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1.2 典型題(含考研真題)詳解

一、選擇題

在金屬、陶瓷和高分子中最易結晶的是( )。[上海交通大學2007研]

A.高分子

B.陶瓷

C.金屬

【答案】C


二、填空題

1.按照材料的化學組成,可以將材料分為______, ______, ______和______四大類。[華中科技大學2007研]

【答案】金屬材料;無機非金屬材料;高分子材料;復合材料


2.細化晶粒不但可以提高材料的______,同時還可以改善材料的______和______。[沈陽大學2009研]

【答案】強度;塑性;韌性


三、簡答題

1.試從結合鍵的角度,分析工程材料的分類及其特點。[西北大學2006研]

答:金屬材料:主要以金屬鍵為主,大多數(shù)金屬強度和硬度較高,塑性較好。陶瓷材料:以共價鍵和離子鍵為主,硬、脆,不易變形,熔點高。高分子材料:分子內部以共價鍵為主,分子間為分子鍵和氫鍵為主。復合材料:是以上三中基本材料的人工復合物,結合鍵種類繁多,性能差異很大。


2.何謂陶瓷?從組織結構的角度解釋其主要性能特點。[西安交通大學2008研]

答:陶瓷是指以共價鍵或離子鍵為主,以具有高硬度高脆性的特殊氧化物、碳化物、氮化物等化合物為主要組成相的一類材料。由于這些化合物中的結合鍵以共價鍵或離子鍵為主,鍵合力很強,故陶瓷材料的熔點高,硬度高,抗氧化、耐腐蝕,高溫強度高;但由于燒結后陶瓷材料中存在氣孔或微裂紋,故陶瓷材料的脆性大,強度低。


3.談談你對高強度材料的理解。[中南大學2007研]

答:對于結構材料,最重要的性能指標之一是強度。強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力,提高材料的強度可以節(jié)約材料,降低成本。人們在利用材料的力學性能時,總是希望所使用的材料具有足夠的強度,人們希望合理運用和發(fā)展材料強化方法,從而挖掘材料性能潛力的基礎。

從理論上講,提高金屬材料強度有兩條途徑:

(1)完全消除內部的位錯和其他缺陷,使它的強度接近于理論強度。目前雖然能夠制出無位錯的高強度金屬晶須,但實際應用它還存在困難,因為這樣獲得的高強度是不穩(wěn)定的,對操作效應和表面情況非常敏感,而且位錯一旦產生后,強度就大大下降。

(2)在金屬中引入大量的缺陷,以阻礙位錯的運動,例如金屬材料的強化手段一般有固溶強化、細晶強化、第二相粒子強化、形變強化等。綜合運用這些強化手段,也可以從另一方面接近理論強度,例如在鐵和鈦中可以達到理論強度的38%。


4.假如從試驗得到如圖1-1所示的高聚物形變-溫度曲線,請問它們各主要適合做什么材料(如塑料、橡膠、纖維等)?為什么?[南京航空航天大學2008研]

圖1-1

答:(a)適合做塑料,由于其室溫為玻璃態(tài),玻璃化溫度Tg遠高于室溫;(b)適合做橡膠,由于室溫為高彈態(tài),而且高彈區(qū)很寬。


5.分別論述金屬材料、陶瓷材料和高分子材料的優(yōu)缺點。[南京理工大學2008、2009研]

答:(1)金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。

純金屬一般具有良好的塑性,但很難滿足工程技術多方面的需要,因此金屬材料常以合金的形式適用。常用金屬材料有:鋼、鑄鐵、鋁、銅等。

金屬材料的優(yōu)點:①較好的機械性能,易加工成型。金屬材料具有較好的機械性能,在強度、塑性、硬度、韌性即疲勞強度等綜合性能較好,常用于各種機械零件;②導電性強,導熱性好。金屬一般都是電、熱的良導體,所以工業(yè)上常用銅、鋁及其合金作為導電材料;一些散熱器和熱交換器的零件也常用銅鋁等制造;③金屬儲量大,品種多,有多種特異性質,如良好的延展性、磁性、高熔點、高密度等。

金屬材料的缺點:①化學穩(wěn)定性差,易腐蝕;②生產過程能耗大,成本高;③比重大,不易運輸。

(2)陶瓷是由粉末原料成型后在高溫作用下硬化而成的制品,是多晶、多相(晶相、玻璃相和氣相)的聚集體。陶瓷的組織結構非常復雜,各個相組成、結構、數(shù)量、幾何形狀及分布狀況都能影響陶瓷的性能。結合鍵主要是金屬鍵和共價鍵,大多數(shù)是兩者的混合鍵。

陶瓷的優(yōu)缺點:陶瓷具有優(yōu)良的物理、化學性能,可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。功能陶瓷由于具有壓電、鐵電、聲光、電磁、生物化學的功能而得到廣泛應有,結構陶瓷則由于具有很高的熔點和強度,而且化學穩(wěn)定性好,因而被用于結構材料,特別是高溫結構材料。然而,陶瓷的塑性變形能力差,易發(fā)生脆性破壞;同時加工性能差,不易加工。

(3)高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料。

高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料,包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠黏劑和高分子基復合材料,高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。

高分子材料的優(yōu)點:①質輕,密度低。如大多塑料密度在0.9~2.2g/cm3之間,平均為1.45g/cm3,約為鋼的1/5; ②力學性能好。常溫下大部分有機高分子材料的韌性良好,其中有許多強度較高,有些變形能力很強,使其在工程的某些部位可取代脆性很強的材料;③導熱系數(shù)小。如泡沫塑料的導熱系數(shù)只有0.02~0.046W/(m·K),約為金屬的1/1500,混凝土的1/40,磚的1/20,是理想的絕熱材料;④化學穩(wěn)定性和耐水性、耐腐蝕性好。一般塑料對酸、堿、鹽及油脂均有較好的耐腐蝕能力。其中最為穩(wěn)定的聚四氟乙烯,僅能與熔融的堿金屬反應,與其他化學物品均不起作用;⑤優(yōu)良的加工性能和功能的可設計性強;⑥一般的高分子材料電絕緣性好。

高分子材料的缺點:①易老化。塑料、橡膠、有機涂料和有機膠黏劑都會出現(xiàn)易老化,如失去彈性、出現(xiàn)裂紋、變硬、變脆或變軟、發(fā)動等,失去原有的使用功能的現(xiàn)象;②可燃性及毒性。高分子材料一般屬于可燃的材料,部分高分子材料燃燒時發(fā)煙,產生有毒氣體,其防火性比無機材料差;③耐熱性差。高分子材料的耐熱性能普遍較差,如使用溫度偏高會促進其老化,甚至分解;塑料受熱會發(fā)生變形,在使用中要注意其使用溫度的限制。


6.試舉例分析材料加工過程對材料使用性能的影響。[中南大學2007研]

答:材料加工過程對材料使用性能有重要而復雜的影響,材料也必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實用價值的材料來。通過合理和經濟的合成和加工方法,可以不斷創(chuàng)制出許多新材料或改變和精確控制許多傳統(tǒng)材料的成分和結構,可以進一步發(fā)掘和提高材料的性能。

材料的制備/合成和加工不僅賦予材料一定的尺寸和形狀,而且是控制材料成分和結構的必要手段。如鋼材可以通過退火、淬火、回火等熱處理來改變它們內部的結構而達到預期的性能,冷軋硅鋼片經過復雜的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大減少鐵損。


7.歐盟于2006年7月1日開始正式執(zhí)行的RoHS指令(現(xiàn)已成為法令)要求禁止哪些有害物質?其最高允許含量分別是多少?替代有鉛釬料的主要釬料系統(tǒng)有哪些?[清華大學2008研]

答:禁用鉛(Pb,0.1%)、汞(Hg,0.1%)、鎘(Cd,0.01%)、六價鉻多溴聯(lián)苯(PPB, Polybrominated,0.1%)、多溴二苯醚(PBDE, Polybrominated Diphenyl Ether,0.1%)。替代有鉛釬料的主要有:Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-In系統(tǒng)。


8.金屬材料、陶瓷材料及高分子材料各是以何種機制導熱的?

答:金屬材料主要靠自由電子導熱;陶瓷材料主要靠聲子導熱;高分子材料主要靠分子導熱。


9.何謂塑料?何謂橡膠?兩者在室溫時的力學性能有何顯著差別?

答:塑料是室溫下處于玻璃態(tài)的高分子材料,橡膠是室溫下處于高彈態(tài)的高分子材料。室溫下,塑料的硬度較高,脆性較大,彈性較低;而橡膠的硬度較低,脆性較小,彈性較高。


10.試述針對工業(yè)純鋁、Al-5%Cu合金、Al-5%Al2O3復合材料分別可能采用哪些主要的強化機制來進行強化。

答:(1)對工業(yè)純鋁主要的強化機制為加工硬化、細晶強化;

(2)Al-5%Cu合金的強化機制為固溶強化、沉淀強化、加工硬化、細晶強化;

(3)Al-5%Al203復合材料的強化機制為加工硬化、細晶強化、彌散強化。


11.定性比較陶瓷材料、金屬材料、高分子材料的彈性模量的高低,并從材料中結合鍵的角度分析存在差異的原因。

答:(1)三類材料中,陶瓷材料的彈性模量最大,金屬材料的彈性模量次之,高分子材料的彈性模最小。

(2)原因:材料彈性模量的大小取決于材料中結合鍵的強弱。①陶瓷材料由很強的離子鍵或共價鍵結合,故其彈性模量很大;②金屬材料由較弱的金屬鍵結合,故其彈性模量較小;③高分子材料分子鏈中為很強的共價鍵,但分子鏈間由很弱的二次鍵結合,故其彈性模量很小。


12.從材料組織結構對性能影響的角度,定性分析比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料在力學性能方面的差異。

答:在這三類材料中,其力學性能特點分別是:

(1)金屬材料:優(yōu)異的塑性和韌性,較高的強度和硬度,較大的彈性和較高的彈性模量;

(2)陶瓷材料:塑性和韌性幾乎為零,極高的硬度和較低的強度(特別是抗拉強度),極小的彈性和極大的彈性模量;

(3)高分子材料:較高的塑性和韌性,較低的硬度和強度,極大的彈性和極小的彈性模量。

這三類材料在力學性能方面的上述差異,主要是由這三類材料在組織結構方面的特點不同所造成的。

(1)材料的彈性及彈性模量主要取決于材料中原子結合鍵的強弱。其中①陶瓷材料為共價鍵和離子鍵,結合鍵力最強,因此其彈性模量最高但彈性最小;②高分子材料的分子鏈中為很強的共價鍵,但分子鏈之間為很弱的氫鍵和范德華鍵,因此其彈性模量最低但彈性最好;③金屬材料為較強的金屬鍵結合,故其彈性模量和彈性居中。

(2)材料的硬度也主要取決于材料中原子結合鍵的強弱。所以,陶瓷材料有極高的硬度,而高分子材料的硬度很低。

(3)材料的強度既與結合鍵有關也與組織有關。①陶瓷材料雖然有很強的結合鍵,但由于燒結成形中不可避免地形成氣孔或微裂紋,故其強度特別是抗拉強度較低;②高分子材料中很弱的氫鍵和范德華鍵使其強度也較低;③金屬材料中的金屬鍵雖然不是很強,但高的致密度以及高密度的位錯使其具有很高的強度。

(4)材料的塑形與韌性方面,①金屬材料中的自由電子云和容易運動的位錯以及較高的致密度,使其具有良好的塑性和韌性;②陶瓷材料中的位錯不易運動,加之存在氣孔和微裂紋,因而陶瓷材料的塑性和韌性幾乎為零;③高分子材料中很弱的氫鍵和范德華鍵使分子間可以較好地相互滑動,因而有較好的塑性和韌性。


13.任意選擇一種材料,說明其可能的用途和加工過程。

答:如Al-Mg合金。作為一種可加工、不可熱處理強化的結構材料,由于具有良好的焊接性能、優(yōu)良的耐蝕性能和塑性,在飛機、輕質船用結構材料、運輸工業(yè)的承力零件和化工用焊接容器等方面得到了廣泛的應用。

根據(jù)材料使用目的,設計合金成分,考慮燒損等情況進行配料,如A15Mg合金板材,實驗室條件下可在電阻坩堝爐中750℃左右進行合金熔煉,精煉除氣、除渣后720℃金屬型鑄造,430~470℃均勻化退火10~20h后,在380~450℃熱軋,再冷軋至要求厚度,在電阻爐中進行穩(wěn)定化處理,剪切成需要的尺寸或機加工成標準試樣,進行各種組織、性能測試。


14.說說你對材料的成分、組織、工藝與性能之間關系的理解。

答:材料的成分、組織、工藝與性能之間的關系非常緊密,互相影響。材料的性能與它們的化學成分和組織結構密切相關,材料的力學性能往往對結構十分敏感,結構的任何微小變化,都會使性能發(fā)生明顯變化。

如鋼中存在的碳原子對鋼的性能起著關鍵作用,許多金屬材料中一些極微量的合金元素也足以嚴重影響其性能。然而由同一元素碳構成的不同材料如石墨和金剛石,也有著不同的性能,有些高分子的化學成分完全相同而性能卻大不一樣,其原因是它們有著不同的內部結構。

材料的內部結構可分為不同層次,包括原子結構、原子的排列方式,以及顯微組織和結構缺陷。如果同樣的晶體材料,它的晶粒或是“相”的形態(tài)和分布改變,就可以大大地改善它的性能。無論是金屬、陶瓷、半導體、高分子還是復合材料,它們的發(fā)展都與成分和結構密切相關。只有理解和控制材料的結構,才能得到人們所要求的材料性能。

而材料的制備/合成和加工不僅賦予材料一定的尺寸和形狀,而且是控制材料成分和結構的必要手段。如鋼材可以通過退火、淬火、回火等熱處理來改變它們內部的結構而達到預期的性能,冷軋硅鋼片經過復雜的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大減少鐵損。有時候可以說沒有一種合成加工上的新的突破,就沒有某一種新材料。如有了快速冷卻的加工方法,才有了非晶態(tài)的金屬合金。


15.談談你所了解的新材料、新工藝。

答:材料的種類繁多,把那些已經成熟且在工業(yè)中已批量生產并大量應用的材料稱之為傳統(tǒng)材料或基礎材料。而把那些正在發(fā)展,且具有優(yōu)異性能和應用前景的一類材料稱之為先進材料或新材料。

傳統(tǒng)材料通過采用新技術、提高性能可以成為新材料,新材料經過長期生產和應用之后也就成為傳統(tǒng)材料。目前新材料往往與新的加工技術聯(lián)系在一起,如通過一種快速冷卻或機械合金化等加工方法,可以制備非晶態(tài)的金屬合金,而在這之前人們不知道金屬還可以做成非晶態(tài);其他如噴射沉積技術、半固態(tài)加工技術、凈形薄帶連續(xù)鑄造技術等都是新的加工技術。

其中鋁合金制備新技術有:熱頂鑄造、氣隙鑄造及電磁鑄造技術,鋁合金電磁鑄軋技術,大型鋁合金型材擠壓技術,特寬鋁合金中厚板軋制技術,半固態(tài)金屬成形技術,鋁合金顯微組織結構預測及性能控制技術。

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