第二章 材料科学与工程的四个基本要素

第二章材料科学与工程的四个基本要素

MSE四要素；

–使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容；

–仪器与设备，分析与建模

§2.1 性质与使用性能

1. 基础概念

2. 性质与性能的区别与关系

3. 材料的失效分析

4. 材料（产品）使用性能的设计

5. 材料性能数据库

6. 其它问题

2.1.1基础内容

材料性质：

是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应。

材料性质描述

?力学性质；强度，硬度，刚度，塑性，韧性

物理性质；电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质

化学性质；催化性质，防化性质

结构材料性质的表征----材料力学性质

强度：材料抵抗外应力的能力。

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。

硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。

刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。

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。

韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。

6

强度范畴

刚度范畴

塑性范畴

韧性范畴

应

力

应 变

2.1.1基础内容

7

材料的物理性质

磁学性质

光学性质

电学性质

· 导电性 · 绝缘性 · 介电性

· 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性

· 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性

热学性质

· 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化

注：上面只列出了材料的主要物理性质

2.1.1基础内容

物理性质的交互性----材料应用的关键点

现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特 殊的物理交互性。例如： 电学----机械电致伸缩 机械----电学压电特性 磁学----机械磁致伸缩 电学----磁学巨磁阻效应 电学----光学电致发光 性能定义

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。 材料力学性能 1. 强度表征：

弹性极限，屈服强度，比例极限……

2. 塑性表征：延伸率δ，断面收缩率φ，冲杯深度 h

3. 硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度……

4. 刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量……

5. 疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命……

6. 抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度……

7. 韧性表征：断裂韧性K IC ，断裂韧性J IC 材料物理性能

1. 电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数……

2. 磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率……

3. 光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率……

4. 热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热…… 2.1.2性质与性能的区别与关系 性质与使用性能的区别与关系

22

2. 性质与使用性能的区别与关系

成分

结构

环境

性质

规范

使用 性能

所以，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。

2.1.2性质与性能的区别与关系

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。 需要注意的一点

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。 3. 失效分析

----材料使用性能的重要研究内容

失效性质失效环境失效行为力学低温、过载荷脆断、疲劳、断裂

化学化学介质

腐蚀破坏催化剂失效

电学电压、电流电介质击穿电流过载

热学高温高温融化蠕变破坏

三类主要的材料力学失效形式

断裂磨损腐蚀

材料的断裂韧性

3.1.4材料（产品）使用性能的设计

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。

传统方式：结构与功能－确定材料的性质（选择材料）－完成设计

先进方式：结构与功能，材料的性质－完成设计

2.1.5材料性能数据库

从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为；

1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；

2.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。

国际材料数据库建设简况

?英、美金属学会合建金属材料数据库

?西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”

?原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库?北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库

?武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库

?北京钢铁研究总院建立合金钢数据库

?航天航空部材料研究所建立航天材料数据库

2.1.6其它问题

主要结构材料的产量统计

材 料世界产量中国产量钢 铁71437.310124.0水 泥137466.0

49199.0

合成橡胶818.260.0合成树脂13940.0643.6合成纤维

2155.4

460.3

§2.2 成分与结构 1. 材料的结构

2. 成分结构检测技术

3.与其它要素的关系

4.材料的成分.结构数据库

5.新的机遇

2.2.1材料的结构

键合结构，晶体结构，组织结构

38

材料的结构----键合结构

2.2.1材料的结构

离子建

共价键 金属键

? 化学键

氢

键

分子键

? 物理键

结

合

能

陶瓷材料 高分子材料 金属材料

冰（H 20） 卤族晶体

注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC 陶瓷； 2. 分子键又称范德瓦尔斯力

3. 实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）

材料的结构----晶体结构

晶体：原子排列长程有序，有周期 非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期 材料的结构----组织结构

定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织

结构特征；fcc 结构，bcc 结构，hcp 结构 组织特征；单相组织，两相组织，多相组织

2.2.2成分、结构检测技术

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。成分分析

化学分析：化验

物理分析：物理量间接测定

谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等

结构分析

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 2.2.3 与其它要素的关系

是材料性质的原因

是合成加工的结果

材料的强度

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，原因有两点：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-----结构是性能的原因。

塑性加工

金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：

等轴晶---带状组织---细晶组织

------是加工的结果

材料的强韧化

----位错理论的建立

固溶强化，加工硬化，弥散强化，第二相强化，相变增韧

2.2.4成分、结构数据库

?X衍射数据库：建立了结构---测定参数的关系

?相图数据库：建立了成分---相的关系

具有一种晶体结构的物质称为一相

注：这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的

便利，几乎所有材料合成的研究都是从了解上面

两个对应关系的研究开始的。

2.2.5成分、结构研究领域的新机遇

准晶，准晶的结构，潜在的应用价值

纳米材料，纳米碳管，C60(巴基球)，等

界面科学

–超导体与基体的界面结构

–功能复合材料的梯度界面

–半导体材料与封装材料的界面

–纤维增强体与基体的结合界面

以上新的研究课题，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。

§2.3 合成与加工

1.定义

2.合成与加工的主要内容

3.与其它要素的关系

4.发展方向

2.3.1 定义

“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。

需要说明的问题

在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊

合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素

现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径

2.3.2 合成与加工的主要内容

材料制备

材料加工

表面工程

材料复合

一．材料的制备

冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合

不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：

冶金过程－冶金物理化学

熔炼与凝固－凝固学理论

粉末烧结－烧结原理

高分子聚合－聚合反应

冶金过程（化学冶金）

目的：从原料中提取出金属

内容:火法冶金，熔盐电冶金，湿法冶金

熔炼与凝固（物理冶金）

目的: １．金属的精练提纯

２．材料的“合金化”

３．晶体的生长

内容: 1. 平衡凝固 4. 区域熔炼

2. 快速凝固 5. 玻璃的熔炼

3. 定向凝固 6. 熔融法提拉单晶

粉末烧结

目的: １. 粉末成型2 . 粉末颗粒的结合

内容: 1 . 粉末冶金技术2 . 现代陶瓷材料的制备

高分子聚合

目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。高分子 聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基 本过程。 内容: 1 . 本体聚合 3 . 悬浮聚合 2 . 乳液聚合 4 . 溶液聚合 二．材料的加工

传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：

材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻 材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻 材料的改性：合金化、热处理 材料的联接：焊接、粘接

注：从课程体系上分析，材料的切削应在机械工程中重点讨论

材料的成型

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： １．液态成型金属的铸造、溶液纺丝 ２．塑变成型金属的压力加工

3 . 流变成型金属、陶瓷、高分子成型

70

液态成型

A B C

液相区

液固区 固相区

成 分

温

度

A C 铸造

B

C

半固态成型

流变铸造 触变铸造

研究的内容： 1. 凝固过程 2. 成型工艺 3. 流变特性

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的成型

71

塑变成型

A

高应力 低形变量 实现加工硬化

B 应 变

应

力

冷加工

热加工

A

B

低应力 大形变量

实现超塑性变形

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的成型

流变成型

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 玻璃的熔融浇注 材料的改性

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 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。这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的 改性方面有广泛的应用。

典型热处理工艺；淬火、退火、回火、正火

74

材料的“合金化”

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的改性

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。 成 分

温

度

A B

C

α α + β

金属材料的合金化过程

A B α

α ’ 固溶度变化改变性能

A C α

α + β 相组成变化改变性能

固溶度变化改变性能

76

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的改性

时 间

温

度

成 分

温

度

v v 0

v>v 0

淬火工艺

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。

77

时 间

温

度

淬火

正火

3.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的改性

正火工艺

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，改善韧性。

78

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的改性

时 间

温

度

退火工艺

通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组 织，达到均匀化、消除内应力的目的。

79

2.3.2 合成与加工的主要内容

二．材料的加工

材料的改性

时 间

温

度

回火工艺

淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的

延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。

材料的联接

目的：实现材料间的整体结合 内容: 1. 焊接 3. 铆接 2. 粘接 4. 栓接 三．材料表面工程

表面改性，表面防护，薄膜技术

表面改性

----改变材料表面的性质 三束表面改性

化学表面改性（化学热处理）

表面淬火

从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在 表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能 的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果 或成分变化仅发生在表面。

84

3.3.2 合成与加工的主要内容

三．材料表面工程

表面改性

三束表面改性

激光束 ---

组织变化 电子束 ---组织变化

离子束 --- 成分、组织变化

细晶化

均匀化

非晶化

金属元素

合金化

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3.3.2 合成与加工的主要内容

三．材料表面工程

表面改性

离子束改性对表面应力状况的影响

C

强度极限 疲劳极限

A --- 原始受力状态

B --- 改性受力状态

C --- 最终受力状态

A B

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3.3.2 合成与加工的主要内容

三．材料表面工程

表面改性

化学表面改性（化学热处理）

改变材料表面的化学成分 --- 化学渗入

成 分

温

度

A B

C

α α + β

心部

浓

度

表面

C + N + Me +

C 0

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3.3.2 合成与加工的主要内容

三．材料表面工程

表面防护

表面淬火 ? 高频淬火

电磁能

集肤电流

表面热能

? 火焰淬火

气体化学反应

表面热能

热处理

组织改变

性能改变

腐蚀防护 摩擦磨损防护 腐蚀防护

大气腐蚀海水腐蚀工业介质腐蚀

由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问 题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。

美国八个工业部门对 材料性质的需求情况

所需特性

航天汽车

材料

化工电子能源金属通信

比强度

耐高温

耐腐蚀

高效加工

近终成型

材料回收

化学反应

-----腐蚀的原因

主动防护

合金化，非晶化，高纯度，抗蚀材料

被动防护

表面涂镀，表面改性，表面钝化，电化学保护

摩擦磨损防护

增加抗磨损性，增加润滑性

薄膜技术

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

化学气相沉积CVD

随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手

段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、

纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。

四．材料的复合

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

高分子复合材料

材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。

复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。

目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。

现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。

3.3.3 与其它要素的关系

99

3.与其它要素的关系

3.3.3 与其它要素的关系

从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：

合成与加工 结构与成分 材料性质 使用性能

产生

具备

提供

100

低速冷却10-3

K /S ~1K /S 102~108

K /S

平衡组织铸态组织非平衡态组织

单晶硅尺寸 > 300mm

缺陷数100-1000个/cm 2定向凝固共晶材料

制成涡轮机叶片

近终型技术

先进的成型技术

非晶带材：制做变压器细晶：高强材料

微晶：人们正在研究这

一新结构的意义和实用

准晶：正在研究

3.3.3 与其它要素的关系

3.3.4 发展趋势

在极端化的条件下，完成合成与加工过程，获得更多的功能特性。 ? 超纯条件------单晶硅晶片 ? 高压条件------人工金刚石 ? 低温条件------超导体 ? 超细条件------纳米材料 电子材料合成与加工的关键技术

● 大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术； ● 高精度晶片加工技术；

● MOCVD 、MBE 超薄膜生长技术； ● 高纯和超高纯材料纯制技术；

● 低维材料的微细加工和制备技术； ● 高均匀超细粉体制备技术；

● 电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术； ● 材料的修饰或改性技术； §3.4 仪器与设备

1. 成分、结构表征仪器

2.材料性能的检测仪器

3.合成与加工过程中使用的设备

4.过程控制的探测元件及装置 成分结构表征仪器

材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，如同天

文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结

构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。

随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也

在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。

材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。

材料表面科学中使用的仪器

扫描隧道显微镜双准直离子散射仪高分辨率电子损耗光谱仪

角分辨光电子能谱仪俄歇能谱仪低能电子衍射仪

低能电子显微镜自旋极化测量场离子显微镜原子探针

材料性能的测定仪器

材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表

征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用

环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的

模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。

有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别

对应了相应的测定方法和仪器。这些仪器构成了一个庞大的材料性

能测定仪器家族。

合成与加工设备

材料合成与加工过程是在一个限定的空间，在给定的条件下进行的。

用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构

成了材料合成与加工设备的主体。同时，设备中还包含了关键的控

制系统。

空间条件：各类反应容器、坩埚、熔炼炉

外力条件：气压、液压、机械压制、冲击力（波）

介质环境：真空设备、不同的气氛条件

能量供给：电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器

物质输送：气、液管路、机械进给装置

过程控制的探测元件和装置

传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。

传感器从过程中获得的信号主要包括：

声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等

用于传感器的无机非金属敏感材料

探测性能原理材料

氧含量体离子导电Zr

1-χCaO

2-χ

湿度表面离子导电MgCr2O4·TiO2酸度表面化学反应IrO

2-χ

压力压电PbZr

1-χTi

χ

O

3

温度热电PbZr

1-χTi

χ

O

3

电压晶界面隧道ZnO·Bi2O3

PTC热敏电阻晶界面相变Ba

1-χCe

χ

TiO

3

化学表面电子导电ZnO·CuO

光学光电阻CdS

§2.5 分析与建模（材料设计）

1. 引言

2. 材料设计的基本内容

3. 材料设计计算机基础

1.引言

随着材料科学的飞速发展，新型材料不断涌现，与此同时，人类社

会的整体科技水平也在不断的提高，因此对材料科学又提出了更高

的要求。

传统“炒菜式”的材料研制方法已不能满足人们的要求。“材料设计”应

运而生

核心问题：

用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、

结构和性质的材料。

“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。表现在以下三个方面：1）基础理论的形成和发展

量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；

2）计算机科学技术的发展

计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；3）合成与加工新技术的涌现

各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。

材料设计的内容

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

微观结构设计

案例1：杂化材料

将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分

子层次的复合材料

例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料

同传统复合材料的区别：

复合材料不同的组成相复合

杂化材料不同的组成原子（分子）复合

同固溶体的区别：

固溶体热力学平衡体系

杂化材料热力学非平衡体系

案例2：晶体结构计算

通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。

案例3：金属间化合物预报

金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间

化合物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，

高温结构材料，磁滞伸缩材料等。

案例4：超晶格结构设计

超晶格结构：通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交

替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势场上，

引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。

超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、共振隧穿效应。

利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件

——能带工程

制备方法：

分子束外延（MBE）

金属有机化合物化学

气相沉积（MOCVD）

化学束外延（CBE）

原子层外延（ALE）

连续介质的材料设计

重要的四个材料设计领域

各种物理场的数值模拟

合金的微观组织形成

断裂力学分析

复合材料的界面梯度设计

各种物理场的数值模拟

1.模拟热传导过程

2.模拟应力应变状态

3.模拟物质扩散过程

4.模拟流体传输过程

5.模拟电磁场分布规律

合金显微组织的形成

建模在合金凝固过程中的重要作用。特别是对于大型或特大型铸件，为保证浇注过程的一次成功和避免经济损失，进行全过程的计算机仿真是极其必要的。

不同加工条件下获得的组织，将表现出不同的材料性能。这些加工条件包括许多因素，如：成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元素、杂质相、液固界面等。将这些因素的物理表征参量包括在一个数学模型中，即模型建立，通过计算机数值计算及对结果的计算机仿真，就可以了解到合金凝固过程及凝固的组织特征。

断裂的分析

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。

裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、

基体三元素体系的变化情况：

?纤维拔断

?纤维拔出

?纤维与基体间滑动

?纤维（晶须）偏转

?纤维周围的应力状态改变

裂纹扩展过程中能量的增量

?⊿E = E1 + E2 + --- +E5 （数学模型）

?对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏观抗断裂性能----定量预测复合材料的界面梯度设计

太空飞行器表面防护材料的梯度设计

表面防护材料的梯度设计的主要内容就是进行由表层到内部的材料

成分、结构的梯度设计，从而降低不同材料结合面之间的应力梯度。宏观系统的全过程或全因素的设计

物质流与能量流的平衡设计

过程中的全因素优化设计

材料的智能加工

全过程、全因素优化设计

全过程

材料的设计合成与加工

支持与维护废弃与回收

全因素

性能指标加工性

失效分析成本指标

环境因素（包括能源、资源、环境）

在材料的制造--废弃的全过程中，对设计的各种因素进行综合的优化

设计，将是材料科学与工程领域又一新的研究课题，需要材料科学

家，机械制造工程师，数学家，经济学家等各类人员密切合作方能

完成。

材料的智能加工

近年来，日本许多产品（特别是汽车，电子元件）的质量有压倒美

国的趋势。为保持美国在国际上的优势，美国采取的对策之一就是

材料的智能加工。

优点：实现材料加工的自动化

提高材料的质量

提高性能的重现性

降低产品的废品率

3.材料设计的计算机基础

物理场的数值模拟

常用工程数学的计算机处理

几种重要的数学软件

计算机过程控制

物理场的数值模拟

常用工程数学的计算机处理

概率分布

误差分析

参数估计

数值分析

曲线拟合

最优化方法

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材料科学基础第三章答案

习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？ 解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？ 解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。

第二章工程经济分析的基本经济要素

第二章工程经济分析的基本经济要素 对任何一个项目都要对技术可行性与经济合理性做出选择。所以对于项目的经济效果进行分析与评价将涉及到一些基本经济要素，如： 投资、成本费用、销售收入、税金、利润......。 基本经济要素数据来源—评价人员的预测和估算。 工程经济分析必须具备必要的经济基础知识。本章的任务在于使学生掌握工程经济分析的基本要素。了解投资与实物资本的关系；熟悉总成本费用、经营成本、固定成本与变动成本的概念及其相互关系；掌握企业销售收入、利润与税金的概念、分类及其相互关系。做到对企业从投资开始到盈利整个过程的基本了解，为以后各章分析方法（工程经济分析）的学习做好经济理论准备 首先看第一个问题 第一节投资 一、投资的概念（Investment） 投资是人类最重要的经济活动之一，一般有广义和狭义两种理解。 广义：人们的一切有目的的经济行为，即以一定的资源投入某项计划，以获取所期望的报酬。 狭义：人们在社会经济活动中为实现某种预定的生产目标而预先垫支的资金。 同时见，书上P11下方定义。 工程经济学中所说的投资主要是指狭义投资。狭义投资是所有投资活动中最基本的，也是最重要的投资。投资活动是投资主体、投资环境、资金投入、投资产出、投资目的等诸多要素的统一。 这些将在深入学习当中，能够很好的理解。 二、投资的特征: 见书上P12 总结一下：1、目的性：获得未来报酬 2、时间性：投资是个过程，过程越长，未来报酬获得越不稳定，风险就越大 好理解，例子：上班后借贷给同事，当然主要不是为了收益，也类比投资。提到时间数量利息。 3、收益性：企业目的就是为了赚钱，不赚钱投什么资？赚了钱，扩大生产，为了更好的赚钱。（例如：民营企业美的，从电风扇做起，现在各个事业部，生产各种小家电（什么电吹风，微波炉），电冰箱，电视机，目的很显然，获得更大的收益）这和公共项目的投资不一样，那些有社会效益，那些公共投资项目资金来自于公共部门，同时，它们都是对社会有益的，虽然，很多项目也是由个人或者说企业来承担完成，但那种投资和完全的私人投资是不同的，鉴于我们去的多是外资企业，民营企业，国有企业，一般我们只研究以能够获得明显的经济效益的这种投资。 4、风险性：见书上论述。 比如：为了赚点利息（收益），借给别人，人家跑了，或者人家投资失败了，还不上了。 5、书上没有，扩展一下，还没学成本这节。投资（或称作资本）一般都向成本较低的地方流动。例子：暂时，中国是世界制造业中心，原因中国成本低，尤其劳动力密集型或者高污染的行业，国外限制严格，成本高，这些行业，外资投入到中国。比如东莞600万人，150万当地人（数据不准），珠三角也称为了中国的制造业基地。但是随着工业用地、劳动力成本不断加大，环保控制更加严格。珠三角也逐渐出现成本较高的态势，很多投资悄然变化了，一是地域上往西迁移，那里有更加廉价的劳动力，更好的国家政策，更低的成本，假如再有良好的交通的话，我就往西部迁移。投资的方式上也逐渐由劳动力密集转变为技术密集型。证明一个投资的特点。资本往往会往成本更低的地方流动。也有报纸称，印度因由更低廉的劳动力，和大量英语优势的科技人才等等因素，在4、5年内将取代中国的地位。不知是否危言耸听。 三、投资的作用: 见书上P13（自学） 四、投资的分类: 见书上P14（自学） 第二节投资估算与资产

第二章 材料科学与工程的四个基本要素(2020年九月整理).doc

第二章 材料科学与工程的四个基本要素 MSE 四要素； – 使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工 两个重要内容； – 仪器与设备，分析与建模 §2.1 性质与使用性能 1. 基础概念 2. 性质与性能的区别与关系 3. 材料的失效分析 4. 材料（产品）使用性能的设计 5. 材料性能数据库 6. 其它问题 2.1.1基础内容 材料性质： 是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应。 材料性质描述 ? 力学性质；强度，硬度，刚度，塑性，韧性 物理性质；电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质 化学性质；催化性质，防化性质 结构材料性质的表征----材料力学性质 强度：材料抵抗外应力的能力。 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。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。 疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。 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。 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。 6 强度范畴 刚度范畴 塑性范畴 韧性范畴 应 力 应 变 2.1.1基础内容

7 材料的物理性质 磁学性质 光学性质 电学性质 · 导电性 · 绝缘性 · 介电性 · 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性 · 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性 热学性质 · 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化 注：上面只列出了材料的主要物理性质 2.1.1基础内容 物理性质的交互性----材料应用的关键点 现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特 殊的物理交互性。例如： 电学----机械 电致伸缩 机械----电学 压电特性 磁学----机械 磁致伸缩 电学----磁学 巨磁阻效应 电学----光学 电致发光 性能定义 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。 材料力学性能 1. 强度表征： 弹性极限，屈服强度，比例极限…… 2. 塑性表征：延伸率δ，断面收缩率φ，冲杯深度 h 3. 硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度…… 4. 刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量…… 5. 疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命…… 6. 抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度…… 7. 韧性表征：断裂韧性 K IC ，断裂韧性 J IC 材料物理性能 1. 电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数…… 2. 磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率…… 3. 光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率…… 4. 热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热…… 2.1.2性质与性能的区别与关系 性质与使用性能的区别与关系

材料科学与工程的四个基本要素

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、和。2．材料性质的表述包括、物理性质和化学性质。 3．强度可以用弹性极限、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：、磨损和腐蚀。 5．材料的结构包括键合结构、和组织结构。 6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、和准晶体。 7．化学分析、物理分析和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、加工强化、弥散强化、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。（） 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。（） 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。（） 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。（） 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？ 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？ 3．流变成型包括哪几个方面？

材料科学基础作业解答

第一章 1.简述一次键与二次键各包括哪些结合键这些结合键各自特点如何 答：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。 ①离子键：由于正、负离子间的库仑（静电）引力而形成。特点：1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大； ②共价键：是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点：结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。 ③金属键：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点：它没有饱和性和方向性；具有良好的塑性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。 ④范德瓦耳斯键：一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点：键合较弱，易断裂，可在很大程度上改变材料的性能；低熔点、高塑性。 2.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。 答：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。 ②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。 ③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。 3. 晶体与非晶体的区别稳态与亚稳态结构的区别 晶体与非晶体区别： 答：性质上，(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。

材料科学基础课后习题答案第二章

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

第二章：工程经济要素

第二章：工程经济要素 1单选(2分)某项工程从筹建开始到全部竣工投产为止所发生的全部资金投入称为？ A.工程造价 B.建设投资 C.工程费用 D.工程项目投资 答案：D 2单选(2分)工程项目总投资包括几个方面？ A.2 B.5 C.4 D.3 答案：D 3单选(2分)按我国现行规定，预备费包括基本预备费和涨价预备费，其中基本预备费的计取基数是 A.工程建设其他费 B.工程费用和工程建设其他费用 C.建设投资 D.工程费用 答案：B 4单选(2分)我国现行的工程项目投资的组成中，工程建设其他费包括 A.基本预备费 B.土地费用 C.规费 D.税金 答案：B 5单选(2分)某建设项目建设期为2年，第一年贷款800万元，第二年贷款1000万元，每年贷款均衡发放，年利率为8%，则该项目的建设期利息为多少？ A.126.73 B.104 C.138.56 D.106.56 答案：C 6单选(2分)折旧是指（）的使用过程中，随着资产损耗而逐渐转移到产品成本费用中的那部分价值。 A.无形资产 B.总资产 C.流动资产 D.固定资产 答案：D 7单选(2分)下列资产中应该计算摊销费的是 A.厂房 B.办公楼 C.商标权 D.机器设备 答案：C 8单选(2分)设备原值价值为8000元，使用年限为10年，残值为2000元，则用平均年限法计算第7年末的设备的账面价值为多少？ A.3800 B.4400 C.4200 D.3600 答案：A 9单选(2分)某种设备的原值为20000元，预计净残值为2000元，折旧年限为8年，则用双倍余额递减法计算第5年的年折旧费为多少？ A.1182.52 B.1582.03 C.1423.83 D.1025.86 答案：B 10单选(2分)某公司以2000万元投资某建设项目，其中90%形成固定资产，折旧年限为20

第二章 材料科学与工程的四个基本要素

第二章 材料科学与工程得四个基本要素 MS Ｅ四要素； – 使用性能，材料得性质,结构与成分，合成与加工 两个重要内容； – 仪器与设备，分析与建模 §2、1 性质与使用性能 1、 基础概念 2、 性质与性能得区别与关系 3、 材料得失效分析 4、 材料（产品)使用性能得设计 5、 材料性能数据库 6、 其它问题 2、1、1基础内容 材料性质： 就是功能特性与效用得描述符,就是材料对电、磁、光、热、机械载荷得应。 材料性质描述 ? 力学性质；强度，硬度，刚度,塑性，韧性 物理性质;电学性质，磁学性质,光学性质,热学性质 化学性质;催化性质，防化性质 结构材料性质得表征———－材料力学性质 强度：材料抵抗外应力得能力. 塑性:外力作用下,材料发生不可逆得永久性变形而不破坏得能 力。 硬度:材料在表面上得小体积内抵抗变形或破裂得能力。 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力. 疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏得能力. 抗蠕变性:材料在恒定应力(或恒定载荷)作用下抵抗变形得能 力. 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量得能力. 6 强度范畴 刚度范畴 塑性范畴 韧性范畴 应 力 应 变 2.1.1基础内容

7 材料的物理性质 磁学性质 光学性质 电学性质 · 导电性 · 绝缘性 · 介电性 · 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性 · 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性 热学性质 · 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化 注：上面只列出了材料的主要物理性质 2.1.1基础内容 物理性质得交互性－--—材料应用得关键点 现代功能材料不仅仅表现出单一得物理性质，更重要得就是具备了特 殊得物理交互性。例如: 电学-－—－机械? 电致伸缩 机械--—-电学 ?压电特性 磁学-——-机械??磁致伸缩 电学-—-－磁学? 巨磁阻效应 电学---－光学 电致发光 性能定义 在某种环境或条件作用下，为描述材料得行为或结果，按照特定得 规范所获得得表征参量。 材料力学性能 1、 强度表征： 弹性极限,屈服强度，比例极限…… 2、 塑性表征:延伸率δ，断面收缩率φ，冲杯深度 h 3、 硬度表征:布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度…… 4、 刚度表征：弹性模量，杨氏模量,剪切模量…… ５、 疲劳强度表征：疲劳极限,疲劳寿命…… ６、 抗蠕变性表征：蠕变极限,持久强度…… 7、 韧性表征：断裂韧性 K I Ｃ,断裂韧性 J I Ｃ 材料物理性能 １、 电学性能表征：导电率，电阻率,介电常数…… 2、 磁学性能表征:磁导率,矫顽力,磁化率…… 3、 光学性能表征:光反射率，光折射率，光损耗率…… 4、 热学性能表征：热导率,热膨胀系数，熔点,比热…… 2、1、2性质与性能得区别与关系 性质与使用性能得区别与关系

材料科学基础课后习题谜底第二章

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 K K V V G G ?=- ?b) 当非均匀形核形成球冠形晶核时，其△G K 与V K 之间的关系如何？ a) 证明 因为临界晶核半径 2K V r G σ =- ?临界晶核形成功 3 2 163()K V G G πσ?= ?故临界晶核的体积 3423K K K V r G V G π?== ?所以 2 K K V V G G ?=-?b) 当非均匀形核形成球冠形晶核时，SL 2K V r G σ=- ?非 临界晶核形成功 3 3 2 4(23cos cos )3() K SL V G G πσθθ?=-+?非 故临界晶核的体积 3 31(23cos cos ) 3 K K V r πθθ=-+非（）3 33 3SL 3 281(23cos cos )(23cos cos )33() SL K V V V V V G G G G σπσπθθθθ?=--+?=-+??()所以 2 K K V V G G ?=- ?非2-2 如果临界晶核是边长为a 的正方体，试求出其△G K 与a 的关系。为什么形成立方体晶 核的△G K 比球形晶核要大？ 解：形核时的吉布斯自由能变化为 326V V G V G A a G a σσ ?=?+=?+令 () 0d G da ?=得临界晶核边长4K V a G σ=- ?临界形核功 用管线敷设技术。线缆敷设过关运行高中资料试卷技术要求电力保护装置做到准确

333 3222 2 44649632()6()()()()K t K V K V V V V V V G V G A G G G G G G σσσσσσσ?=?+=-?+-=-+=?????，球形核胚的临界形核功2K V r G σ =- ?3 322 42216(4()33()K b V V V V G G G G G σσπσππσ?=-?+= ???将两式相比较 3 232 163()1 3262()K K b V t V G G G G πσπσ??==≈??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： () GL SL SG G G G A σσσ?=-=+-表面终态始态式中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；σGL 、σSL 、σSG 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：σSG ≥σGL +σSL 。这说明在熔化时， 表面自由能的变化△G 表≤0，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。如果固体金属熔化时液相不与气相接触，则有可能时固态金属过热。

东财《工程经济学》第二章 工程经济分析的基本要素 课堂笔记

东财《工程经济学》第二章工程经济分析的基本要素课堂笔记 2.0 前言 按照教学计划的要求，第二周我们应该完成第二章学习，这一周的学习内容主要是对工程经济分析过程中将要遇到的一些基本概念的介绍，例如：成本、资金、折旧、税收等概念以及一些计算。通过本章的学习，就是要了解和熟悉这些概念和折旧的计算方法，在以后的课程学习中，对这些名词的含义和用途不陌生，进而在进行更加深入的工程经济分析的时候不会遇到概念模糊的困难。在学习的过程中，大家应该认真听课件，深入理解各个符号的概念，然后找一些工程实例进行练习，这样才能真正掌握这部分内容。本文主要就本章的相关内容进行阐述，帮助大家学好这一章的内容。 2.1 投资与资产 2.1.1 投资的概念 投资一般有广义和狭义两种理解。 狭义的投资是指为建造和购置固定资产、购买和储备流动资产而事先垫付的资金及其经济行为。 广义的投资则是指一切为了将来的所得而事先垫付的资金及其经济行为。 工程经济学中所说的投资主要指狭义投资。 投资活动是诸多要素的统一，主要有投资主体、环境、产出、目的以及资金注入等。 第一，投资主体。 投资主是指各种从事投资活动的法人和自然人。在我国实践中，具体表现为从事投资的各级政府、企业、个人及外商等。 第二，投资环境。 投资环境包括投资政策、法律法规的保障水平等投资软环境，也包括基础设施等投资硬环境。 第三，资金投入。 投资主要以货币，也可以表现为设备、材料等有形资产的投入。 第四，投资产出。 投资的直接产出表现为购建的资产和新增加的生产能力（或服务能力）。购建的资产又包括固定资产、流动资产、无形资产和递延资产等真实资产。 第五，投资目的。 投资活动是人类的有意识活动，其目的是为了获得预期效益。即必须对投人与产出进行核算，考察预期目标的实现程度。 2.1.2 投资的分类 A. 按与形成资产关系的直接程度划分 1.直接投资 直接投资,是指投资者运用筹措的资金，直接开厂设店、独立经营，或收买原有企业，或与其他投资者合资经营、合作开发等，从而获得支配企业经营管理的权利。 2.间接投资 间接投资，一般是指投资者运用自己的资金，购买股票、债券等有价证券以收取一定的股息或利息为目的的投资行为。 B.按形成真实资产的内容划分 1.固定资产投资 固定资产投资，是指购建新的固定资产或更新改造原有固定资产的投资。 固定资产是指在社会再生产过程中，使用期限较长，单位价值较高，可供长期反复使用，在使用过程中基本上不改变原有实物形态，为生产、生活等服务的劳动资料和其他物质资料。

材料科学基础第七章答案

第七章答案 7-1略 7-2浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?为什么? 解：扩散是由于梯度差所引起的，而浓度差只是梯度差的一种。当另外一种梯度差，比如应力差的影响大于浓度差，扩散则会从低浓度向高浓度进行。 7-3欲使Ca2＋在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）时都是非本质扩散，要求三价离子有什么样的浓度？试对你在计算中所做的各种特性值的估计作充分说明。已知CaO肖特基缺陷形成能为6eV。 解：掺杂M3+引起V’’Ca的缺陷反应如下： 当CaO在熔点时，肖特基缺陷的浓度为： 所以欲使Ca2＋在CaO中的扩散直至CaO的熔点（2600℃）时都是非本质扩散，M3+的浓度为 ，即 7-4试根据图7-32查取：（1）CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值；（2）Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值；并计算CaO和Al2O3中Ca2＋和Al3＋的扩散活化能和D0值。 解：由图可知CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值分别为，Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值分别为 根据可得到CaO在1145℃和1650℃的扩散系数的比值为： ，将值代入后可得，Al2O3的计算类推。

7-5已知氢和镍在面心立方铁中的扩散数据为cm2/s和 cm2/s，试计算1000℃的扩散系数，并对其差别进行解释。 解：将T=1000℃代入上述方程中可得，同理可知 。 原因：与镍原子相比氢原子小得多，更容易在面心立方的铁中通过空隙扩散。 7-6在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单晶中，若在1600K温度下，保持硼在硅单晶表面的浓度恒定（恒定源半无限扩散），要求距表面10－3cm深度处硼的浓度是表面浓度的 一半，问需要多长时间（已知D1600℃＝8×10－12cm2/s；当时，）？解：此模型可以看作是半无限棒的一维扩散问题，可用高斯误差函数求解。 其中=0，，所以有0.5=，即=0.5，把=10－3cm，D1600℃＝8×10－12cm2/s代入得t=s。 7-7 Zn2＋在ZnS中扩散时，563℃时的扩散系数为3×10－4cm2/s；450℃时的扩散系数为1.0×10－4cm2/s，求：（1）扩散活化能和D0；（2）750℃时的扩散系数；（3）根据你对结构的了解，请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（4）根据ZnS和ZnO相互类似，预测D随硫的分压而变化的关系。 解：（1）参考7-4得=48856J/mol，D0=3×10－15cm2/s； （2）把T=1023K代入中可得=cm2/s； 7-8实验测得不同温度下碳在钛中的扩散系数分别为2×10－9cm2/s（736℃）、5×10－9cm2/s （782℃）、1.3×10－8cm2/s（838℃）。（1）请判断该实验结果是否符合；（2）请计算扩散活化能，并求出在500℃时碳的扩散系数。

材料四要素及其相互关系说课讲解

材料科学四要素的内涵和关系 众所周知，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程 的四个基本要素。把四个要素联结在 一起便构成了一个四面体，如图1。 1性质 性质是材料功能特性和效用的定 量度量和描述。性质作为材料科学与 工程四个基本要素之一，是理所当然 的，既然材料是人们用于制造有用物 品、器件和各种构件和产品的物质， 它必然具有其特定的性能。例如，金属材料具有刚性和硬度，可以用做各种结构件；它具有延展性，可以加工成受力或导电的线材；一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合金、超导合金等，可以用作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。陶瓷具有很高的熔点、高的强度和化学惰性，可用作高温发动机和金属切削刀具等；而具有压电、介电、电导、半导体、磁学、机械特性的特种陶瓷，在相应领域发挥应用；但陶瓷的脆性则限制了他的应用。利用金刚石的耀度和透明性，可制成光灿夺目的宝石和高性能光学涂层；而利用其硬度和导热性，可作切削和传导材料。高分子材料以其各种独特的性能使其在各种不同的领域广泛应用，各类汽车材料、建筑材料、航空材料、电子电器材料等；反之，高分子材料组分的迁移特征，加速了其性能的退化，也对环境造成伤害；而其耐热性、耐候性较差，有限制了其在需要耐热和耐候领域的应用。材料的性质也表示了其对外界刺激的整体响应，材料的导电性、导热性、光学性能、磁化率、超导转变温度、力学性能等都是材料在相应外场作用下的响应，正是这种响应创造了许多性能特殊的材料。 任何状态下的材料，其性能都是经合成或加工后材料结构和成分所产生的结果。弄清性质和结构的关系，可以合成处性质更好的材料，并按所需综合性质设计材料。而且最终将影响到材料的使用性能。 图1 材料科学与工程的四要

材料科学基础第二章答案.

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）。

我对材料科学四要素的认识

我对材料科学四要素的认识 武晓博 材料科学是上世纪五十年代提出的，以研究和揭示固体材料性质规律为主的一门科学，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。随着高技术的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。如今，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民群众生活的重要组成部分。 一般所说的材料,包括传统材料和各种新型材料。材料科学的任务，就是研究材料的性质、使用性能、结构与成分、合成与加工这四者间的关系，因而将其称为材料科学的四个基本要素。 1、材料的性质。材料的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，包括力学性质、物理性质以及化学性质。 （1）力学性质。包括强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。 强度：材料抵抗外应力的能力； 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力； 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力； 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； 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。 （2）物理性质。包括电学性质、磁学性质、光学性质及热学性质等。 电学性质：主要包括材料的导电性、绝缘性及介电性等； 磁学性质：主要包括材料的抗磁性、顺磁性及铁磁性等； 光学性质：主要包括材料的光反射、光折射、光学损耗及光透性等； 热学性质：主要包括材料的导热性、热膨胀、热容和熔化等。 （3）化学性质包括催化性质及防化性质等。 2、材料的性能。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，称为材料的性能。包括力学性能、 （1）力学性能。 弹性表征：包括弹性极限、屈服强度、比例极限等； 塑性表征：包括延伸率、断面收缩率、冲杯深度等； 硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等； 刚度表征：包括弹性模量、杨氏模量、剪切模量等； 疲劳强度表征：包括疲劳极限和疲劳寿命等； 抗蠕变性表征：包括蠕变极限和持久强度等； 韧性表征：包括断裂韧性和K和断裂韧性J等。ICIC（2）物理性能。 电学性能表征：包括导电率、电阻率、介电常数等； 磁学性能表征：包括磁导率、矫顽力、磁化率等； 光学性能表征：包括光反射率、光折射率、光损耗率等； 热学性能标准：包括热导率、热膨胀系数、熔点、比热等。

《材料科学与工程概论》复习思考题1剖析

《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.

材料科学与材料世界复习题

《材料科学与材料世界》复习题 一、单项选择题 、人为控制而制成的在构件截面上的成份、组织呈连续变化的材料为 ______ A、梯度功能材料 B、智能材料 C、非晶态材料 、不易于回收利用的树脂为_______ A、热固性树脂 B、热塑性树脂 、合成塑料的鼻祖指_______ A、聚氯乙烯 B、人造树脂 C、酚醛树脂 、第一次工业革命的突破特征是_______ A、石油开发及新能源利用 B、铁器的使用 C、蒸汽机及纺织工业 、钢中由奥氏体经淬火后得的碳在α-Fe中的“超过饱和”固溶体叫 _______ A、渗碳体 B、铁素体 C、马氏体 、淬火后的工件须再经_________后才好用 A、回火 B、正火 C、退火 、零件的生产过程中，改变其形状、尺寸、性能的过程叫_______ A、生产过程 B、工艺过程 、不用溶剂和分散介质，仅将单体和引发剂同置于模型中加热聚合的方法叫______ A、本体聚合 B、悬浮聚合 C、溶液聚合 、工业材料的“脊梁.”一般指______ A、塑料 B、陶瓷 C、钢铁 、“博采众长”的材料一般指______ A、功能材料 B、复合材料 C、高分子材料 、人为控制而制成的在构件截面上的成份、组织呈连续变化的材料为 ______ A、智能材料 B、梯度功能材料 C、非晶态材料 、不易于回收利用的树脂为_______

A、热塑性树脂 B、热固性树脂 、陶瓷的主要制备方式为________ A、冶炼 B、反应合成 C、烧结 、既可强化又可韧化金属的方法为__________ A、细化晶粒 B、固溶强化 C、形变强化 、晶界属_________ A、面缺陷 B、点缺陷 C、线缺陷 、由显微镜观察到的材料晶粒或相的形态、大小、分布的现象称_________ A、结构 B、宏观组织 C、显微组织 、材料的铸造性、可锻性、可焊性、切削性属于________ A、工艺性 B、使用性 C、经济性 、研究材料的制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题的是_______ A、材料科学 B、材料工程 、最轻的金属是_______ A、锂 B、钛 C、钨 、比强度最高及最理想的超低温结构材料是________ A、轻金属 B、复合材料 C、钛及钛合金 、人类最早应用的金属材料是_________ A、钢铁 B、青铜 C、锡 、铜-锌合金为_________ A、白铜 B、青铜 C、黄铜 、由生铁炼钢的基本过程主要是_________ A、熔化金属 B、还原出铁 C、氧化掉碳 、强韧、乳白色、好加工的塑料为________ A、PA B、AB S C、PS 、聚丙烯指________ A、PP B、PVC C、PF 、纳米粉体的尺寸一般小于_________ A、1000nm B、1nm C、100nm 、蒙乃尔合金为_________ A、镍-钼合金 B、镍-铜合金 C、镍-铬合金 、醋酸纤维、硝化纤维、粘胶纤维属________ A、合成纤维 B、人造纤维 、最耐蚀、最贵而无磁性的不锈钢为_________

材料科学与工程项目的四个基本要素考试试题

第二章材料科学与工程的四个差不多要素 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差不多要素，它们分不是：使用性能、材料的性质、和。 2．材料性质的表述包括、物理性质和化学性质。 3．强度能够用弹性极限、和比例界限等来表征。 4．三类要紧的材料力学失效形式分不是：、磨损和腐蚀。5．材料的结构包括键合结构、和组织结构。 6．晶体结构有三种形式，它们分不是：晶体、和准晶体。7．化学分析、物理分析和是材料成分分析的三种差不多方法。 8．材料的强韧化手段要紧有、加工强化、弥散强化、和相变增韧。 第二部分推断题（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。（） 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。（） 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爱护两个方面。（）8．材料复合的过程确实是材料制备、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。（） 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？ 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，缘故有哪两点？ 3．流变成型包括哪几个方面？

材料科学基础第二章习题

!异常的公式结尾金属的塑性变形与再结晶 一、填空题 1．常温下，金属单晶体的塑性变形方式为（）和（）。 2．滑移只能在（）应力的作用下发生。 3．与单晶体相比，影响多晶体塑性变形的两个主要因素是（）和（）。 5．在金属学中，冷热加工的界限是以（）来划分的。因此，Cu（熔点为1084℃）在室温下的变形加工为（）加工，Sn（熔点为232℃）在室温下的变形加工为（）加工。 6．金属再结晶后的晶粒大小主要取决于（）、（）和（）。 二、选择题 1．金属多晶体的晶粒越细，则其（）。 A．强度越高，塑性越好 B．强度越高，塑性越差 C．强度越低，塑性越好 D．强度越低，塑性越差 2．随冷塑性变形量增加，金属的（）。 A．强度下降，塑性提高 B．强度和塑性都下降 C．强度和塑性都提高 D．强度提高，塑性下降 3．铝的熔点是660.4℃，它的最低再结晶温度为（）。 A.-8.8℃ B.100.4℃ C．264.2℃ D．373.4℃ 4．某工厂用冷拉钢丝绳吊运热处理工件去淬火，钢丝绳承载能力远超过工件的重量，但在吊运过程中，钢丝绳发生断裂，其原因是由于钢丝绳（）。 A．超载 B．发生再结晶 C．形成带状组织 D．流线分布不合理 5．铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只需加热到一定温度就可使晶粒细化，其原因是（）。 A．铁总是处于冷加工状态，而铜不是 B．铁可不经过冷加工直接加热便能发生再结晶，而铜不可 C．铁在固态下有同素异构转变，而铜没有 D．铜需经过冷加工后才能发生同素异构转变，而铁不需要 6．铁丝在室温下反复弯折，会越弯越硬，直至断裂，而铅丝在室温下反复弯折，则始终处于软态，其原因是铁发生加工硬化，不发生再结晶，而铅（）。