材料科学与工程

第1节 材料科学与工程概述

1.1.1材料科学的内涵

材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为，给予材料结构的统一描绘或建立模型，以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成，他们之间的关联可以用一个多面体来描述（图1-1）。其中使用效能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。

材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成都涉及能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变，从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和过程的进行。

材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方式决定着材料的性能。

物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。

《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。

试卷第 1 页 共 40 页

材料科学：材料科学与工程模拟考试卷

考试时间：120分钟 考试总分：100分

题号 一 二 三 四 五 总分

分数

遵守考场纪律，维护知识尊严，杜绝违纪行为，确保考试结果公正。

1、填空题

写出下列力学性能指标的符号：屈服强度（ ）、抗拉强度（ ）、洛氏硬度C标尺（ ）、断后伸长率（ ）、断面收缩率（ ）。

本题答案：

2、单项选择题

对于无机化合物，当Δ=（r1-r2）/r1A.化合物

B.连续型固溶体

C.有限型固溶体

D.不生成固溶体

本题答案：

3、名词解释

二次成型

本题答案：

4、填空题

对于单向排列的纤维增强复合材料，当材料产生裂纹的平面垂直于纤维时，裂纹扩展受阻，要使裂纹继续扩展必须提高（ ），克服纤维（ ）和纤维（

）。

本题答案：

5、填空题

晶体的对称要素中点对称要素种类有（ ）、（ ）、（ ）、（ ），含有平移操作的对称要素种类有（ ）、（ ）。 姓名：________________ 班级：________________ 学号：________________

--------------------密----------------------------------封 ----------------------------------------------线----------------------试卷第 2 页 共 40 页

本题答案：

6、问答题

试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？

本题答案：

7、判断题

聚合反应是放热反应，裂解反应是吸热反应.

本题答案：

8、问答题

如何改善聚合物的耐热性能？

本题答案：

《材料科学与工程》

考试时间：120分钟 考试总分：100分

题号 一 二 三 四 五 总分

分数

遵守考场纪律，维护知识尊严，杜绝违纪行为，确保考试结果公正。

1、烧结过程的主要传质机制有（）、（）、（）、（），当烧结分别进行四种传质时，颈部增长x/r与时间t的关系分别是（）、（）、（）、（）。（ ）

2、晶体的对称要素中点对称要素种类有（）、（）、（） 、（） ，含有平移操作的对称要素种类有（） 、（） 。（ ）

3、晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是 （）、（） 、（）、（） 、（） 、（）、（） 。（ ）

4、晶体有两种理想形态，分别是（）和 （）。（ ）

姓名：________________ 班级：________________ 学号：________________

--------------------密----------------------------------封 ----------------------------------------------线-------------------------

5、晶体是指内部质点（）排列的固体。（ ）

6、以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，属于这个球的八面体空隙数为（），所以属于这个球的四面体空隙数为（）。（ ）