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材料科学基础.第三章

材料科学基础课后作业及答案(分章节)

第一章 8.计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS 解:1、查表得:X Na =0.93,X F =3.98 根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为:21 (0.93 3.98)4 [1]100%90.2%e ---?= 共价键比例为:1-90.2%=9.8% 2、同理,CaO 中离子键比例为:21 (1.00 3.44)4 [1]100%77.4%e ---?= 共价键比例为:1-77.4%=22.6% 3、ZnS 中离子键比例为:2 1/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量 共价键比例为:1-19.44%=80.56% 10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义.说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答:结构转变的热力学条件决定转变是否可行,是结构转变的推动力,是转变的必要条件;动力学条件决定转变速度的大小,反映转变过程中阻力的大小。 稳态结构与亚稳态结构之间的关系:两种状态都是物质存在的状态,材料得到的结构是稳态或亚稳态,取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件),阻力小时得到稳态结构,阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低,热力学上最稳定,亚稳态结构能量高,热力学上不稳定,但向稳定结构转变速度慢,能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下,亚稳态结构向稳态结构转变。 第二章 1.回答下列问题: (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向: (001)与[210],(111)与[112],(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236] (2)在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和 (112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 (3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于(101). (011)和(112)晶面上的[111]晶向。 解:1、 2.有一正交点阵的 a=b, c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距,求该晶面的密勒指数。 3.立方晶系的 {111}, 1110}, {123)晶面族各包括多少晶面?写出它们的密勒指数。 4.写出六方晶系的{1012}晶面族中所有晶面的密勒指数,在六方晶胞中画出[1120]、 [1101]晶向和(1012)晶面,并确定(1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 5.根据刚性球模型回答下列问题:

材料科学基础习题及答案

习题课

一、判断正误 正确的在括号内画“√”,错误的画“×” 1、金属中典型的空间点阵有体心立方、面心立方和密排六方三种。 2、位错滑移时,作用在位错线上的力F的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。 3、只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶,间隙固溶体则不能。 4、金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使体系熵值减小,因此是一个自发过程。 5、固溶体凝固形核的必要条件同样是ΔG<0、结构起伏和能量起伏。 6三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。 7物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。 8塑性变形时,滑移面总是晶体的密排面,滑移方向也总是密排方向。 9.晶格常数是晶胞中两相邻原子的中心距。 10.具有软取向的滑移系比较容易滑移,是因为外力在在该滑移系具有较大的分切应力值。11.面心立方金属的滑移面是{110}滑移方向是〈111〉。 12.固溶强化的主要原因之一是溶质原子被吸附在位错附近,降低了位错的易动性。13.经热加工后的金属性能比铸态的好。 14.过共析钢的室温组织是铁素体和二次渗碳体。 15.固溶体合金结晶的过程中,结晶出的固相成份和液相成份不同,故必然产生晶内偏析。16.塑性变形后的金属经回复退火可使其性能恢复到变形前的水平。 17.非匀质形核时液体内部已有的固态质点即是非均匀形核的晶核。 18.目前工业生产中一切强化金属材料的方法都是旨在增大位错运动的阻力。 19、铁素体是α-Fe中的间隙固溶体,强度、硬度不高,塑性、韧性很好。 20、体心立方晶格和面心立方晶格的金属都有12个滑移系,在相同条件下,它们的塑性也相同。 21、珠光体是铁与碳的化合物,所以强度、硬度比铁素体高而塑性比铁素体差。 22、金属结晶时,晶粒大小与过冷度有很大的关系。过冷度大,晶粒越细。 23、固溶体合金平衡结晶时,结晶出的固相成分总是和剩余液相不同,但结晶后固溶体成分是均匀的。 24、面心立方的致密度为0.74,体心立方的致密度为0.68,因此碳在γ-Fe(面心立方)中的溶解度比在α-Fe(体心立方)的小。 25、实际金属总是在过冷的情况下结晶的,但同一金属结晶时的过冷度为一个恒定值,它与冷却速度无关。 26、金属的临界分切应力是由金属本身决定的,与外力无关。 27、一根曲折的位错线不可能是纯位错。 28、适当的再结晶退火,可以获得细小的均匀的晶粒,因此可以利用再结晶退火使得铸锭的组织细化。 29、冷变形后的金属在再结晶以上温度加热时将依次发生回复、再结晶、二次再结晶和晶粒长大的过程。 30、临界变形程度是指金属在临界分切应力下发生变形的程度。 31、无限固溶体一定是置换固溶体。 32、金属在冷变形后可形成带状组织。 33、金属铅在室温下进行塑性成型属于冷加工,金属钨在1000℃下进行塑性变形属于热加工。

材料科学基础第三章答案

习题:第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案:第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。 解:位错主要有两种:刃型位错和螺型位错。刃型位错特点:滑移方向与位错线垂直,符号⊥,有多余半片原子面。螺型位错特点:滑移方向与位错线平行,与位错线垂直的面不是平面,呈螺施状,称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点?为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料? 解:非化学计量化合物的特点:非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关;可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体;缺陷浓度与温度有关,这点可以从平衡常数看出;非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩(n型)半导体,正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩(p型)半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些? 解:影响形成置换型固溶体影响因素:(1)离子尺寸:15%规律:1.(R1-R2)/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。(2)离子价:电价相同,形成连续固熔体。( 3)晶体结构因素:基质,杂质结构相同,形成连续固熔体。(4)场强因素。(5)电负性:差值小,形成固熔体。差值大形成化合物。 影响形成间隙型固溶体影响因素:(1)杂质质点大小:即添加的原子愈小,易形成固溶体,反之亦然。(2)晶体(基质)结构:离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的,在一定程度上来说,结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大,结构愈疏松,易形成固溶体。(3)电价因素:外来杂质原子进人间隙时,必然引起晶体结构中电价的不平衡,这时可以通过生成空位,产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。 解:影响有:(1)稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生;(2)活化晶格,形成固溶体后,晶格结构有一定畸变,处于高能量的活化状态,有利于进行化学反应;(3)固溶强化,溶质原子的溶入,使固溶体的强度、硬度升高;(4)形成固溶体后对材料物理性质的影响:固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化,但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低, 3-6说明下列符号的含义:V Na,V Na',V Cl˙,(V Na'V Cl˙),Ca K˙,Ca Ca,Ca i˙˙解:钠原子空位;钠离子空位,带一个单位负电荷;氯离子空位,带一个单位正电荷;最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心;Ca2+占据K.位置,带一个单位正电荷;Ca原子位于Ca原子位置上;Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式:(l)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体;(2)CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体;(3)NaCl形成肖特基缺陷;(4)Agl形成弗伦克尔缺陷(Ag+进入间隙)。

材料科学基础第三章答案

第三章 1. 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。 2. 如果纯镍凝固时的最大过冷度与其熔点(tm=1453℃)的比值为0.18,试求其凝固驱动力。(ΔH=-18075J/mol) 3. 已知Cu的熔点tm=1083℃,熔化潜热Lm=1.88×103J/cm3,比表面能σ=1.44×105 J/cm3。(1)试计算Cu在853℃均匀形核时的临界晶核半径。(2)已知Cu的相对原子质量为63.5,密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。 4. 试推导杰克逊(K.A.Jackson)方程 5. 铸件组织有何特点? 6. 液体金属凝固时都需要过冷,那么固态金属熔化时是否会出现过热,为什么? 7. 已知完全结晶的聚乙烯(PE)其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯(LDPE)为0.92 g/cm3,而高密度乙烯(HDPE)为0.96 g/cm3,试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。8欲获得金属玻璃,为什么一般选用液相线很陡从而有较低共晶温度的二元系?9. 比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。 10. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。 11. 什么叫临界晶核?它的物理意义及与过冷度的定量关系如何? 12. 简述纯金属晶体长大的机制。13. 试分析单晶体形成的基本条件。 14. 指出下列概念的错误之处,并改正。(1) 所谓过冷度,是指结晶时,在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差;而动态过冷度是指结晶过程中,实际液相的温度与熔点之差。(2) 金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使体系熵值减少,因此是一个自发过程。(3) 在任何温度下,液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。

材料科学基础作业解答

第一章 1.简述一次键与二次键各包括哪些结合键这些结合键各自特点如何 答:一次键——结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。 ①离子键:由于正、负离子间的库仑(静电)引力而形成。特点:1)正负离子相间排列,正负电荷数相等;2)键能最高,结合力很大; ②共价键:是由于相邻原子共用其外部价电子,形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点:结合力很大,硬度高、强度大、熔点高,延展性和导电性都很差,具有很好的绝缘性能。 ③金属键:贡献出价电子的原子成为正离子,与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点:它没有饱和性和方向性;具有良好的塑性;良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。 ④范德瓦耳斯键:一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点:键合较弱,易断裂,可在很大程度上改变材料的性能;低熔点、高塑性。 2.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。 答:①金属材料:简单金属(指元素周期表上主族元素)的结合键完全为金属键,过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合,但以金属键为主。 ②陶瓷材料:陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属(通常为氧)相结合的化合物,其主要结合方式为离子键,也有一定成分的共价键。 ③高分子材料:高分子材料中,大分子内的原子之间结合方式为共价键,而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料:复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质,因而其结合键非常复杂,不能一概而论。 3. 晶体与非晶体的区别稳态与亚稳态结构的区别 晶体与非晶体区别: 答:性质上,(1)晶体有整齐规则的几何外形;(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变;(3)晶体有各向异性的特点。

材料科学基础习题与答案

- 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ,求Cu 的晶格常数,并计算1mm 3Cu 的原子数。 ( 7. 已知Al 相对原子质量Ar (Al )=,原子半径γ=,求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积,在912℃时是;fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时,其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面(152)和(034)属六方晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反之,求(3121)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个八面体各个表面的晶面指数,各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面,请分别画出。

材料科学基础试题及答案

第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度 为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,把原子视为刚性球时,原子的半径r 与 点阵常数a 的关系是 ;bcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,致密度 为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系 是 ;hcp 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 , 致密度为 ,配位数是 ,,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ,其结构原子体积是 ,每个晶胞中八面体间隙数 为 ,四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912e 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构,配位数 , 致密度降低 ,晶体体积 ,原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出)(211晶面和]211[晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平面上的 方向。在hcp 晶胞的(0001)面上标出)(0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的(100)平面上,1mm 2有多少原子?已知铅为fcc 面心立方结构,其原子半径 R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1) 随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度 ,塑性 ,导电性 ,形成间 隙固溶体时,固溶体的点阵常数 。 2) 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是(1) ;(2) ; (3) ;(4) 和环境因素。 3) 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4) 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为 和 。 5) 无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ,塑 性 ,导电性 。 6)间隙固溶体是 ,间隙化合物 是 。 二、 问答 1、 分析氢,氮,碳,硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶体的类型,进入点阵中的位置和固 溶度大小。已知元素的原子半径如下:氢:0.046nm ,氮:0.071nm ,碳:0.077nm ,硼: 0.091nm ,a-Fe :0.124nm ,g-Fe :0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空

材料科学基础习题与答案

第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因? 2. 从结构、性能等面描述晶体与非晶体的区别。 3. 谓理想晶体?谓单晶、多晶、晶粒及亚晶?为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性?谓空间点阵、晶体结构及晶胞?晶胞有哪些重要的特征参数? 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属种晶体结构?描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)谓配位数?谓致密度?金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等面比较有异同? 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。谓间隙固溶体?它与间隙相、间隙化合物之间有区别?(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么? 6. 已知Cu 的原子直径为2.56A ,求Cu 的晶格常数,并计算1mm 3 Cu 的原子数。 7. 已知Al 相对原子质量Ar (Al )=26.97,原子半径γ=0.143nm ,求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积,在912℃时是0.02464nm 3;fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm 3。当铁由bcc 转变为fcc 时,其密度改变的百分比为多少? 9. 谓金属化合物?常见金属化合物有几类?影响它们形成和结构的主要因素是什么?其性能如? 10. 在面心立晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面()和(034)属六晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反之,求(3121)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。 12.在一个立晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个

材料科学基础课后作业第三章

3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件,其中一个铸件的w Ni=90%,另一个铸件的w Ni=50%,铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重?为什么?找出消除偏析的措施。 答: 合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关,再分配系数为k0=Cα/C L。对一给定的合金系,溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。根据Cu-Ni合金相图,在一定成分下凝固,合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。当w Ni=50% 时,液相线与固相线之间的水平距离更大,固相与液相成分差异越大;同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低,原子扩散能力降低,所以比偏析越严重。 一般采用在低于固相线100~200℃的温度下,长时间保温的均匀化退火来消除偏析。 3-6.铋(熔点为271.5℃)和锑(熔点为630.7℃)在液态和固态时均能彼此无限互溶,w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。根据上述条件,要求: 1)绘出Bi-Sb相图,并标出各线和各相区的名称; 2)从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度,并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。

解:1 )相图如图所示; 2)从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃(左右),350℃(左右) 固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64% 固、液相含量: %5.54%10020-6440-64=?=L ω %5.45%100)1(=?-=L S ωω 3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图:組元A 的熔点为1000℃,組元B 的熔点为700℃;w B =25%的合金在500℃结晶完毕,并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成;w B =50%的合金在500℃结晶完毕后,则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成,而此合金中的α相总量为50%。 解:由题意由(α+β)共晶含量得 01.03226--25.0?=+)()()(αβααωωωB B B 6.0--5.0=+)()()(αβααωωωB B B

材料科学基础课后习题答案第二章

第2章习题 2-1 a )试证明均匀形核时,形成临界晶粒的△ G K 与其临界晶核体积 V K 之间的关系式为 2 G V ; b )当非均匀形核形成球冠形晶核时,其△ 所以 所以 2-2如果临界晶核是边长为 a 的正方体,试求出其厶G K 与a 的关系。为什么形成立方体晶核 的厶G K 比球形晶核要大? 解:形核时的吉布斯自由能变化为 a )证明因为临界晶核半径 r K 临界晶核形成功 G K 16 故临界晶核的体积 V K 4 r ; G V )2 2 G K G V b )当非均匀形核形成球冠形晶核时, 非 r K 2 SL G V 临界晶核形成功 3 3( G ;7(2 3cos 3 cos 故临界晶核的体积 V K 3(r 非)3(2 3 3cos 3 cos V K G V 1 ( 3 卸2 3 3cos cos )G V 3 3(書 (2 3cos cos 3 ) G K % G K 与V K 之间的关系如何? G K

G V G v A a3G v 6a2 3 得临界晶核边长a K G V

临界形核功 将两式相比较 可见形成球形晶核得临界形核功仅为形成立方形晶核的 1/2。 2-3为什么金属结晶时一定要有过冷度?影响过冷度的因素是什么?固态金属熔化时是否 会出现过热?为什么? 答:金属结晶时要有过冷度是相变热力学条件所需求的, 只有△ T>0时,才能造成固相的自 由能低于液相的自由能的条件,液固相间的自由能差便是结晶的驱动力。 金属结晶需在一定的过冷度下进行,是因为结晶时表面能增加造成阻力。固态金属熔 化时是否会出现过热现象,需要看熔化时表面能的变化。如果熔化前后表面能是降低的, 则 不需要过热;反之,则可能出现过热。 如果熔化时,液相与气相接触,当有少量液体金属在固体表面形成时,就会很快覆盖 在整个固体表面(因为液态金属总是润湿其同种固体金属 )。熔化时表面自由能的变化为: G 表面 G 终态 G 始态 A( GL SL SG ) 式中G 始态表示金属熔化前的表面自由能; G 终态表示当在少量液体金属在固体金属表面形成 时的表面自由能;A 表示液态金属润湿固态金属表面的面积;b GL 、CSL 、CSG 分别表示气液相 比表面能、固液相比表面能、固气相比表面能。因为液态金属总是润湿其同种固体金属,根 据润湿时表面张力之间的关系式可写出:b SG 》6GL + (SL 。这说明在熔化时,表面自由能的变 化厶G 表w o ,即不存在表面能障碍,也就不必过热。实际金属多属于这种情况。如果固体 16 3 3( G v )2 1 32 3 6 2 (G v )2 b K t K 4 G V )3 G V 6( 4 G v )2 64 3 96 3 32 r K 2 ~G ?, 球形核胚的临界形核功 (G v )2 (G v )2 (G v )2 G b K 2 G v )3 16 3( G v )2

【考研】材料科学基础试题库答案

Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编

东华理工大学材料科学与工程系 一、填空题 0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____,当烧结分别进行四种传质时,颈部增长x/r与时间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。 0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ,含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。 0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是_____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。 0004.晶体有两种理想形态,分别是_____和_____。 0005.晶体是指内部质点排列的固体。 0006.以NaCl晶胞中(001)面心的一个球(Cl-离子)为例,属于这个球的八面体空隙数为,所以属于这个球的四面体空隙数为。 0007.与非晶体比较晶体具有自限性、、、、和稳定性。 0008.一个立方晶系晶胞中,一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a,其晶面的晶面指数是。 0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性,当真实接触角θ时,粗糙度越大,表面接触角,就越容易湿润;当θ,则粗糙度,越不利于湿润。 0010.硼酸盐玻璃中,随着Na2O(R2O)含量的增加,桥氧数,热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时,桥氧又开始,热膨胀系数重新上升,这种反常现象就是硼反常现象。 0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种,CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为。 0012.固体质点扩散的推动力是________。 0013.本征扩散是指__________,其扩散系数D=_________,其扩散活化能由________和_________ 组成。0014.析晶过程分两个阶段,先______后______。 0015.晶体产生Frankel缺陷时,晶体体积_________,晶体密度_________;而有Schtty缺陷时,晶体体积_________,晶体密度_________。一般说离子晶体中正、负离子半径相差不大时,_________是主要的;两种离子半径相差大时,_________是主要的。 0016.少量CaCl2在KCl中形成固溶体后,实测密度值随Ca2+离子数/K+离子数比值增加而减少,由此可判断其缺陷反应式为_________。 0017.Tg是_________,它与玻璃形成过程的冷却速率有关,同组分熔体快冷时Tg比慢冷时_________ ,淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度_________,热膨胀系数_________。 0018.同温度下,组成分别为:(1) 0.2Na2O-0.8SiO2 ;(2) 0.1Na2O-0.1CaO-0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO-0.8SiO2 的三种熔体,其粘度大小的顺序为_________。 0019.三T图中三个T代表_________, _________,和_________。 0020.粘滞活化能越_________ ,粘度越_________ 。硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于_________ 。 0021.0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体,若保持Na2O含量不变,用CaO置换部分SiO2后,电导_________。0022.在Na2O-SiO2熔体中加入Al2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度_________。 0023.组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数为_________。 0024.在等大球体的最紧密堆积中,六方最紧密堆积与六方格子相对应,立方最紧密堆积与_______ 相对应。0025.在硅酸盐晶体中,硅氧四面体之间如果相连,只能是_________方式相连。

材料科学基础课后习题答案

《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答:根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层,从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间,由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高? 答:材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因:(1)金属元素有较高的相对原子质量;(2)金属键的结合方式没有方向性,因此金属原子总是趋于密集排列。相反,对于离子键或共价键结合的材料,原子排列不可能很致密。共价键结合时,相邻原子的个数要受到共价键数目的限制;离子键结合时,则要满足正、负离子间电荷平衡的要求,它们的相邻原子数都不如金属多,因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答:单相组织,顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同,晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响,细化晶粒可以明显地提高材料的强度,改善材料的塑性和韧性。单相组织中,根据各方向生长条件的不同,会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近,而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织,如果两个相的晶粒尺度相当,两者均匀地交替分布,此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远,其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相,则将显著提高材料的强度,同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义,说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答:同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构,其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构,而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行,或者说结构转变必须存在一个推动力,过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性,至于过程是否真正实现,还需要考虑动力学条件,即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用,则阻力并不大,材料最终得到稳态结构。从原则上讲,亚稳态结构有可能向稳态结构转变,以达到能量的最低状态,但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现,而常温下的这种转变很难进行,因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题: (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向: 32)与[236] (001)与[210],(111)与[112],(110)与[111],(132)与[123],(2 (2)在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 解:(1)

材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 第二章

第二章答案 2-1略。 2-2(1)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c,求该晶面的晶面指数;(2)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c,求出该晶面的晶面指数。 答:(1)h:k:l==3:2:1,∴该晶面的晶面指数为(321); (2)h:k:l=3:2:1,∴该晶面的晶面指数为(321)。 2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数:(001)与[],(111)与[],()与[111],()与[236],(257)与[],(123)与[],(102),(),(),[110],[],[] 答:

2-4定性描述晶体结构的参量有哪些?定量描述晶体结构的参量又有哪些? 答:定性:对称轴、对称中心、晶系、点阵。定量:晶胞参数。 2-5依据结合力的本质不同,晶体中的键合作用分为哪几类?其特点是什么? 答:晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。 离子键的特点是没有方向性和饱和性,结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性,结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键,结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合,分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键,具有饱和性。 2-6等径球最紧密堆积的空隙有哪两种?一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙? 答:等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种,一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。 2-7n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙?不等径球是如何进行堆积的? 答:n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。 不等径球体进行紧密堆积时,可以看成由大球按等径球体紧密堆积后,小球按其大小分别填充到其空隙中,稍大的小球填充八面体空隙,稍小的小球填充四面体空隙,形成不等径球体紧密堆积。 2-8写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。 答:面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为:(000)、(001)(100)(101)(110)(010)(011)(111)(0)(0)(0)(1)(1)(1)。

材料科学基础第七章答案

第七章答案 7-1略 7-2浓度差会引起扩散,扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?为什么? 解:扩散是由于梯度差所引起的,而浓度差只是梯度差的一种。当另外一种梯度差,比如应力差的影响大于浓度差,扩散则会从低浓度向高浓度进行。 7-3欲使Ca2+在CaO中的扩散直至CaO的熔点(2600℃)时都是非本质扩散,要求三价离子有什么样的浓度?试对你在计算中所做的各种特性值的估计作充分说明。已知CaO肖特基缺陷形成能为6eV。 解:掺杂M3+引起V’’Ca的缺陷反应如下: 当CaO在熔点时,肖特基缺陷的浓度为: 所以欲使Ca2+在CaO中的扩散直至CaO的熔点(2600℃)时都是非本质扩散,M3+的浓度为 ,即 7-4试根据图7-32查取:(1)CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值;(2)Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值;并计算CaO和Al2O3中Ca2+和Al3+的扩散活化能和D0值。 解:由图可知CaO在1145℃和1650℃的扩散系数值分别为,Al2O3在1393℃和1716℃的扩散系数值分别为 根据可得到CaO在1145℃和1650℃的扩散系数的比值为: ,将值代入后可得,Al2O3的计算类推。

7-5已知氢和镍在面心立方铁中的扩散数据为cm2/s和 cm2/s,试计算1000℃的扩散系数,并对其差别进行解释。 解:将T=1000℃代入上述方程中可得,同理可知 。 原因:与镍原子相比氢原子小得多,更容易在面心立方的铁中通过空隙扩散。 7-6在制造硅半导体器体中,常使硼扩散到硅单晶中,若在1600K温度下,保持硼在硅单晶表面的浓度恒定(恒定源半无限扩散),要求距表面10-3cm深度处硼的浓度是表面浓度的 一半,问需要多长时间(已知D1600℃=8×10-12cm2/s;当时,)?解:此模型可以看作是半无限棒的一维扩散问题,可用高斯误差函数求解。 其中=0,,所以有0.5=,即=0.5,把=10-3cm,D1600℃=8×10-12cm2/s代入得t=s。 7-7 Zn2+在ZnS中扩散时,563℃时的扩散系数为3×10-4cm2/s;450℃时的扩散系数为1.0×10-4cm2/s,求:(1)扩散活化能和D0;(2)750℃时的扩散系数;(3)根据你对结构的了解,请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义;(4)根据ZnS和ZnO相互类似,预测D随硫的分压而变化的关系。 解:(1)参考7-4得=48856J/mol,D0=3×10-15cm2/s; (2)把T=1023K代入中可得=cm2/s; 7-8实验测得不同温度下碳在钛中的扩散系数分别为2×10-9cm2/s(736℃)、5×10-9cm2/s (782℃)、1.3×10-8cm2/s(838℃)。(1)请判断该实验结果是否符合;(2)请计算扩散活化能,并求出在500℃时碳的扩散系数。

材料科学基础第三章

材料科学基础大作业——第3章凝固 2015年 月 日 班级: 姓名: 学号: 分数: 一、解释下列概念及术语: 1、结晶 2、过冷度 3、相起伏 4、均匀形核 5、晶粒度 6、形核率 7、形核功 8、枝晶偏析 9、成分过冷 10、临界形核半径 二、填空题 1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。金属不同,过冷度大小 同;金属的纯度越高,过冷度越 ;金属及其纯度确定后,过冷度大小主要取决于冷却速度,冷却速度越大,过冷度越 。 2. 金属和非金属,在结晶时均遵循相同的规律,即结晶过程是 和 的过程。 3. 根据热力学条件,金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的 之差。此差值与过冷度呈 比。 4.液态金属的晶胚能否形成晶核,主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。此半径与过冷度呈 比。 5. 均匀形核时,过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为 。形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈 比,即过冷度越大,形核功越 。 6. 形核率可用12N N N ? =表示,其中N 1为受 影响的形核率因子,N 2为受 影响的形核率因子。 7. 工业生产中,液态金属的结晶总是以 形核方式进行,其所需过冷度一般不超过 ℃。 8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的 和其前沿液体中的 。 9. 光滑界面又称为 界面,粗糙界面又称为 界面,其杰克逊因子α值范围分别为 和 。 10.晶体长大方式主要为 长大机制、 长大机制和 长大机制。其中,大部分金属均以 长大机制进行。 11.在正的温度梯度下,光滑界面的界面形态呈 状;粗糙界面的界面形态为 界面。在负的温度梯度下,一般金属和半金属的界面都呈 状。杰克逊因子α值较高的物质保持 界面形态。 12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫 ;因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫 。 三、判断题

材料科学基础复习题及答案

一、选择题: 第6章 1.形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的。 (A)1/3 (B)2/3 (C)3/4 第7章 2.在二元系合金相图中,计算两相相对量的杠杆法则用于。 (A)单相区中(B)两相区中(C)三相平衡水平线上 3.已知Cu的T m=1083?C,则Cu的最低再结晶温度约为。 (A)100?C (B)200?C (C)300?C 4.能进行攀移的位错必然是。 (A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错 5.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应,测得界面向A试样方向移动,则。(A)A组元的扩散速率大于B组元 (B)B组元的扩散速率大于A组元 (C)A、B两组元的扩散速率相同 6.,位错滑移的派-纳力越小。 (A)位错宽度越大(B)滑移方向上的原子间距越大(C)相邻位错的距离越大 7.形变后的材料再升温时发生回复与再结晶现象,则点缺陷浓度下降明显发生 在。 (A)回复阶段(B)再结晶阶段(C)晶粒长大阶段 第6章 8.凝固时在形核阶段,只有核胚半径等于或大于临界尺寸时才能成为结晶的核心,当形成的核胚 半径等于临界半径时,体系的自由能变化。 (A)大于零(B)等于零(C)小于零 9.铸锭凝固时如大部分结晶潜热可通过液相散失时,则固态显微组织主要为。(A)树枝晶(B)柱状晶(C)胞状晶 10.下述有关自扩散的描述中正确的为。 (A)自扩散系数由浓度梯度引起 (B)自扩散又称为化学扩散 (C)自扩散系数随温度升高而增加 11.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中,形变时各向异性行为最显著的是。 (A)fcc (B)bcc (C)hcp 12.对于变形程度较小的金属,其再结晶形核机制为。 (A)晶界合并(B)晶界迁移(C)晶界弓出 13.形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是。 (A)点缺陷的明显下降 (B)形成亚晶界 (C)位错重新运动和分布 第6章 14.凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法?

材料科学基础习题与答案

第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因? 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体?何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶?为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性?何谓空间点阵、晶体结构及晶胞?晶胞有哪些重要的特征参数? 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构?描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)何谓配位数?何谓致密度?金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同? 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体?它与间隙相、间隙化合物之间有何区别?(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么? 6. 已知Cu的原子直径为2.56A,求Cu的晶格常数,并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar(Al)=26.97,原子半径γ=0.143nm,求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积,在912℃时是0.02464nm3;fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。当铁由bcc转变为fcc时,其密度改变的百分比为多少? 9. 何谓金属化合物?常见金属化合物有几类?影响它们形成和结构的主要因素是什么?其性能如何? 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面(152)和(034)属六方晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反 之,求(3 1)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相 2 1 互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个八面体各个表面的晶面指数,各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面,请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120],[1101]晶向和(1012)晶面,并确定(1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于(101),(011)和(112)晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃,有W C为1.7%的碳溶于fcc铁的固溶体,求100个单位晶胞中有多少个碳原子?(已知:Ar(Fe)=55.85,Ar(C)=12.01) 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=0.3633nm,α-Fe在略低于912℃时a=0.2892nm,求:(1)上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R;(2)γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率;(3)设

材料科学基础习题答案_整理版

2-1 名词解释:配位数与配位体,同质多晶与多晶转变,位移性转变与重建性转变,晶体场理论与配位场理论 答:配位数:晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。 配位体:晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 同质多晶:同一化学组成在不同外界条件下(温度、压力、pH值等),结晶成为两种以上不同结构晶体的现象 多晶转变:当外界条件改变到一定程度时,各种变体之间发生结构转变,从一种变体转变成为另一种变体的现象 位移性转变:不打开任何键,也不改变原子最邻近的配位数,仅仅使结构发生畸变,原子从原来位置发生少许位移,使次级配位有所改变的一种多晶转变形式 重建性转变:破坏原有原子间化学键,改变原子最邻近配位数,使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。 晶体场理论:认为在晶体结构中,中心阳离子与配位体之间是离子键,不存在电子轨道的重迭,并将配位体作为点电荷来处理的理论。 配位场理论:除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外,还考虑了 共价成键的效应的理论。 2-2 面排列密度的定义为:在平面上球体所占的面积分数。 (a)画出MgO(NaCl型)晶体(111)(110)和(100)晶面上的原子排布(b )计算这三面的面排列密度 解:MgO晶体中O2-做紧密堆积,Mg2+填充在八面体空隙中。 (a)(111)(110)和(100)晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。 (b)在面心立方紧密堆积的单位晶胞中, (111)面:面排列密度 = (110)面:面排列密度 = (100)面:面排列密度 = 2-4 设原子半径为R,试计算体心立方堆积结构的(100)、(110)、(111)面的面排列密度和晶面族的面间距。解:在体心立方堆积结构中: (100)面:面排列密度 = 面间距 = (110)面:面排列密度 = 面间距 = (111)面:面排列密度 = 面间距 = 2-8 试根据原子半径R计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。 解:面心立方晶胞: 六方晶胞(1/3): 体心立方晶胞: 2-9 MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm,计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%? 解:在MgO晶体中,正负离子直接相邻,a0=2(r++r-)=0.424(nm) 体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52% 密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm3) MgO体积分数小于74.05%,原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.4235>0.414,正负离子紧密接触,而负离子之间不直接接触,即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了,负离子不再是紧密堆积,所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。

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