材料科学与工程的四个基本要素
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
1.3组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素: 材料科学与工程的四个基本要素: 合成与加工, 组成与结构, 性质, 使用性能. 探索这四 合成与加工 , 组成与结构 , 性质 , 使用性能 . 个要素之间的关系(图 0.2), 覆盖从基础学科到工程的全部 个要素之间的关系 图 , 内容.四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这 内容 . 一领域,确定了材料科学基础课程的教学线索. 一领域,确定了材料科学基础课程的教学线索.
组成-结构 性质-工艺过程之间 图0.2组成 结构 性质 工艺过程之间 组成 结构-性质 关系示意图
使用性能
组物理学) 合成与制备过程
材料的性质是指材料对电, 材料的性质是指材料对电,磁,光,热,机械载荷的反 性质是指材料对电 应,主要决定于材料的组成与结构. 主要决定于材料的组成与结构. 使用性能是材料在使用状态下表现的行为, 使用性能是材料在使用状态下表现的行为,它与材料设 是材料在使用状态下表现的行为 工程环境密切相关.实用性能包括可靠性,耐用性, 计 , 工程环境密切相关 . 实用性能包括可靠性, 耐用性 , 寿 命预测及延寿措施等. 命预测及延寿措施等. 合成与制备过程包括传统的冶炼,铸锭,制粉, 合成与制备过程包括传统的冶炼,铸锭,制粉,压力加 过程包括传统的冶炼 工,焊接等,也包括新发展的真空溅射,气相沉积等新工艺, 焊接等,也包括新发展的真空溅射,气相沉积等新工艺, 使人工合成材料如超晶格,薄膜材料成为可能. 使人工合成材料如超晶格,薄膜材料成为可能.
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支撑材料发展的4个要素
支撑材料发展的4个要素
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。
上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。
材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。
抓住了这四个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。
而各种材料，其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。
如果我们这样去认识，则许多长期困扰科技工作者的问题都将迎刃而解。
材料科学与工程四要素之间的关系
材料科学与工程四要素之间的关系英文回答：Materials science and engineering (MSE) encompasses the design, development, and application of materials for a wide range of industries. It involves the study of the structure, properties, and behavior of materials, and how these factors influence their performance in specific applications. MSE is a multidisciplinary field that draws on knowledge from chemistry, physics, mathematics, and engineering.The four elements of MSE are:1. Materials Characterization: This involves using a variety of techniques to determine the structure, composition, and properties of materials. Characterization techniques can be used to identify different phases, defects, and impurities in materials, as well as to measure their mechanical, electrical, thermal, and opticalproperties.2. Materials Processing: This involves the techniques used to produce materials with specific properties. Processing techniques can include casting, forging, rolling, heat treatment, and chemical vapor deposition.3. Materials Design: This involves using knowledge of the structure and properties of materials to design new materials with specific properties. Design techniques can include alloying, doping, and composite materials.4. Materials Applications: This involves usingmaterials in a variety of applications, such as in electronics, energy, transportation, and medicine. Applications engineers must consider the specific requirements of each application when selecting materials.The four elements of MSE are closely interrelated. For example, the characterization of a material's propertiescan inform the design of a new material with improved properties. Similarly, the processing of a material canaffect its structure and properties, which in turn can affect its performance in a specific application.MSE is a rapidly growing field, driven by the need for new materials with improved properties for a wide range of applications. MSE research is focused on developing new materials that are stronger, lighter, more durable, more efficient, and more sustainable.中文回答：材料科学与工程（MSE）涵盖了为广泛的行业设计、开发和应用材料。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构和制备工艺的学科，它是现代工程技术的重要基础。
在材料科学与工程中，有四个重要的要素，它们分别是材料的结构、性能、加工工艺和应用。
这四个要素相互联系、相互影响，构成了材料科学与工程的核心内容。
首先，材料的结构是材料科学与工程的基础。
材料的结构包括原子、晶体、晶粒、晶界、晶粒内部的位错等。
不同的材料结构决定了材料的性能，如金属材料的晶粒大小和形状决定了其力学性能，陶瓷材料的晶粒尺寸和分布决定了其导热性能等。
因此，理解和控制材料的结构对于材料的性能和加工具有重要意义。
其次，材料的性能是材料科学与工程的核心内容之一。
材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、热学性能等。
不同的材料具有不同的性能，如金属材料具有良好的导电性和导热性，陶瓷材料具有良好的耐高温性和耐腐蚀性等。
因此，理解和控制材料的性能对于材料的应用具有重要意义。
再次，材料的加工工艺是材料科学与工程的重要组成部分。
材料的加工工艺包括原料的提取、材料的制备、材料的成型、材料的热处理等。
不同的加工工艺会对材料的结构和性能产生重要影响，如金属材料的热处理会改变其晶粒的尺寸和分布，陶瓷材料的成型工艺会影响其力学性能等。
因此，理解和控制材料的加工工艺对于材料的性能和应用具有重要意义。
最后，材料的应用是材料科学与工程的最终目的。
材料的应用包括材料在工程、制造、生活等方面的应用。
不同的材料具有不同的应用领域，如金属材料广泛应用于汽车、航空、建筑等领域，陶瓷材料广泛应用于电子、化工、医药等领域。
因此，理解和控制材料的应用对于推动工程技术的发展具有重要意义。
综上所述，材料科学与工程的四要素，即材料的结构、性能、加工工艺和应用，相互联系、相互影响，共同构成了材料科学与工程的核心内容。
只有深入理解和掌握这四个要素，才能推动材料科学与工程的发展，促进工程技术的进步。
材料科学与工程的四个基本要素资料
重要性
随着科技的不断发展，新材料的需求和应用越来越广泛，如航空航天、能源、医 疗等领域。
材料科学与工程的发展对于推动科技进步和满足人类需求具有重要意义，是现代 工业和科技发展的重要支柱之一。
02
材料科学与工程的四个基 本要素
结构
1 2
结构决定性质
材料的内部原子或分子的排列方式决定了其物理 和化学性质。例如，金属的晶格结构决定了其导 电性和延展性。
03
材料科学与工程的发展趋 势
高性能材料
高性能材料是指具有优异性能的材料，通常具 有高强度、高硬度、高耐热性等特点，广泛应 用于航空航天、汽车、能源等领域。
高性能材料的研发和应用对于提高产品性能、 降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。
当前，高性能材料的研发正朝着复合化、多功 能化的方向发展，如碳纤维复合材料、钛合金 等。
相与晶体结构
材料可以由一种或多种相组成，相与相之间的界 面结构和性质对材料的整体性能有重要影响。
3
非晶体与晶体
非晶体材料如玻璃和陶瓷，其原子或分子无序排 列，而晶体材料则有序排列，两者在性质上有显 著差异。
性质
物理性质
如密度、电导率、热导率、磁导率等，这些性质 决定了材料在特定应用中的性能。
化学性质
对未来的展望
可持续发展
01
随着环保意识的提高，未来材料科学与工程将更加注重可持续
发展和绿色制造。
新材料与新技术的研发
02
未来将不断涌现出新型材料和制造技术，为各领域的发展提供
更多可能性。
智能化与复合化
03
材料科学与工程将与信息技术、生物技术等交叉融合，实现材
料的智能化和复合化。
THANKS
0208-材料科学与工程学科的“四要素”
0208-材料科学与⼯程学科的“四要素”材料科学与⼯程学科的“四要素”------兼顾说明组织、结构的认识邓安华认为，组织、结构是两个不同的概念。
陈明彪提到了在英语著述中，组织、结构的表述使⽤了同⼀个词：structure (结构)；并且分别从组成材料的原⼦结构( structure 或architecture)、原⼦排列结构、晶粒及晶界结构组成相及其结构进⾏表述。
这显然不够简明，⽽且不如中⽂著作中使⽤“结构”(指原⼦结构或原⼦的组合结构)和“组织”(指材料组织状态)这两个不等同的概念更⽅便和合乎逻辑。
这⾥，两位特别关注了“组织、结构”的专业⼈⼠认为组织、结构是不同的；但是，⼀个认为是“不同的概念”，⼀个认为是在使⽤过程中“更⽅便和合乎逻辑”。
这两个认识虽然都认可了“组织”、“结构”的中⽂提法，但是，却是本质上的不同，⽽不是“细节上有所差异”。
我个⼈倾向于陈明彪的认识，只是需要明确的是：组织、结构在这⾥是⼀回事；之所以在不同的地⽅使⽤“组织”或者“结构”，确实是与观察的对象的尺度范围有关。
当跨越原⼦级别后，更多的采⽤“结构”的说法。
对于这⼀概念的认识，我个⼈的来源是源于⼯作中的⼀位同事兼导师。
他曾经问过我⼀个问题：我们平时总说的“⾦相组织”到底是什么？电镜观察的事物是不是“⾦相组织”？最初，我有些懵，感觉有些不好回答。
我的导师最后说明：从本质上讲，所观察到的都可以称之为“组织”；仅仅因为技术⼿段不同，分辨能⼒、表述形式上有所差异。
在《Introduction to Structures in Metals》（Metallography and Microstructures, Vol 9, ASM Handbook, ASM International, 2004, p. 23–28）中对于structure (结构)的表述，也体现了这⼀内涵。
英语著述中的structure (结构)，涵盖了整个实际、可能的从宏观、到现有技术⼿段可以达到的最微⼩的尺度范围内的。
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
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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？4．材料改性的目的和内容是什么？第四部分论述题（2题共30分，每题15分）1．材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？它们使用于哪些范围？2．加工与合成的定义和主要内容是什么？以及它们的关系是什么？发展方向是什么？作业二第一部分填空题（10题共10分，每题1分）1．材料的物理性质表述为、磁学性质、和热学性质。
2．材料的硬度表征为、洛氏硬度和维氏硬度等。
3．材料的化学性质主要表现为和。
4．、熔炼与凝固、粉末烧结和是四种主要的材料制备方法。
5．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：液态成型、和流变成型。
6．金属材料的改性包括以及材料的热处理7．典型热处理工艺有、退火、回火和正火。
第二部分选择题（5题共10分，每题2分）1．分析材料的相组成你会选取何种测试手段（）A 扫描电镜 B透射电镜 C 红外吸收光谱2．分析各相之间的位相关系选取何种测试手段（）A红外吸收光谱 B X射线衍射 C 扫描电镜3．进行断口形貌观察最好用何种仪器（）A 扫描电镜 B透射电镜 C X射线衍射 D 红外吸收光谱4．观察原子结构采用何种仪器（）A光学显微镜 B隧道扫描线微镜 C 扫描电镜 D 红外吸收光谱５．下列仪器中分辨率最高的是（）A 体式显微镜 B光学显微镜 C 隧道扫描线微镜 D 电子扫描显微镜第三部分判断题（10题共10分，每题1分）1．材料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。
（）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（）3．韧性指材料从塑性变形到断裂全过程中吸收的能量。
（）4．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。
（）5．准晶体的特点是原子排列长程有序，有周期。
（）6．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。
（）7．热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的组织组成的情况，达到改变材料性能的方法。
（）8．淬火通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。
（）9．正火是在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，降低韧性。
（）10．材料表面工程有：表面改性、表面防护和薄膜技术。
（）第四部分简答题（4题共40分，每题10分）1．从事材料工程的人们为什么必须注重材料性能数据库。
2．什么是材料的组织组成。
3．“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。
表现在哪三个方面。
4．新型材料设计的内容。
第五部分论述题（2题共30分，每题15分）1．材料科学与工程的四要素是什么，它们之间的关系如何？2．你认为材料工作者需要具备什么样的条件？你认为哪些方面是新技术新材料的代表？一、名词解释（6题共30分，每题5分）(1).晶体：(2).硬度：(3).疲劳强度：(4).材料组织：(5).韧性：(6).材料的“合金化”：二、填空题（10个空共10分，每空1分）(1).固体中的结合键可以分为（）种，它们是（）、离子键、（）、共价键。
(2).共晶反应式为：( )，共晶反应的特点为：()。
(3).材料力学性能的硬度表征：布氏硬度、()、维氏硬度等。
(4).马氏体的显微组织形态主要有：（）、（）两种。
其中（）的韧性较好(5).液态金属结晶时，结晶过程的推动力是：（）。
三、是非题（5题共10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).一个合金的室温组织为α+βⅡ+（α+β），它由三相组成。
(3).三束表面改性是指：激光束、电子束、离子束(4).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。
(5).不论含碳量的高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。
）四、选择题（5题共10分，每题2分）(1).决定晶体结构和性能最本质的因素是：a. 原子间的结合能 b.原子间的距离 c.原子的大小。
(2).固溶体的晶体结构： a.与溶剂相同b.与溶质相同.c.为其它晶型(3).材料的刚度和有关：a.弹性模量 b屈服强度 c抗拉强度(4).间隙相的性能特点是：a.熔点高，硬度低；b 硬度高，熔点低c 硬度高、熔点高(5).珠光体是一种：a.单相固溶体 b 两相混合物 c. Fe和C的化合物五、简答题（4题共20分，每题5分）(1).何为粉末烧结？影响烧结的因素有哪些？(2).简述纤维增强复合材料的机理。
(3).简述从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库。
(4).简述材料设计的主要内容六、综合分析题（2题共20分，每题10分）(1).材料的四大要素是什么？叙述材料四大要素之间的关系。
(2).试述材料的强韧化的主要方法及其各自原理。
一、名词解释（6题共30分，每题5分）(1).塑性：(2).刚度：(3).抗蠕变性：(4).马氏体：(5).断裂韧性：(6).材料的热处理：二、填空题（10个空共10分，每空1分）(1).材料的物理性质主要包括：( )、磁学性质、( )、热学性质等(2).三类主要的材料力学失效形式：( )、( )、腐蚀。
(3).材料物理性能的电学性能表征有：（）、（）、介电常数等。
(4).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：（）、（）、流变成型。
(5).三束表面改性是指：（）、（）、离子束等。
三、是非题（5题共10分，每题2分）(1).结构材料是指工程上要求机械性能的材料。
（）(2).表面淬火既能改变钢的表面化学成分，也能改善心部的组织和性能。
（）(3).材料的加工与合成主要内容包括材料制备、材料加工、表面工程、材料复合。
（）(4).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和化学气相沉积CVD。
（）(5).合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。
（）四、选择题（5题共10分，每题2分）(1).晶体中的位错属于：a.体缺陷.b面缺陷.c.线缺陷（）(2).奥氏体是：a.碳在γ-Fe中的间隙固溶体；b. 碳在α-Fe中的间隙固溶体c. 碳在β-Fe中的间隙固溶体（）(3).在发生L→α+β共晶反应时，三相的成分：a. 确定b.相同c.不定（）(4).设计纤维复合材料时，对于韧性较低的基体，纤维的膨胀系数可（）；对于塑性较好的基体，纤维的膨胀系数可（）a.略低 b相差很大 c略高 d相同五、简答题（4题共20分，每题5分）(1).何为复合材料？简述材料复合的目的。
(2).简述性质与性能的关系和区别。
(3).简述材料的加工的主要范畴(4).简述材料改性的目的以及其主要内容六、综合分析题（2题共20分，每题10分）(1).材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？(2).试述材料热处理的常见工艺及其目的。