材料科学基础第一章

材料科学基础大作业——第1、2章晶体结构

2015年9月9日

班级：姓名：学号：分数：

一、名词解释：

固溶体、中间相、空间点阵、结合力、晶体、晶胞、固溶强化、相、正常价化合物、电子化合物、合金，各向异性、多晶型性、晶界、亚结构

二、填空

1. 金属键没有性和性。

2. 由于原子间结合力和结合能的存在，金属原子趋于规则紧密的排列。原子间最大结合力对应着金属的。键能决定了金属的和。

3. 自然界中的晶体结构各不相同，根据晶胞的和可将晶体结构分为14中空间点阵，归属于个晶系。其中最典型的三中晶体结构分别为bcc 、fcc 和hcp 。

4.能够反映晶胞中原子排列紧密程度的两个参数为和。其中fcc和hcp的两个参数均相同，分别为和。bcc的两个参数非别为和。

5. fcc和hcp的堆垛方式分别为ABCABC……和ABAB……，当某些晶面堆垛顺序发生局部差错即产生晶体缺陷时，可能在fcc晶体结构中出现hcp 的特征。

6. bcc、fcc和hcp三种晶体结构中均存在四面体和八面体两种晶格间隙，间隙原子通常溶解于体间隙。

7. [221]与（221）的位置关系为。[110]和（001）的位置关系为。

8. 塑性变形时，滑移通常沿着密排面和密排方向进行。bcc的密排面为，密排方向为。fcc的密排面为，密排方向为。

9. 铁的三种同素异构体分别为、和。

10.点缺陷主要包括三种类型，分别为、和。无论哪类点缺陷都会造成其周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，称为。

11.小角度晶界指的是相邻两晶粒的位向差小于。其中对称倾侧晶界是由一系列相隔一定距离的型位错所组成，扭转晶界由相互交叉的位错所组成。

12.具有不同的两相之间的分界面称为相界。其中界面能最高的是界面，应变能最高的界面是界面。

三、判断

1. 晶体区别于非晶体的一个重要特征就是晶体有固定的熔点，二者之间在任何情况下都不能进行转变，即晶体不可能转变为非晶体，非晶体也不可能转变为晶体。（）

2. bcc和fcc均属于立方晶系，hcp属于六方晶系。（错）

3. bcc、fcc和hcp晶胞内分别包含有2、4、6个原子，因其原子数不同，所以其间隙的数量亦不相同。（错）

4. [][][]100,010,001和100,010,001---??????????????????

属于一个晶向族100；()()()100,010,001和100,010,001---?????? ? ? ???????

属于一个晶面族{}100。（ ） 5. 单晶体具有各向异性是由于金属原子在各晶向上排列的紧密程度不同所致。多晶体在性能上不显示，其原因是多晶体在各个晶向上原子排列的紧密程度相同。（ ）

6.刃型位错线与晶体的滑移方向相垂直，螺型位错线与晶体的滑移方向平行；两种位错线运动的方向均垂直于位错线。（ ）

7. 一条位错线的柏氏矢量与柏氏回路的大小及回路在位错线上的位置有关，因此沿位错线任意移动或者扩大回路，都将影响柏氏矢量。（ ）

8. 晶体易于使其密排面裸露在表面，这是由于晶体的密排面表面能小。（ ）

9. 晶粒越细小，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。（ ）

10.晶界处缺陷多，因此原子扩散速度快，且其熔点低，易于腐蚀和氧化。（ ）

四、简答题

1、归纳总结三种典型的晶体结构的晶体学特征。

2、固溶体与金属化合物有何异同点？

3、影响置换固溶体溶解度的因素有哪些？

4、晶界具有哪些特性？

5、位错反应的条件是什么？

6、金属中缺陷有哪些？其特征分别有哪些？

7、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？

8、空间点阵与晶体结构有哪些区别？

10、在立方晶系中，一晶面在x 轴的截距是1，在y 轴的截距是0.5，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=0.5，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数。

五、计算及作图

1、Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm ，ρ为7.26g/cm 3，r 为0.112nm ，问M n 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？

2、a)按晶体的钢球模型，若球的直径不变，当Fe 从fcc 转变为bcc 时，计算其体积膨胀多少？b)经x 射线衍射测定在912℃时，α-Fe 的a=0.2892nm ，γ-Fe 的a=0.3633nm, 计算从γ-Fe 转变为α-Fe 时，其体积膨胀为多少？与a)相比，说明其差别原因。

3.作图表示立方晶系()123,012--?? ???晶面和[]102,346-??????

晶向。（16分） 4、写出立方晶系的晶面间距公式，并将下述（100、（123）、（110）、（210）、（111）（200）按晶面间距从大到小的顺序排列。

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：

材料科学基础第一章全部作业

（一） 1 谈谈你对材料学科及材料四要素之间的关系的认识 2 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？ 3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4 晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？ 5 画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？ 6 画出立方晶系中（011），（312），[211],[211],[101],(101) 7, 画出六方晶系中（1120），（0110），（1012），（110），（1012） 8. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 9．在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（120）晶面。标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a)立方晶系(421)，() 123，(130)，[211]，[311]；

10．在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（120）晶面。 11．计算面心立方结构（111）、（110）与（100）面的面密度和面间距。 12. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： a)立方晶系(421)，()123，(130)，[211]，[311]； b)六方晶系()2111， ()1101，()3212，[2111]，1213????。 13 在体心立方晶系中画出{111}晶面族的所有晶面。 14 画出<110>晶向族所有晶向

15.写出密排六方晶格中的[0001],(0001),()1120,()1100,()1210 16. 在一个简单立方晶胞内画出一个（110）晶面和一个[112]晶向。 17. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 立方晶系(421)，()123，(130)，[211]，[311]； 18.计算晶格常数为a 的体心立方结构晶体中八面体间隙的大小。 19.画出面心立方晶体中（111）面上的[112]晶向。 20.已知某一面心立方晶体的晶格常数为a ，请画出其晶胞模型并分别计算该晶体 的致密度、{111}晶面的面密度以及{110}晶面的面间距。 21.表示立方晶体的（123），[211],()012 22. 写出密排六方晶格中()1120,()1100,()1210[2111]，1213???? 23. 画出密排六方晶格中的[0001], ,()0110,()1010,[2110],[1120] 24 在面心立方晶胞中的(1 1 1)晶面上画出[110]晶向 25 指出在一个面心立方晶胞中的八面体间隙的数目，并写出其中一个八 面体间隙的中心位置坐标。假设原子半径为r ，计算八面体间隙的半径。 26.画出密排六方晶格中的(0001),()1120,()1100,()1210 27.立方晶系中画出（010），（011），（111），（231），[231],[321] 29.计算晶格常数为a 的面心立方结构晶体中四面体间隙和八面体间隙的大小。（4分） 30.写出立方晶系{}110、{}123晶面族的所有等价面 31.立方晶胞中画出以下晶面和晶向：()102，(112)，(213) ，[110], 32.六方晶系中画出以下晶面和晶向：(2110)，(1012)，1210????，0111???? 33.写出立方晶系{}100、{}234晶面族的所有等价面 34.画出立方晶胞内（111），[112], 35.画出六方晶胞内（1011），[1123]

材料科学基础第八章

第八章变形和强化机制 一、学习目的 材料在加工和服役过程中不可避免产生变形。 研究材料变形的基本原理既是 预防材料服役中产生变形、断裂等失效的需要，也是设计材料塑性变形加工工艺 的需要。本章的学习目的就是通过了解晶体材料的变形过程和影响因素， 掌握材 料变形和强化机制。 增加材料塑性变形抗力的方法叫材料强化，由于晶体材料的塑性变形主要由 晶格位错运动实现，因此材料的强化机制本质是阻碍位错运动。细化晶粒产生更 多的晶界以阻碍晶间位错运动；固溶合金化或引入强化相也可有效地阻碍晶格位 错的运动；材料在塑性变形过程中会产生位错，因而使随后的位错运动受到抑制， 导致材料强化(即加工硬化或形变强化)，这些都是晶体材料有效的强化机制。 用晶体材料强化的思路研究高分子材料的弹性变形和塑性变形过程， 探讨塑 料、橡胶等高分子材料的强韧化机制也是本章的教学目的之一。 二、本章的主要内容 从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。 施加切应力会使刃型位错和螺型位错运动，描述塑性变形是怎样由位错运动 产生的。 定义滑移系，并举例说明。 描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。 说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有 着大晶粒的金属强度大。 从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。 从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化(冷加工)现象。 从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。 从宏观和原子的角度解释晶粒长大现象。 10. 在滑移的基础上考虑，来解释为什么结晶陶瓷材料通常比较脆。 11. 描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。 12. 讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响： (a)分子量(b)结晶度(c) 预 变形(d)不变形材料的热处理。 13. 描述弹性聚合物弹性形变的分子途径。 三、重要术语和概念 Cold working:冷加工、冷变形 The P lastic deformati on of a metal at a temp erature below that at which it recrystallizes. 金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。 Critical resolved shear stress 魏rss ）：临界剪切分切应力 That shear stress, resolved withi n a sli p plane and directi on, which is required to in itiate sli p. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

《材料科学基础》总复习(完整版)

《材料科学基础》上半学期容重点 第一章固体材料的结构基础知识 键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念； 晶体的特性（5个）； 晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类； 晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子； 第二章晶体结构与缺陷 晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体； 典型金属晶体结构； 离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）； 晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）； 第三章材料的相结构及相图 相的定义 相结构 合金的概念：

固溶体 置换固溶体 （１）晶体结构 无限互溶的必要条件—晶体结构相同 比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明） （２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变； （３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体 （一）间隙固溶体定义 （二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素 （三）间隙固溶体的点阵畸变性 中间相 中间相的定义 中间相的基本类型： 正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法 电子化合物：电子化合物、电子化合物种类 原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物 二元系相图： 杠杆规则的作用和应用； 匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）

型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点； 三元相图： 三元相图成分表示方法； 了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义； 第四章材料的相变 相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）； 按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点； 马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、瓷马氏体相变性能的不同――作为题目） 有序-无序相变的定义 玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变； 按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变

张其土版材料科学基础答案---第八章-相变

张其土版材料科学基础答案---第八章-相变

3.马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别? 解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。 特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。 成核－生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。 4. 当一种纯液体过冷到平衡凝固温度（T0）以下时，固相与液相间的自由焓差越来越负。试证明在温度T0附近随温度变化的关系近似地为：，式中?H V<0为凝固潜热。 解：由得： 在平衡温度时， 则在时，,得证。 5.在纯液体平衡凝固温度T0以下，临界相变势垒随温度下降而减小，于是有一个使热起伏活化因子exp为极大值的温度。试证明当T＝T 0/3时，exp有极大植。（提示：利用 表达式）

解：由将代入 则令 则 即求y的极值，当时，即此时y有极大值。故当时，exp（）有极大值。 6. 为什么在成核一生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变?什么情况下需过冷，什么情况下需过热？ 解：由热力学公式 平衡时得 :相变平衡温度；：相变热 温度Ｔ时，系统处于不平衡状态，则 ，要使相变自发进行，须使， 则，即必须使，才能发生相变。 对于放热过程如结晶，凝聚，则,，必须过冷。 对于吸热过程如蒸发，熔融，则,，必须过热。

7. 何谓均匀成核？何谓不均匀成核？晶核剂对熔体结晶过程的临界晶核半径r * 有何影响? 解：均匀成核——在均匀介质中进行，在整体介质中的核化可能性相同，与界面，缺陷无关 非均匀成核——在异相界面上进行，如容器壁，气泡界面或附着于外加物（杂质或晶核剂） ，使用晶核剂可以降低，因此下降。 8. 如在液相中形成边长为a 的立方体晶核时，求出“临界核胚”立方体边长a *和△G *。为什么立方体的△G * 大于球形△G * ? 设立方体晶核的临界立方体边长a 0，临界自由焓为△G 0，而球形晶核的临界半径为r p ，临界自由焓为△G p ，当晶核为立方体时边长为a ，则 当晶核为球形时，半径为r ，则： γ ??236 · a G a G V +=0 12 · 32=+=??γ??a G a a G V V G a ?γ40-=23 23 032 · 46 · 4V V V V G G G G G ?γγ?γ??γ?=-+-=)()(γ π?π? · 4 · 423r G r G V +=0 · 8 · 3 · 3 4 2=+=??γπ?πr G r r G V

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(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 第八章

第八章答案 8-1若由MgO和Al2O3球形颗粒之间的反应生成MgAl2O4是通过产物层的扩散进行的，（1）画出其反应的几何图形，并推导出反应初期的速度方程。（2）若1300℃时D Al3＋＞D Mg2＋，O2－基本不动，那么哪一种离子的扩散控制着MgAl 2O4的生成？为什么？ 解：（1）假设: a）反应物是半径为R0的等径球粒B，x为产物层厚度。 b）反应物A是扩散相，即A总是包围着B的颗粒，且A，B同产物C是完全接触的，反应自球表面向中心进行。 c）A在产物层中的浓度梯度是线性的，且扩散截面积一定。 反应的几何图形如图8-1所示： 根据转化率G的定义，得 将（1）式代入抛物线方程中，得反应初期的速度方程为：

（2 ）整个反应过程中速度最慢的一步控制产物生成。D小的控制产物生成，即D Mg2+ 小， Mg2+ 扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散控制。 8-2镍（Ni）在0.1atm的氧气中氧化，测得其质量增量（μg/cm2）如下表： 温度时间 温度 时间 1（h）2（h）3（h）4（h）1（h）2（h）3（h）4（h） 550℃600℃9 17 13 23 15 29 20 36 650℃ 700℃ 29 56 41 75 50 88 65 106 （1）导出合适的反应速度方程；（2）计算其活化能。 解：（1）将重量增量平方对时间t作图，如图8-2所示。由图可知，重量增量平方与时间呈抛物线关系，即符合抛物线速度方程式。又由转化率的定义，得 将式（1）代入抛物线速度方程式中，得反应速度方程为： 图8-2重量增量平方与时间关系图 （2）取各温度下反应1h时进行数据处理拟合，如图8-3所示，

第5章习题及答案_无机材料科学基础

第五章固体表面与界面 5-1 名词解释 驰豫表面重构表面定向作用诱导作用色散作用范德华力润湿角临界表面张力粘附功阳离子交换容量聚沉值触变性滤水性可塑性 5-2 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？ 5-3 在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为2200kg/m3，表面张力为0.29N/m，大气压力为1.01×105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 5-4 （1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？ 5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？ 5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？ 5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.470N/m。 5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。 5-9 20℃时苯的表面张力为0.0289N/m，其饱和蒸气压为10013Pa，若在20℃时将苯分散成半径为10－6m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。 5-10 20℃时，水的饱和蒸气压力为2338Pa，密度为998.3kg/m3，表面张力为0.07275N/m，求半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压为多少？ 5-11若在101325Pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589N/m。

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）

材料科学基础习题5-答案-二元相图作业

《材料科学基础》第五章习题——二元相图1、发生匀晶转变的两个组元在晶体结构、原子尺寸方面有什么特点？ 答：两者的晶体结构相同，原子尺寸相近，尺寸差小于15%。 2、固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定： ①成分为ω(B) = 40%的合金首先要凝固出 来的固体成分；（画图标出） ②若首先凝固出来的固相成分含ω(B) = 60%，合金的成分为多少？（画图标出） ③成分为ω(B) = 70%的合金最后凝固的液 体成分；（画图标出） ④合金成分为ω(B) = 50%，凝固到某温度 时液相含ω(B)为40%，固相含有ω(B) = 80%， 此时液体和固相各占多少？（计算） ①过ω(B) = 40%的成分线与液相线的交点做与底边的平行线交固相线即可 ②过ω(B) = 60%的成分线与固相线的交点做与底边的平行线交液相线即可 ③过ω(B) = 70%的成分线与固相线的交点做与底边的平行线交液相线即可 ④液相：（80-50）/（80-40）=0.75 固相：（50-40）/（80-40）=0.25 3、指出下列相图中的错误，并加以改正。 由相律知，三相平衡时，图中应该为一点，而不是线 段，且二元相图中最多只有三相平衡，所以把d图中 r相除去。 由相律知在二元相图中 纯组元凝固温度恒定，液固 相线交于一点 4、根据教材图7.20，假设F与G点坐标分别选取5%与99%，计算：①Sn含量为40%的合金在凝固至室 A 20 40 60 80 B 温 度 W(B) % α L+a L

温后的组织组成比例；②根据初生相（α）、共晶组织中的相（α+β），以及冷却过程中析出的二次相（αⅡ或βⅡ），计算室温下的相组成比例。 解：①Sn 含量为40%的合金在凝固至室温后的组织组成比例： %95.4819 9.6119 40)(=--= +βαW =--?--=5991999199.61409.61αW 43.45% %6.7599519199.61409.61=--?--=∏βW ②根据一次相、共晶组织中的相，以及冷却过程中析出的二次相，计算室温下的相组成比例： 5、 Mg-Ni 系的一个共晶反应为 设C 1为亚共晶合金，C 2 为过共晶合金，这两种合金中的初生相的质量分数相等，但C 1合金中的α总量为C 2合金中的α总量的2.5倍，试计算C 1和C 2的成分。 解：相图： Ni Mg 由二者的初生相的质量分数相等得：（23.5- C 1 ）/23.5= （C 2 -23.5）/54.6-23.5 又α总量为C 2 中α总量的205倍：(54.6- C 1 )/54.6=2.5*(54.6- C 2 )/54.6 由以上两式得C 1 =12.7% C 2 =37.8% 6、 组元A 和B 在液态完全互溶，但在固态互不溶解，且形成一个与A ，B 不同晶体结构的中间化合物，α（纯镁）+ 2Mg Ni[w(Ni) = 54.6%] L （ω(Ni) = 23.5%） 507℃ A 23.5 54.6 B

无机材料科学基础答案第八章

8-1 若由MgO和Al2O3球形颗粒之间的反应生成MgAl2O4是通过产物层的扩散进行的， （1）画出其反应的几何图形，并推导出反应初期的速度方程。（2）若1300℃时D Al3＋＞D Mg2＋，O2－基本不动，那么哪一种离子的扩散控制着MgAl2O4的生成？为什么？ 解：（1）假设: a）反应物是半径为R0的等径球粒B，x为产物层厚度。 b）反应物A是扩散相，即A总是包围着B的颗粒，且A，B同产物C是完全接触的，反应自球表面向中心进行。 c）A在产物层中的浓度梯度是线性的，且扩散截面积一定。 反应的几何图形如图8-1所示： 根据转化率G的定义，得 将（1）式代入抛物线方程中，得反应初期的速度方程为：

（2）整个反应过程中速度最慢的一步控制产物生成。D小的控制产物生成，即D Mg2+小，Mg2+扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散控制。 8-2 镍（Ni）在0.1atm的氧气中氧化，测得其质量增量（μg/cm2）如下表： （1）导出合适的反应速度方程；（2）计算其活化能。 解：（1）将重量增量平方对时间t作图，如图8-2所示。由图可知，重量增量平方与时间呈抛物线关系，即符合抛物线速度方程式。又由转化率的定义，得 将式（1）代入抛物线速度方程式中，得反应速度方程为：

图8-2 重量增量平方与时间关系图（2）取各温度下反应1h时进行数据处理拟合，如图8-3所示， G(%) 图8-3 数据处理 由杨德尔方程可得，

对数据作线性回归，得(相关系数为0.98839) 由上式得活化能kJ/mol 8-3 由Al2O3和SiO2粉末反应生成莫来石，过程由扩散控制，如何证明这一点？已知扩散活化能为209 kJ/mol，1400℃下，1h完成10％，求1500℃下，1h和4h各完成多少？（应用杨德方程计算） 解：如果用杨德尔方程来描述Al2O3和SiO2粉末反应生成莫来石，经计算得到合理的结果，则可认为此反应是由扩散控制的反应过程。 由杨德尔方程，得 又，故 从而1500℃下，反应1h和4h时，由杨德尔方程，知

材料科学基础第一章习题答案

材料科学基础第一章习题答案 1. (P80 3-3) Calculate the atomic radius in cm for the following: (a) BCC metal with a 0=0.3294nm and one atom per lattice point; and (b) FCC metal with a 0=4.0862? and one atom per lattice point. Solution: (a) In BCC structures, atoms touch along the body diagonal, which is 3a 0 in length. There are two atomic radii from the center atom and one atomic radius from each of the corner atoms on the body diagonal, so 340r a = 430a r ==0.14263nm=1.4263 810-?cm (b) In FCC structures, atoms touch along the face diagonal of the cube, which is

02a in length. There are four atomic radii along this length —two radii from the face-centered atom and one radius from each corner, so 240r a =, 420 a r ==1.44447 ?=1.44447810-?cm 2.(P80 3-4) determine the crystal structure for the following: (a) a metal with a0=4.9489?, r=1.75?, and one atom per lattice point; and (b) a metal with a0=0.42906nm, r=0.1858nm, and one atom per lattice point. Solution: We know the relationships between atomic radii and lattice parameters are 430 a r =

材料科学基础第一章部分知识点

材料科学基础第一章部分知识点

1. 晶体及其特征 晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。特征： 1) 自范性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质,又称为自限性. 2) 均一性:指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征. 3) 各向异性:在晶体的不同方向上具有不同的性质. 4) 对称性:指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性. 5) 最小内能和最大稳定性 2. 晶体结构与空间点阵 ?晶体格子：把晶体中质点的中心用直线联起 来构成的空间格架即晶体格子，简称晶格。 ?结点：质点的中心位置称为晶格的结点。 ?晶体点阵：由这些结点构成的空间总体称为 晶体点阵（空间格子或空间点阵）。结点又叫阵点。点阵中结点仅有几何意义，并不真正代表任何质点。 晶体中质点排列具有周期性和对称性

晶体的周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。可以从晶体中取出一个单元，表示晶体结构的特征。取出的最小晶格单元称为晶胞。晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。 3. 晶胞与晶胞参数 晶胞—晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵 ?晶胞类型： ?固体物理学原胞：仅反映周期性最小的 ?结晶学原胞：反映周期性和对称性， 不一定是最小的。 ?不同晶体的差别：不同晶体的晶胞，其形状、 大小可能不同；围绕每个结点的原子种类、 数量、分布可能不同。 选取结晶学晶胞的原则： 1.单元应能充分表示出晶体的对称性； 2.单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的 数目尽可能地多； 3.单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角；

材料科学基础第一章

材料科学基础大作业——第1、2章晶体结构 2015年9月9日 班级：姓名：学号：分数： 一、名词解释： 固溶体、中间相、空间点阵、结合力、晶体、晶胞、固溶强化、相、正常价化合物、电子化合物、合金，各向异性、多晶型性、晶界、亚结构 二、填空 1. 金属键没有性和性。 2. 由于原子间结合力和结合能的存在，金属原子趋于规则紧密的排列。原子间最大结合力对应着金属的。键能决定了金属的和。 3. 自然界中的晶体结构各不相同，根据晶胞的和可将晶体结构分为14中空间点阵，归属于个晶系。其中最典型的三中晶体结构分别为bcc 、fcc 和hcp 。 4.能够反映晶胞中原子排列紧密程度的两个参数为和。其中fcc和hcp的两个参数均相同，分别为和。bcc的两个参数非别为和。 5. fcc和hcp的堆垛方式分别为ABCABC……和ABAB……，当某些晶面堆垛顺序发生局部差错即产生晶体缺陷时，可能在fcc晶体结构中出现hcp 的特征。 6. bcc、fcc和hcp三种晶体结构中均存在四面体和八面体两种晶格间隙，间隙原子通常溶解于体间隙。 7. [221]与（221）的位置关系为。[110]和（001）的位置关系为。 8. 塑性变形时，滑移通常沿着密排面和密排方向进行。bcc的密排面为，密排方向为。fcc的密排面为，密排方向为。 9. 铁的三种同素异构体分别为、和。 10.点缺陷主要包括三种类型，分别为、和。无论哪类点缺陷都会造成其周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，称为。 11.小角度晶界指的是相邻两晶粒的位向差小于。其中对称倾侧晶界是由一系列相隔一定距离的型位错所组成，扭转晶界由相互交叉的位错所组成。 12.具有不同的两相之间的分界面称为相界。其中界面能最高的是界面，应变能最高的界面是界面。 三、判断 1. 晶体区别于非晶体的一个重要特征就是晶体有固定的熔点，二者之间在任何情况下都不能进行转变，即晶体不可能转变为非晶体，非晶体也不可能转变为晶体。（） 2. bcc和fcc均属于立方晶系，hcp属于六方晶系。（错） 3. bcc、fcc和hcp晶胞内分别包含有2、4、6个原子，因其原子数不同，所以其间隙的数量亦不相同。（错）

最新无机材料科学基础第八章扩散

第7章扩散 一、名词解释 1．扩散： 2．扩散系数与扩散通量： 3．本征扩散与非本征扩散： 4．自扩散与互扩散： 5．稳定扩散与不稳定扩散： 名词解释答案： 一、扩散是指在梯度的作用下，由于热运动而使粒子定向移动的过程 二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目 扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个 三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散 非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散 四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散 互扩散：两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散 五、稳定扩散：单位时间内通过单位面积的粒子数一定 不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定 二、填空与选择 1.晶体中质点的扩散迁移方式有：、、、和。 2．当扩散系数的热力学因子为时，称为逆扩散。此类扩散的特征 为，其扩散结果为使或。 3．扩散推动力是。晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种：和。 4．恒定源条件下，820℃时钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层，同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需小时. 5．本征扩散是由而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由和两部分组成，扩散系数与温度的关系式为。 6．菲克第一定律适用于，其数学表达式为；菲克第二定律适用于，其数学表达式为。 7．在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。由热缺陷所引起的扩散称，而掺杂点缺陷引起的扩散称为。（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散） 8．在通过玻璃转变区域时，急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般相同组成但充

分退火的玻璃中的扩散系数。（高于、低于、等于） 9．在UO 2晶体中，O 2－的扩散是按 机制进行的。（空位、间隙、掺杂点缺陷） 填空题答案： 1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散 2、1+（δln γi ）/（δlnNi ）＜0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相 3、化学位梯度、空位机制、间隙机制 4、4 5、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、）（RT Q D D -=e 0 6、稳定扩散 、 x C D J ??-= 、不稳定扩散、22x C D t C ??=?? 7、本征扩散、非本征扩散 8、高于 9、间隙 四、试分析离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。 阴离子通常作为堆积结构的基础，而阳离子通常填充于空隙之中，阳离子扩散相对较容易，而阴离子若要扩散则需要破坏堆积结构，所需要的能量更多，故阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数 六、碳、氮、氢在体心立方铁中扩散的激活能分别为84、75和13kJ/mol ，试对此差异进行分析和解释。 C-N-O 的半径依次减小，C-N-O 在间隙中扩散的能力逐渐增加，故扩散的激活能越低 七、MgO 、CaO 、FeO 均具有NaCl 结构，在各晶体中，它们的阳离子扩散活化能分别为：Na +在NaCl 中为41kcal/mol ，Mg 2+在MgO 中为83 kcal/mol ，Ca 2+在CaO 中为77 kcal/mol ，Fe 3+在FeO 中为23 kcal/mol ，试解释这种差异的原因。 1、由于FeO 为非化学计量型氧化物故扩散活化能较低 2、NaCl 中的Na 离子电价较低，故NaCl 扩散活化能相对较低 3、Ca 的半径比Mg 离子的半径大，故MgO 的扩散活化能高 八、已知氢和镍在面心立方铁中的扩散系数为： s cm RT D H 218.410300ex p 0063.0?? ? ???-=和cm RT D Ni 218.464000ex p 1.4??? ???-=，试计算1000℃