意变形，加热时再恢复为高温形状，重新冷却还保持高温时的形状时，我们称之为单程记忆效应。例如目前国内商品化的NiTi形状记忆合金丝，在低温马氏体组织时，加外力使合金应变<8%后，对材料加热，温度超过马氏体相变点时，形状回复率可达100％。但随着循环次数的增加，形状记忆特性会衰减，存在一个疲劳寿命。当回复变形在2％以下时，疲劳寿命为105次，对于埋入构件基体材料中的形状记忆合金的初始变形很大，但回复量很小，因此它的疲劳寿命可达107次。
对材料进行特殊的处理，使材料能够记住高温和低温状态的两种形状，即加热时恢复高温形状，低温时恢复低温形状，我们称之为双程形状记忆效应或可逆形状记忆效应。例如对NiTi合金经过一定的热处理训练，不仅在马氏体逆相变过程中能完全回复到变形前的状态，而且在马氏体相变过程中也会自发地发生形状变化，回复到马氏体状态的形状，而且反复加热冷却都会出现上述现象。
此外还有一些合金称为全方位形状记忆合金，在冷却到更低的温度，可以出现和高温时取向相反，形状相同的现象。NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图见图11-3。将试样在钢管中成型后，在400～500?C进行时效处理，去除约束后的形状如图11-3(a)所示；当试件冷却到M f’时，形状接近直线状态，如图11-3(b)；冷却到M f以下时，试件的形状发生180?C翻转，如11-3(c)所示；加热到A f和 A f’以上时，试件就反向变化成图11-3(d)和(e)的形状。高于A f’的形状(a)和低于M f的形状(f)之间是可逆的。
图11-3 NiTi合金的全方位记忆薄片的模式图
M f’/A f’为中间相变态温度
图11-4（a）是一般金属材料的应力应变曲线，当应力超过弹性极限，卸除应力后，留下永久变形，不会回复原状；图11-4（b）是超弹性材料的应力应变曲线，超过弹性极限后应力诱发母相形成马氏体，当应力继续增加时，马氏体相变也继续进行，当应力降低时，相变按逆向进行，即从马氏体转向母相，永久变形消失这种现象叫超弹性记忆小效应（PME）；图11-4（c）是合金母相在应力作用下诱发马氏体，并发生形状变化，去除应力后，除弹性部分外，形状并不回复原状，但通过加热产生逆变，便能恢复原形。这种现象叫作形状记忆
效应（SME）。
图11-4 超弹性材料和形状记忆材料的应力－应变曲线
(a)一般金属 (b)超弹性材料 (c)形状记忆合金
形状记忆效应是由于马氏体相变造成的。除钢铁外，大多数合金中的马氏体相变是可逆的，即冷却时由母相P转变为马氏体相M，即P→M，加热时马氏体相M又逆向转变为母相P，即M→P。根据热力学观点，母相和马氏体的化学自由能在T0温度时相等，不发生转变，必须温度低于T0，母相才有转变为马氏体的趋势，同时还必须克服非化学自由能增量和相变时存在的相变阻力，即温度冷到M s马氏体相变才开始进行。随着温度下降，马氏体量会逐渐增多，直到M f温度时，马氏体转变才终止。同样理由，马氏体要可逆的转为母相，加热温度必须高于T0温度，而且要加热至A s温度时，母相才开始形成，直至A f温度逆变才完成。通常称：
M s?马氏体相变（P→M）开始温度；
M f?马氏体相变（P→M）终了温度；
A s?马氏体转变为母相（马氏体逆相变M→P）的开始温度；
A f?马氏体相变为母体（马氏体逆相变M→P）的终了温度。
形状记忆材料分三类：形状记忆合金，形状记忆陶瓷和形状记忆薄膜。形状记忆合金已广泛用于医疗设备、航空、航天、仪器仪表、机器人、自动控制以及人造卫星、能量转换等领域。近年来在陶瓷材料、超导材料以及高分子材料中发现各具特色的形状记忆效应，引起了世界各国学者的广泛关注。
3.2.1形状记忆合金
形状记忆合金是研究最早的一种材料，它的操作功能主要分为5个方面。
①单程记忆效应：在低于M f温度之下时，加压力样品变形，去掉压力时不能完全恢复，当加热到A f之上时残存的形变才能恢复。
②双程记忆合金效应，当温度冷却到Mf之下时自发的形变产生，当温度再升到Af之上时形变恢复。
③形变恢复应力，在Mf温度下样品受压变形，去掉压力，保持在位置上再加热，这时恢复应力产生。
④做功状态，在Mf温度之下样品受压变形，卸掉压力，再加上重量W，将样品加热到Af之上，形变应力产生并且做功，称为功输出。
⑤超弹性或伪弹性效应，在Af温度之上时，加较大压力时样品变形从A到B，当压力
卸载后样品的形变又完全恢复。
形状记忆合金这些特有的功能和外界温度和内部的马氏体相应密切相关。例如从高温到低温的滞回线，应力—温度的关系，应力—压力的关系，以及应力—压力—温度三者之间的关系。
目前虽然有许多形状记忆合金体系，但能够商品化的只有少数几个，如Ni—Ti、Ni —Ti—Cu、Cu—Zn—Al合金体系，接近商品化的Cu—Al—Ni和Fe—Mn—Si合金体系，而具有潜在使用的体系有Ni—Al和Ni—Ti—Zi合金体系，目前在制备或性能上还有一些缺陷。在所有形状记忆合金体系中Ni—Ti合金是最具有使用价值的，有人做过数百万次实验，发现其恢复性能仍然保持。
1． TiNi形状记忆合金
等原子比的TiNi合金是使用的最早的形状记忆合金，其中Ni元素的质量分数为55～56％。根据使用目的不同可选用适当的合金成分。它性能优越，稳定性好，具有特殊的生物相容性，因而得到广泛的使用,特别在医学和生物上的使用是其他形状记忆合金所不能替代的。由于合金成分不同，相变可以有不同路径。
在材料使用过程中，表征材料记忆性能的主要参数包括记忆合金随温度变化所表现出的形状恢复程度，回复应力，使用中的疲劳寿命，即经历一定热循环或应力循环后记忆特性的衰减情况。此外,相变温度及正逆相变的温度滞后更是关键参数。而上述这些特性又和合金的成分成材工艺热处理(包括冷热加工)条件及其使用情况等密切有关。
TiNi记忆合金的相变温度对成分最敏感。Ni含量每增加0.1%，相变温度会降低10 C。第三元素对TiNi合金相变温度的影响也极为引人注目。Fe、Co等过渡族金属的加入均可引起Ms下降。其中Ni被Te置换后，扩大了R相稳定的温度范围，使R相变更为明显。用Cu 置换Ni后，Ms变化不太大，但形状记忆效应却十分显著，因而可以节约合金成本。并且由于减少相变滞后，使该类合金具有一定的使用价值。
为获得记忆效应,一般将加工后的合金材料在室温加工成所需要的形状并加以固定，随后在400-500之间加热保温数分钟到数小时(定形处理)后空冷，就可获得较好的综合性能。
对于冷加工后成形困难的材料，可以在800以上进行高温退火，这样在室温极容易成形，随后于200-300保温使之定形.此种在较低温度处理的记忆元件及形状回复特性较差。
富Ni的TiNi合金需要进行时效处理,一则为了调节材料的相变温度,二则可以获得综合的记忆性能.处理工艺基本上是在800-1000固熔处理后淬入冰水,再经400-500时效处理
智能材料及其发展 1.材料的发展 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或者其他产品的物质，是人类生活、生产的基础，是人类认识自然和改造自然的工具，与信息、能源并列为人类赖以生存、现代文明赖以发展的三大支柱。材料也是人类进化的标志之一，一种新材料的出现必将促进人类文明的发展和科技的进步，从人类出现，经历旧石器时代、新石器时代、青铜时代……，一直到21世纪，材料及材料科学的发展一直伴随着人类的文明的进步。在人类文明的进程中，材料大致经历了一下五个发展阶段。 1）利用纯天然材料的初级阶段：在远古时代人类只能利用纯天然材料（如石头、草木、野兽毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所说的旧石器时代。这一阶段人类只能对纯天然材料进行简单加工。 2）单纯利用火制造材料阶段：这一阶段跨越了新石器时代、青铜时代和铁器时代，它们风别已三大人造材料为象征，即陶、铜、铁。这一时期人类利用火来进行烧结、冶炼和加工，如利用天然陶土烧制陶、瓷、砖、瓦以及后来的玻璃、水泥等，从天然矿石中提炼铜、铁等金属。 3）利用物理和化学原理合成材料阶段：20世纪初，随着科学的发展和各种检测手段及仪器的出现，人类开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，并以凝聚态物理、晶体物理、固体物理为基础研究材料组成、结构和性能之间的关系，并出现了材料科学。这一时期，人类利用一系列物理、化学原理、现象来创造新材料，这一时期出现的合成高分子材料与已有的金属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除此之外，人类还合成了一系列的合金材料和无机非金属材料，如超导材料、光纤材料、半导体材料等。 4）材料的复合化阶段：这一阶段以20世纪50年代金属陶瓷的出现为开端，人类开始使用新的物理、化学技术，根据需要制备出性能独特的材料。玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是这一阶段的杰出代表，它们都是为了适应高科技的发展和提高人类文明进步而产生的。 5）材料的智能化阶段：自然界的材料都具有自适应、自诊断、自修复的功能。如所有的动物和植物都能在没有受到毁灭性打击的情况下进行自诊断和修复。受大自然的启发，近三四十年的研发，一些人工材料已经具备了其中的部分功能，即我们所说的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等。但是从严格意义上将，目前研制成功的智能材料离理想的智能材料还有一定的距离。 材料科学的发展主要集中在以下几个方面：超纯化（从天然材料到复合材料）、量子化
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。
6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的裂，且此裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式：
与 是一回事。 4、一瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。 6、一瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；② 0.049mm；③2μm，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 1.62 MPa·m2。讨论诸结果。
第一章材料结构和晶体结构 考点一：结合键 决定了材料的性能。 结合键的分类 共价键、离子键和金属键的概念 对性能的影响 结合键的分类 一次键——通过电子的转移或共享使原子结合的键。结合力较强。离子键、共价键、金属键。二次键——通过偶极吸引力使原子结合的键。结合力较弱。氢键、范德瓦尔斯键 混合键 确定结合键类型的因素 电负性和两种元素电负性的差值是确定成键类型重要因素之一 ＥＮ↑金属元素与非金属元素之间倾向以离子键结合 △ＥＮ↓ 电负性相同或相近的非金属元素之间倾向以共价键结合 电负性相同或相近的金属元素之间以金属键结合 电负性（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ，ＥＮ）：获得或吸引电子的相对倾向。离子键、共价键和金属键的概念 １．离子键———通过正负离子间静电作用所形成的结合键。（ＮａＣｌ、ＭｇＯ…）２．共价键———通过共用自旋相反的电子对使原子结合的结合键。（金刚石） ３．金属键———通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结合的结合键。 例1：简答题简述原子分子间４种结合键各自的特点，并从结合键角度讨论力学性能性能 例2：简答题原子间有几种结合键？各自的特点如何？从结合键角度讨论金属的力学性能 例3：简答题试从结合键角度讨论一般情况下金属材料比陶瓷材料表现出更高塑性或延 展性的原因 考点二：晶体与非晶体 概念主要差别 概念 １．晶体———原子（分子或离子）在空间按照一定规律周期性重复排列的固体． ２．非晶体———内部原子的排列是无序的，或不存在长程有序排列的固体． 例1 名词解释：晶体
例2 填空：晶体宏观对称的要素是：（１）对称中心，（２）对称轴，（３）对称面，（４）旋转反伸轴，（５）旋转反映轴 晶体与非晶体性能的主要区别 晶体：有确定熔点单晶体各向异性多晶体各向同性 非晶体：无确定熔点各向同性 非晶体的本质是过冷液体 例3 判断：在熔化过程中，非晶态材料不同于晶态材料的最主要特点是其没有一个固定 的熔点 考点三：空间点阵和晶体结构 晶体结构、点阵、晶格、晶胞的概念 空间点阵的选取原则 晶胞选取原则 点阵和晶体结构的区别 概念 晶体结构：指的是晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列。在实际的晶体中，这种排列有无限多种。这给我们的研究带来麻烦。 怎样来研究晶体？———抽象 晶体→点阵→晶格→晶胞 空间点阵———晶体中的等同点在空间有规则的周期性重复排列的阵列。 晶格———连接晶体点阵中阵点的几组相交平行线构成的空间格架。 晶胞———构成晶格的最小单元。 结构基元的选择满足四个相同条件 化学成分相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同 （ａ）直线上等间距排列的原子。许多单质晶体中在某一方向上原子常按此排列。例如金属铜中原子密排列的方向就是这样排列 （ｂ）为层型石墨中某些方向上碳原子排列的情况，两个原子组成一个基元 （ｃ）硒晶体中链型硒分子按螺旋型周期排列情况，三个原子组成一个基元 硒的化学组成的基本单位为Ｓｅ，而螺旋形排列的硒链的结构单元为三个硒原子 （ｄ）ＮａＣｌ晶体中一些晶棱上原子的排列，结构基元为相邻的一个Ｎａ＋和一个Ｃｌ—晶体结构的一个显著特点：周期性 可简单地将晶体结构示意表示为晶体结构＝点阵＋结构基元 晶胞：构成晶格的最基本单元称为晶胞。 显示系统所有特征的体积单元 晶胞选取的一般原则： （１）尽可能高的对称性 （２）尽可能多的直角 （３）尽可能小的体积 晶胞的选取不是唯一的 表征晶胞形状和大小的六个参量abc
第十一章智能材料和结构 智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。80年代后期，随着材料技术和大规模集成电路的进展，美国军方提出了智能材料和结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。智能材料和智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域，这一领域的研究也越来越受到人们的重视。自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学和工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的使用前景。 第一节智能材料的概念及分类 智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。 1.1智能材料的概念及其特点 智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一，但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能)，通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。智能材料的研究就是将信息和控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的研究开发孕育着新一代的技术革命。智能化将成为21世纪高分子材料的重要发展方向之一。 例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件，能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状，控制
一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间
第一章材料的结构习题
第一章 材料的结构 习题 1 解释以下基本概念 空间点阵、晶体结构、晶胞、配位数、致密度、金属键、缺位固溶体、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构、拓扑密堆相、固溶体、间隙固溶体、置换固溶体。 2 氧化钠与金刚石各属于哪种空间点阵？试计算其配位数与致密度。 3 在立方系中绘出{110}，{111}晶面族所包括的晶面及（112），（021）晶面。 4 作图表示出<0112>晶向族所包括的晶向。确定（1211），（021）晶面。 5 求金刚石结构中通过（0，0，0）和（414343 ,,）两 碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。 6 求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。 7 试证明等径刚球最紧密堆积时所形成的密排六方结构的633.1/ a c 。 8 绘图说明面心立方点阵可表示为体心正方点阵。 9 计算面心立方结构的（111），（110），（100）
晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。 10 计算面心立方八面体间隙与四面体间隙半径。 11 计算立方系[321]与[120]夹角，（111）与（111）之间的夹角。 12 FeAl是电子化合物，具有体心立方点阵，试画出其晶胞，计算电子浓度，画出（112）面原子排列图。 13 合金相VC，Fe3C，CuZn，ZrFe2属于何种类型，指出其结构特点。 例题 1. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？ 答案在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。 2. 已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？ 答案原子数=个 价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个 a) b) 共价键，共有2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以，
1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈
智能材料及其在医学领域的应用 目录 1、智能材料的概述 1.1智能材料的定义和基本特征........................................................ 1.2智能材料的构成............................................................................ 1.3智能材料的分类............................................................................ 1.4智能材料的制备............................................................................ 2、智能材料的应用领域 2.1智能材料的研究方向................................................................... 2.2智能材料在医学上的应用............................................................ 2.3智能材料在医疗方法中的应用....................................................
2.4智能材料在医学器械方面的应用................................................. 3、结束语.................................................................... 4、参考文献................................................................ 摘要本文综合评述了智能材料的研究、应用和进展。对智能材料与结构的概念进行了描述，全面总结了智能材料智能材料生物医药方面的应用, 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。 关键词智能材料；医学应用；发展 1智能材料的概述 1.1定义：智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。 基本特征：因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： （1）传感功能（Sensor）
智能材料系统结构与应用期末设计设计项目：压力触发式电灯开关 学院：电子信息与电器工程学院 专业：自动化 班级：F1503005 学号：515030910127 学生姓名：闻昊 2015年12月28日
压力触发式电灯开关 作者：闻昊 内容摘要：针对如何提高用户进入家庭时，电灯如何快捷方便的打开，从而采 用一种全新的连通电路的方式，采用压电材料，对外力的机械信号进行转换放大从而控制家用电路的连通。 关键词：传感、压电材料、放大电路、控制元件、转换 一、研究背景： 在生活在中经常出现这样的情况，有时当你进入了家门或者宿舍之后，会发现两只手都拿着东西，很不方便去打开电灯的开关，或者电灯的开关并不在门口触手可及的地方，得抹黑向前走一小段路才能打开电灯。难免会有一些不方便之处。如果我们可以转换一种打开灯的方式，这个问题就可以解决。所以急待需要一种新的电灯开关，来改变传统声控和手触的方式。那么可采用压力触发式，将开关隐藏于门口的脚垫之中，当我们一进门踩到脚垫上的时候，房间的灯就会亮起来，岂不是方便很多。 二、研究压力触发式开关的可行性与实现方案： 首先考虑压力触发的可行性，通过所学知识，压电材料可以将外力转换为电信号。压电传感器种类繁多，但传感器用压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子材料三种。压电晶体性能稳定，居里点和机械强度高，绝缘性好，动态响应快，线性范围宽，迟滞小等，在精密测量系统和高温测量系统中常被选用；缺点是压电系数小，灵敏度低，价格昂贵。压电陶瓷是人造多晶体压电材料，其压电系数高，制造成本低，但性能不够稳定，在一般测量系统中广泛采用，高分子压电材料具有很高的压电敏感度，可以制成大面积的压电薄膜或阵列原件。那么采用高分子压电材料就可解决接收信号的问题，加上基本每家都会使用脚垫，所以可以将高分子压电材料制成压电薄膜置于脚垫之中。 接着分析如何将压电薄膜产生的信号放大从而可以控制家用电路使得灯泡亮起来。尽管压电传感器输出的电压很高，但是电流很小（最简单的一个例子就是打火机中的压电陶瓷能产生上万伏的电压，但是电流极小）。通过施加一个机械压力，压电材料产生的电荷就很少。此时的电流不足以触发一个原件。但是可以进过适当的放大，使其足够触发一个原件。 接下来最后的问题就是，需要设计出一个足够小的原件，因此不会对整体屋子装修的美观程度有影响，且在受到一定的（不是很大的）电流后，便可以触发，控制家庭电灯电路的连通，电灯可以亮起来，且这个原件也能被手动关闭，从而将电灯关上。 三、研究流程图
第一章材料的力学性能 一、填空题 1、钢筋混凝土及预应力混凝土中所用的钢筋可分为两类：有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋，通常分别称它们为____________ 和。 2、对无明显屈服点的钢筋，通常取相当于残余应变为时的应力作为假定的屈服点，即。 3、碳素钢可分为、和。随着含碳量的增加，钢筋的强度、塑性。在低碳钢中加入少量锰、硅、钛、铬等合金元素，变成为。 4、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求主要是、、 、。 5、钢筋和混凝土是不同的材料，两者能够共同工作是因为 、、 6、光面钢筋的粘结力由、、三个部分组成。 7、钢筋在混凝土中应有足够的锚固长度，钢筋的强度越、直径越、混凝土强度越，则钢筋的锚固长度就越长。 8、混凝土的极限压应变包括和两部分。 部分越大，表明变形能力越，越好。 9、混凝土的延性随强度等级的提高而。同一强度等级的混凝土，随着加荷速度的减小，延性有所，最大压应力值随加荷速度的减小而。 10、钢筋混凝土轴心受压构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。 11、混凝土轴心受拉构件，混凝土徐变，则混凝土的应力，钢筋的应力。 12、混凝土轴心受拉构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。 二、判断题 1、混凝土强度等级是由一组立方体试块抗压后的平均强度确定的。 2、采用边长为100mm的非标准立方体试块做抗压试验时，其换算系数是0.95。 3、混凝土双向受压时强度比其单向受压时强度降低。 4、线性徐变是指徐变与荷载持续时间之间为线性关系。 5、对无明显屈服点的钢筋，设计时其强度标准值取值依据是条件屈服强度。 6、强度与应力的概念完全一样。 7、含碳量越高的钢筋，屈服台阶越短、伸长率越小、塑性性能越差。 8、钢筋应力应变曲线下降段的应力是此阶段拉力除以实际颈缩的断面积。 9、有明显流幅钢筋的屈服强度是以屈服下限为依据的。 10、钢筋极限应变值与屈服点所对应的应变值之差反映了钢筋的延性。 11、钢筋的弹性模量与钢筋级别、品种无关。 12、钢筋的弹性模量指的是应力应变曲线上任何一点切线倾角的正切。
《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。
浅谈智能材料 智能材料的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。 具体来说智能材料需具备以下内涵： （1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等； （2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当。 （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。 智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。 为增加感性认识，现举一个简单的应用了智能材料的例子：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。 作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。智能材料可分为两大类： （1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。 （2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
智能材料(Smart Materils 或者Intelligent Material System) 是20 世纪80 年代中期提出的概念。智能材料是模仿生命系统,能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数,作出所期望的能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。 磁流变液 电流变体 压电材料、 形状记忆合金 磁致伸缩材料 电致伸缩材料 光纤材料 聚合物胶体 形状记忆聚合物(SMP) 疲劳寿命丝（箔） 磁流变体：通常由以下三种成分组成： （1）具有高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒，如铁钴合金、铁镍合金、羰基铁等软磁材料。由Jolly 和Ginder等人[4]建立的磁流变液理论剪切屈服强度的计算公式可知，磁流变液的极限剪切屈服强度与磁性颗粒的饱和磁化强度的平方成正比。 （2）母液，又称溶媒，是磁性微粒悬浮的载体。为了保证磁流变液具有稳定的理化特性，母液应具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密度和极高“击穿磁场”等特性。目前，较为常用的母液是硅油。另外，一些高沸点的合成油、水以及优质煤油等也可作为磁流变液的母液； （3）表面活性剂，其主要作用是包覆磁性微粒并阻止其相互聚集而产生凝聚，减少或消除沉降。 功能： 这种材料具有4种主要功能:(1)对环境参数的敏感;(2)对敏感信息的传输;(3)对敏感信息的分析、判断;(4)智能反应。 具体的有： 传感功能 反馈功能 信息识别与积累功能 相应功能 自诊断功能 自修复功能 自调节功能 智能结构( Intelligent Construction)是将驱动器、传感器、乃至处理器等微电子元器件集成在复合材料之中而成型的结构它对所处环境，具有主动感知和主动响应的功能。智能结构是在智能材料的基础上提出的,是当前结构设计与结构力学方面正在迅速发展的一种崭新领域,也称为自适应结构。智能结构就是可以根据外部条件和内部条件主动地改变结构
1 钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金元素有哪些是强碳化物形成元素？中强碳化物形成元素? 钢的分类方法有5种：1）按化学成分，有碳素钢（低碳钢，中碳钢，高碳钢），合金钢；2）按质量，有普通钢，优质钢，高级优质钢；3）按用途，有结构钢，工具钢，特殊钢；4）按炼钢方法，有转炉钢，平炉钢，电炉钢；5）按浇筑前脱氧程度，有镇静钢，沸腾钢，半镇静钢。 强碳化合物形成元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 中强碳化合物形成元素：W,Mo 2 合金钢的主要优点是什么？常用以提高钢淬透性的元素有哪些？强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有哪些？提高回火稳定性的元素有哪些？ 合金钢主要优点：优异的力学性能和其他性能，既有高的强度，又有足够韧性和塑性。 提高钢淬透性的元素：B,Mn,Cr,Mo,Si,Ni 强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 提高回火稳定性的元素：V,Nb,Cr,Mo,W 3 解释下列现象：（1）大多数合金钢的热处理温度比相同含碳量的碳素钢高；（2）大多数合金钢比相同含碳量的碳素钢具有较高的回火稳定性；（3）含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢属于过共析钢，而含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢属于莱氏体钢；（4）高速钢在热断货热轧后经空冷获得马氏体钢。 1) 热处理目的是让碳及合金元素充分溶解，合金元素扩散速度慢，另外合金元素形成的碳化物溶解需要更高温度和时间。 2) 由于合金钢中含有较多的碳化物形成元素如，Cr、W、Mo、Ti、V等，它们与碳有较强的亲和力，使碳化物由马氏体向奥氏体溶解时，合金元素扩散困难，加之合金碳化物的稳定性高，使碳化物的溶解比较困难，合金钢在加热时需要较高的温度和较长的时间。因此，合金钢具有较高的回火稳定性。 3) 按照金相组织来看，含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢平衡态是渗碳体加珠光体，含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢平衡态出现莱氏体。 4）由于高速钢的合金元素含量高，C曲线右移，一般合金元素越高临界冷却速度越小，淬透性越好，当空冷的冷却速度大于临界冷却速度时，空冷即可获得马氏体。 4 有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢材15％，简要解释原因。低合金高强度钢是在碳素工程钢基础上加入少量合金元素（Mn,Si,Ti,Nb,V,Al等）形成的，以此获得较好的塑性，韧性，焊接性能，性能的提高使得在相同的工程条件要求下大大降低了钢材的使用量。16Mn属于低合金高强度结构钢，这类钢适应大型工程结构，减轻结构重量，提高使用的可靠性及节约钢材，因此与碳素钢相比可以节省15%材料。 5 试比较45钢与40Cr钢的应用范围，以此说明合金元素Cr在调质钢中的作用。 45钢属优质碳素结构钢，大量的模具生产会用到，做模具钢使用。 40Cr钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如套筒；此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。 Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。 6 说明渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的化学成分、最终热处理及组织、性能特点。 渗碳钢：一般都是低碳钢，碳的质量分数一般在0.12%-0.25%范围，主要合金元素有Ni,Cr,Mn
《材料结构与性能》试题2011级硕士研究生适用 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。