书名:《土木工程材料》（第
二版） 种类：普通高等教育“十
一五”国家级规划教材 作者：湖南大学 天津大
学 同济大学 东南大
学 合编 责任编辑：朱首明 刘平
平 主要内容：⒈建筑钢材
⒉无机胶凝材
料 ⒊水泥混凝土
⒋砂浆
⒌砌筑材料
⒍沥青及沥青
混合料 一、 建筑钢
材 1、 钢材的化
学组成 钢的基本成分是铁与
碳，此外还有某些合金元素和杂质元素。按化学成分钢材
可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢根据含碳量可
分为：低碳钢（含碳量小于0.25%），中碳钢（含碳量
0.25%~0.6%）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。钢材中碳
原子与铁原子之间的结合方式有固溶体、化合物和机械
混合物三种。由于铁与碳结合方式的不同，碳素钢在常温
下形成的基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。
合金钢按合金元素的
总含量可分为：低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合
金钢（合金元素含量为5%~10%）和高合金钢（合
金元素含量大于10%）。 2、 建筑钢材
的主要力学性能 （1） 抗拉性能
抗拉性能是建筑钢材最主要的性能之一。由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材看啦性能的主要技术指标。
（2） 冷弯性能
冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。
钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。试验时采用的弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高。按规定，的弯曲角度和弯心直径进行试验时，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。
冷弯试验试件的弯曲处会产生不均匀塑性变形，能在一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力。夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷。因此，冷弯性能也能反映钢材的冶炼质量和焊接质量。 《材料科学概论》读书报告
（3）冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准时间的弯曲冲击韧性试验确定的。试验以摆锤打击刻槽的时间，于刻槽处将期打断。以时间打断时说吸收的能量作为钢材的冲击韧性值，以Kv表示：
Kv=GH1-GH2
（4）硬度
钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。（5）耐疲劳性
在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象沉稳钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，时间在交变应力作用下，于规定的周期基数内部发生断裂所能承受的最大应力。
3、钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接
（1）钢材的冷加工强化及时效强化
将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。产生加工强化的原因是：钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。（2）钢材的热处理
热处理是指将钢材按一定规则加热、保温盒冷却，以改变其组织，从而获得所需的一种工艺措施。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。（3）钢材的焊接
建筑钢材的焊接方法最主要的是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的电渣压力焊。焊件的质量主要取决于选择正确的焊接工艺和适当的焊接材料，以及钢材本身的课焊接性。
焊接质量的检验方法主要有取样时间试验和原位非破损检测两类。取样试件试验是指在结构焊接部位切取试样，然后在试验室进行各种力学性能的对比试验，以观察焊接的影响。非破损检测则是在不损及结构物使用性能的前提下，直接在结构原位，采用超声、射线、磁力、荧光等物理方法，对焊接进行缺陷探伤，从而间接推定力学性能的变化。
4、钢材的防火和防腐蚀
（1）钢材的防火
在钢结构中应采取预防包覆措施，高层建筑更应如此，其中包括设置防火涂料等。在钢筋混凝土结构中，钢筋应有一定厚度的保护层。
（2）钢材的锈蚀与防止
钢材被腐蚀的主要原因：
①化学腐蚀
②电化学腐蚀
③应力腐蚀
防止钢材腐蚀的措施：
钢结构中型钢的防锈，主要采用表面涂覆的方法。例如表面刷漆，常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等。面漆有灰铅漆、醇酸磁漆、酚
醛磁漆等。薄壁型钢及薄钢板制品可采用热浸镀锌或后加涂塑料复合层。
5、建筑钢材的品种与选用
（1）建筑钢材的主要钢种
碳素结构钢
低合金高强度结构钢
（2）常用建筑钢材
①钢筋：
热轧光圆钢筋
钢筋混凝土用热轧带肋钢筋
冷轧带肋钢筋
预应力混凝土用钢棒
预应力混凝土用钢丝与钢绞线
②型钢：
热轧型钢
冷弯薄壁型钢
钢板和压型钢板
二、无机胶凝材料
1、气硬性胶凝材料
（1）石膏
石膏胶凝材料是以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料。由于石膏胶凝材料及其制品具有许多优良的性质，原料来源丰富，生产能耗低，因而在建筑工程得到广泛应用。
①石膏胶凝材料的生产
生产石膏胶凝材料的原料主要是天然二水石膏矿石，也可用含有二水石膏的化工副产品和废渣。天然无水石膏又称天然硬石膏，只可用于
生产无水石膏水泥。石膏胶凝材料生产的主要工序是破碎、加热煅烧与
磨细。根据加热方式和煅烧温度的不同，可生产出不同性质的石膏胶凝
材料产品。
②建筑石膏的凝结硬化
建筑石膏与适量的水拌合后，最初成为可塑的浆体，但很快就失去塑性和产生强度，并逐渐发展成为坚硬的固体。这种现象称为凝结硬化，
它是由于浆体内部发生了一系列的物理化学变化。
③建筑石膏的技术性质与应用
建筑石膏为白色粉末，密度约为 2.60~2.75g/cm3，堆积密度约为800~1000kg/m3。建筑石膏按原材料分为天然建筑石膏、脱硫建筑石膏
和磷建筑石膏三种，对于建筑石膏有强度、细度、凝结时间等技术要求。
建筑石膏在建筑上的主要用途有：支撑石膏抹灰材料、各种墙体材料（如
纸面石膏板、石膏空心条板、石膏砌块等），各种装饰石膏板、石膏浮
雕花饰、雕塑制品等。
（2）石灰
①石灰的生产
生产石灰的原料有石灰石、白云石、白垩、贝壳等。它们的主要成分是碳酸钙，经煅烧后，碳酸钙分解成为氧化钙，得到块状生石灰。
②石灰的硬化
石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：
结晶作用——游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。
碳化作用——氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发。
③石灰的技术性质和要求
生石灰熟化为石灰浆时，能自动形成颗粒极细（直径约为1微米）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚的水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好的可塑性，在水泥砂浆中掺入石灰浆，可使可塑性显着提高。
④石灰在土木工程中的应用
石灰在土木工程中的用途很广，分述如下：
石灰乳和砂浆；
石灰土和三合土；
生产硅酸盐制品。
（3）水玻璃
水玻璃俗称泡花碱,是一种能溶于水的硅酸盐由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成。常用的是硅酸钠水玻璃，还有硅酸钾水波咯等
①水玻璃的生产
生产水玻璃的方法有湿法和干法两种。湿法生产硅酸钠水玻璃时，将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅（2~3个大气压）内用蒸汽加热，并加搅拌，使直接反应而成液体水玻璃。干法（碳酸盐法）是将石英砂和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉内于1300~1400℃温度下熔化，生成固体水玻璃，然后在水中加热溶解而成液体水玻璃。
②水玻璃的硬化
液体水玻璃在空气中吸收二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化。
③水玻璃的性质与应用
水玻璃有良好的粘结能力，硬化时析出的硅酸凝胶有堵塞毛细孔隙而防止水渗透的作用。水玻璃不燃烧，在高温下硅酸凝胶干燥得更加强烈，强度并不降低，甚至有所增加。水玻璃具有高度的耐酸性能，能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用。
水玻璃由于具有以上性能，在土木工程中可有多种用途，扼要列举如下：涂刷建筑材料表面可提高抗风化能力；
配制快凝堵漏防水剂；
用于土壤加固；
2、硅酸盐水泥
（1）硅酸盐水泥的生产及矿物组成
由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类
型，不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，其代号为P·I。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II 型硅酸盐水泥，其代号为P·II。
①硅酸盐水泥生产
硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料和粘土质原料两种。
硅酸盐水泥生产的大体步骤是：先把几种原料按适当比例配合后再磨机中磨成生料；然后将制得的生料入窑进行煅烧；再把烧好的熟料配以适当的石膏（和混合料）在磨机中磨成细粉，即得到水泥。是你生料在窑内的煅烧过程要经历干燥、预热、分解、熟料烧成及冷却等几个阶段。其中，熟料烧成是水泥生产的关键，必须有足够的温度和事件，以保证水泥熟料的质量。
②水泥熟料矿物组成
硅酸盐水泥的主要熟料矿物的名称和含量范围如下：
硅酸三钙，含量37%~60%；
硅酸二钙，含量15%~37%；
铝酸三钙，含量7%~15%；
铁铝酸四钙，含量10%~18%。
（2）硅酸盐水泥的水化及凝结硬化
①硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥的性能是由其组成矿物的性能决定的，水泥具有许多优良的技术性能，主要是水泥熟料中几种主要矿物水化作用的结果。
熟料矿物与水发生的水解或水化作用统称为水化，熟料矿物与水发生绥化反应，生成水化产物，并放出一定的热量。
各种熟料矿物单独与水作用时表现出的特性
水泥加水拌合后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。凝结和硬化时人为地划分的，实际上是一个连续的复杂的物理化学变化过程。
③影响水泥凝结硬化的因素
养护时间；
温度和湿度；
石膏掺量。
（3）硅酸盐水泥的技术性质
①细度
水泥颗粒的粗细对水泥的性质有很大的影响。水泥颗粒粒径一般在0.007~0.2mm范围内，颗粒越细，与水反应的表面积越大，因而水泥颗粒细。水化快而且较安全，早期强度和后期强度都较高，但在空气中的硬化收缩性较大，成本也较高。如水泥颗粒过粗则不利于水泥活性的发挥。一般认为水泥颗粒小雨0.04mm时，才具有较高的活性，大于0.1mm活性就很小了。在
国家标准中规定水泥的细度可用筛选法和表面积法检验。
②凝结时间
凝结时间分初凝和终凝。初凝为水泥加水拌合起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌合起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。
③体积安定性
如果在水泥已经硬化后，产生不均匀的体积变化，即所谓体积安定性不良，就会使构件产生膨胀裂缝，降低建筑物质量，甚至引起严重事故。
体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中含的游离氧化钙过多。也可能是由于熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石膏过多。
④强度及强度等级
由于氯离子会引起和促进混凝土结构中的钢筋锈蚀，因此，应限制水泥中的氯离子含量，水泥中的氯离子含量不得大于0.006%。
⑦水化热
水泥在水化过程中放出的热称为水泥的水化热。
（4）水泥石的腐蚀与防止
①软水的侵蚀（溶出性侵蚀）
②盐类腐蚀
硫酸盐的腐蚀
镁盐的腐蚀
③酸类腐蚀
碳酸腐蚀
一般酸的腐蚀
④强碱的腐蚀
⑤腐蚀的防止
根据侵蚀环境特点，合理选用水泥品种
提高水泥石的密实度
加做保护层
（5）硅酸盐水泥的应用与存放
硅酸盐水泥不适用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不适用于受海水、矿物水等作用的工程，不使用于大体积混凝土工程。
3、掺混合材料的硅酸盐水泥
（1）水泥混合材料
①水泥混合材料的类别
活性混合材料：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料粉煤灰
非活性混合材料
（2）普通硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料、6%~20%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，代号P.O
（3）矿渣硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥。矿渣掺量20%~50%为A型矿渣硅酸盐水泥，代号P.S.A；矿渣含量50%~70%为B型矿渣硅酸盐水泥，代号P.S.B （4）火山灰质硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥。火山灰质含量20%~40%，代号P.P
（5）粉煤灰硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥。粉煤灰含量20%~40%，代号P.F
（6）复合硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥。混合材料总量应大于20%而不超过50%
4、其他水泥
白色和彩色硅酸盐水泥
快硬水泥
膨胀水泥及自应力水泥
道路硅酸盐水泥
三、水泥混凝土
混凝土常按照表观密度的大小分类，一般可分为：
重混凝土（800~1950kg/m3）
普通混凝土（2000~2800kg/m3）
轻混凝土（≤1950kg/m3）：轻骨料混泥土（800~1950）、多孔混凝土（300~1000）、大孔混凝土（普通大孔混凝土1500~1900；轻骨料大孔混凝土500~1500）
1、混凝土的组成材料
水泥、砂、石、水
2、其他品种混凝土
①粉煤灰混凝土
②泵送混凝土
③水泥路面混凝土
④轻骨料混凝土
⑤高强混凝土
⑥防水混凝土
⑦纤维混凝土
⑧聚合物混凝土
⑨干硬性混凝土
⑩碾压混凝土
?高性能混凝土
四、砂浆
砂浆是由胶凝材料、细骨料、掺合料以及水等为主要原料进行拌合、硬化后具有强度的工程材料。主要用于砌筑、抹面、修补和装饰工程。砂浆按其所用胶凝材料的不同，可分为水泥砂浆、石灰砂浆和混合砂浆等；按其用途可分为砌筑砂浆、抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆以及耐酸防腐、保温、吸声等特种用途砂浆；按其生产形式可分为现场拌制砂浆和预制砂浆；预拌砂浆按其干湿状态可分为湿拌砂浆和干拌砂浆。
1、建筑砂浆的基本组成和性能
（1）建筑砂浆基本组成
①胶凝材料：水泥、石灰
①细骨料
②掺加料和外加剂
③拌合水
（2）建筑砂浆的基本性能
建筑砂浆的表观密度
水泥砂浆不应小于1900kg/m3；水泥混合砂浆不应小于1800kg/m3
②新拌砂浆的和易性
流动性、保水性
②硬化砂浆的性能
砂浆立方体抗压强度和强度等级
砂浆粘结力
耐久性
砂浆的变形
2、建筑砂浆
（1）砌筑砂浆
将砖、石及砌块粘接成为砌体的砂浆，称为砌筑砂浆。它起着粘
结砖、石及砌块构成砌体，传递荷载，协调变形的作用。因此，
砌筑砂浆是砌体的重要组成部分。
土木工程中，要求砌筑砂浆具有如下性质：
①新拌砂浆应具有良好的和易性。
②硬化砂浆应具有一定的强度
③硬化砂浆应具有良好的耐久性
（2）抹面砂浆
凡粉刷在土木工程的建筑物或构件表面的砂浆，统称为抹面砂浆。根据抹面砂浆的功能不同，抹面砂浆分为普通抹面砂浆、
装饰砂浆、防水砂浆和具有某些特殊功能的抹面砂浆（如绝热砂
浆、耐酸砂浆、防射线砂浆、吸声砂浆等）。
①普通抹面砂浆
普通抹面砂浆具有保护建筑物及装饰建筑物及建筑环境的效
果。
②装饰砂浆
粉刷在建筑物内外表面，具有美化装饰、改善功能、保护建筑
物的抹面砂浆称为装饰砂浆。
③防水砂浆
制作防水层说采用的砂浆，称为防水砂浆砂浆防水层仅适用于
不受震动和具有一定刚度的混凝土及砖石砌体工程。
（3）其他特种砂浆
绝热砂浆、耐酸砂浆、放射线砂浆、膨胀砂浆、自流平砂浆、吸声砂浆、地面砂浆
3、预拌砂浆
预拌砂浆是指由专业生产厂生产的湿拌砂浆或干混砂浆。
（1）湿拌砂浆
湿拌砂浆是由搅拌站经计量、拌制后，运到工地并在规定时间使用的砂浆。
（2）干混砂浆
干混砂浆由专业生产厂将原材料中的固体组分计量、混合后，在使
用地点按规定比例加水或配套组分拌合使用。
五、砌筑材料
砌筑材料是土木工程中最重要的材料之一。我国传统的砌筑材料有砖和
石材，砖和石材的大量开采需要耗用大量的农用土地和矿山资源，影响农业生产和生态环境，而且砖、石自重大，体积小，生产效率低，影响建筑业的发展速度。因此，因地制宜地利用地方性资源和工业废料生产轻质、高强、多功能、大尺寸的新型砌筑材料，是土木工程可持续发展的一项重要内容。
1、砌墙砖
（1）烧结砖
①烧结普通砖
生产工艺：各种烧结普通砖的生产工艺过程基本相同，现将烧结
黏土砖的生产工艺过程流程简介如下：采土——配料调制——制
坯——干燥——焙烧——成品。
②主要技术性质
外形尺寸：标准尺寸为2400mm*115mm*53mm
外观质量：合格品颜色无要求。外观质量包括两条面高度差、弯曲程度、杂质突出高度、缺棱掉角、裂纹长度和完整面的要求。
强度等级：烧结普通砖强度等级是通过取10块砖试样进行抗压强度试验，根据抗压强度平均值和强度标准来划分。
泛霜：但砖的原料中含有硫、镁等可溶性盐类时，砖在使用过程中，这些盐类会随着砖内水分蒸发而在砖面产生盐析现象，一般
为白色粉末，常在砖表面形成絮团状斑点，严重点会起粉、掉角或
脱皮。
石灰爆裂：当原料土中夹杂有石灰时，将被烧成生石灰留在砖中。生石灰有时也会由掺入的内燃料带入，这些常为过烧的生石灰。
生石灰吸水消化时产生体积膨胀，导致砖发生胀裂破坏。
(2)蒸养（压)砖
蒸养（压）砖属于硅酸盐制品，是以石灰和含硅原料（砂、粉煤灰、炉渣、矿渣、煤矸石等）加水拌合，经成型、蒸养（压）而制成的。目前使用的主要有粉煤灰砖、灰砂砖、和炉渣砖。其规格尺寸与烧结普通砖相同。
粉煤灰砖
粉煤灰砖是以粉煤灰和石灰为主要原料，掺入适量的石膏和炉渣，加水混合制成的坯料，经陈化、轮碾、加压成型，再经常压或高压蒸养而制成的一种材料。
灰砂砖
灰砂砖是石灰和天然砂，经搅拌、陈化、轮碾、加压成型、蒸养而制成的墙体材料。
（2）混凝土路面砖
混凝土路面砖通常采用彩色混凝土制作，分为人行道砖和车行道砖两
种，按其形状又分为普通型砖和异性砖两种
2、砌块
砌块是近年来迅速发展起来的一种砌筑材料，除用于砌筑墙体外，还可用于砌筑挡土墙、高速公路音障及其他砌块构成物。我国目前使用的砌块品种很多，其分类方法也不同。按砌块特征分类，可分为实心砌块和空心砌块两种。凡平行于砌块承重面的面积小于界面的75%者属于空心
砌块，等于或大于75%者属于实心砌块，空心砌块的空心率一般为30%~50%，按生产砌块的原料不同分类，可分为混凝土砌块和硅酸盐砌块。
（1）普通混凝土小型空心砌块
混凝土砌块是由水泥、水、啥、石，按一定比例配合，经搅
拌、成型和养护而成。砌块的住规格为
3900mm*190mm*190mm，配以3~4种辅助规格，即可组成墙
用砌块的基本系列。
（2）加气混凝土砌块
加气混凝土砌块是用钙质材料（如水泥、石灰）、硅质材料（粉
煤灰、石英砂、粒化高炉矿渣等）和加气剂作为原料，经混
合搅拌、浇筑发泡、坯体静停与切割后，再经蒸压养护而成。
（3）石膏砌块
生产石膏砌块的主要原材料是天然石膏或化工石膏。为减小
表观密度和降低导热性，可掺入适量的锯末、膨胀珍珠岩、
陶粒等轻质多孔填充材料。在石膏中掺入防水剂可提高其耐
水性。石膏砌块轻质、绝热吸气、不燃、可锯可钉，生产工
艺简单，成本低。石膏砌块多用于内隔墙。
3、砌筑石材
天然石材是最古老的建筑材料之一，世界上许多着名的故建筑，如埃及的金字塔，我国河北省的赵州桥都是由天然石材建造而成的。
（1）石材的分类
①火成岩：深成岩、喷出岩、火山岩
②沉积岩：机械沉积岩、化学沉积岩、生物沉积岩
③变质岩
5、沥青及沥青混合料
沥青是一种褐色或黑褐色的有机胶凝材料，是土木工程建设中不可缺少的材料。在建筑、公路、桥梁等工程中有着广泛的应用，主要用于生产防水材料和铺筑沥青路面、机场道面等。
沥青按产源可分为地沥青（包括天然沥青、石油沥青）和焦油沥青（包括煤沥青、页岩沥青）。常用的主要是石油沥青，另外还使用少量的煤沥青。
采用沥青作胶结料的沥青混合料是公路路面、机场道面结构的一种主要材料，也可用于建筑地面或防渗坝面。它具有良好的力学性能，用作路面具有抗滑性好、噪音小、行车稳等优点。
1、沥青材料
（1）石油沥青
石油沥青是石油原油经蒸馏等提炼出各种轻质油（如汽油、柴油等）及润滑油以后的残留物，或再经加工而得的产品。它是一种有机胶凝材料，在常温下呈固体、半固体或黏性液体，颜色为褐色或黑褐色。
①石油沥青的组成与结构
石油沥青的组分：油分、树脂（沥青脂胶）、地沥青质（沥青质）
石油沥青的胶体结构
（2）石油沥青的技术性质
①防水性
②粘滞性（黏性）
③塑性
④温度敏感性
⑤大气稳定性
（2）煤焦油简介
煤焦油是生产煤炭和煤气的副产物，它大部分用于化工，而小部分用于制作建筑防水材料和铺筑道路路面。
与石油沥青相比，由于两者的成分不同，煤沥青油如下特点：
①由固态或粘稠态转变为粘流态（或液态）的温度间隔较小，夏天易软
化流淌，而冬天易脆裂，即温度敏感性较大。
②含挥发性成分和化学稳定性差的成分较多，在热、阳光、氧气等长期
综合作用下，煤沥青的组成变化较大，易硬脆，故大气稳定性较差。
③含有较多的游离碳，塑性较差，容易因变形而开裂。
④因含有蒽、酚等，故有毒性和臭味，防腐能力较好，适用于木材的防
腐处理。
⑤应含表面活性物质较多，与矿料表面的粘附力较好。
（3）改性石油沥青
（1）橡胶改性沥青
①氯丁橡胶改性沥青
②丁基橡胶改性沥青
③热塑性弹性体（SBS）改性沥青
④再生橡胶改性沥青
（2）树脂改性沥青
①古马隆树脂改性沥青
②聚乙烯树脂改性沥青
（3）橡胶和树脂改性沥青
（4）矿物填充料改性沥青
①矿物填充料的品种：
常用的矿物填充料大多是粉状的和纤维状的，主要的有滑石
粉、石灰石粉、硅藻土和石棉等。
②矿物填充料的作用机理
沥青中掺入矿物填充料后，能被沥青包裹形成稳定的混合物。
一要沥青能润湿矿物填充料；二要沥青与矿物填充料之间具有
较强的吸附力，并不为水所剥离。
2、沥青混合料的组成与性质
（1）沥青混合料的出征结构
①悬浮密实结构
②骨架空隙结构
③骨架密实结构
（2）沥青混合料的技术性质
高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、施工和易性
一、填空题： 1.材料性质的表述包括力学性能、物理性质和化学性质。 2.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。 3.材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。 4.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、制备/加工和结构/成分。 5.按组成和结构分，材料分为金属材料，无机非金属材料，高分子材料和复合材料。 6.高分子材料分子量很大，是由许多相同的结构单元组成，并以共价键的形式重复连接而成。 7.复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。 8.聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。 9.功能复合材料是指除力学性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。如有 光，电，热，磁，阻尼，声，摩擦等功能。 10.材料的物理性质表述为光学性质、磁学性质、电学性质和热学性质。 11.由于高分子是链状结构，所以把简单重复（结构）单元称为链节，简单重复（结构）单元的个数称为聚 合度。 12.对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示 为增强体与基体的互补。（ppt-复合材料，15页） 13.影响储氢材料吸氢能力的因素有：（1）活化处理；（2）耐久性（抗中毒性能）； （3）抗粉末化性能；（4）导热性能；（5）滞后现象。 14.典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。 15.功能复合效应是组元材料之间的协同作用与交互作用表现出的复合效应。复合效应表现线性效应和非线性效 应，其中线性效应包括加和效应、平均效应、相补效应和相抵效应。 16.新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。 17.功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。功能高 分子材料的制备主要有以下三种基本类型： ①功能小分子固定在骨架材料上； ②大分子材料的功能化； ③已有功能高分子材料的功能扩展； 18.材料的化学性质主要表现为催化性能和抗腐蚀性。 19.1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金 属的导电特性，并因此获得2000年诺贝尔化学奖。 20.陶瓷材料的韧性和塑性较低，这是陶瓷材料的最大弱点。 第二部分名词解释
东北大学继续教育学院 材料科学导论复习题 一、选择填空，在给出的a、b、c、d选项中选择一或多个你认为最合适的答案， 使得题目中给出描述完整准确。 1、材料的性质是在元器件或设备实现预期的使用性能而得到利用的。即材料的使用性能取决于（ b ）。 a 材料的组成 b 材料的基本性能 c 材料的结构 d 材料的合成与加工工艺 2、钢铁、有色金属、玻璃、陶瓷、高分子材料等的原材料多数来自（ d ）、为矿物资源，形成于亿万年之前，是不可再生的资源。因此，在材料生产中必须节省资源、节约能源、回收再生。 a 工业 b 农业 c 材料加工行业 d 采掘工业 3、高分子材料、金属材料和无机非金属材料，不论其形状大小如何，其宏观性能都是由（ b ）。 a 它的化学成分所决定的 b其化学组成和组织结构决定的。 c 其加工工艺过程所决定的 d其使用环境所决定的 4、如果使用温度是室温，就可以优先考虑高分子材料，因为在相同密度的材料中它们是 b、d 的。 a 最容易得到 b最便宜 c 最常见 d 加工最方便 5、根据其性能及用途的不同，可将陶瓷材料分为（ a、c ）和两大类。 a 结构材料用陶瓷 b特种陶瓷 c功能陶瓷 d 传统陶瓷 6、金属材料与无机非金属材料成型加工时由于工艺条件的不同也会造成制品性能的差异。因此，材料的（ a、d ）的总和决定了制品性能。 a 内在性能 b成型加工 c附加性能 d 成型加工所赋予的附加性能 7、材料的化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力。它包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗
入性、抗氧化性等，可归结为材料的（ c ）。 a 有效性 b 实用性 c 稳定性 d 可用性 8、切削物体或对物体进行塑性变形加工的工具材料可分为高碳钢、高速钢、超硬质合金、金刚石等材料,其中可列入超硬质材料范畴的是（ c、d ）。 a高碳钢 b高速钢 c超硬质合金 d金刚石 9、纳米材料通常定义为材料的显微结构中，包括（ a、b、c、d ）等特征尺度都处于纳米尺寸水平的材料，通常由直径为纳米数量级的粒子压缩而成。 a 颗粒直径 b 晶粒大小 c 晶界 d 厚度 10、天然矿物原料一般杂质较多，价格较低；而人工合成原料（ a、b ）。此外，对环境的影响也是选用原材料时必须考虑的因素之一。 a 纯度较高 b价格也较高 c难以得到 d 以上所有 11、电化学腐蚀必须要有一个阴极与一个阳极。在纯金属中（ a ）或（ b ）可以构成阴极。 a 晶界 b 晶粒 c 环境的介质 d 更小的不均匀物种 12、腐蚀一旦发生，材料或制品就会（ d ）；所以腐蚀是材料设计和选择时不得不考虑的重要因素。 a大受影响 b性能显著下降 c服务寿命缩短 d 以上所有 13、晶体的宏观形貌可以是（ d ）。 a一维的 b 二维的 c 三维的 d 上述所有 14、范德华键是永远存在于分子间或分子内非键结合的力，是一种（ a ）。
材料科学导论 Introduction of Materials Science 课程代码：01110610 学分：1.5 总学时：32学时讲课学时：28学时 实验学时：4 学时课程性质：专业基础课 适用专业：材料物理、材料化学 先修课程：高等数学（上、下）、工程化学、物理化学B、工程力学B，08100011/08100021/ 08100200/ 08110422/ 08100192 开课学期：第五学期其他：学位课 一、课程性质及作用 本课程是材料物理与化学专业的专业基础课，是研究材料的化学成分、加工过程与其组织、结构变化与性能之间关系、原理及其变化规律的一门学科。本课程从材料内部的微观结构出发，研究材料微观原子键合、聚集行为，晶体结构特点，以及不完整晶体的缺陷类型及其规律特性（位错），具体到材料类领域主要的概念、结论和规律。让学生理解并掌握不同原子键合原理、特点，理解空间点阵、晶胞等晶体学基础概念，理解典型金属晶体结构及其参数，在此基础上，了解离子晶体、共价键晶体、晶态高分子的典型结构特点；主要讨论并理解基体缺陷的类型、产生、运动及其相互作用，了解其对于晶体组织和性能有关影响。为学习后续专业课程奠定坚实的理论基础。 二、本课程与其它有关课程的联系 学习本课程前，学生应先修先修高等数学（上、下）、工程化学、物理化学B、工程力学B等基础课，并安排一次认识实习、金工实习，以增加感性认识。学生通过对本课程的学习，将为学习扩散与相变，材料物理性能，材料化学等其他专业课程打下坚实的基础。 三、课程内容及课时安排 绪论(2学时) 材料在国民经济中的地位和作用； 工程材料及其分类； 材料科学的研究内容与任务； 学习本课程的目的和方法。 第一章原子结构与键合(4学时) 1、原子结构 物质的组成、原子的结构、原子的电子结构、元素周期表 2、原子间的键合 金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键 第二章固体结构(14学时) 1、晶体学基础 晶体的特性、空间点阵和晶胞、晶体、晶系与布拉菲格子、晶面指数和晶向指数、
材料科学导论习题解答 材料科学导论作业 第一章材料科学概论 1. 氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？ [答] 因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。 2. 将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯 [答] 金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。 陶瓷有氯化钠、碳化硅。 聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。 复合材料有混凝土、玻璃钢。 3. 下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏 [答] 汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。 电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。 剪刀的刀刃的硬度要强。 汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。 电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。 4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。 [答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料 纳米材料有以下效应： ⑴ 小尺寸效应 ⑵ 表面效应 ⑶ 量子尺寸效应 ⑷ 宏观量子隧道效应
举例略 第二章原子结构 1. 原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的Mg 原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。 [答] M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/m ol 2. 试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，试确定该原子的原子序数。 [答] N壳层内最大电子数为2×42 = 32。但考虑能级交错：N壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14，该原子的原子数 为70。 (本题目书上原解：N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个，K、L、M、N壳 层中电子共有2+8+18+32 = 60个，故原子序数为60。) 3. 试计算原子O壳层内的最大电子数，并定出K、L、M、N和Q壳层中所有能级都被 填满时的原子序数。 [答] O壳层内最大电子数为2×52 = 50。但考虑能级交错：O壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为： 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d105g18， 该原子的原子数为130。 (本题目书上原解：O壳层中电子最多有2+6+10+14+18 = 50个，K、L、M、 N、O壳层中电子共有2+8+18+32+50 = 110个，故原子序数为110。) 4. 试说明四种原子结合力并举例说明。 [答] 金属键：由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。其基本特点是电子的共有化，无饱和性，无方向性。例如：Hg、Al、Fe、W。离子键：金 属原子将最外层家电子给予非金属原子成为带正电的正离子，非金属原子得到价电子后成 为带负电的负离子，正负离子依靠静电引力结合在一起。其基本特点是以离子而不是以原 子为结合单元。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，例如：NaCl、MgO。
材料科学导论课后习题答案 第一章材料科学概论 1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造榔头？ 答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。 2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类： 黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯；复合材料：混泥土、玻璃钢 3.下列用品选材时，哪些性能特别重要？ 答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度； 电灯泡灯丝：熔点高，耐高温，电阻大； 剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性； 汽车挡风玻璃：透光性，硬度； 电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。 第二章材料结构的基础知识 1.下列电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金
属？ (1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 (2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 (3) 1s2 2s2 2p5 (4) 1s2 2s2 2p6 3s2 (5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 (6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 答：惰性元素：(2)；卤族元素：(3)；碱族：(6)；碱土族：(4)；过渡金属：(1),(5) 2.稀土族元素电子排列的特点是什么？为什么它们处于周期表的同一空格内？ 答：稀土族元素的电子在填满6s态后，先依次填入远离外壳层的4f、5d层，在此过程中，由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化，这些元素具有几乎相同的化学性质，故处于周期表的同一空格内。 3.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键？ 答：氢键本质上与范德华键一样，是靠分子间的偶极吸引力结合在一起。它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子（或原子团）之间的结合所形成的物理键。当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢变成一个裸露的质子，对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，与Y之间形成氢键。 4.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高？
同济复试材料导论资料 22.材料表征 1、分析方法综述 SEM的优点: (一)能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm ×80mm×50mm。 (二)样品制备过程简单，不用切成薄片。 (三)样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。 (四)景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。 (五)图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。 (六)电子束对样品的损伤与污染程度较小。 (七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。 SEM的缺点： ①异常反差。由于荷电效应，二次电子发射受到不规则影响，造成图像一部分异常亮，另一部分变暗。 ②图像畸形。由于静电场作用使电子束被不规则地偏转，结果造成图像畸变或出现阶段差。 ③图像漂移。由于静电场作用使电子束不规则偏移引起图像的漂移。 ④亮点与亮线。带电样品常常发生不规则放电，结果图像中出现不规则的亮点和亮线。 TEM：由于电子的德布罗意波长非常短，透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构。透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。 原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。优点：AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。缺点：成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。 XRD：可以做定性，定量分析。即可以分析合金里面的相成分和含量,可以测定晶格参数,可以测定结构方向、含量，可以测定材料的内应力，材料晶体的大小等等。 一般主要是用来分析合金里面的相成分和含量。 热重分析：在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。影响热重法测定结果的因素，大致有下列几个方面：仪器因素，实验条件和参数的选择，试样的影响因素等等。热重分析法可以研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；研究物质的热稳定性、分解过程、脱水、解离、氧化、还原、成份的定量分析、添加剂与填充剂影响、水份与挥发物、反应动力学等化学现象。 质谱（MS）是一种与光谱并列的谱学方法，通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。 2.X射线分析 ①X射线光电子能谱：由于它可以更准确地测量原子的内层电子束缚能及其化学位移，所以它不但为化学研究提供分子结构和原子价态方面的信息，还能为电子材料研究提供各种化合物的元素组成和含量、化学状态、分子结构、化学键方面的信息。它在分析电子材料时，不但可提供总体方面的化学信息，还能给出表面、微小区域和深度分布方面的信息。另外，因为入射到样品表面的X射线束是一种光子束，所以对样品的破坏性非常小。这一点对分析有机材料和高分子材料非常有利。 ②X射线荧光法：用放射性同位素作激发源，照射待测样品，使受激元素产生二次特征X射线（即荧光），使用X射线荧光仪测量并记录样品中待测元素的特征X射线照射量率，从而确定样品的成分和目标元素含量的方法。方法操作简单，速度快，可以原位测量。 ③X射线衍射分析：建立在X射线与晶体物质相遇时能发生衍射现象的基础上的一种分析方法。应用这种方法可进行物相定性分
让学英语成为乐趣 对任何科目的学习而言，有一套科学合理的学习方法学习起来将事半功倍。 入学，班级中就成立了英语学习小组，将英语角设到班级中来，大家经常晚上到小五四广场把大家分成几个组，用英语讨论一些最近的热点问题，还把一些经典的相声用英语来进行表演。为让大家共同进步，班委们还商量在班级中开展英语学习一帮一活动——比如有些男生不喜欢学习英语，班委就安排一个学习英语好的女生与他结成帮扶对子，大家一起学习英语。下半年，他们率先在班级中成立了英语俱乐部，如今英语俱乐部已经成长为学院学生会的主要社团并为整个学院全体同学的英语学习服务。 为让大家养成好的英语学习习惯，他们在班级中坚持开展英语晨读活动，每天早上6点半，在其他同学上课之前，班级全体同学集中找一个教室进行晨读，班主任和班委同学对晨读情况进行定期检查。早读的材料都是英语俱乐部收集的疯狂英语的例句和美文，每次考试的范文和班级中同学写的好的作文也让大家去朗读和背诵。有一个同学起初不愿意早起和大家一起晨读，他担心起早了太困，班委了解后就与他谈心，辅导员有时候也叫他到办公室一起学习英语，大家都鼓励他可以先尝试一段时间与同学们一起晨读学英语，效果不好再想其他办法，经过动员，他抱着试试看的态度加入了晨读的队伍，慢慢地他发现原来每天早起一点晨读学习英语也是很有乐趣的，原来的那种怕困也逐渐转变为晨读后一天的头脑很清醒，他逐渐喜欢上了与大家在一起学习的那种氛围。 为提高大家的英语写作水平，他们在班级中坚持开展每周每人写一篇英语作文，选题来自历年英语四级考试真题。批改作文一般都是辅导员或者班主任，有时候
班主任也找水平高的研究生去帮着批，或者多找几个班级中学英语好的同学互相批改。然后班委找一个时间把修改意见反馈给大家。开始班委对大家写作文并没有硬性要求，后来尝试了几次后大家就发现了这种做法的好处，慢慢地每周写一篇作文就成了大家的自觉行为，无形中大家的水平也不断提高。材料学院的班主任都非常关心大家的英语学习，在最近学校组织的一次模拟考试中，有几个同学没有报名，考试时就没有试卷，班主任了解后就出钱给他们买了卷子。为让大家了解每个人的学习效果，班委每周都安排进行一次英语摸底考试，考试题库都是由学院英语俱乐部统一购买的全真英语试题和大家反映好的题库。辅导员和班主任每次考试也都到场，他们把大家错的题收集起来利用班会等时间给大家集中讲解。 在不断的学习过程中，班委们深刻意识到：要想通过英语四级考试，没有一定的单词量的积累是绝对不行的。背单词时考虑到有些同学自觉意识不强，为督促他们背单词，班委把班级同学分成几个学习小组，规定每周大家一起学习三个单元大约120个左右的单词量，然后组长对每个同学进行提问，加深印象。从大一开始他们就利用每次班会结束时听写英语单词，正在上研究生的辅导员熊克思也与大家一起听写，并经常组织一些四六级考试的经验交流会。为锻炼大家的听力能力，他们还凑钱买了音响和放音设备，在睡觉之前在宿舍放历年的真题听力磁带，一直放到停电，早上来了电听力马上就接着放，大家互相调侃——我们这真是在英语听力中入睡，在英语听力中起床。如今听力录音已经成了大家的作息铃声。他们努力的效果是很明显的， 浓厚的英语学习氛围的营造 好的学习方法是取得好成绩的关键，另外这与材料学院多年来狠抓学风建也有着十分重要的关系。该学院始终以英语学习作为学风建设的重点长抓不懈。经过分析，
材料科学导论（A）卷答案 一、选择填空 1、（d） 2、（a） 3、（b） 4、（c） 5、（d） 6、（a，d） 7、（d） 8、（a，b） 9、（d） 10、（b） 二、判断对错题 1、（R） 2、（R） 3、（F） 4、（F） 5、（R） 6、（R） 7、（F） 8、（F） 9、（R） 10、（R） 三、填空题 1、（立体变化的） 2、（复合化功能化智能化低维化） 3、（94），（72） 4、（材料本身的结构） 5、（3000），（200），（100） 6、（螺杆或柱塞） 7、（重金属、轻金属、贵金属和稀有金属） 8、（便于成型或组装） 9、（绝缘材料） 10、（温度） 四、简答及名词解释 1、简述包装材料及其分类。 现代包装种类很多，根据包装分类的角度不同，可形成多样化的分类方法。如按内外层次分有内包装和外包装；按包装功能分有防水包装、防潮包装、防霉包装、防辐射包装、防盔包装、防伪包装等；按流通中的作用分有工业包装、商业包装和消费包装等。这里以包装
所用材料不同来叙述材料在包装工业中的作用。 包装材料是指用于制造包装容器和包装运输、包装装潢、包装印刷等有关材料和包装辅助材料的总称。根据包装所用材料的不同，可分为纸质包装，如纸板包装、瓦楞纸包装；木质包装，如木箱包装、木桶包装；玻璃包装；陶瓷包装：金属包装；塑料包装，如塑料薄膜包装、塑料容器包装，以及复合材料包装等。 2、复合材料的结构物特征与类别 复合材料中至少包括基体相和增强相两大类。基体相起粘结、保护增强相并把外加载荷造成的应力传递到增强相上去的作用。基体相可以由金属、树脂、陶瓷等构成，在承载中，基体相承受应力作用的比例不大；增强相是主要承载相，并起着提高强度(或韧性)的作用，增强相的形态各异，有纤维状、细粒状、片状等。工程上开发应用较多的是纤维增强复合材料。 复合材料通常有如下几种分类方法。按基体材料类型可分为：树脂基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类；按增强体类型可分为：颗粒增强型、纤维增强型和板状复合材料三大类。 按用途可分为：结构复合材料与功能复合材料两大类。结构复合材料指以承受载荷为主要目的，作为承力结构使用的复合材料。功能复合材料指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料，即具有各种电学性能、磁学性能、光学性能、热学性能、声学性能、摩擦性能、阻尼性能以及化学分离性能等的复合材料。以增强纤维类型分：碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、有机纤维复合材料、复合纤维复合材料。 3、简述智能材料原理与种类 智能材料系指对环境可感知响应，并且有功能发现能力的新材料。它是在原子、分子水平上进行材料控制、在不同层次上赋予自检测(传感功能)、自判断、自结论(处理功能)和自指令、自执行(执行功能)所设计出的新材料。它是受集成电路启迪并且仿照生物体所具有的功能而设计的三维组件模式的融合型材料，使无生命的材料变得似乎有了“感知”和“知觉”。众所周知，生命实际上是蛋白质的存在形式，细胞为生体材料的基础，而细胞本身就有传感、处理和执行三种功能，故它可以作为智能材料的蓝本。从这一角度出发，智能材料也可叫仿生智能材料。 仿生智能材料主要有金属系、无机非金属系和高分子系智能材料。 4、、简述包装用塑料材料与种类 包装用塑料材料受到众多限制，目前用于包装的塑料主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA，俗称尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，俗
2018-2019学年第一学期期末试卷 课程名称：材料科学导论 闭卷 B 卷 120 分钟 一、 名词解释（中文作答，每小题3分，共15分） 1. Substitutional solid solution 2. Concentration gradient 3. Plastic deformation 4. Slip system 5. Fatigue life 二、简答题（共45分） 2 . If the Mg 2+ substitutes for Ce 4+, what kind of vacancies would you expect to form? How many of the vacancies are created for every Mg 2+ added? (b) How to differentiate the edge, screw, and mixed dislocations motion? (10分)
2. (a) How to differentiate deformation mechanism of slip and twinning? (b) Describe in your own words the solid solution strengthening mechanism. Be sure to explain how dislocations are involved in the strengthening techniques? (10分) 3. (a) Why are ceramic materials generally harder yet more brittle than metals? (b) For polymer material, what do mechanical properties of materials mainly include? (10分) 三、看图题（每题10分，共40分） (1)Which is the more stable, the pearlitic or the spheroiditic microstructure? Why? (2)Compare fine (or coarse) pearlite, bainite and martensite with respect to (a)heat treatment,and (b) microstructure.
第1 章原子结构与键合 决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，原子集合体的形貌特征等。 物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。 原子结构中的电子结构——决定了原子键合的本身。 1.1 原子结构 1.1.1 物质的组成 一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。分子的体积很小，如H2O分子的直径约为0.2 nm。而分子的质量则有大有小：H2分子是分子世界中最小的，它的相对分子质量只有2，而天然高分子化合物——蛋白质可高达几百万。 分子是由一些更小的微粒——原子所组成的。在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分，原子是化学变化中的最小微粒。量子力学中，原子并不是物质的最小微粒。它具有复杂结构。原子结构直接影响原子间的结合方式。 1.1.2 原子的结构 原子由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成。原子的体积很小，原子直径约为10–10 m 数量级，原子核直径为10–15 m 数量级。原子的质量主要在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67×10–24 g，电子的质量约为9.11×10–28 g，为质子的1/1836。原子呈电中性。原子核带正电（质子带正电，中子不带电），电子带负电（1.6022×10–19 C），电子和质子数目相等。原子核与电子的结合力为静电力。 1.1.3 原子的电子结构 电子云：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。 电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。能量低的，通常在离核近的区域（壳层）运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。 原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定： （1）主量子数n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层，只限于正整数1，2，3，4，……量子壳层用一个大写英文字母表示。 n = 1为最低能级量子壳层，最靠近核的轨道，K壳层，n = 2，3，4等依次为L，M，N壳层等。 （2）轨道角动量量子数l 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，……，n-1。 钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布 n = 2，有两个轨道角动量量子数l2 = 0 和l2 = 1，即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。常用小写的英文字母来标注对应于轨道角动量量子数l i的电子能级（亚层）： l i：0 1 2 3 4 能级：s p d f g 在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的。不同电子亚层的电子云形状不同，如s亚层的电子云是以原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形…… （3）磁量子数m i 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。每个l i下的磁量子数的总数为2l i + 1。对于l i = 2 的
一章 1. 氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造鎯头？ 答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。 2. 将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类： 黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯。 答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料陶瓷：碳化硅 聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯复合材料：混泥土、玻璃钢 3. 下列用品选材时，哪些性能特别重要？ 汽车曲柄、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏。 答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度； 电灯泡灯丝：熔点，耐高温，电阻大； 剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性； 汽车挡风玻璃：透光性，硬度； 电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。 4. 概述材料科学的发展史，谈谈你的认识和体会。 5 五大基础材料是什么？各有哪些特点？ 答：五大基础材料是金属、陶瓷、高分子材料、复合材料和半导体材料。 金属：强度高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。 陶瓷：硬度高、耐高温、绝缘、隔热，但是脆性大、难加工。 高分子材料：质轻、绝缘、易成型，但强度低、耐温性差。 复合材料：比强度比模量高、性能可设计，但界面较弱。 半导体材料：导电性介于导体与绝缘体之间，化学纯度和表面加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。 6. 什么叫材料科学？什么叫材料科学与工程？它们是如何产生的？二者的主要区别是什么？ 答：材料科学是研究材料的组成、结构与性能之间关系的一门学科。它是从化学的角度，研究材料的化学组成与原子结构、原子结合键及其微观结构的相互关系。从晶体学和固体物理学的角度，分析和研究材料的组织形态、微结构、内部缺陷与性质和性能的相互关系。 材料科学与工程是研究有关材料的组成、结构、制备工艺与其性质和性能以及它们之
材料科学导论考试题答案 1、答： （1）P 往往选择h ν’的更多能量都在可观光范围内的材料。因为当Hg 蒸汽分子从激发态回到基态时释放的光子能量hv 必须大于或等于P 从基态到激发态的能量，并且P 从激发态回到基态时，释放出的光子必须在可见光的范围内才可以。 （2）荧光涂料涂布在荧光灯管的内侧更有效。因为外侧的Hg 蒸汽分子从激发态回到基态时释放的光子不一定全部透过灯管被P 分子吸收，所以会造成荧光灯光的发光效率低于在内侧时的发光效率。 （3）电子在在飞行过程与灯管中的汞蒸汽分子发生碰撞，导致汞蒸汽分子激发，迁移到其更高的能量状态处于激发状态的汞分子（Hg*）极不稳定，会自发返回到其底能量的能级状态（基态），此时其激发态的能量将以光子h ν的方式释放，即，转换为光子，但是由于汞蒸汽分子的能级结构的原因，此时发生的光子处在紫外光谱区域，是我们肉眼看不到的辐射能量。汞蒸汽分子发射的紫外波长的光子被灯管内壁的荧光材料P 吸收，荧光材料被激发到其激发态P*；也是不稳定的高能量状态，将自发回到其基态，激发态的能量将以辐射另外一个光子h ν’的形式释放。h ν’一定小于h ν，即，h ν’光子的波长一定比h ν长，有可能在可见光区域。没有荧光涂层的灯管发出的光子处在紫外光谱区域，肉眼看不到。也就是说，我们人眼可以感受到荧光涂层的光子发出的光谱，因为光子发出的光谱处在可见光的范围内。Hg 蒸汽分子从不稳定的激发态回到基态时释放的光子能量hv 大于P 从激发态回到基态时释放出的光子能量h ν’，而后者的波长大于前者。 2、答： （1）300 nm 。因为在300 nm 处的吸光度最高。 （2）在吸光光谱的右侧，因为波长越长，能量越低，发光消耗了一部分能量，所以在吸光光谱的右侧。 （3）从图中我们可以看出，分子A 的截止波长为450 nm ，所以分子A 的光学能隙为： ()()()eV 76.21042.410450/10310626.6199834=?=?????==---J m s m s J hc E g λ 3、答： （1）随着浓度C 的增加，分子可能发生了聚集，导致分子吸收光子的总面积变小。摩尔消光系数降低，所以ABS~C 的关系偏离直线关系。 （2）随着浓度C 的增加，该溶液的摩尔消光系数减小了。因为如果分子没有聚
书名: 一、 1、 按化学成碳量 5%）、 10%）。 2、 （1 点、 （2 弯 的比 断裂或起层，即认为冷弯性能合格。 冷弯试验试件的弯曲处会产生不均匀塑性变形，能在一定程度上揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力。夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷。因此，冷弯性能也能反映钢材的冶炼质量和焊接质量。 （3）冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准时间的弯曲冲击韧性试验确定的。试验以摆锤打击刻槽的时间，于刻槽处将期打断。以时间打断时说吸收的能量作为钢材的冲击韧性值，以Kv表示： Kv=GH1-GH2 （4）硬度 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。
（5）耐疲劳性 在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象沉稳钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，时间在交变应力作用下，于规定的周期基数内部发生断裂所能承受的最大应力。 3、钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接 （1）钢材的冷加工强化及时效强化 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。产生加工强化的原因是：钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。 （2 （3 焊件 4、 （1 （2 5、 （1）建筑钢材的主要钢种 碳素结构钢 低合金高强度结构钢 （2）常用建筑钢材 ①钢筋： 热轧光圆钢筋 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋 预应力混凝土用钢棒 预应力混凝土用钢丝与钢绞线
复旦大学材料科学系 2013～2014学年第一学期期末考试试卷 □√A 卷 □B 卷 课程名称：_ 材料科学导论____ 课程代码: MATE130034.01 开课院系：__ 材料科学系 ______ _ 考试形式：开卷/√闭卷/课程论文/ 姓 名： 学 号： 专 业： 1. 五大基础材料是什么？请概要叙述它们各自的特性及优缺点？（10分） 2. 简要说明如下金属材料缩写符号及其主要元素的含量（10分） 25、20R 、50Si2Mn 、9Mn2V 、T8A 、Q245、0Cr18Ni9Ti 、QT400-18、304，316L 3. 试解释下列常用塑料的名称： PP 、PVC 、PB 、PA66、PET 、EP 、PC 、PMMA 、PI 、HDPE ？（10分） 4． 写出原子序数为25的元素的电子排列方式，指出其在元素周期表中的位置及名称，并 用四个量子数表示出此元素的每个电子的运动状态。（10分） 5.（1）试在立方晶胞中，各自画出以下三个晶面和三个晶向的示意图：（5分） （1 1 0），（1 2 3），（2 0 1）, [1 1 1]，[1 2 0]，[1 0 1] （2）设立方晶胞参数为a ，试分别求出上述三个晶面的晶面间距并比较大小 (5分）。 6. 现有体心立方Cr 金属材料，需要添加C 元素进行间歇改性，提高其强度。假设其晶格常数为a ，试分别用图表示晶胞内八面体、四面体的间歇位置（4分），并计算每个晶胞内八面体、四面体的间歇数(4分)及其八面体、四面体的间歇半径（2分）。 7. 什么是相界？简述相界的分类？试问纯铁有没有相界？为什么？（10分） （ 装 订 线 内 不 要 答 题 ）
学习材料科学导论课的感悟 对于材料科学与工程专业的一名大一学生来说，我很荣欣地可以在成都工业学院学习《材料科学学科导论》这一门课程。因为《材料科学学科导论》是学习材料科学与工程这个专业的学生最先接触的一门专业知识课。它可以让学习这个专业的学生首先在整体上对这个专业有一个初步的认识。并在此基础上，激发学生的学习热情。另外，在这门课程中，它可以让学生了解这个专业的研究领域和研究方向，从而可以让学生知道自己在今后的学习和工作中，所要面对的环境。因此，学校所开设的《材料科学学科导论》这一门课程对学生的影响是不言而喻的。 我学习这一门课程已经有很长一段时间，而现在已经结束。回顾这过去了的与这门相触的时间，现在想起来觉得：的确不是很多。但这是在这短暂的时间中，我却学到了很多，——从之前的知之甚少到现在的有所了解。 在此之前，我对材料科学与工程这个专业的学习，以及将来要面临的就业等问题不是很清楚，甚至于还产生了一丝的担忧。在第一次课中，老师介绍了本专业的相关知识。同时，他也告诉了大家一些关于在大学中如何给自己定位、如何安排学习与休息、如何规划自己的大学等与我们密切相关的内容。老师的讲解生动形象，听得我聚精会神，激发了我对本专业学习的好奇与热情，同时也让我对今后我的大学生涯有了一个初步的认识。 在此之后的每一个周都会有一节导论课。老师们在每一节导论课上所讲授的内容都令我大开眼界、大饱眼福。不论是过渡金属拓扑密堆积相成机理研究、材料表面处理，还是之后的材料设计与计算，或高分子材料及其改性等，都让我对这个专业有了更加广阔的认识。尤其是老师对于高分子材料及其改性这一节的讲
解，让我明白了看似简单的塑料也有那么多的种类、那么多的作用、那么多的功能、那么渊源的历史；关于3D打印的相关讲解，也让我知道了现在这个崭新的打印方式；关于镁与镁合金的讲解，也加深了我对镁这种金属的认识；同时，对于材料设计与计算的学习，也让我明白了计算机在这个领域内举足轻重的作用。 不管怎么说，这门课程犹如一座灯塔，为我们这些即将涉足于这个专业的学生指明了学习的方向，让我们有方向、有目标地去学习这个领域内的相关知识；另外，通过这门课程的学习，也让我具备了一定的专业知识，让我知道了材料的种类、材料的研究领域和材料的研究方法等；同时，也通过这门课程的学习，我对材料科学与工程这个专业有了一个整体的感性认识，为我今后的学习打下了基础；其次，通过这门课程的学习，也拓宽了我的视野，让我明白这个世界不是我原来想象的那样，它要比这精彩得多、复杂得多。 通过《材料科学学科导论》的学习，我明白了许多、体会了许多、感悟了许多。我相信：这门课程犹如一盏明灯，闪耀在这盏明灯中的那一团耀眼的明光，将指引着我前进的方向。 感谢成都工业学院，给予了我这样的机会！
《材料科学导论》复习题 第一章 1、重要概念 【结构材料】是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。 【功能材料】是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。 【结合键】指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 【离子键】正负离子间的静电作用。 【共价键】同号电荷聚集在两个原子之间，形成共用电子对。 【金属键】在金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。 【氢键】 【强健(一次键)】 【弱键(二次键)】 【对称性】若一个物体（或晶体图形）当对其施行某种规律的动作以后，它仍然能够恢复原状（即其中点、线、面都与原始的点、线、面完全重合）时，就把该物体（图形）所具有的这 种特性称之为“对称性”。 【有序无序转变】 【对称破缺】原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。 2、问答题 ○1离子键及其晶体特点 答：键合特点：无饱和性、方向性不明显、配位数大、强键（一次键）离子键材料的性能特点：高熔点、高硬度、低塑性、绝缘性能好 ○2共价键及其晶体特点 答：键合特点：方向性明显，配位数小，密度小，有饱和性 ○3金属键及其晶体特点 答：键合特点：无方向性无饱和性，强键 金属键材料性能特点：良好的导电性及导热性、正的电阻温度系数、良好的强度及塑性、特有的金属光泽、密度比较大。 ○4有序无序转变方式 ○5为什么高熔点的元素具有强的一次键和低的线膨胀系数？ ○6下图为A、B两种材料的键能曲线，请比较两种材料线膨胀系数的大小，简要说明理由。
A 1．提拉法生长晶体需要满足的基本条件 1.晶体（晶体加掺质）要到融化而不分解； 2.晶体不得与坩埚或存在气氛起化学反应； 3.晶体的熔点必须低于坩埚熔点； 4.必须使单晶的提拉速度与炉内的温度梯度相匹配。 2．固相反应通常包含的步骤 1．固体界面如原子或离子的跨过界面的扩散； 2．原子规模的化学反应； 3．新相成核； 4．通过固体的输运及新相的长大。 3. 透明陶瓷对粉料的基本要求 (1)具有较高的纯度和分散性； (2)具有较高的烧结活性； (3)颗粒比较均匀并呈球形； (4)不能凝聚，随时间的推移也不会出现新相。 4. 烧结过程中促使出现二次再结晶(异常晶粒生长)现象的主要因素 （1）原始粉料的尺寸分布太广; (2) 素坯烧结时发生不均匀的致密化;
(3) 在原始粉料中掺入了不适当的外加剂或烧结时气氛不适当; (4) 第二相与晶界的分离; (5) 过高的烧结温度与过长的烧结时间; (6) 晶界的本征特性。 B 1、（i）感生电极化强度P的基频和倍频成分： 频率为零的直流成分，频率为ω的基频成分和频率为2ω的倍频成分（二次谐波信号）; (ii) 非线性光学的用途： 激光的强光控制(全光开关、光限幅)、 脉冲压缩(调Q与锁模)、 频率转换(倍频、和频、四波混频)、 激光光谱(超精细结构分析)、 消畸变传输(光学位相共轭)、 光孤子通信、 数字光计算、 非线性光存储(光折变光存储、双光子光存储)
2、频率转换晶体：三硼酸锂(LiB3O5)晶体，简称LBO晶体； KDP\KBBF 磷酸二氢钾(KH2PO4)型晶体，简称KDP型晶体。 电光晶体：铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、磷酸钛氧钾(KTP)。 光折变晶体：钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾(KN)。SBN,PBN 压电晶体：KN,KT 热释电晶体：钽酸锂(LiTaO3,LT)、钛酸铅(PbTiO3, PT)。PT,TGS 3、目前比较认可的半导体分类是： 元素半导体，二元化合物半导体，三元化合物半导体，固熔体半导体，非晶态半导体，有机半导体。 已有的激活离子大致可归纳为如下几类： (1)三价稀土激活离子(镧系元素加上Sc 和Y 称为稀土元素)，最常用也是最重要的激活离子； (2)二价稀土激活离子； (3)过渡金属激活离子； (4)锕系元素激活离子。 4、具有18种可能具有二阶非线性光学效应的点群，其中 11种单轴晶晶类(只有一个高次轴)： 3, 4,?4, 6,?6, 32, 3m, ?42m, 4mm,?6m2, 6mm