材料工程基础考试必备

材料工程基础

1.材料科学与材料工程研究的对象有何异同？

材料科学侧重于发现和揭示组成与结构、性能、使用效能，合成与加工等四要素之间的关系，提出新概念、新理论。而材料工程指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题，侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入使用，两者相辅相成。

2.材料的制备技术或方法主要有哪些？

金属：铸造（砂型铸造、特种铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造、消失模铸造），塑性加工（锻造、板料冲压、轧制和挤压、拉拔），热处理，焊接（熔化焊、压力焊、钎焊）

橡胶：塑炼、混炼、压延、压出、硫化五部分

高分子：挤制成型、干压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型

3.如何区分传统材料与先进材料？

传统材料指已经成熟且已经在工业批量生产的材料，如水泥、钢铁，这些材料量大，产值高，涉及面广，是很多支柱产业的基础，先进材料是正在发展，具有优异性能和应用前景的一类材料。二者没有明显界限，传统材料采用新技术，提高技术含量、性能，大幅度增加附加值成为先进材料；先进材料长期生产应用后成为传统材料，传统材料是发展先进材料和高技术基础，先进材料推动传统材料进一步发展。

4.纳米材料与纳米技术的异同？它们对科技发展的作用？

纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米技术：能操作细小到1-100nm物件的一类新发展的高技术。作用：对于高端的技术，如在超导的应用方面，集成电路的发展方面纳米技术有重要作用。

5.简述芯片的主要制备工艺步骤？

步骤如下：1、氧化；2、光刻；3、浸蚀；4、扩散；5、离子注入；

6、互连；

7、封装；

8、装配。

6.简述熔体法生长单晶的特点以及主要方法？

答：特点：液相是均匀的单相熔体，熔点以下不发生相变。方法：提拉法，坩埚下降法，水平区熔法，浮区法，尖端形核法。

7.为什么纤维通常具备高强度、高模量且韧性好的特点？

当纤维材料制成时，拉伸强度变大是因为物体愈小，表面和内部包含一个能导致其脆性断裂的危险裂纹的可能性越小。对高聚物材料，在成纤过程中高分子链沿纤维轴向高度取向，而强度大大减少。

8.简述纤维的主要制备方法？

抽丝：使高聚物熔体或是高聚物溶液通过一个多孔的喷丝头并使之冷却或通过凝固浴凝固形成细丝。

牵挂：将丝轴向拉伸形成纤维。

定型：使合成纤维在某一温度下作极短时间的处理，使纤维具有良好的柔软性和弹性。

9.什么是复合材料？如何设计和制备复合材料？

复合材料：两种或两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体。

如何设计制备：根据组分的性能、形状、分布与取向、组成对比等比复合材料的性能影响规律，设计所需性能充分考虑任意程度及后续加工的可能性，在此基础上进行制备与加工工艺的选择设计。

10.简述复合材料的强韧化机理？

主要有三种：1、弥散增强复合材料：基体-受外来载荷的主要相；

颗粒-体位错成分子链运动，阻碍裂纹的扩展。2、颗粒增强复合材料：基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒-限制颗粒邻近基体运动，阻碍裂纹扩展。3、纤维增强复合材料：基体-传递载荷到增强、保护纤维，组织裂纹扩展，纤维-承受由基体传递来的有效载荷。

材料的液态成形技术

1、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高充型能力？

A、金属的流动性、铸型的性质、浇注条件、铸件结构

B、正确选择合金的成分和采用合理的熔炼工艺

调整铸型的性质

改善浇注条件

合理设计铸件结构

2、铸件的凝固方式有哪些？其主要的影响因素？

A、依据凝固区的宽窄分为逐层凝固、糊状凝固、中间凝固。

B、合金的凝固温度范围铸件凝固期间固液相界面前沿的温度梯度

3、什么是缩松和缩孔？其形成的基本条件和原因是什么？

A、液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称为缩孔；细小而分散的孔洞则称为缩松。

B、缩孔：

形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。产生的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域。

缩松：

形成的基本原因是金属的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。

形成的基本条件是金属的结晶温度范围较宽，呈糊状凝固。

4、常见的特种铸造方法有哪些？各有何特点？

A、金属型铸造：

1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好；

2、铸件精度高，表面粗糙度较低；

3、金属散热性能好，晶粒细化，力学性能好；

4、不透气且无退让性，易造成浇不足或开裂。

5、适于生产大批量有色金属铸件。

B、熔模铸造/失蜡铸造：

1、铸件尺寸精度高，表面光洁；

2、可铸造形状复杂零件；

3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；

4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。

C、压力铸造（卧式压铸、立式压铸、热室压铸）

1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业；

2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；

3、铸件尺寸精度高，表面光洁；

4、凝固速度快，排气困难，易形成缩松和缩孔；

5、模具成本高，铸件尺寸受限；

D、低压铸造

1、充型压力和速度易于控制，气孔、夹渣较少，组织致密，力学性能好；

2、无需冒口设置，金属利用率高；

3、适应性强，金属型、砂型和熔模型均可使用；

4、铸件尺寸精度高，表面光洁；

5、适用于质量要求高的铝、镁等有色金属铸件。

6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。

E、离心铸造

1、离心力改善金属的流动性，提高了充型能力，改

善了补缩条件，缩孔等缺陷减少；

2、简化了中空圆柱形铸件的生产过程；

3、成分偏析严重，尺寸难以控制；

4、内表面质量较差、内孔不准确、加工余量较大；

5、特别适于横截面呈圆柱的铸件生产，如套、环、管、筒、辊和叶轮等，多用于黑色金属及铜合金

F、消失模铸造

1、不分型，不起模，工艺简化，精度提高；

2、能制造形状复杂的铸件和工艺品；

3、冒口可自由设置，不易产生缩孔、缩松等；

4、易产生有害气体，铸件易增碳，表面质量降低；

5、适于生产起模困难，形状复杂的铸件，例如汽车发动机进排气歧管、缸体等。

5、试述铸件产生变形、开裂的原因及其防止措施。

变形：当铸件中存在应力时，会使其处于不稳定状态，如铸造应力超过合金的屈服强度时，则会产生塑性变形，使铸件发生弯曲或扭曲。

裂纹：当铸造应力进一步增大、超过合金的塑性变形极限

（抗拉强度）时，铸件便会开裂。

防止铸件变形、开裂的措施：合理选择合金成分，合理设计铸件结构，调整铸型的性质，改善浇注条件人工方法

6、陶瓷的液态成形方法有哪些？各有何特点？

粉浆浇注:设备简单，不需压力机，石膏模具费用低。但生产周期长，生产率低，且尺寸控制只有中等水平。所以粉浆浇注技术只是粉末成形技术的一种扩充，并不能取代普通的压制成形技术

流延成形：：一种陶瓷基片的专用成型方法，特别适合成型0.2MM--3MM厚度的片状陶瓷制品，生产此类产品具有速度快、自动化程度高、效率高、组织结构均匀、产品质量好等诸多优势。

压模成形：将粉状、片状或颗粒状原料，放在一定温度的模具中闭模加压，使之熔化，充满整个型腔而成形硬化。

注射成形：主要用于热塑性塑料。周期短，生产率高。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。7、聚合物的液态成形方法有哪些？各有何特点？

压模成形：将粉状、片状或颗粒状原料，放在一定温度的模具中闭模加压，使之熔化，充满整个型腔而成形硬化。缺点：周期长，效率低，模具成本高。

传递模成形：优点：(1) 原料在转移过程中接收到相当一部分能量，从而可缩短成形时间；(2) 能确保制品中的金属

嵌件位置正确。

注射成形：主要用于热塑性塑料。周期短，生产率高。能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品。

吹塑成形:又称为中空注模，熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其紧贴模内壁成型而获得中空制品。

材料的固态成形技术

1、金属为什么容易塑性变形？生产塑性变形的本质？

答：金属零件在外力作用下产生不可恢复的永久变形为金属塑性变形。原因：①单晶体：原子的滑移错位。②多晶体（实际使用的金属大多是多晶体）：晶内变形和晶间变形。本质：多晶体的塑性变形是晶内变形和晶间变形的总和。金属塑性变形的实质是晶体内部产生位错滑移的结果。

2、金属常见的塑性成形方法有哪些？

锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔

3、金属的冷变形和热变形是如何区分的？各有何特征？

冷变形：塑性变形温度低于该金属的再结晶温度

特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，产生纤维组织；晶粒间产生碎晶。金属产生加工硬化现象。

热变形：塑性变形温度高于该金属的再结晶温度

特征：经过再结晶组织均匀化，塑性好，消除内部缺陷，形成流线组织。

4、什么是金属的可煅性？其影响因素有哪些？

A、金属的可锻性是表示金属在热状态下经受压力加工时塑性变形的难易程度。

B、(1) 金属的成分：纯金属好于合金，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析、或有共晶组织都会使可锻性变差(3) 加工条件 1) 变形温度：一般随变形温度的升高，可提高金属的可锻性；当温度接近熔点时，会引起过烧，使可锻性急剧降低2) 变形速度：一方面随着变形速度的增加，回复与再结晶过程来不及进行，不能及时消除加工硬化现象，故使塑性降低，变形抗力增大，可锻性变坏。另一方面随着变形速度的增高，产生热效应，使金属的塑性升高，变形力降低，又有利于改善可锻性。3) 应力状态：拉应力成分数量愈多，要求材料塑性愈好；压应力成分数量愈多，可降低对材料塑性的要求。

5、挤压成形方法的分类、工艺特点以及主要的工艺参数？

A、正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压

B、1、挤压时金属坯料在三向受压状态变形，因此可提高金属坯料的塑性变形能力；

2、生产灵活性大，可挤各种形状复杂、深孔、薄壁、异型断面的零件；

3、零件精度高、表面粗糙度低；

4、挤压件内部的纤维组织提高了力学性能；

5、制品在断面上和长度上组织性能不够均一；

6、工具消耗较大。

C、挤压温度、挤压速度、变形程度

6、聚合物的塑性成形方法有哪些？各有何特点？

答：热固性聚合物：压模、浇注、注射；热塑性聚合物：挤压、真空成形、吹塑成形。

7、陶瓷的塑性成形方法有哪些？与金属和聚合物比的特点？

答：挤制成形，轧膜成形。陶瓷硬而脆，不适合塑性成，而金属和聚合物可以。

材料的粉末成形技术

1、粉末冶金工艺有何特点？其主要的工艺过程包括？

A、1、粉末冶金能够制备普通熔铸法无法生产的具有特殊性能的材料2、采用粉末冶金制备的材料，其性能较熔铸产品优越3、粉末冶金制品表面光洁度高，尺寸精确，是一种少切削、无切削的新工艺，可节约大量的人力和物力。4、不足之处：粉末本身的成本较高，制品的大小和形状受到一定的限制；零件的力学性能较锻件或铸件要低。

B、粉末的制备、粉末的成形、烧结、烧结后的处理

2、粉体物理制备方法主要有哪些？

雾化法：双流雾化法、离心雾化法、真空雾化法、机械作用力雾化法、特殊雾化法：多级雾化、固体雾化物理蒸发冷凝/物理气相沉积(PVD)法

3、雾化制粉的方法有哪些？

雾化法：双流雾化法、离心雾化法、真空雾化法、机械作用力雾化法、特殊雾化法：多级雾化、固体雾化

4、粉末的化学制备方法有哪些？

液相沉淀法、化学气相沉积法（CVD）、还原反应法、电化学法

5、粉末的成形工艺性能取决于粉末的哪些特性？

松装密度、流动性、压制性

6、粉末的成形方法主要有哪些？如何获得结构均匀致密的成形坯体？

A、压力成形：模压成形、等静压成形

增塑成形：挤压成形、注射成形

料浆成形：注浆成形、热压铸成、形流延成形

B、措施：适当加压。

7、粉体为什么能烧结？烧结的推动力是什么？

A、通常是在高温作用下粉末成形体（坯体）表面积减小、气孔率降低、颗粒间接触面积增大、致密度和强度提高的致密化过程。

B、粉体的表面能降低和系统自由能降低

8、烧结方法主要有哪些？如何促进致密化烧结？

A、常压烧结、热压/热等静压烧结、活化烧结、真空烧结、反应烧结，方法：固、液、气相烧结。

B、促进措施：①提高烧结温度越高；延长保温时间，但长时保温易出现晶粒长大现象。③采用更小颗粒的粉末；④对粉末进行改性，提高其活化能等。

9、陶瓷烧结与金属的烧结有何异同？

①原理不同；②压制区别：金属粉末压制得到的坏块的密度

普遍比无机密度大；③陶瓷只能液相烧结，烧结时粘接剂挥发，留下孔洞，一般采用加压烧结；金属可以固相，液相或固液烧结。④烧结气氛：金属需要真空或氢气气氛，陶瓷不需要⑤金属烧结后需要抛光，陶瓷烧结后需要施釉。

材料的连接工艺

1、简述金属的可焊性及其影响因素。

A、指金属材料在一定的工艺条件下形成具有一定使用性能的焊接接头的能力。

B、 1、母材和焊接材料

2、焊接工艺

3、焊接接头的结构

4、服役条件

2、简述焊接接头的组织和性能。

1——焊缝区（熔化区）

2——熔合区（半熔化区）

3——热影响区

4——母材

3、焊接缺陷主要有哪些？其形成的原因？

答：①焊瘤。焊条熔化太快；电弧过长；电流过大；焊速过慢；运条不当②夹渣。施焊中焊条未搅拌熔池，焊件不洁，电流过小，分层焊时，各层渣未除去③裂纹。焊件中含氮硫磷高，焊接结构设计不合理；焊接程序不当；焊缝冷却太快，应力过在；存在咬边气泡夹渣；未焊透④气孔。焊件不洁，焊条潮湿电弧过长；电流过大；焊速过快，焊件含碳高⑤咬边。电流过大，焊接角度不对，运条不当，电弧过长⑥未焊透。装配间隙过大，坡口开的太小，钝边太大，电流过大，焊速过快，焊条为对准焊缝；焊件不洁。

4、简述钎焊的工艺特点及常用的钎焊材料

A、⑴钎焊加热温度较低，接头光滑平整，组织和机械性能变化小，变形小，工件尺寸精确。

⑵可焊异种金属，也可焊异种材料，且对工件厚度差无严格限制。

⑶有些钎焊方法可同时焊多焊件、多接头，生产率很高。

⑷钎焊设备简单，生产投资费用少。

⑸接头强度低，耐热性差，且焊前清整要求严格，价格较贵。

B、软钎焊（锡、铅基钎料）、硬钎焊（铜、银基钎料）

材料的表面处理工艺

1、热喷涂的方法主要有哪些？各有何特点？

火焰喷涂：：①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。

电弧喷涂：长效防腐复合涂层对钢铁基体的防腐原理是物理屏蔽和阴极保护联合作用，封闭涂层的主要作用是物理隔离各种腐蚀介质对金属喷涂层和钢铁基体的侵蚀，电弧喷涂金属涂层对钢铁基体提供牺牲自己保护钢铁的阴极保护作用。喷锌或铝后封闭处理所形成的复合涂层，其耐蚀性比喷锌或铝涂层和封闭涂层两者单独耐蚀寿命值之和要高出50~130%。这种效应被称为最佳协同效应

等离子喷涂：：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

2、简述电镀和化学镀的异同。

1）化学镀与电镀从原理上的区别就是电镀需要外加的电流和阳极，而化学镀是依靠在金属表面所发生的自催化反应。

2）化学镀镍层是极为均匀的，只要镀液能浸泡得到，溶质交换充分，镀层就会非常均匀，几乎可以达到仿形的效果。电镀无法对一些形状复杂的工件进行全表面施镀，但化学镀过以对任何形状工件施镀。

3）高磷的化学镀镍层为非晶态，镀层表面没有任何晶体间隙，而电镀层为典型的晶态镀层。

4）电镀因为有外加的电流，所以镀速要比化学镀快得我，同等厚度的镀层电镀要比化学镀提前完成。

5）化学镀层的结合力要普遍高于电镀层。

6）化学镀由于大部分使用食品级的添加剂，不使用诸如氰化物等有害物质，所以化学镀比电镀要环保一些。

7）化学镀目前市场上只有纯镍磷合金的一种颜色，而电镀可以实现很多色彩。

3、简述对金属表面进行渗碳或渗氮的作用。

提高表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性及塑性。

4、三束表面改性技术的定义，特点和局限性

A、将具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)，施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，获得特殊表面性能。高能量密度能源通常指离子束、激光束、电子束。

B、①激光束能量密度大，极高的加热和冷却速度，可在材料表面制得微晶、非晶及一些奇特的、热平衡相图上不存在的亚稳合金（非平衡相），赋予材料表面以特殊性能。

②利用离子束注入技术，可把异类原子直接引入表面层进行表面合金化，引入原子种类和数量不受任何常规合金化热力学条件的限制。

③三束表面处理，由于加热速度极快，基材的整体温度在加热过程中可以不受影响。

C、局限性：处理效果与材料表面的反射率、密度和导热系数等密切相关，对表面反射率高的材料，激光能量不能充分被吸收；激光本身是转换效率低的能源；设备费用较贵，成本高；处理效率低，不适宜大面积处理等等。

材料的热处理工艺

1、金属材料的主要强化方式有哪些？

固溶强化、细晶强化、加工硬化、时效强化、第二相强化、复合强化

2、对钢进行退火的方法有哪些？

完全退火、不完全退火(球化退火)、扩散退火、再结晶

退火去、应力退火

3、什么是钢的淬硬性和淬透性？

淬硬性：表示钢能够淬硬的程度，用钢在正常淬火条件下能达到的最高硬度表示。淬硬性主要取决于碳含量。

淬透性：指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力。淬透层的深度是从表面至半马氏体层（50%马氏体+50%屈氏体）的深度。钢的淬透性取决于其化学成分和临界冷却速度Vk。

4、合金产生时效强化的条件是什么？如何进行时效强化？答：条件：固溶体的固溶度随温度降低而减少，还与强化相的结构与特性有关。方法：①固溶处理;②淬火;③时效,时效温度：固溶温度的15%-25%。