第一章材料与人类
1.为什么说材料的发展是人类文明的里程碑？
材料是一切文明和科学的基础，材料无处不在，无处不有，它使人类与其赖以生存的社会、环境存在着紧密而有机的联系。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产和人类生活带来巨大的变化。
2.什么是材料的单向循环？什么是材料的双向循环？两者的差别是什么？
物质单向运动模式：“资源开采-生产加工-消费使用-废物丢弃”
双向循环模式：以仿效自然生态过程物质循环的模式，建立起废物能在不同生产过程中循环，多产品共生的工业模式，即所谓的双向循环模式（或理论意义上的闭合循环模式）。
差别：单向循环必然带来地球有限资源的紧缺和破坏，同时带来能源浪费，造成人类生存环境的污染。
无害循环：流程性材料生产中，如果一个过程的输出变为另一个过程的输入，即一个过程的废物变成另一个过程的原料，并且经过研究真正达到多种过程相互依存、相互利用的闭合的产业“网”、“链”，达到了清洁生产。
3.什么是生态环境材料？
生态环境材料是指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性能的一大类材料。这类材料对资源和能源消耗少，对生态和环境污染小，再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。因此，所谓环境材料，实质是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料，任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应被视为环境材料。
4.为什么说材料科学和材料工程是密不可分的系统工程？
材料科学与工程的材料科学部分主要研究材料的结构与性能之间所存在的关系，即集中了解材料的本质，提出有关的理论和描述，说明材料结构是如何与其成分、性能以与行为相联系的。而另一方面，与此相对应，材料工程部分是在上述结构-性能关系的基础上，设计材料的组织结构并在工程上得以实施与保证，产生预定的种种性能，即涉与到对基础科学和经验知识的综合、运用，以便发展、制备、改善和使用材料，满足具体要求。两者只是侧重点不同，并没有明显的分界线，一般在使用材料科学这一术语时，通常都包含了材料工程的许多方面；而材料工程的具体问题的解决，毫无疑问，都必须以材料科学作为基础与理论依据，所以材料科学与材料工程是一个整体。
5.现代材料观的六面体是什么？怎样建立起一个完整的材料观？
材料科学与工程研究材料组成、性能、生产流程和使用效能四个要素，构成四面体。
成分、合成与加工、结构、性能与使用效能连接在一起组成一个六面体。
6.什么是材料的使用效能？
指材料在使用条件下的表现，如使用环境、受力状态对材料特征曲线以与寿命的影响。效能往往决定着材料能否得到发展和使用。
7.试讲一下材料设计与选用材料的基本思想与原则？
材料设计是应用已知理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。材料设计可根据设计对象所涉与的空间尺度划分为显微结构层次、原子分子层次和电子层次设计，以与综合考虑各个层次的多尺度材料设计。
从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料与材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。
选材原则：1）胜任某一特定功能；2）综合性能比较好；3）材料性能差异定量化；4）成本、经济与社会效益；5）与环境保护尽可能地一致，即对环境尽可能友好。
选材思想：设计-工艺-材料-用户最佳组合的结果
第二章工程材料概述
工程材料分为：金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料以与不宜归入上述四类的“其他材料”。
1.什么是黑色金属？什么是有色金属？
黑色金属主要是指钢铁和其他铁基合金，以与铬、锰与其合金，以其他金属为基的合金称为有色金属或称为非铁合金。二者总称为金属材料。
2.碳钢和合金钢如何分类？
含碳量不同：w（C）<0.25% 低碳钢；w（C）=0.25%~0.55% 中碳钢；w（C）>0.55% 高碳钢；
用途：结构钢：制造各种金属构件和机械零件；工具钢用来制造各种刃具、模具和量具；质量等级：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢（杂质元素或缺陷程度不同）
P14 各种牌号
合金钢用途分类：合金结构钢、合金工具钢和特种性能钢（特殊钢）
按化学成分分类，可分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。
合金元素的质量分数：低合金钢（合金质量分数低于5%）、中合金钢（5%~10%）和高合金钢（大于10%）
热处理后显微组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、铁素体钢等
特殊钢主要包括各类不锈钢，其他还有耐热钢、抗氧化钢、耐磨钢
3.铸铁材料是怎样分类的？应用时怎样选择？
铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金，同时含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素，为了提高铸铁的性能，加入一定量的合金元素，称之为合金铸铁。同钢相比，铸铁熔炼简便，成本较低，具有优良的铸造性能、很高的耐磨性、良好的减震性能和切削加工性能，且缺口敏感性低等特点。因此铸铁广泛用于机械、冶金、石化、交通、建筑、国防等领域。
白口铸铁室温组织的碳全部或绝大部分以化合物渗碳体Fe3C存在，断口呈银白色，称白口铸铁。性能硬而脆，难以加工，很少应用。
灰口铸铁碳全部或大部分以片状石墨形式存在，组织中没有硬脆的莱氏体。断口呈暗灰色。价格低廉，容易切削加工，可用于制造汽缸、泵体、支座以与机床床身等。
球墨铸铁石墨为球状的铸铁综合力学性能好，可用于制造一些重要的机器零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等。
可锻铸铁碳以团絮状石墨形式存在。高强度铸铁，制造一些形状复杂，承受冲击载荷的薄壁小件。
蠕墨铸铁组织为钢基体上分布着蠕虫状石墨。制造工作温度较高或是具有较大温度梯度的零件，如大型柴油机汽缸盖、制动盘、排气管、钢锭模、金属型等。
合金铸铁分为耐磨铸铁：制造机床导轨、汽车发动机缸套等零部件。
耐蚀铸铁主要用于化工部门、造船部门使用的管道、阀门、泵类等零件。
4.铜合金在工程中怎样应用？
纯铜的机械性能较低，为满足制作工程结构的要求，加入不同的合金元素制成铜合金，实现固溶强化、时效强化和过剩相强化，从而提高其性能。
黄铜（Cu—Zn合金）、青铜（Cu—Sn合金）、白铜（Cu—Ni合金）。
5.钛合金为什么耐蚀？钛合金主要应用在那些领域？
钛在大气中极易形成氧化钛薄膜，因此在很多介质中有极高的抗腐蚀性，特别在海水中不腐蚀。
广泛应用于航空、航天领域以与大量民用工程，如高尔夫球具、人造关节、牙齿等。
6.环境材料的内涵是什么？
具有优良性能、与环境相协调、有利于环保的一类材料。
分为天然材料（如木制材料等）、循环再生材料、低环境负荷材料以与环境功能材料。
7.陶瓷材料是如何分类的？
陶瓷可定义为经过高温处理所合成的无机非金属材料。
传统陶瓷按用途可分为日用陶瓷、建筑陶瓷等。
现代陶瓷按性能和应用范围又可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷等。
8.什么是结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷？试列举各自典型材料与主要应用。
结构陶瓷：作为结构部件的特种陶瓷
1.氧化铝陶瓷
是一种以Al2O3为主要成分的陶瓷，其中Al2O3的质量分数在45%以上。根据Al2O3的质量分数大小又可分为75瓷、95瓷、99瓷，它们的质量分数分别是75%、95%、99%。75瓷属于刚玉-莫来石瓷，95、99瓷属于刚玉瓷。刚玉瓷的性能最佳，但生产工艺复杂，成本高。刚玉-莫来石瓷性能较差，但成本低。
优点：1）很高的机械性能和介电性能2）耐高温；3）化学稳定性好，耐酸碱，且高温下也不会氧化；4）优良的电绝缘性能，特别是高频下的电绝缘性能好。
缺点：脆性大，不能承受冲击载荷，且抗热震性差，不能承受突然的环境温度变化。
氧化铝陶瓷应用：纺织用的导线器与火箭用的导流罩，氩弧焊机的气体罩、喷砂用的喷嘴、熔化金属的坩埚、高温热电偶套管、火花塞。
2.氮化硅陶瓷
氮化硅是六方晶系的晶体，有α-Si3N4和β-Si3N4两种。反应烧结的氮化硅是以α-Si3N4为主晶相；热压烧结的氮化硅以β-Si3N4为主晶相
性能：1）良好的化学稳定性，除HF以外，耐各种无机酸和碱溶液复试，也能抵抗熔融非铁金属的侵蚀；
2）优异的电绝缘性能；
3）硬度高，耐磨性好，摩擦系数小，且本身具有自润滑性；
4）热膨胀系数小，优异的抗高温蠕变性能，抗热震性能好
应用：高温轴承；测量铝液热电偶套管的理想材料；冶金和热加工工业的广泛应用。
3.碳化硅陶瓷
性能：1）高温强度大；2）常温硬度高，耐磨性好；3）耐蚀性强，与各种酸都不起作用；4）导热能力强
应用：1）火箭尾喷管的喷嘴；2）燃气轮机叶片，轴承；3）高温下热交换器，如核燃料的包封材料；4）耐磨，可制作各种泵的密封圈。
4.六方氮化硼
性能：1）良好的导热性和热稳定性；2）良好的电绝缘性，高温介电强度高；3）良好的化学稳定性；4）硬度低，自润滑性
应用：1）理想的高温绝缘和散热材料，热电偶套管，半导体散热绝缘零件；2）耐热耐腐蚀，制成高温构件，如火箭燃烧室内衬；3）粉状六方氮化硼可作耐高温、高载荷、耐腐蚀的润滑剂，在玻璃和金属成型中做脱模剂。
工具陶瓷
1.硬质合金：又称粘结碳化物，它是由金属粘结相和碳化物硬质相组成的粉末冶金材料，也属于复合材料。其中硬质相主要成分是WC、TiC，其次是TaC、NbC、VC等。粘结金属用铁族金属与其合金，以钴为主。
成分与性能
碳化物硬质相是硬质合金的骨架，起坚硬耐磨的作用，Co作为粘结相，使材料具有一定的强度和韧性，随着含Co量的增加，硬度下降，而强韧性增加。粗加工选用Co高的合金，精加工选用Co低的合金。
三类普通硬质合金：YT类适合加工韧性材料；YG类适合加工硬脆材料；YW类都可以，万能硬质合金。
性能：与工具钢相比，室温硬度较高，热硬性好，耐磨性好，刀具切削效率高。
由于硬度太高，性脆，很难机械加工，因而普通硬质合金常制备成刀片，镶在刀上使用。应用：刀具材料低钴（w（Co）<10%）普通硬质合金用于车刀、铣刀、转头；
矿山工具中钴（w（Co）=10%~25%）普通硬质合金主要用于制作中硬和硬岩冲击回转钻进钻头；低钴硬质合金用于制作地质和石油钻探中的旋转钻进钻头。
模具和量具中钴普通硬质合金用于制作拉伸模、拉拔模等；高钴硬质合金可用于制作冲击负荷较大的挤压模、冷镦模、冲压模等。
高硬度的结构件，如喷嘴、轴承；在尖端技术方面，火箭头，人造卫星返回大气层防燃烧的遮板等。
2.金刚石
性能：自然界硬度最高，极高弹性模量，导热率最高，极好的绝缘性，电子和空穴的迁移率高，掺入硼可制造半导体；热敏、透红外光等物质性质与良好的耐蚀性。
应用：刀具、工具、结构、功能材料
3.立方碳化硼
性能：很高的硬度、抗压强度、热稳定性、化学惰性和极好的导热性。
应用：刀具，模具，也可制成拉丝模、散热片，中子遮蔽窗口和高温半导体。
9.功能陶瓷是怎样定义的？
通过光电磁力热、化学、生物化学等作用后，具有特殊功能的陶瓷。
10.高聚物材料是怎样分类的？
11.塑料有哪些特性？热塑性塑料主要有哪几种？热固性塑料主要有哪几种？
12.什么是橡胶?它是怎样分类的？
13.合成纤维有哪些特性？主要用途是什么？
14.胶黏剂有哪些作用？涂料有哪些用途？
15.复合材料是怎样分类的？
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。
按基体材料种类分：树脂基复合材料；金属基复合材料；无机非金属基复合材料
按增强材料形状和分布分：连续长纤维增强复合材料；短纤维、晶须增强复合材料；颗粒强化复合材料；弥散强化复合材料；积层结构复合材料；多组分的纤维、颗粒混杂复合材料。按复合效果分：力学复合材料；功能复合材料
16.复合材料的主要特点有哪些？
具有高的比强度和比模量；良好的抗疲劳性能和破损安全性；减振性能好；高温性能得到改善；独特的设计与制造。
17.树脂基复合材料有哪些性能？玻璃钢的应用有哪些特点？
18.金属基复合材料的类型有哪些？它是什么特点？
低温金属基复合材料：铝、镁合金；中温金属基复合材料：钛基复合材料；高温金属基复合材料：镍合金
特点：比非金属基复合材料的力学性能高，特别是在强度方面；具有良好的高温性能；比非金属基复合材料的非轴向和横向性能好；具有良好的导电性，导热性，可以避免静电聚集和减小构件的温差；具有类似金属的焊接性能，并能进行局部强化；金属基复合材料的密度要比非金属基复合材料大。
19.C/C复合材料的性能特点是什么？应用范围是什么？
优点：优良的抗热震性；优良的抗烧蚀性能；具有一定的强度和刚度；良好的化学稳定性缺点：碳在高温时易氧化，垂直于纤维方向的强度较低，材料中的孔隙率较高，材料的生产周期长，制造成本高，性能难以把握。
应用：航天航空领域（航天飞机的机翼前缘）；医学领域（人造关节）
第三章工程材料的基本性能
1.材料的弹性模量E的工程含义是什么？它和零件的刚度有何关系？
材料在弹性变形阶段，应力（б）与应变（ε）成正比关系，两者的比值成为弹性模量，记为E，且E=б/ε
表征材料对弹性变形的抗力。其值越大，材料产生一定量的弹性变形所需要的应力越大，故工程上也称E为材料的刚度,主要取决于材料的本性，反映了材料内部原子间结合键的强弱，而材料的组织变化对弹性模量无明显影响。
零件刚度的大小取决于零件的几何形状和材料的弹性模量
一般来说，刚度与弹性模量是不一样的，弹性模量是物质组分的性质，而刚度是固体的性质；也就是说弹性模量是物质微观的性质，而刚度是物质宏观的性质。
2.试说明以下符号的意义：①бe:弹性极限，材料发生弹性变形的最大应力。
②бs（б0.2）：屈服强度，在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服，材料开始屈服时所对应的应力称为屈服应力，或称屈服强度，以бs表示。其表征材料发生明显塑性变形时的抗力。
③бb：抗拉强度，材料开始发生“颈缩”的应力。相当于断裂时的应力。
④бf：试样发生断裂时的应力值
⑤δ：延伸率
⑥ψ：断面收缩率
⑦αK ：冲击总功A k 除以缺口处试样的截面积，表示冲击韧性。
⑧б-1：堆成交变应力的疲劳强度。
夏氏冲击实验能够简单迅速地评定材料的韧性，所以至今仍然被广泛地使用。缺点：由于是缺口试样，所以不能真实反映带裂纹的构件的脆断情况；对于评价材料的温度脆化倾向，冲击韧性只能用于具有明显延性脆性转折的材料；由于加载速度、试样或工件几何因素等的影响，冲击试验最好用于材料的比较和选择，而不能作为设计的标准。
3.比较布氏、洛氏、维氏硬度的应用范围，并简要说明它们各自的优缺点。
优缺点、应用范围
布氏硬度：具有较高的测量精度，因其压痕面积大，比较真实地反映出材料的平均性能，但不能测定高硬度材料。铸铁和钢、有色金属
洛氏硬度：操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值；压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点是精度较差，硬度值波动较大。很硬的材料、黄铜、低强度钢、高强度钢，较硬的材料 维氏硬度：测定材料范围广泛，很软或很硬的都可以；准确度高；但是测试手续较繁。 硬材料与一般材料
4.评定材料高温力学性能的常用指标有哪些？如何表示它们？
蠕变极限：是以在给定温度T （℃）下和规定的试验时间t （h ）内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限，用符号t T /δσ（MPa ）表示，例如MPa 600500/3.0900
=σ表示材料在900℃，500小时内，产生0.3%变形量的应力为600MPa
持久强度：表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，以试样在给定温度T （℃）经规定时间t （h ）发生断裂的应力作为持久强度，用符号)(MPa t T σ表示。例如MPa 700600800=σ，表示材料在800℃，经600小时断裂的应力为700Mpa 。
5.通常描述材料的电、磁、热性能的主要指标有哪些？主要影响因素是什么？ 表征材料电性质的物理量有：电阻R 、电阻率ρ、电导率б和电阻温度系数αt 电阻R 与被 测试测试样的几何形状和尺寸有关A
L R ρ=,表示对于一定的材料，若长度越长，横截面积越小，则电阻越大
温度和材料的加工工艺过程等因素对材料的电阻率产生影响。金属中，温度越高，电阻率越高。杂质元素增大电阻率，塑性变形增大电阻率
相对磁导率μr 、磁化率χ和磁化强度M 是描述材料磁性的参数。
为了描述材料磁性的强弱和磁化状态，常用磁化强度M 来表示，即单位体积内的总磁矩。 磁化强度M 和磁场强度H 的比值称为磁化率，记为χ；磁感应强度B 与磁场强度H 的比值称为磁导率，记为μ。定义μr=μ/μ0为相对磁导率
热容（材料种类有关，陶瓷大，金属小）、线膨胀系数和热导率表示热性能。
线膨胀系数表示材料的热膨胀性，其含义是温度上升1度，单位长度的伸长量。与原子间结合力有关，结合力越大，线膨胀系数越小，以共价键和离子键为主的材料的热膨胀性最小，金属居中，而具有范德瓦尔键的热膨胀性最大。
金属的热导率比较强
6.理解以下重要的术语和基本概念：导体、半导体、绝缘体、超导体、电导率、电阻率、磁化、磁化率、磁化强度、抗磁性、顺磁性、铁磁性、软磁材料、硬磁材料、热容、热导率、线膨胀系数、化学腐蚀、电化学腐蚀、氧化等。
导体：导体（conductor）是指电阻率很小且易于传导电流的物质。
半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。
绝缘体的定义：不容易导电的物体叫做绝缘体。
超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。电导率，物理学概念，指在介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度，也可以称为导电率。
电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种物质所制成的原件（常温下20°C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。电阻率与导体的长度、横截面积等因素无关，是导体材料本身的电学性质，由导体的材料决定，且与温度有关。
一些物体在磁体或电流的作用下会显现磁性，这种现象叫做磁化。
磁化率，表征磁介质属性的物理量。常用符号cm表示，等于磁化强度M与磁场强度H之比。
磁导率英文名称：magnetic permeability 表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力、其公式μ=B/H 、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。
磁化强度：定义为媒质微小体元ΔV内的全部分子磁矩矢量和与ΔV 之比。
抗磁性（diamagnetism）是指一种弱磁性。组成物质的原子中，运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性。外加磁场使电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗为很小的负值（10－5—10－6量级）。因此，所有物质都具有抗磁性。顺磁性（paramagnetism）是指材料对磁场响应很弱的磁性。如用磁化率k=M/H 来表示（M 和H分别为磁化强度和磁场强度），从这个关系来看，磁化率k是正的，即磁化强度的方向与磁场强度的相同，数值为10－6—10－3量级。
铁磁性，是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。
软磁材料的定义：当磁化发生在Hc不大于100A/m，这样的材料称为软磁体。典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。
磁性材料按照磁化后去磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料，不容易去磁的物质叫硬磁材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。
热容的标准定义是：“当一系统由于加给一微小的热量δQ而温度升高dT时，δQ/dT 这个量即是该系统的热容。”（GB3102.4-93），通常以符号C表示，单位J/K。
热导率是指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。
线膨胀系数：物理名词，有时也称为线弹性系数（linear expansivity），表示材料膨胀或收缩的程度。
化学腐蚀：金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程。
电化学腐蚀就是金属和电解质组成两个电极，组成腐蚀原电池。
氧化(oxidation)：狭义地，氧元素与其他的物质元素发生的化学反应，称其为氧化，也是一种重要的化工单元过程。广义的氧化，指物质失电子（氧化数升高）的过程。
第四章材料的原子结构和原子结合键
1.材料结构的具体涵义是什么？他们与性能的关系如何？
从材料学角度，材料结构从宏观到微观，即按研究的尺度大致可分为四个层次—宏观组织结构、显微组织结构、原子（分子）排列结构和原子中的电子结构。
材料的性能由其内部结构决定；原子中的电子状态和运动规律与固体材料的结构和性质有密切的联系，而原子间相互作用和聚集状态则进一步决定着材料的行为与性能。
2.从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。
P82 离子键：金属原子失去最外层电子给卤族原子，这样形成一个正离子和一个负离子，异种离子互相吸引离子键就是这种库伦引力，然而异种离子相吸导致的靠近并不能无限持续下去，靠近到一定程度，会由于电子轨道重叠引起的斥力达到一个平衡。由于离子电荷引起的力并不限制在一个方向上，故离子键不具有方向性，即键的大小在环绕离子的所有方向上相等，进而导致离子键材料很稳定，具有高度的对称性。又由于离子键的稳定，其材料熔点高，硬度高，脆性大和膨胀系数小，一般情况下，离子晶体没有自由电子，故为电和热的绝缘体。
共价键结合的相邻原子共同占有其部分价电子，使每个原子的最外层电子处于满壳层状态，将相邻原子结合起来，这种结合键称为共价键。
由于两个自旋方向相反的电子结合可使它们的自旋能量之和为零，达到稳定状态，于是已成对的电子不能再与其他原子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数目有一最大值，故共价键具有饱和性。
共价键是借共享电子结合的，按量子力学观点，共价键的形成是靠相邻原子外层未满壳层电子云的重叠，重叠越多，所形成的共价键就越稳定，故电子云重叠的方向是确定的，故有方向性。
固态（或液态）金属中外壳层电子的能量最高，而且最外层电子一般为1~2个或最多3个，由于原子间的相互作用，这些电子倾向于离开自身原子成为公有化的自由电子。这时价电子不再与任何一个特定的原子有特殊的关系，而是在金属正离子之间自由地运动，成为与若干离子实相关的电子，从而把金属原子结合起来，这就是金属键。金属键没有饱和性和明显的方向性。由于价电子可以随意运动，所以金属键材料有良好的导电导热性能；还由于各种金属键的结合能相差很大，故各种金属的强度、熔点相差很大。
范德瓦尔斯键和氢键：非常微弱，只有在很低的温度，才会液化和凝固
3.原子间有哪两种相互作用？材料为何具有一定的体积？
吸引力和排斥力p78
4.说明三大类材料的键性与与其性质的关系。（理解p85）
金属：金属键高的热传导系数和电导率是因为有些电子是非局域的、并可在三维方向移动，因此它们能够很快地输运电荷和热能。
不透明，易抛光出光泽，是由这些非局域电子对光频电磁振动的响应而引起的，这也是某些电子部分地独立于母体原子的另一结果
塑性好是因为金属键每一个正离子都是等同的，这样在某一局部地区，一群正离子在破坏了它们的键合后滑移到一个新的位置上，又可重新键合起来。
陶瓷：离子键离子键结合能大，材料硬脆；根据组成元素的自然倾向，金属元素放出外层电子给非金属原子，并保留在其中，这就是绝缘体，又是良好的热绝缘体；金属正离子与非金属负离子之间产生了强的吸引力。每个正离子被负离子所包围，反过来也一样，为了使正负离子分离，通常需要相当大的能量，因此陶瓷材料能抗机械力、抗热和抗化学作用。
共价键键性很强，若要使电子运动与产生电流，必须破坏共价键，这就需要施加高温或高电压，因此共价键材料的力学行为是脆性的，其电学行为如同绝缘体而不是导体
高分子材料
塑料的导电性和导热性很有限，这是因为全部热能必须依靠原子振动从热区传到冷区，这比金属中发生的自由电子传导能量的过程要缓慢得多；能够承受变形是因为，虽然主链内具有脆性的共价键，但是链与链的结合则是很弱范的德瓦尔斯键，只要分子键彼此滑动时，范德瓦尔斯键逐步发生局部破裂，所以就可以产生很大的变形；不耐热是因为一定程度的热扰乱虽不会损伤链内的共价键，却对分子链间的范德瓦尔斯键造成破坏。
5.分析控制原子配位因素的具体内容和它们对原子的空间排列所产生的影响。（p88 理解）共价：具体地说，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目，也可称为共价配位。和原子的有效堆积共价结合时限制因素是最大配位数，离子键结合时则是最小半径比（达到尽可能接近，又不引发较大斥力的平衡状态），金属由于没有饱和性和明显的方向性，一般都可以达到最密堆积
6.试分析弹性模量E的微观表达式的涵义与其意义。
晶体的弹性模量只代表原子间结合键的刚性，是一个仅反映原子间结合能大小的指标，故它是稳定的材料性质。
7.试对比金刚石与石墨，为何它们的性质如此截然不同？
金刚石是纯共价键晶体，有极高硬度，对电、热的绝缘性很好，具有三维立体结构。石墨却是层状结构，为六方排列的层（或片），尽管石墨层内有强大的共价键，但是层与层之间确实很弱的范德瓦尔斯键，而且层间距大，所以层与层间易相对滑动，可用作润滑材料。
第五章固体材料中原子的排列与缺陷
1.材料中按原子排列的秩序，共有哪三种情况。分析与聚集态材料对应的情况。
无序、短程有序和长程有序
若材料中仅存在短程有序排列，称其为非晶体或无定形材料，有时也称之为玻璃态或玻璃。原子具有长程有序排列的材料即为晶体材料。
2.绘示意图说明材料从液体固体的凝固方式有哪几种。其实际方式的主要影响因素与主要判据是什么？其内在原因是什么？
一种是自然冷却形成晶体，另一种是快速冷却形成非晶体。
冷速；转变成玻璃态的温度T g和结晶温度T m的间隔，间隔越小，越容易转变为非晶态
判据：若为长程有序则为晶体，短程有序则为非晶体。
第一章 8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS 解：1、查表得：X Na =0.93,X F =3.98 根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：21 (0.93 3.98)4 [1]100%90.2%e ---?= 共价键比例为：1-90.2%=9.8% 2、同理，CaO 中离子键比例为：21 (1.00 3.44)4 [1]100%77.4%e ---?= 共价键比例为：1-77.4%=22.6% 3、ZnS 中离子键比例为：2 1/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量 共价键比例为：1-19.44%=80.56% 10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义．说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。 稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。 第二章 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： (001）与[210]，(111）与[112]，(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236］ (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。 (3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101). (011)和（112)晶面上的[111]晶向。 解：1、 2．有一正交点阵的 a=b, c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。 3．立方晶系的 ｛111}, 1110}, {123）晶面族各包括多少晶面？写出它们的密勒指数。 4．写出六方晶系的{1012}晶面族中所有晶面的密勒指数，在六方晶胞中画出[1120]、 [1101]晶向和(1012)晶面，并确定(1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 5．根据刚性球模型回答下列问题：
北京工业大学 “材料科学与工程导论”——课程教学大纲 英文名称：Introduction to Materials Science and Engineering 课程编号：0000274 课程类型：学科基础必修课 学时：32 学分：2.0 适用对象：材料类本科生 先修课程：大学物理、高等数学、工程力学 使用教材及参考书： [1] 许并社，材料科学概论，北京工业大学出版社，2002 [2] 冯端、师昌绪、刘治国，材料科学导论，化学工业出版社，2002 [3] 张钧林、严彪、王德平、袁华，材料科学基础，化学工业出版社，2006 [4] 周达飞，材料概论，化学工业出版社，2001 [5] William D. Callister, David G. Rethwisch, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, John Wiley & Sons INC, 2008 [6] 美国国家研究委员会，90年代的材料科学与材料工程，航空工业出版社，1992 [7] 李恒德、师昌绪，中国材料发展现状及迈入新世纪对策，山东科学技术出版 社，2002 一、课程性质、目的和任务 《材料科学与工程导论》是面向材料学院二年级本科生开设的专业基础必修课。其目的是使学生了解材料科学在经济社会发展中的作用以及材料科学与工程学的形成与学科发展趋势。以材料“四要素”及其相互关系为中心，使学生建立从材料设计、组织控制、制备加工到性能评价与工程应用的概念体系，在掌握材料共性规律与特点的基础上，使学生理解材料科学与工程内涵，学会分析材料问题的方法。以案例的形式，介绍典型金属及无机非金属的结构与功能材料的研究规律，强化学生对“四要素”的理解。 二、课程教学内容及要求
材料科学与工程导论 1 本课程的基本概念: 材料科学虽然是一门基础科学, 可是它涉及到诸如本课程的基本概念: 表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论; 同时也与信息科学、生命科学、深海和深空科学等现代科学技术紧密相连。 1.1材料与人类文明一、材料与人类文明发展( 历史贡献) --石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代…… 陶器( china) 1.陶器出現是人类跨入新石器时代的重要标志之一, 2.据当前已知的考古资料, 中国的陶器制作至少已80 以上的历史。 青铜: 第一种合金 1.青铜, 古称金或吉金, 是红铜与其它化学元素( 锡、镍、铅、磷等) 的合金。 2.史学上所称的”青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。 3.到春秋战国時期, 齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中, 提出了「金有六齐」, 这是世界科技史上最早的冶铜经验总结。 二、材料与人类现代文明 －－材料是发展高科技的先导和基石 ( 一) 支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术 1.材料科学与技术 2.生物科学与技术 3.能源科学与技术 4.信息科学与技术 * 其中材料是基础! 材料的应用: 计算机与材料; 飞机和材料;复合科学材料能源。 ( 二) 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。 1.主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料;
2.嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料; 3.Si 半导体材料为代表的太阳能电池材料; 4.铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 1.2 材料科学概论 化学成分不同的材料其性能也不相同。但对于同一成分的材料, 经过不同的加工工艺也能够使其性能发生极大的变化。*可见, 除化学成分外, 材料内部的结构和组织状态也是决定材料性能的重要因素。 *材料科学与工程( MSE ) 四要素:材料的合成与制备;成分与组织结构;材料特性;服役行为与使用寿命。 * 性能: 工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能。 一使用性能: 材料的使用性能是指在服役条件下, 能保证安全可靠工作所必备的性能, 其中包括材料的力学性能、物理性能和化学性能。 ①力学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。 ②物理性能:主要包括工程材料的熔点、密度以及电、磁、光和热性能。 ③化学性能:是指工程材料在环境作用下的耐腐蚀和抗老化性能。 ( 一) 、力学性能——材料在外加载荷( 外力或能量) 作用下或载荷环境因素( 温度、介质和加载速率) 联合作用下表现出来的行为。 －主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。 机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。 指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。1、材料的强度(strength)—材料所能承受的极限应力。 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。公式: σ=P/F o 单 位: 单位: MPa(MN/mm 2 ) ( 1) 屈服强度σs( yield strength) 和条件屈服强度σ0.02
- 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3Cu 的原子数。 （ 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=，原子半径γ=，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。
1203059 蒲晋超 安全科学的发展简史 安全生产、安全劳动是人类生存永恒的命题，已伴随着创世纪以来人类文明社会的生存与生产走过了数千年。在进入21世纪，面对社会、经济、文化高速发展和变革的年代，面对全面建设小康社会的历史使命，我们需要思考中国安全生产，人类公共安全的发展战略，而这种战略首先是建立在历史的基石之上的。为此，我们需要对安全科学技术的起源与发展作一回顾。 20世纪，是人类安全科学技术发展和进步最为快速的百年。从安全立法到安全管理，从安全技术到安全工程，从安全科学到安全文化，针对生产事故、人为事故、技术灾害等工业社会日益严重的问题，百年中，劳动安全与劳动保护活动为人类的安全生产、安全生存，以及人类文明创造了闪光的、不可磨灭的一页。 在20世纪，我们看到了人类冲破“亡羊补牢”的陈旧观念和改变了仅凭经验应付的低效手段，给予世界全新的劳动安全理念、思想、观点、方法，给予人类安全生产与安全生活的知识、策略、行为准则与规范，以及生产与生活事故的防范技术与手段，通过把人类“事故忧患”的颓废情绪变为安全科学的缜密；把社会的“生存危机”的自扰认知变为实现平安康乐的动力，最终创造人类安全生产和安全生存的安康世界。这一切，靠的是科学的安全理论与策略、高超的安全工程和技术、有效的安全立法及管理。 1安全认识观的发展和进步 1.从“宿命论”到“本质论”我国很长时期普遍存在着“安全相对、事故绝对”、“安全事故不可防范，不以人的意志转移”的认识，即存在有生产安全事故的“宿命论”观念。随着安全生产科学技术的发展和对事故规律的认识，人们已逐步建立了“事故可预防、人祸本可防”的观念。实践证明，如果做到“消除事故隐患，实现本质安全化，科学管理，依法监管，提高全民安全素质”，安全事故是可预防的。这种观念和认识上的进步，表明在认识观上我们从“宿命论”逐步地转变到了“本质论”。落实“安全第一，预防为主”方针具备了认识观的基础。 2.从“就事论事”到“系统防范” 我国在20世纪80年代中期从发达国家引入了“安全系统工程”的理论，通过近20年的实践，在安全生产界“系统防范”的概念已深入人心。这在安全生产的方法论层面表明，我国安全生产界已从“无能为力，听天由命”、“就
第一章 材料与人类 1.为什么说材料的发展是人类文明的里程碑？ 材料是一切文明和科学的基础，材料无处不在，无处不有，它使人类及其赖以生存的社会、环境存在着紧密而有机的联系。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产和人类生活带来巨大的变化。 2.什么是材料的单向循环？什么是材料的双向循环？两者的差别是什么？ 物质单向运动模式：“资源开采-生产加工-消费使用-废物丢弃” 双向循环模式：以仿效自然生态过程物质循环的模式，建立起废物能在不同生产过程中循环，多产品共生的工业模式，即所谓的双向循环模式（或理论意义上的闭合循环模式）。 差别：单向循环必然带来地球有限资源的紧缺和破坏，同时带来能源浪费，造成人类生存环境的污染。 无害循环：流程性材料生产中，如果一个过程的输出变为另一个过程的输入，即一个过程的废物变成另一个过程的原料，并且经过研究真正达到多种过程相互依存、相互利用的闭合的产业“网”、“链”，达到了清洁生产。 地球 原材料 工业原料 废料 产品 工程材料 资源开采 冶金等初加工 进一步加工 人类使用后失效 组合加工制造 地球 综合利用变为无害废物 综合利用变为无害废物 废料 工业用原料 原材料 产品 工程材料 经过人类处理重新利用后的无害废物
3.什么是生态环境材料？ 生态环境材料是指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性能的一大类材料。这类材料对资源和能源消耗少，对生态和环境污染小，再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。因此，所谓环境材料，实质是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料，任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应被视为环境材料。 4.为什么说材料科学和材料工程是密不可分的系统工程？ 材料科学与工程的材料科学部分主要研究材料的结构与性能之间所存在的关系，即集中了解材料的本质，提出有关的理论和描述，说明材料结构是如何与其成分、性能以及行为相联系的。而另一方面，与此相对应，材料工程部分是在上述结构-性能关系的基础上，设计材料的组织结构并在工程上得以实施与保证，产生预定的种种性能，即涉及到对基础科学和经验知识的综合、运用，以便发展、制备、改善和使用材料，满足具体要求。两者只是侧重点不同，并没有明显的分界线，一般在使用材料科学这一术语时，通常都包含了材料工程的许多方面；而材料工程的具体问题的解决，毫无疑问，都必须以材料科学作为基础与理论依据，所以材料科学与材料工程是一个整体。 5.现代材料观的六面体是什么？怎样建立起一个完整的材料观？ 材料科学与工程研究材料组成、性能、生产流程和使用效能四个要素，构成四面体。 成分、合成与加工、结构、性能及使用效能连接在一起组成一个六面体。 6.什么是材料的使用效能？ 指材料在使用条件下的表现，如使用环境、受力状态对材料特征曲线以及寿命的影响。效能往往决定着材料能否得到发展和使用。 7.试讲一下材料设计与选用材料的基本思想与原则？ 材料设计是应用已知理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。材料设计可根据设计对象所涉及的空间尺度划分为显微结构层次、原子分子层次和电子层次设计，以及综合考虑各个层次的多尺度材料设计。 从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。 选材原则：1）胜任某一特定功能；2）综合性能比较好；3）材料性能差异定量化；4）成本、经济与社会效益；5）与环境保护尽可能地一致，即对环境尽可能友好。 选材思想：设计-工艺-材料-用户最佳组合的结果 第二章工程材料概述 工程材料分为：金属材料、陶瓷材料、聚合物材料、复合材料以及不宜归入上述四类的“其他材料”。 1.什么是黑色金属？什么是有色金属？
《食品科学与工程导论》 课程论文 在一个学期的食品导论课的学习后，在各位教授的讲解之下，我逐渐的对食品科学与工程有了新的认识，起初我并不感兴趣，认为食物每天都能见到，不像计算机，电子类专业高端，是新的革命，是崭新的世界。其实不然，我们根本不了解食品，只能靠舌头来辨别滋味如何，却不能深入地了解认知，不能以科学的眼光来看待它，我在想：难道我们这个专业是教我们怎样做菜的？在学习之后才打消了我的疑问。 食品科学与工程不是常人理解中的做饭，而是以科学的角度看待食品，从而更好的达到养生，它涵盖生物学，化学，微生物学，营养学等，有句古话叫做“民以食为天”足以体现出食品对于我们的重要性，现在的人们追求衣住行却忽视了最基本的食品类文化，懂得了食品科学会让我们发掘适合自己的养生之道，从而生活的更加美好! 一、什么是食品科学与工程 以食品科学和工程科学为基础，研究食品的营养健康、工艺设计与社会生产，食品的加工贮藏与食品安全卫生的学科。 食品科学与工程专业分为畜产品加工、发酵技术、园产品加工三个方向，培养具有食品生化、食品化学、食品加工、检验等技术知识，能在食品领域从事食品生产技术管理、销售、品质控制、产品开发、科学研究、工程设计、工程设计等方面工作的高级科学技术人才。 二、对食品科学与工程的了解 （1）食品生物学 食品生物化学是研究生物体的化学组成和生命过程中的化学变化规律的一门科学，动植物的生命规律和组成都会造就他们的性质有所不同，以分子的眼光去看待事物，会让事
物的本质展现在我们的眼前，通过了解生理变化的过程抓住化学变化与生理机能的联系，人是生物，人类的食物来源大多数也是来自生物，因此食品与生物息息相关，我们体内的反应如酶促反应，蛋白质合成等，一切都为了自身的营养运行着。 食品微生物学主要研究微生物与食品制造、保藏等方面内容的一门科学。涉及到病毒、细菌、真菌等多种微生物，微生物种类多，分布广，繁殖快，代谢强，易变质。微生物的应用十分广泛，例如酵母，合成蛋白质的效率最高。中国北魏时代的《齐民要术》中，就记载有利用微生物的作用制造食品的方法。1857～1876年间，法国科学家巴斯德对酒精、乳酸和醋酸的发酵进行了科学的研究。虽然微生物的概念是现在才出现的，但古时候的人们早已经利用微生物为人类做福，而拥有着更加高超技术的现代人应该更加努力地探索微生物的更多用途，生产更多良好的产品。 （2）食品的安全与质量 在食品工业的快速发展中，人们看到了无穷无尽的美好前景，却没有注意到隐藏在后面的危险，在利益的驱动下，一些利欲熏心的商家在牛奶中添加超标的三聚氰胺，利用地沟油，瘦肉精生产食品，食品的安全问题成为了目前的焦点话题，但是食品安全问题不仅仅限于此处，例如农药对食品的影响，环境污染对食品的影响，化学物质对食品的影响，转基因食品的危害性都是对食品安全的检测，作为食品专业的一份子，这将是我们的一份职责与义务。 （3）食品的加工与保藏 如今我们所吃的食物大多要经过加工，例如我们吃的果脯与罐头都是经过加工而成的，由于食品原理差别大、食品的需求多样性，故生产工艺和加工方法也有多样性食品加工高新技术中，有膜分离技术，超临界流体萃取技术，微波技术，超高压技术和微胶囊技术；而保藏方面，了解了食物的组成和腐败的原理就可以对症下药，储藏食物，主要技术包括：新鲜食物的贮存技术、食品气调贮藏技术、食品冷冻保藏技术、食品干燥保藏技术、食品腌渍和烟熏保藏技术、食品化学保藏技术、食品辐射保藏技术、食品罐藏技术、食品包装保藏技术及食品保藏新技术等。 三、食品科学与工程的现状和未来
第2章习题 2-1 a ）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△ G K 与其临界晶核体积 V K 之间的关系式为 2 G V ； b ）当非均匀形核形成球冠形晶核时，其△ 所以 所以 2-2如果临界晶核是边长为 a 的正方体，试求出其厶G K 与a 的关系。为什么形成立方体晶核 的厶G K 比球形晶核要大？ 解：形核时的吉布斯自由能变化为 a ）证明因为临界晶核半径 r K 临界晶核形成功 G K 16 故临界晶核的体积 V K 4 r ； G V )2 2 G K G V b ）当非均匀形核形成球冠形晶核时, 非 r K 2 SL G V 临界晶核形成功 3 3( G ；7(2 3cos 3 cos 故临界晶核的体积 V K 3（r 非）3（2 3 3cos 3 cos V K G V 1 ( 3 卸2 3 3cos cos )G V 3 3(書 (2 3cos cos 3 ) G K % G K 与V K 之间的关系如何? G K
G V G v A a3G v 6a2 3 得临界晶核边长a K G V
临界形核功 将两式相比较 可见形成球形晶核得临界形核功仅为形成立方形晶核的 1/2。 2-3为什么金属结晶时一定要有过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否 会出现过热？为什么？ 答：金属结晶时要有过冷度是相变热力学条件所需求的， 只有△ T>0时，才能造成固相的自 由能低于液相的自由能的条件，液固相间的自由能差便是结晶的驱动力。 金属结晶需在一定的过冷度下进行，是因为结晶时表面能增加造成阻力。固态金属熔 化时是否会出现过热现象，需要看熔化时表面能的变化。如果熔化前后表面能是降低的， 则 不需要过热；反之，则可能出现过热。 如果熔化时，液相与气相接触，当有少量液体金属在固体表面形成时，就会很快覆盖 在整个固体表面(因为液态金属总是润湿其同种固体金属 )。熔化时表面自由能的变化为： G 表面 G 终态 G 始态 A( GL SL SG ) 式中G 始态表示金属熔化前的表面自由能； G 终态表示当在少量液体金属在固体金属表面形成 时的表面自由能；A 表示液态金属润湿固态金属表面的面积；b GL 、CSL 、CSG 分别表示气液相 比表面能、固液相比表面能、固气相比表面能。因为液态金属总是润湿其同种固体金属，根 据润湿时表面张力之间的关系式可写出：b SG 》6GL + (SL 。这说明在熔化时，表面自由能的变 化厶G 表w o ,即不存在表面能障碍，也就不必过热。实际金属多属于这种情况。如果固体 16 3 3( G v )2 1 32 3 6 2 (G v )2 b K t K 4 G V )3 G V 6( 4 G v )2 64 3 96 3 32 r K 2 ~G ?， 球形核胚的临界形核功 (G v )2 (G v )2 (G v )2 G b K 2 G v )3 16 3( G v )2
复习资料 第一篇1-4章复习要点 1、我们居住的地球是太阳系家族的一员，距太阳平均距离为多少？ 答：据太阳平均距离为1.496×108km。 2、恒星的演化过程分为哪几个阶段，恒星的结局是什么？ 答：恒星的演化过程可分为四个阶段:初始阶段、亚稳阶段、周期性收缩膨胀阶段、引力坍缩阶段。恒星的结局：1.白矮星→黑矮星（质量≤1.4倍太阳质量） 2.中子星3.黑洞。 3、生命体的基本结构单位以及蛋白质的基本组成单位分别是什么？ 答：细胞。氨基酸。 4、谁提出了化学元素的概念？谁发现了元素的周期性递变规律并制成了元素周期表？ 答：玻尔。门捷列夫。 5、太阳大气层可分为三层，从内到外依次是什么？ 答：光球、色球和日冕。 6、太阳辐射的能量主要来源？ 答：太阳中心区的氢核聚变。 7、根据地震波在地球内部的变化可将地球内部分为哪三个部分？ 答：地壳，地幔，地核。 8、地球的外部圈层的组成。 答：大气圈、水圈、生物圈。 9、电子、质子和中子分别是谁发现的？ 答：汤姆森发现电子。卢瑟福发现质子。莫塞莱发现中子。 10、太阳系的中心天体是什么？半径是多少？ 答：太阳。半径为7×105km。 11、自然界四种基本的相互作用力是哪些？ 答：万有引力，电磁相互作用力，强相互作用力，弱相互作用力。 12、地球表面的变化。 答：外力对地球表面的作用：1.水的运动、冻结、化学作用。2.大气的运动（风）、降水、气温的变化。3.生物：植物的生长。动物的挖掘。生物的生长和死亡。内力对地球表面的作用：1.地壳运动。2.火山活动。3.地震。 13、高技术的特征。 答：高增值，高竞争，高资金，高风险，高驱动和高智力。 14、现代科学具有的特征。 答：1.客观真理性。2.可检验性。3.系统性。4.主体际性。 15、微观粒子有哪些？ 答：电子、质子、中子、正电子、中微子、介子、超子、夸克。 16、DNA分子中有哪四对碱基？ 答：A=T、G C、T=A、C G。 第二篇 第一章生物技术 1.克隆羊多莉产生的过程。（P99第二段） 答：科学家采用体细胞克隆技术，主要分四个步骤进行： ①从一只六岁的芬兰母羊（称之为A）的乳腺中取出乳腺细胞，将其放入低浓度的培养液中，细胞逐渐停止分裂，此细胞称之为供体细胞。 ②从一头苏格兰黑面母绵羊（称之为B）的卵巢中取出未受精的卵细胞，并立即将细胞核除去，留下一个无核的卵细胞，此细胞称之为受体细胞。 ③利用电脉冲方法，使供体细胞和受体细胞融合，最后形成融合细胞。电脉冲可以产生类似于自然受精过程中的一系列反应，使融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化，从而形成胚胎细
《材料科学与工程》期末复习题 一、填空题（每空 1 分，共 24 分） 1.根据材料的化学组成，材料可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。 2.生态环境材料的三要素为先进性、环境协调性、舒适性。 3.生态环境材料可分为原料无害化材料、绿色环境过程材料、可循环利用材料、高资源生产率材料。 4.按照断口颜色分，铸铁可以分为灰铸铁、白口铸铁和马口铸铁。 5.按照化学类型，贮氢合金可以分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型。 6.减震合金的分类：孪晶型、铁磁性型、位错型、复相型、复合型。 7.常用的硬度测试方法：布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法、显微维氏硬度、肖氏硬度 法。 8.按研究的尺度，材料的结构可以分为四个层次：宏观组织结构、显微组织结构、原子(分子)排列结构和原子中的电子结构。 9.塑性变形方式：位错运动、孪晶、蠕变、粘滞性流动。 10.选矿的主要方法有：手工选矿法、重力选矿法、磁选法、浮选法、联合选矿法。 11.从工艺角度看，冶炼可以分为火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。 二、判断题：（所给的是正确表述）（每题1 分，共6 分） 1.用洛氏硬度的三种表示方法 HRC、HRB、HRA 表示出来的硬度无法比较。 2.σmax/гmax 越大，脆性越大。 3.刃型位错的位错线与滑移方向垂直，螺旋位错的位错线与滑移方向平行。 4.位错属于线缺陷。 5.防锈铝合金，不可以采用热处理强化，而是采用冷加工变形硬化。 6.冷变形温度比淬火温度高。 7.工业高纯铝，数字越大,纯度越高。 8.固溶体的晶质类型跟溶剂保持一致。 三、简答题：（每题4 分，共16 分，8 选4） 1.什么是生命周期评价方法？ 答：是用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资料、能源消耗、废物排放、环境吸收和消耗能力等环境负担性进行评价、定量该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。 2.传统陶瓷与现代陶瓷的区别？ 答：
《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）
安全科学与工程（0829）专业培养方案 一、培养目标 本专业培养掌握电气电子安全科学、安全技术、安全管理是雷电科学与防护技术的基本理论、专业知识和专业技能，具备从事有关电气电子安全工程设计、研究、检测、评价、监察和管理等工作能力的高素质复合型工程技术人才。专门从事雷电监测预警、防雷技术开发与应用、防雷工程设计、方案审核、防雷施工、检测验收、雷电灾害风险评估、防雷管理等工作。 二、培养要求（培养规格） 本专业学生在学习工程专业基础上主要学习信号的获取与处理、电子电气设备与信息系统、建筑结构、雷电原理、安全科学与工程基础理论、安全工程技术、雷电防护技术等方面的基本理论和基本知识，受到电子信息工程和防雷实践（包括生产实习和校内实验）的基本训练，具备良好的科学素质，并具有较强的知识更新能力和广泛的科学适应能力。可在气象部门、科研院所、防雷公司等企事业单位从事雷电物理研究、防雷减灾业务管理、防雷技术开发与应用、防雷工程设计与施工、防雷工程方案审核、检测验收和雷电灾害风险评估等安全工作。 毕业生应获得以下几个方面的知识和能力： 1、具有较好的人文社会科学素养、较强的社会责任感、工程职业道德和服务意识； 2、具有从事雷电安全专业所需的自然科学知识，较系统地掌握本专业领域宽广的技术基础理论知识和实验技术，适应电气电子和信息工程安全方面广泛的工作范围； 3、掌握雷电原理以及雷电防护的基本理论，具备分析和设计防雷器件、进行防雷工程方案审核、防雷工程设计、检测与施工以及雷电监测预警和雷电灾害评估的能力； 4、了解安全工程产业和雷电防护行业的基本方针、政策和法规，了解质量检验机构质量管理的基本知识； 5、具有综合运用所学知识分析并解决雷电安全工程问题的基本能力以及行业安全新工艺、新技术开发与设计的初步创新能力； 6、掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力 7、具有一定的组织管理能力、较强的人际交往能力和团队精神； 8、具有应对雷电灾害危机与突发事件的能力。 三、主干学科 电磁兼容原理与技术、雷达气象学、雷电监测预警、建筑防雷安全技术、建筑电气、接地技术、防雷工程检测审核与验收、防雷工程设计与施工、雷击灾害风险评估等相关学科。 四、主要课程、核心课程和特色课程 计算机基础Ⅰ、大气科学概论Ⅱ、线性代数、概率统计、高等数学Ⅰ、大学物理、大学物理实验、大学英语、C语言程序设计、数字电子线路Ⅱ*、电磁场理论、雷电原理、安全科学与工程导论、电磁兼容原理与设计技术、雷达气象学Ⅱ、建筑电气、接地技术、建筑防雷、防雷工程设计与施工、雷电灾害风险评估与管理基础。 五、主要实践性环节 认识实习、金工实习、课程实验、课程设计、工厂实习、毕业实习、毕业设计（论文）等。
第二章答案 2-1略。 2-2（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求该晶面的晶面指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的晶面指数。 答：（1）h:k:l==3:2:1,∴该晶面的晶面指数为（321）； （2）h:k:l=3:2:1，∴该晶面的晶面指数为（321）。 2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[]，（111）与[]，（）与[111]，（）与[236]，（257）与[]，（123）与[]，（102），（），（），[110]，[]，[] 答：
2-4定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？ 答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。定量：晶胞参数。 2-5依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？ 答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。 离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。 2-6等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？ 答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。 2-7n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？ 答：n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。 不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。 2-8写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。 答：面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为：（000）、（001）（100）（101）（110）（010）（011）（111）（0）（0）（0）（1）（1）（1）。
教学改革与课程建设项目 [1]2013年通用于各个专业的《安全科学与工程导论》课程内容建设，项目类别： 课程建设，负责人：傅贵 [2]2013年安全工程科研导论课程建设，项目类别：课程建设，负责人：杨小彬 [3]2013年《工业防火与防爆》课程建设，项目类别：课程建设，负责人：谭波 [4]2013年职业卫生课程建设，项目类别：课程建设，负责人：李祥春 [5]2013年以需求为导向的安全管理类人才培养模式，项目类别：教学改革， 负责人：张江石 [6]2013年消防工程专业人才培养模式与教学管理方法研究，项目类别：教学改 革，负责人：王海燕 [7]2014年创新型本科教学课程体系考核方式多样化研究，项目类别：教学改革， 负责人：朱红青 [8]2014年行业特色高校产学研合作教育模式研究，项目类别：教学改革，负责 人：周爱桃 [9]2014年《安全系统工程与安全评价》课程建设，项目类别：课程建设，负责 人：朱红青 [10]2014年《安全管理学》课程建设项目类别：课程建设，负责人：张江石 [11]2014年《安全工程流体力学与流体机械》课程建设，项目类别：课程建设， 负责人：谭波 [12]2015年《电气安全工程》课程建设，项目类别：课程建设，负责人：张训 涛 [13]2015年《火灾保险学》课程建设，项目类别：课程建设，负责人：王海燕 [14]2015年《安全生产与消防法规》课程建设，项目类别：课程建设，负责人： 吴兵 [15]2015年《矿井通风与安全》课程建设项目类别：课程建设，负责人：王 凯 [16]2015年安全工程专业本科生课程成绩评价方法及标准研究，项目类别：教 学改革，负责人：解北京 [17]2015年创新型本科实践教学评价体系研究，项目类别：教学改革，负责人： 朱红青 [18]2016年《消防管理学》课程建设，项目类别：课程建设与教学改革，负责 人：姜伟 [19]2016年安全工程专业实验教学及实验室管理改革探讨，项目类别：课程建 设与教学改革，负责人：李祥春
《材料科学与工程概论》复习思考题 一、名词解释 1.磁化曲线：磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。 2.磁滞效应及磁化曲线：磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，这种效应称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个闭合回线，称为磁滞回线。 3.磁致伸缩：铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。 4. 硅酸盐材料：化学组成为硅酸盐类的材料称为硅酸盐材料，也称为无机非金属材料。 5. 水泥：水泥是一种粉末状的谁硬性胶凝材料，加入适量水拌合后成为塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并可将砂、石、纤维和钢筋等材料牢固地念接起来，成为有较高强度的石状体，是建造高楼大厦、桥梁隧道、港口码头等工程的主要材料。 6. 复合材料：将两种或两种以上的单一材料复合可获得新的材料，这些新的材料保留了原有材料的优点，克服和弥补了各自的缺点，并显示出一些新的特性，这就是复合材料。 7. 合金：由一种金属跟另一种或几种金属或非金属所组成的具有金属特性的物质叫合金。 8. 晶体：由结晶物质构成的、其内部的构造质点(如原子、分子)呈平移周期性规律排列的固体。长程有序，各向异性。 9. 晶粒：结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状称晶粒。 10.晶界：结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。 11.高分子材料：由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料等。 12.
第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因？ 2. 从结构、性能等面描述晶体与非晶体的区别。 3. 谓理想晶体？谓单晶、多晶、晶粒及亚晶？为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性？谓空间点阵、晶体结构及晶胞？晶胞有哪些重要的特征参数？ 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属种晶体结构？描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）谓配位数？谓致密度？金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等面比较有异同？ 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。谓间隙固溶体？它与间隙相、间隙化合物之间有区别？（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么？ 6. 已知Cu 的原子直径为2.56A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3 Cu 的原子数。 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=26.97，原子半径γ=0.143nm ，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm 3；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm 3。当铁由bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少？ 9. 谓金属化合物？常见金属化合物有几类？影响它们形成和结构的主要因素是什么？其性能如？ 10. 在面心立晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（）和（034）属六晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个
安全工程专业（雷电科学与技术方向） 培养方案 一、培养目标 本专业培养掌握电气电子安全科学、安全技术、安全管理是雷电科学与防护技术的基本理论、专业知识和专业技能，具备从事有关电气电子安全工程设计、研究、检测、评价、监察和管理等工作能力的高素质复合型工程技术人才。专门从事雷电监测预警、防雷技术开发与应用、防雷工程设计、方案审核、防雷施工、检测验收、雷电灾害风险评估、防雷管理等工作。 二、培养要求（培养规格） 本专业学生在学习工程专业基础上主要学习信号的获取与处理、电子电气设备与信息系统、建筑结构、雷电原理、安全科学与工程基础理论、安全工程技术、雷电防护技术等方面的基本理论和基本知识，受到电子信息工程和防雷实践（包括生产实习和校内实验）的基本训练，具备良好的科学素质，并具有较强的知识更新能力和广泛的科学适应能力。可在气象部门、科研院所、防雷公司等企事业单位从事雷电物理研究、防雷减灾业务管理、防雷技术开发与应用、防雷工程设计与施工、防雷工程方案审核、检测验收和雷电灾害风险评估等安全工作。 毕业生应获得以下几个方面的知识和能力： 1、具有较好的人文社会科学素养、较强的社会责任感、工程职业道德和服务意识； 2、具有从事雷电安全专业所需的自然科学知识，较系统地掌握本专业领域宽广的技术基础理论知识和实验技术，适应电气电子和信息工程安全方面广泛的工作范围； 3、掌握雷电原理以及雷电防护的基本理论，具备分析和设计防雷器件、进行防雷工程方案审核、 防雷工程设计、检测与施工以及雷电监测预警和雷电灾害评估的能力； 4、了解安全工程产业和雷电防护行业的基本方针、政策和法规，了解质量检验机构质量管理的 基本知识； 5、具有综合运用所学知识分析并解决雷电安全工程问题的基本能力以及行业安全新工艺、新技术开发与设计的初步创新能力； 6、掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力 7、具有一定的组织管理能力、较强的人际交往能力和团队精神； 8、具有应对雷电灾害危机与突发事件的能力。