第10章材料概论
一、选择题
在金属、陶瓷和高分子中最易结晶的是（）。[上海交通大学2007研]
A．高分子
B．陶瓷
C．金属一般考研真题是从哪里
【答案】C
二、填空题
1．按照材料的化学组成，可以将材料分为______，______，______和______四大类。[华中科技大学2007研]
【答案】金属材料；无机非金属材料；高分子材料；复合材料
2．细化晶粒不但可以提高材料的______，同时还可以改善材料的______和______。[沈阳大学2009研]
【答案】强度；塑性；韧性
三、简答题
1．试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。[西北大学2006研]
答：金属材料：主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。陶瓷材料：以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。高分子材料：分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主。复合材料：是以上三中基本材料的人工复合物，结合键种类繁
多，性能差异很大。
2．何谓塑料？何谓橡胶？两者在室温时的力学性能有何显著差别？[西安交通大学2008研]
答：塑料是室温下处于玻璃态的高分子材料，橡胶是室温下处于高弹态的高分子材料。室温下，塑料的硬度较高，脆性较大，弹性较低；而橡胶的硬度较低，脆性较小，弹性较高。
3．何谓陶瓷？从组织结构的角度解释其主要性能特点。[西安交通大学2008研]
答：陶瓷是指以共价键或离子键为主，以具有高硬度高脆性的特殊氧化物、碳化物、氮化物等化合物为主要组成相的一类材料。由于这些化合物中的结合键以共价键或离子键为主，键合力很强，故陶瓷材料的熔点高，硬度高，抗氧化、耐腐蚀，高温强度高；但由于烧结后陶瓷材料中存在气孔或微裂纹，故陶瓷材料的脆性大，强度低。
4．谈谈你对高强度材料的理解。[中南大学2007研]
答：对于结构材料，最重要的性能指标之一是强度。强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，提高材料的强度可以节约材料，降低成本。人们在利用材料的力学性能时，总是希望所使用的材料具有足够的强度，人们希望合理运用和发展材料强化方法，从而挖掘材料性能潜力的基础。
从理论上讲，提高金属材料强度有两条途径：
（1）完全消除内部的位错和其他缺陷，使它的强度接近于理论强度。目前虽然能够制出无位错的高强度金属晶须，但实际应用它还存在困难，因为这样获得的高强度是不稳定的，对操作效应和表面情况非
常敏感，而且位错一旦产生后，强度就大大下降。
（2）在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动，例如金属材料的强化手段一般有固溶强化、细晶强化、第二相粒子强化、形变强化等。综合运用这些强化手段，也可以从另一方面接近理论强度，例如在铁和钛中可以达到理论强度的38％。
5．金属材料、陶瓷材料及高分子材料各是以何种机制导热的? [西安交通大学2003研] 答：金属材料主要靠自由电子导热；陶瓷材料主要靠声子导热；高分子材料主要靠分子导热。
6．假如从试验得到如图10-1所示的高聚物形变-温度曲线，请问它们各主要适合做什么材料（如塑料、橡胶、纤维等）？为什么？[南京航空航天大学2008研]
图10-1
答：（a）适合做塑料，由于其室温为玻璃态，玻璃化温度Tg远高于室温；（b）适合做橡胶，由于室温为高弹态，而且高弹区很宽。
7．分别论述金属材料、陶瓷材料和高分子材料的优缺点。[南京理工大学2008、2009研]
答：（1）金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
纯金属一般具有良好的塑性，但很难满足工程技术多方面的需要，因此金属材料常以合金的形式适用。常用金属材料有：钢、铸铁、铝、铜等。
金属材料的优点：①较好的机械性能，易加工成型。金属材料具有较好的机械性能，在强度、塑性、硬
度、韧性即疲劳强度等综合性能较好，常用于各种机械零件；②导电性强，导热性好。金属一般都是电、热的良导体，所以工业上常用铜、铝及其合金作为导电材料；一些散热器和热交换器的零件也常用铜铝等制造；③金属储量大，品种多，有多种特异性质，如良好的延展性、磁性、高熔点、高密度等。
不易运输。
（2）陶瓷是由粉末原料成型后在高温作用下硬化而成的制品，是多晶、多相（晶相、玻璃相和气相）的聚集体。陶瓷的组织结构非常复杂，各个相组成、结构、数量、几何形状及分布状况都能影响陶瓷的性能。结合键主要是金属键和共价键，大多数是两者的混合键。
陶瓷的优缺点：陶瓷具有优良的物理、化学性能，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。功能陶瓷由于具有压电、铁电、声光、电磁、生物化学的功能而得到广泛应有，结构陶瓷则由于具有很高的熔点和强度，而且化学稳定性好，因而被用于结构材料，特别是高温结构材料。然而，陶瓷的塑性变形能力差，易发生脆性破坏；同时加工性能差，不易加工。
（3）高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。
高分子材料是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、胶黏剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。
高分子材料的优点：①质轻，密度低。如大多塑料密度在0.9~2.2g/cm3之间，平均为1.45g/cm3，约为钢的1/5；②力学性能好。常温下大部分有机高分子材料的韧性良好，其中有许多强度较高，有些变形能力很强，使其在工程的某些部位可取代脆性很强的材料；③导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02~0.046W/(m·K)，约为金属的l/1500，混凝土的1/40，砖的l/20，是理想的绝热材料；④化学稳定性和耐水性、耐腐蚀性好。一般塑料对酸、碱、盐及油脂均有较好的耐腐蚀能力。其中最为稳定的聚四氟乙烯，仅能与熔融的碱金属反应，与其他化学物品均不起作用；⑤优良的加工性能和功能的可设计性强；⑥一般的高分子材料电绝缘性好。
高分子材料的缺点：①易老化。塑料、橡胶、有机涂料和有机胶黏剂都会出现易老化，如失去弹性、出现裂纹、变硬、变脆或变软、发动等，失去原有的使用功能的现象；②可燃性及毒性。高分子材料一般属于可燃的材料，部分高分子材料燃烧时发烟，产生有毒气体，其防火性比无机材料差；③耐热性差。高分子材料的耐热性能普遍较差，如使用温度偏高会促进其老化，甚至分解；塑料受热会发生变形，在使用中要注意其使用温度的限制。
8．试述针对工业纯铝、Al-5％Cu合金、Al-5％Al2O3复合材料分别可能采用哪些主要的强化机制来进行强化。[中南大学2004研]
答：（1）对工业纯铝主要的强化机制为加工硬化、细晶强化；
（2）Al-5％Cu合金的强化机制为固溶强化、沉淀强化、加工硬化、细晶强化；
（3）Al-5％Al203复合材料的强化机制为加工硬化、细晶强化、弥散强化。
9．定性比较陶瓷材料、金属材料、高分子材料的弹性模量的高低，并从材料中结合键的角度分析存在差异的原因。[西安交通大学2006研]
答：（1）三类材料中，陶瓷材料的弹性模量最大，金属材料的弹性模量次之，高分子材料的弹性模最小。
（2）原因：材料弹性模量的大小取决于材料中结合键的强弱。①陶瓷材料由很强的离子键或共价键结合，故其弹性模量很大；②金属材料由较弱的金属键结合，故其弹性模量较小；③高分子材料分子链中为很强的共价键，但分子链间由很弱的二次键结合，故其弹性模量很小。
10、从材料组织结构对性能影响的角度，定性分析比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在力学性能方面的差异。[西安交通大学2007研]
答：在这三类材料中，其力学性能特点分别是：
（1）金属材料：优异的塑性和韧性，较高的强度和硬度，较大的弹性和较高的弹性模量；
（2）陶瓷材料：塑性和韧性几乎为零，极高的硬度和较低的强度（特别是抗拉强度），极小的弹性和极大的弹性模量；
（3）高分子材料：较高的塑性和韧性，较低的硬度和强度，极大的弹性和极小的弹性模量。
这三类材料在力学性能方面的上述差异，主要是由这三类材料在组织结构方面的特点不同所造成的。
（1）材料的弹性及弹性模量主要取决于材料中原子结合键的强弱。其中①陶瓷材料为共价键和离子键，结合键力最强，因此其弹性模量最高但弹性最小；②高分子材料的分子链
中为很强的共价键，但分子链之间为很弱的氢键和范德华键，因此其弹性模量最低但弹性最好；③金属材料为较强的金属键结合，故其弹性模量和弹性居中。
（2）材料的硬度也主要取决于材料中原子结合键的强弱。所以，陶瓷材料有极高的硬度，而高分子材
料的硬度很低。
（3）材料的强度既与结合键有关也与组织有关。①陶瓷材料虽然有很强的结合键，但由于烧结成形中不可避免地形成气孔或微裂纹，故其强度特别是抗拉强度较低；②高分子材料中很弱的氢键和范德华键使其强度也较低；③金属材料中的金属键虽然不是很强，但高的致密度以及高密度的位错使其具有很高的强度。
（4）材料的塑形与韧性方面，①金属材料中的自由电子云和容易运动的位错以及较高的致密度，使其具有良好的塑性和韧性；②陶瓷材料中的位错不易运动，加之存在气孔和微裂纹，因而陶瓷材料的塑性和韧性几乎为零；③高分子材料中很弱的氢键和范德华键使分子间可以较好地相互滑动，因而有较好的塑性和韧性。