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材料科学与工程前沿


一、材料的分类:
1、物理性能分类:热、光、电、磁材料 2、材料按用途可分为结构材料和功能材料。 3、化学属性分类 按组成物质的化学属性,习惯上将材料分为: 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料(合成材料)、复合材料四大类。 金属材料分类:1 . 传统金属材料 (黑色金属、有色金属)2 . 新型金属材料 无机非金属材料:陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种 新型高分子材料

:1、生物高分子材料 2、吸水高分子材料 3、导电高分子材料 4、光电导高分子材料 复合材料:1 纤维(或晶须)增强或补强型复合材料 2 第二相颗粒弥散复合材料 3 功能梯度复合材料 其他材料:半导体材料、超导材料

二、汽车轻量化过程中金属材料应用的趋势?
以下发展 一、有色合金增加 以乘用车来说,1973 年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为 5.0%,1980 年增至 5.6%,而 1997 年则达到了 9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。 1) 铝合金 铝的密度约为钢的 1/3, 是应用最广泛的轻量化材料。 以美国生产的汽车产品为例, 1976 年每车用铝合金仅 39kg, 1982 年达到 62kg,而 1998 年则达到了 100kg。 2)镁合金 镁的密度约为铝的 2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性 能好,很适合制造汽车零件。 3)钛合金 钛的密度为 4.5g/cm3,具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵,至今只见在赛车和 个别豪华车上少量应用。 二、钢铁材料的轻量化举措 钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势,通过高强度化和有效的强化措 施可充分发挥其强度潜力,以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。 1 高强度钢板 研究成果表明,车身钢板的 90%使用现已大量生产的高强度钢板(包括高强度、超高强度和夹层减重 钢板) ,可以在不增加成本的前提下实现车身降重 25%(以 4 门轿车为参照) ,且静态扭转刚度提高 80%,静态弯曲刚度提高 52%,第一车身结构模量提高 58%,满足全部碰撞法规要求。 2 结构钢 高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化,有助于汽车的轻量化。 3 高强度铸铁 铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点,在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在 汽车上的应用出现了新亮点。 三、粉末冶金材料 与常规的锻钢件或铸铁件相比,可降重 25%~30%。

三、何为医用生物材料?生物医用材料的分类?举例说明生物医用材料的应用。
生物材料即生物医学材料指以医疗为目的的用于组织接触以形成功能无生命的材料。 性能要求:1 具备生物相容性(血液相容性、组织相容性、生物降解吸收性)2 具备效果显示功能(可检查、诊断疾病; 可辅助治疗疾病;可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求;具备支持活体,保护软组织,脑和内脏的功能等; 具备可改变药物吸收途径,控制药物释放速度、部位,并满足疾病治疗要求的功能。 ) 生物惰性材料;生物活性材料;生物降解和吸收材料; 生物医用金属材料:不锈钢,钴基合金,钛基合金; 生物医用高分子材料:天然的多肽类,蛋白类,合成的聚氨酯,聚乙烯,聚乳酸,聚四氟乙烯等; 生物医用陶瓷材料;生物医用复合材料;生物衍生材料。 人工髋关节的结构 1.臼杯:通常是用钛合金或钴铬钼合金制造,植入骨盆腔的髋臼内。 2.衬垫:包括有聚乙烯、陶瓷、金属等,以做为关节的介面。

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3.球头:接合在股骨柄上,和衬垫做关节介面来活动。一般用陶瓷或金属材料制成

四、镁合金作为生物医用材料有哪些优势,其应用面临着哪些挑战?
镁及镁合金具有的主要优势 优良的生物相容性——1、镁是人体所必需的微量元素之一 2、 镁参与体内一系列新陈代谢过程和生命活动 良好的力学性能—— 镁与镁合金的密度为 1.7 g/cm3 左右,与人骨的密质骨密度 1.75 g/cm3 极为相近;镁合金的比强度 与比刚度较高,且加工性能良好;与人体骨弹性模量差异较小。 可降解性能—— 利用镁及其合金不耐腐蚀的特点,将其发展为可降解医用植入材料,为临时性骨植入器件(如内固定用接 骨板和骨钉)的设计和使用带来了新的思路。 镁合金应用所面临的问题 镁在富含 Cl- 离子的人体生理环境中腐蚀速度很快,其快速腐蚀不仅不能完全满足植入材料对寿命的要求。 其快速腐蚀还可能诱导局部组织严重的炎症反应,过高的镁离子浓度还会引起骨形态发生蛋白(BMP-2)分泌过量,激活破 骨细胞,导致溶骨现象。 稳定和控制镁合金的降解速度,研发可控降解镁基材料是确保其在生物医用领域获得良好应用效果的前提条件。

五、电子束加工的主要特点及其应用情况?
(1) 电子束能够极其微细地聚焦,甚至能聚焦到 0.1um。所以加工面积可以很小,是一种精密微细的加工方法。 (2) 电子束能量密度很高,属非接触式加工、可加工材料范围很广,对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 (3)电子束的能量密度高,因而加工生产率很高。 (4)由于电子束加工是在真空中进行,因而污染少,加工表面不氧化,特别适用于加工易氧化的金属及合金材料,以及纯 度要求极高的半导体材料。 (5)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统,价格较贵,生产应用有一定局限性。 电子束加工的应用:(1) 高速打孔(2) 加工型孔及特殊表面 (3) 刻蚀 (4) 焊接 (5) 热处理 (6) 表面强化

六、电子束表面改性处理的主要方法及其特点有哪些?
表面淬火;喷镀处理;表面重熔处理表面合金化处理,表面非晶化处理。 1、工件变形小 ,电子束能够极其微细的聚焦 2、节约能量、效率高,电子束能量密度很高加工效率高。3、清洁,在真空 中进行污染少,加工表面不氧化 4、处理方式灵活 5、重复性好 6、需要一整套专用设备和真空系统价格昂贵,生产效用具 有一定局限性。

七、什么是高强度钢板?简述高强度钢板热成型工艺。
屈服强度高于 600MPa(包括 600MPa)的钢板称为超高强度钢板 首把常温下强度为 500~600 MPa 的高强度硼合金钢板加热到 880~950℃,使之均匀奥氏体化,然后送入内部带有冷却系统的 模具内冲压成形,之后保压快速冷却淬火,使奥氏体转变成马氏体,成形件因而得到强化硬化,强度大幅度提高。比如经 过模具内的冷却淬火,冲压件强度可以达到 1500 MPa,强度提高了 250%以上,因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。 实际生产中,热冲压工艺又分为两种,即直接工艺和间接工艺。直接工艺,下料后,直接把钢板加热然后冲压成形,主要 用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件,则需要采用间接工艺,先把下好 料的钢板预变形,然后再加热实施热冲压,和传统意义上的热冲压技术的本质区别在于, 不是通过空冷, 而是通过模具中 布置冷却回路, 对零件实现快速淬火, 得到 1500MPa 左右甚至更高强度的冲压件。将传统的热处理技术与冲压技术相结合 的新工艺。

八、板料成形就你所知道的新工艺新技术有哪些?简述一种的定义。
一、 液压成形 二、 渐进成形 三、热冲压 四、激光打孔 五、激光焊接 六、高能成形 热冲压工艺:是将高强度钢板加热到奥氏体温度范围(850-950℃) ,钢板组织完成变化后,快速移动到模具,快速冲压, 在压机保压状态下,通过模具中布置的冷却回路并保证一定的冷却速度,对零件进行淬火冷却,最后获得超高强度冲压件 (组织为马氏体,抗拉强度在 1 500 MPa 甚至更高)的新型工艺。 板材液压成形: 将板料放置于凹模上, 压边圈压紧板料, 使凹模型腔形成密封状态。当凸模下行进入型腔时, 型腔内的液 体由于受到压缩而产生高压, 最终使毛坯紧紧贴向凸模而成形。

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九、如何研究开发金属液态成形新技术?需要从哪些方面去考虑?
金属液态成形(铸造) :将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中,待其凝固冷却后,获得所需形状和尺寸的毛坯或 零件的方法。常有的有四个方面研究:1、模具快速成形技术 2、半固态金属成形 3、近终形状铸造 4、计算机数字模拟技术 考虑:1)熔融合金的流动性及充型。液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证,铸件的很多缺陷都是 在此阶段形成的 2)液态合金的收缩:收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷(3)铸造应力铸造内应 力有热应力和机械应力两类,它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。 (4)铸件的变形,常见的 翘曲变形: (5)铸件的裂 纹, 当铸造内应力超过金属材料的抗拉强度时,铸件便产生裂纹,根据产生温度的不同,裂纹可分为热裂和冷裂两种。

十、列举出 5 种镁合金液态成形技术,镁合金液态成形过程特别注意的方面有哪些?
压力铸造、砂型铸造、金属型铸造、消失模铸造、熔模铸造、挤压铸造、真空铸造、半固态成型。 变形温度,变形速率,应力状态

十一何为精密锻造?简述精密锻造的特点。
精密锻造(净成形或近净成形)是指零件锻造成形后,仅需少量加工就可达到设计要求的成形技术。 优点:1.材料利用率非常高,可以达98%以上;2.少切削或无切削,成本底;3.适合大批量生产,模具成形产品精度高、 一致性好;4.有孔隙,可以控制孔隙度,可用于多孔材料、含油轴承;5.可以生产特殊的材料和制品 不足:1.原料粉末成本高;2.需要用模具,一次性投入大;3.批量不大生产成本很高;4.生产设备昂贵;5.由于使用模具 和压力机械,产品大小和形状受到限制;6.受孔隙的影响,机械性能相对致密金属材料差。

十二何谓摆动辗压成形?摆輾成形有那些特点。
摆动碾压是指上模的轴线与被碾压工件的轴线倾斜一个小角度,模具一面绕主轴线旋转一面对坯料进行压缩,这种连续累 积的成型方法称为摆动碾压简称摆碾。 优点:(1)省力。(2)产品尺寸精度高。(3)适合薄盘类零件的成形。 (4)工况好。(5)设备小,占地面积小。(6)生产效率高。 缺点:(1)通常需要制坯。(2)机器结构复杂。

十三、铝合金的主要用途有哪些?发展现状如何?
铝合金材料的应用有以下三个方面:一是作为受力构件;二是作为门、窗、管、盖、壳等材料;三是作为装饰和绝热材料。 利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点,制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、 印刷等二次加工,制成各种装饰板材、型材,作为装饰材料。 铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶 及化学工业中已大量应 用。 各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。由于 铝合金种种优良性能。逐年成增加趋势。 、 航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱,以及火箭锻环、宇宙飞 船壁板等。2、交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料,车门窗、货架、汽车发动机 零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。3、包装用铝材:全铝易拉罐制罐料主要以薄板与箔材的形式作为金属 包装材料,制成罐、盖、瓶、桶、包装箔。广泛用于饮料、食品、化妆品、药品、香烟、工业产品等包装。4、印刷用铝材 主要用于制作 PS 版,铝基 PS 版是印刷业的一种新型材料,用于自动化制版和印刷。5、建筑装饰用铝材铝合金因其良好的 抗蚀性、足够的强度、优良的工艺性能和焊接性能、 广泛用于建筑物构架、门窗、吊顶、装饰面等。如各种建筑门窗、幕 墙用铝型材、铝幕墙板、压型板、花纹板、彩色涂层铝板等。6、电子家电用铝材主要用于各种母线、架线、导体、电气元 件、冰箱、空调、电缆等领域。。 。

十四、铝合金与其它轻合金材料相比有哪些特点?
1、密度小 铝及铝合金的密度接近 2.7g/,约为铁或铜的 1/3。 2、强度高铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可 强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。 3、导电导热性好 铝的导电导热性能仅次于银、铜和 金。 4、耐蚀性好铝的表面易自然生产一层致密牢固的 AL2O3 保护膜,能很好的保护基体不受腐蚀。通过人工阳极氧化和 着色,可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。 5、易加工添加一 定的合金元素后,可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。

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十五、什么是纳米材料?纳米材料的基本单元按维数可分为哪是哪三类?
纳米材料是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。如果按维数,纳米材料的基 本单元可以分为三类: (1)零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等; (2)一维,指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、 纳米棒、纳米管等; (3)二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜,多层膜;超晶格等。

十六、纳米粉体的制备方法有哪几类?每一类请列出 3 种具体点的方法。
(1) 气相法制备纳米微粒:活性氢——熔融金属反应法、溅射法、蒸发法 (2) 液相法制备纳米微粒:溶胶-凝胶法、沉 淀 法、水 解 法

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