材料科学基础习题

目录

第一章要求

一第一章第一节第一章第二节第一章第三节第一章第四节

第二章要求

第二章第一次第二章第二次第二章第三次第二章第四次

第三章要求

第三章第一次第三章第二次第三章第三次第三章第四次第三章第五次第三章第六次

注意

第七章要求

第七章第一次第七章第二次第七章第三次

第八章要求

第八章第一次第八章第二次

第四章要求

第四章第一次第四章第二次第四章第三次

第五章要求

第五章第一次第五章第二次第五章第三次第五章第四次第五章第五次第五章第六次第五章第七次

第六章要求

第六章第一次，2，3，4，5，6，7

第八章习题参考答案

第四章习题参考答案

第五章习题参考答案

第四章

1 要求掌握的基本概念：

稳态扩散和非稳态扩散；扩散系数、激活能；扩散第一定律、扩散第二定律；交互机制、间隙机制、空位机制；

2 理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散第一定律和第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。掌握几种重要的扩散机制适用的对象，掌握柯肯达尔效应的意义。掌握温度和晶体结构对扩散的影响。

第五章

1 掌握相律的描述和计算，及其对相平衡的解释；

2掌握二元合金中匀晶、共晶、包晶、共析、二次相析出等转变的图形、反应式；

3 掌握二元典型合金的平衡结晶过程分析、冷却曲线；

4 掌握二元合金中匀晶、共晶、共析、二次相析出的平衡相和平衡组织名称、相对量的计算；

5 掌握铁－渗碳体相图，典型合金的平衡冷却曲线分析、反应式、平衡相计算、平衡组织计

算、组织示意图绘制；

6 掌握三元合金的相平衡分析、冷却曲线分析。

第六章

1 掌握液体结构的描述及其与固体结构的差异；

2 掌握凝固的基本过程和基本条件；

3 了解均匀形核过程的热力学分析、临界晶核半径概念、临界形核功概念；

4 掌握影响凝固过程的因素的分析，及其对凝固后固体形貌和晶粒大小的影响；

5 掌握固溶体在不平衡结晶过程中溶质原子在液相和固相中的分布的定量和定性的描述；6了解成分过冷的概念及其对晶粒形貌的影响。

第一章（一）内容及习题

引言

金属由于其性能的多样性，而被人们广泛的应用。金属的性能由其成分、结构所决定。成分、结构、性能之间的关系，以及它们的变化规律，构成了本课程的基础。金属（或非金属）在固态通常是晶体，故金属的结构通常被称为金属的晶体结构。第一章介绍的是学习和研究晶体结构所需要掌握的一些基本知识――晶体学基础。

本节课要求

1 要求掌握“晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵、晶胞与原胞、晶系、布拉菲点阵、点阵常数”概念，理解布拉菲点阵的唯一性。

2 看完第一节，并完成习题1～3。

习题

1描述晶体与非晶体的区别，从结构、性能等方面。

2何谓空间点阵，简述晶体结构与空间点阵的区别。

3 对于图1-4（n）的面心立方点阵，如果在该点阵的上下两个底面的面中心各添加一个阵点，请问，新的结构是属于14种空间点阵的哪一种。

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第一章（二）内容及习题

引言

晶体的特征在于构成晶体的原子的排列呈现三维周期结构。在材料中，金属与陶瓷通常是晶体，即使高分子或生物材料也有相应的晶体状态。所以，对材料学家来说，了解和掌握晶体结构的基本概念是十分重要的。

19世纪出现了布拉菲的空间点阵学说，当时它仅是一个合理的猜想，其正确性到1912年才被劳厄等人的X射线衍射实验所证实。以后，大量的研究探明了成千上万的晶体结构，

肯定了晶体的周期性质。现在用高分辩电子显微镜和扫描隧道显微镜等已能直接显示原子的周期排列图像。

空间点阵体现了晶体的平移对称性，即：点阵经平移后，可以获得完全的重复。晶胞是构成空间点阵的较小体积单元，通常为一个小的平行六面体。晶胞全面反映了点阵（晶体结构）的平移对称性或周期性。如果知道了晶胞的大小和形状，并且知道了晶胞内各阵点的坐标，也就确定了晶体结构。

在研究晶体结构时，并不需要了解晶胞（或晶体）内各阵点的坐标，只需要了解阵点之间的相对位置，即阵点之间的几何关系，晶面指数和晶向指数就反映了点阵中阵点之间的几何关系。

本节课要求

1 掌握晶面指数、晶向指数的概念及其确定，掌握晶面与晶向平行或垂直，理解晶面族，晶向族。

2 看完第二节，并完成习题4～6。

习题

4在简单立方晶系中，（1）作图表示下述的晶面和晶向；（2）判断其中哪些晶面与晶向是垂直的，哪些是平行的，并指出垂直或平行的条件。()()()[][][]211,

110

,

111

,

201

,

011

,

111

5 请写出简单立方晶系中{111}的等价晶面，<110>的等价晶向。并在图中画出。

6 试在六方晶系的晶胞上画出

)

(21

10

晶面、

[]0211

和

[]101

1

晶向。

第一章第三节内容及习题

引言

在研究晶体结构时，并不需要了解晶胞（或晶体）内各阵点的坐标，只需要了解阵点之间的相对位置，即阵点之间的几何关系，晶面指数和晶向指数就反映了点阵中阵点之间的几何关系。

晶面指数表示的是一组平行的晶面，每个晶面的原子（阵点）排列情况都是相同的，晶面与晶面之间的距离都为d，称为晶面间距。晶向指数表示的是一组平行的方向。

在对六方晶系的晶面、晶向指数进行操作时，要注意：若已知指数要求作图，则先要将

四指数换算成三指数，再以三指数进行作图；若由图求指数，则先要在图中读出三指数，然后再换算成四指数。

绝大多数金属具有简单的结构，用A1（面心立方）、A2（体心立方）和A3（密排六方）结构。若将原子或点阵看成是硬的小球，则可以用硬球的堆积来反映相应的结构。

本节课要求

1 掌握面心立方、体心立方、密排六方晶胞结构，掌握原子数、配位数、紧密系数、间隙的概念，理解和定性分析间隙种类，间隙大小（定性），间隙位置

2学习第三节，并完成习题7～8。

习题

4在简单立方晶系中，（1）作图表示下述的晶面和晶向；（2）判断其中哪些晶面与晶向是垂直的，哪些是平行的，并指出垂直或平行的条件。()()()[][][]211,110,111,201,011,111

5 请写出简单立方晶系中{111}的等价晶面，<110>的等价晶向。并在图中画出。

6 试在六方晶系的晶胞上画出)(2110晶面、[]0211和[]1011晶向。

7、分别对面心立方A1和体心立方A2的（100）、（110）、（111）面，请问：

（1） 计算上述晶面的紧密系数，指出最紧密排列的晶面（注：面的紧密系数＝晶面中实占

的原子面积 / 晶面面积）。

（2） 画出上述晶面的原子排列方式。

8、分别对面心立方A1和体心立方A2的[100]、[110]、[111]晶向，请计算上述晶向中相邻两个阵点之间的距离（若点阵常数为a ），指出最紧密排列的晶向。（返回目录）

第一章第四节内容及习题

引言

绝大多数金属具有简单的结构，用A1（面心立方）、A2（体心立方）和A3（密排六方）表示。若将原子或点阵看成是硬的小球，则可以用硬球的堆积来反映晶体的结构。如：面心立方，就可以看成是由（100）晶面顺序堆积而成的，也可以看成是由（110）晶面或（111）晶面顺序堆积而成的。同样，其它的结构也都可以看出是由某一晶面顺序堆积而成的。由此，可以了解和分析晶体的结构

本节课要求

1 掌握面心立方和密排六方的堆垛方式，及其它们之间的差异；理解堆垛层错的概念。

2 学习第四节，并完成习题9、10、11。

习题

9、铁有两种结构，分别为体心立方A2（称为α－Fe或铁素体）和面心立方A1（称为γ－Fe或奥氏体），铁的原子半径分别为0.127nm，问：（1）哪种结构更致密。（2）两种结构中，四面体间隙和八面体间隙中可以容纳的原子的最大半径是多少？（3）碳原子的半径为0.077nm，当碳原子进入上述结构的间隙时，铁的结构会发生怎样的变化？

10 由表1－3可见，A1（面心立方）和A3（密排六方）结构具有相同的紧密系数，为0.7404。数学家曾经证明，若将相同直径的硬球，在空间进行堆积，其最大的紧密系数就是0.7404。所以，A1和A3结构都是最紧密堆积的结构。

问题（1）请指出A1和A3堆积结构的差异。（提示：请先分析A1以（111）晶面进行的堆积，A3以（0001）晶面进行的堆积，再讨论两者之间的差异。）

问题（2）请指出，A1结构经过怎样的变化，可以变成A3结构。

11 铜为面心立方结构，X射线衍射测定a=0.3615nm，（1）按刚球密堆模型计算最近邻原子中心距离是多少？以任一原子为中心，这样距离的原子数目是多少？（2）原子密排面和密排方向是什么？（3）原子密排面{hkl}和密排方向组成的{hkl}（注意：[uvw]须位于(hkl)面上）共有多少组？

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第一章要求掌握的内容

第一节晶体与非晶体，晶体结构与空间点阵，晶胞与原胞，晶系，布拉菲点阵，点阵常数。第二节晶面指数、晶向指数的确定，晶面族，晶向族，晶带轴，晶面与晶向平行或垂直。第三节面心立方、体心立方、密排六方晶胞结构，原子数，配位数，紧密系数，间隙种类，间隙大小（定性），间隙位置，

第四节面心立方和密排六方的堆垛方式，堆垛层错

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第二章主要内容

第二节波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。波粒两相性的基本方程。

第三节五种结合键的特点

第四节结合键与晶体结构

第五节合金，合金系，合金相结构分类

第六节影响相结构因素，

第七节固溶体，置换固溶体，间隙固溶体，有限固溶体，无限固溶体，有序固溶体，无序固溶体，端部固溶体，中间固溶体

第八节离子化合物的结构类型和特点

第九节硅酸盐结构的一般特点

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第二章第一次内容及习题

提示

我们可以从不同的学科侧面来观察材料的结构问题。在第一章中，从晶体学的侧面分析了材料的结构，也就是分析了原子的排列（或堆垛）方式、及其规律性。在分析的过程中，不涉及到单个原子的种类和性质。实际上，原子的排列（或堆垛）是依赖于原子之间的键合而实现的，而不同的键合方式是由原子的核外电子分布及其性质所决定的。这是从化学的侧面来分析材料的结构，也是第二章的内容。

本节课的要求

1 掌握波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。掌握波粒两相性的基本方程。掌握离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的概念，理解结合键与电子分布的关系，理解形成离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源

2学习完第二章的第一、二、三节，完成习题1～3。

习题

1 简述波尔理论和波动力学理论分别是如何描述原子核外电子的运动轨道。

2 粒子具有波粒二象性，请计算下列粒子的波长。

A，质量为20g，速度为1000m/s的子弹；

B，质量为10-15kg，速度为0.01m/s的尘埃；

C，质量为9.1×10-31kg，速度为106m/s的电子。

3 何谓结合键；简述离子键、共价键、金属键、分子键和氢键与电子分布的关系；指出形成离子键、共价键、金属键、分子键和氢键时键合作用力的来源。

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第二章第二次内容及习题

提示

原子的排列（或堆垛）是依赖于原子之间的键合而实现的，不同的键合方式是由原子的核外电子分布及其性质所决定的。

一个自由、孤立的原子，其电子的实际分布区域是从靠近原子核起一直分布到无限远。由于电子的能级是确定的，根据测不准，其位置是在空间中散布的。通常以电子出现大几率的区域范围作为原子的半径。

电子的具体分布遵循如下原则：泡利不相容原理、能量最低原理、洪德定则。

对于多电子的原子，它的化学键中真正起作用的是外壳层电子。但是，过渡、稀土与锕系元素的内壳电子也可能起作用。

本节课的要求

1 掌握结合键与晶体结构的关系，掌握合金、合金系、合金相结构的概念，掌握固溶体、化合物的概念和结构特点。

2学习完第二章的第三、四、五节，完成习题4～6。

习题

4 举例说明元素的结构特性是依赖于结合键的，并由此而影响了其性质。（如：石墨的层片状结构是由于碳以共价键结合形成层，层与层以分子键结合，其性质表现为层与层之间易滑移。）指出下述元素的结合键类型和结构类型：铝、硅、砷、碘、α-Fe、镁。

5 何谓合金，简述合金与纯金属的区别。何谓相、单相合金、多相合金。

6 合金相可以分成哪两类。何谓固溶体，何谓化合物。从晶体结构上讲，纯金属、固溶体、化合物之间有何区别。

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第二章第三次内容及习题

提示

金属从结构的角度可以分为纯金属、固溶体和化合物。其中，纯金属由一个组元组成，固溶体和化合物由二个或二个以上的组元组成。固溶体的结构与一个组元（溶剂）的结构相同，化合物的结构与组元的结构都不相同。若固溶体的溶剂为化合物，则这类固溶体称为第二类固溶体，也称为中间固溶体，它的本质是化合物。

本节课的要求

1掌握影响相结构因素，掌握原子半径、负电性、价电子浓度的概念，掌握置换固溶体、间隙固溶体、有限固溶体、无限固溶体、有序固溶体、无序固溶体、端部固溶体、中间固溶体的概念，理解不同固溶体的结构差异。

2学习完第二章的第六、七节，完成习题7～10，课后完成习题11。

习题

7请问影响合金相结构的因素主要有哪几个。

8何谓原子半径、负电性和价电子浓度。

9固溶体可以分成哪几类，说明各类固溶体之间在结构上的差异。

10 （1）钢是由铁和碳元素组成的，请问钢是纯金属还是合金。（2）铁在室温是体心立方，碳（石墨）是六方结构，钢在室温由铁素体和渗碳体组成，其中铁素体是体心立方，铁原子位于阵点，碳原子位于间隙；渗碳体（Fe3C）是正交结构，请问铁素体与渗碳体是固溶体还是化合物，若是固溶体则是哪种固溶体。（3）钢在室温是单相还是多相。

11（课后）说明原子半径、负电性和价电子浓度分别是如何影响合金相结构的。

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第二章第四次内容及习题

提示

陶瓷材料是以各种粘土为主要原料，成形后经高温烧制而成的制品。它是人类制得的第一类经化学变化而成的产品，它的出现比金属材料早得多。

陶瓷材料的特点是熔点高、硬度高、化学稳定性高，因此具有耐高温、耐磨损、耐氧化

和腐蚀，以及质量轻、弹性模量大、强度高等优良性能。

组成陶瓷材料的基本相为：晶相、玻璃相（非晶相）和气相（气孔）。其中，晶相是最主要的组成相。

陶瓷材料是以离子键、共价键以及离子键和共价键的混合键结合在一起的。

离子化合物和硅酸盐是两种重要的陶瓷材料。

本节课的要求

1理解离子化合物的结构类型和特点，理解硅酸盐结构的一般特点

2学习完第二章的第八、九节，完成习题12、13。

习题

12何谓离子化合物，离子化合物有哪些结构类型，其具体的结构是怎样的。

13简述硅酸盐结构的基本特点。

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第三章内容和习题(一)

第一节理想晶体与晶体缺陷，缺陷种类

第二节点缺陷种类，空位形成本质，点缺陷平衡浓度，空位种类，点缺陷对性能的影响第三节位错与滑移，螺位错，刃位错，混合位错，柏矢量

第四节螺位错和刃位错的特征，应变能，线张力，位错线受力

第五节滑移，攀移，割界，应力集中

第六节位错反应，全位错，不全位错，扩展位错

第七节晶界，亚晶界，相界，共格界，孪晶界

提示：

晶格的周期性，也称为平移对称性。所谓平移对称性，就是晶格中的点阵经过平移后，可以获得完全的重复。

本节课的要求

1 理解理想晶体与缺陷的概念，掌握缺陷的种类。掌握点缺陷的概念及其结构特点，理解空位形成的本质，理解点缺陷对晶体性能的影响。

2学习第三章的第一、二节，完成习题1～3。

习题

1 何谓理想晶体，何谓晶体缺陷

2 缺陷可以分为几类？对每一类缺陷说出一种具体的缺陷名称。

3 点缺陷的存在，对晶体结构将造成怎样的影响？对晶体的性能将造成怎样的影响？形成点缺陷的驱动力是什么？

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第三章内容和习题(二)

提示：

点缺陷是一种热力学平衡缺陷，也就是说，在一定的温度下，点缺陷的数目是一定的。可以定性地进行分析：从热力学上来说，在一定的温度下，随点缺陷数目增加，晶体结构的畸变增加，导致系统自由能增加。另一方面，随点缺陷数目增加，系统的熵值增加，导致系统的自由能下降。当增加的自由能与下降的自由能相等时，系统达到平衡。显然，这时所对应的点缺陷数目是一定的。所以，从平衡的角度来说，在一定的温度下，点缺陷的数目是一定的。

点缺陷的存在，对晶体结构造成影响，从而对晶体的性能也会造成影响。这又是一个结构与性能之间存在关系的例子。

位错是晶体中最为常见的缺陷之一，它对晶体材料的各种性质都有程度不同的影响，很早就被人们关注和研究，有了比较成熟的理论和大量的实验研究结果，是本章的重点。

本节课的要求

1 掌握空位的分类，掌握点缺陷的平衡浓度概念及其计算。掌握位错的分类及其结构特点，掌握柏矢量的物理意义及其求法。

2学习第三章的第三节，完成习题4～7。

习题

4 何谓肖脱基空位、弗仑克尔空位、点缺陷的平衡浓度

5 已知铁的空位形成能为104.6kJ/mol。试问，（1）从20℃加热到850℃，空位的数目将增加多少倍？（2）若将加热后的铁快速淬冷到20℃，这些“额外”的空位会消失吗？

6 简述：位错概念是在怎样的情况下被提出的，位错概念的提出首先解决了什么问题。

7 位错有哪两种类型，简述它们的几何特点。

8 （1）请说明柏氏矢量的物理意义。（2）先在一个简单立方（点阵常数为a）的二维晶格中画出一个正刃型位错，再用柏氏回路求出正刃型位错的柏氏矢量，并具体写出柏氏矢量的方向和大小。

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第三章内容和习题（三）

提示：

人们发现，经塑性变形的晶体的表面存在大量的台阶，提出塑性变形是通过晶体的滑移来实现的，计算了晶体发生整体滑移所需的临界分切应力，发现其值与实测值相差很大，由此提出设想：晶体可能是借助于位错的运动，通过逐步滑移来实现塑性变形的。经计算，位错运动所需的临界分切应力与实测值很接近，从而间接地证明了晶体中可能有位错的存在，直至几十年后，人们通过电子显微镜，才真正证明了位错的存在。

位错的提出，一方面解决了理论强度与实验值的差异，同时也对塑性变形过程提出了见解：当一个位错在切应力的作用下滑移出晶体时，就在晶体的表面出现一个台阶，台阶的宽度就是一个柏矢量。当有许多位错滑移出晶体时，晶体就发生了宏观的塑性变形。

正、负刃型位错的区别是多余半原子面的位置，左、右螺型位错的区别是螺旋方向的不同。位错的本质是原子的畸变区，这一区域的横截面仅有几个原子的尺寸，区域的长度是非常多的原子尺寸，所以为线缺陷。由于位错是原子的畸变区，所以，位错的存在，导致了体系能量的升高。

本节课的要求

1 进一步理解位错的结构特点，进一步理解柏矢量的求法，掌握位错的应变能、线张力的概念及其表示方法，了解用位错的应变能进行位错运动趋势分析的方法。

2 先完成上次的习题，再学习第三章的第三、四、五节，其中的第四节从第15页开始学习，15页前的内容，有兴趣的同学自己看。完成习题9～14。

习题

9 判断图（1）中螺旋的方向（是右螺旋还是左螺旋）。

10 判断图中为何位错，求图（2）中位错的柏矢量（为简单立方晶胞，点阵常数为a）。

11 求图（3）中位错的柏矢量（为简单立方晶胞，点阵常数为a）。

12 何谓位错的应变能。位错是热力学平衡缺陷还是不平衡缺陷。

13 何谓位错的线张力，其估算值为多少。

14当两个位错相遇时，定性地判断：同号位错将如何，异号位错将如何。（课后：请从应变能的角度对此进行判断。）

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第三章内容和习题(四)

提示：

正、负刃型位错的区别是多余半原子面的位置，左、右螺型位错的区别是螺旋方向的不同。位错的本质是原子的畸变区，这一区域的横截面仅有几个原子的尺寸，区域的长度是非常多的原子尺寸，所以为线缺陷。由于位错是原子的畸变区，所以，位错的存在，导致了体系能量的升高。

本节课的要求

1进一步理解位错的结构特点，掌握位错的标注方法，理解位错周围原子的应力状态及其与溶质原子的交互作用。

2再次学习第三章的第四、五节，完成习题15~18。

习题

15 请简要的说明：（1）位错是一种线缺陷，（2）缺陷的存在，一般是使体系的能量上升还

是下降？使体系处于稳定状态还是非稳定状态？

16 请简要说明：（1）刃型位错周围的原子处于怎样的应力状态（为切应力还是正应力，为拉应力还是压应力）;(2)若有间隙原子存在，则间隙原子更容易存在于位错周围的哪些位置（可以以图示的方式说明）。

17 请判断如下为何种位错：

18 在简单立方晶体中，假定有一刃型位错A，其柏氏矢量为b1=a[0-10]，沿着（100）晶面滑移；假如还有一个螺型位错B，柏氏矢量为b2=a[100]，并在（001）晶面上滑动，请在三维晶格图中画出位错A和B。

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第三章内容和习题（五）

提示

位错在力的作用下会发生运动，位错运动的结果，使晶体发生了塑性变形，而位错运动的难易程度又反映了晶体的强度。

本节课的要求

1 掌握位错的运动形式，掌握滑移和攀移的概念，理解刃型位错与螺型位错在运动形式上的差异，了解割阶的概念，掌握位错之间的交互作用。

2 学习第三章的第五节，完成习题19～22。

习题

19 位错运动通常具有哪两种形式，它们的区别何在。

20 简述刃型位错和螺型位错在运动形式上的差异。

21 （1）请问图示分别是何种位错。（2）指出位错运动的方向。（3）作图表示位错在应力的作用下运动出晶体后，晶体所发生的变化。

22 在简单立方晶体中，假定有一刃型位错A，其柏氏矢量为b1=a[0-10]，沿着（100）晶面滑移，（a）请在三维晶格图中画出位错A。（b）如果有另一个刃型位错B，柏氏矢量为b2=a[010]方向，沿着（001）晶面上运动，请画出位错B。（c）如果位错B运动经过位错A，请问位错A将发生什么情况？请作图表示。（d）如果有一个柏氏矢量为b3=a[100]，并在（001）晶面上滑动的螺型位错C通过位错A，首先请画出位错C。若位错C运动经过位错A，试问位错A将发生什么情况？请作图表示。

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第三章内容和习题（六）

提示

在前面的学习中，我们通过简单立方晶体结构为代表，得到了位错知识和一般讨论。实际金属材料具有面心立方、体心立方和密排六方等结构。在不同的晶体结构中位错的组态和性质是不同的，它们对晶体性能也有不同的影响。

界面是一种面缺陷，如晶体的外表面，在外表面上的原子与内部的原子相比，外表面的原子处于不平衡位置，所以，晶体的外表面是一种缺陷。类似的缺陷还有好几种。

本节课的要求

1 掌握位错反应的判断，理解全位错、不全位错、扩展位错的概念，了解弗兰克不全位错和肖克莱不全位错的形成。掌握面缺陷的种类，掌握晶界，亚晶界，相界，共格界，孪晶界的概念。

2 学习第三章的第六和七节，完成习题23～25。

习题

23 位错反应的基本条件是什么？指出面心立方（fcc）和体心立方（bcc）中的特征位错（以最短点阵矢量为柏矢量的位错），并判断第六节中第5页和第14页的位错反应是否可以进行，为什么。

24 何谓全位错、不全位错？说明弗兰克不全位错是如何形成的。

25 指出面缺陷的种类。若将一个包含有许多晶粒的晶体加热，请问，随加热时间的延长或加热温度的提高，这些晶粒将长大还是缩小还是不变？为什么？

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第三章主要内容

第一节理想晶体与晶体缺陷，缺陷种类

第二节点缺陷种类，空位形成本质，点缺陷平衡浓度，空位种类，点缺陷对性能的影响第三节位错与滑移，螺位错，刃位错，混合位错，柏矢量

第四节螺位错和刃位错的特征，应变能，线张力，位错线受力

第五节滑移，攀移，割界，应力集中

第六节位错反应，全位错，不全位错，扩展位错

第七节晶界，亚晶界，相界，共格界，孪晶界

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注意1：作柏氏矢量时，先要确定一个坐标，然后在有缺陷的晶体中画个柏氏回路，再在理想晶体中依样画个回路，从终点至起点连线即为柏氏矢量，用数学式来表示这个矢量。

注意2：在画位错时，通常将位错线与柏矢量画在同一个平面上，这个平面一般是滑移面。如下题：

18 在简单立方晶体中，假如有一个螺型位错B，柏氏矢量为b=a[100]，并在（001）晶面上滑动，请在三维晶格图中画出位错B。

下图中的两种画法都是可以的，其中，L为位错线，b为柏矢量。

注意3：位错线正方向的判断：一般规定，位错线从里到外、从上到下为其正方向

注意4：21 （1）请问图示分别是何种位错。（2）指出位错运动的方向。（3）作图表示位错在应力的作用下运动出晶体后，晶体所发生的变化。

为正刃型位错和右螺型位错，图中红线为位错线，位错都将向左运动，位错运动出晶体后晶体的变化如下图

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第七章掌握和理解的基本内容

第一节工程应力，工程应变，真实应力，真实应变

第二节弹性模量，弹性变形特点

第三节滑移及其与位错关系，滑移系，面心立方与体心立方的滑移系，临界分切应力与分切应力，取向因子，单滑移，复滑移，交滑移，孪生，常见晶体的孪生要素，孪生的特点，加工硬化

第四节等强温度，Hall-Petch公式，细晶强化

第五节固溶强化，第二相强化，纤维组织，位错胞结构，织构，塑性变形后金属组织和性能的变化

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第七章（一）

引言

1 材料在加工制备过程中，或者制作成零件在工作中都要受到外力的作用，并发生变形。随

着外力的增大，材料先后会发生弹性变形、塑性变形和断裂。

2 应力－应变曲线反映了材料在变形过程中应力(外加力)和应变(变形)间的关系，所以，应力－应变曲线是研究材料变形特性的重要工具。在应力－应变曲线上还可以获得材料的强度和塑性指标。

本节课要求

1 掌握工程应力、工程应变、真实应力、真实应变的概念，了解它们之间的关系。理解应力－应变曲线的含义，掌握屈服强度、抗拉强度、延伸率的概念，掌握弹性模量的概念，了解弹性变形特点。

2 学习第一、二节，完成习题1～4。

习题

1 何谓金属的塑性变形和弹性变形，何谓屈服强度、抗拉强度。

2 指出工程应力和真实应力、工程应变和真实应变的差异，写出真应力和真应变的计算式。

3 金属在塑性变形过程中，随应变的增加，应力将如何变化？

4 弹性变形是在正应力还是在切应力作用下发生的？塑性变形呢？

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第七章（二）

引言

一、前述反馈：

当应力超过弹性极限(σe)，材料就发生塑性变形。工程上通常将开始塑性变形所需的最小应力称为屈服强度，用σs表示。同样，屈服强度也可以认为是不发生塑变的最大应力。而抗拉强度也被称为强度极限，用σb表示，表征的是材料在断裂前可以承受的最大（工程）应力。这里提出一个问题：屈服强度和抗拉强度在工程上分别有何重要意义？请同学们思考。

屈服强度和抗拉强度通常是通过测试应力－应变曲线来获得的。对于不同性质的金属材料，主要有如下两种应力应变曲线：

其中，前者曲线中平台对应的强度即为屈服强度，后者曲线中没有平台，则以发生了0.2％残余（工程）应变时对应的应力来表征该材料的屈服强度，用σ0.2表示。

在应力－应变曲线中还可以看出，在塑性变形过程中，随着应变的不断增加，应力是不断增加的。这一方面说明，要使塑变不断进行，需要有更大的应力施加在材料上，同时也说明，随着塑变的不断进行，材料的强度不断的提高。由此提出了另一个问题：为何随着塑变的不断进行，材料的强度会不断的提高？这一现象称为什么？有何重要的工程意义和应用？

应力－应变曲线从宏观上反映了材料的塑变性能，那么塑变的微观机理是什么？这是本节课要学习的内容。

二、本次内容：

工程上用的材料绝大多数都是多晶体，但多晶体的变形是和其中各个晶粒变形相关的。因此，单晶体的变形是金属变形的基础。

在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，还可以通过孪生、扭折等方式进行。

单晶体的滑移，是在一定的晶面上，沿着一定的晶向进行的，并借助于位错运动而实现的。

本节课的要求

1 掌握滑移、滑移系、临界分切应力、取向因子的概念，理解滑移与位错的关系、位错运动与强度的关系，了解面心立方与体心立方的滑移系，理解单滑移、，复滑移、交滑移的概念。

2 掌握孪生的概念，了解常见晶体的孪生要素和孪生的特点。

3 掌握加工硬化的概念，理解位错增殖的模型。

4 学习第三节，完成习题5～10。

习题

5 简述塑变、滑移、位错运动之间的关系。

6 写出面心立方、体心立方金属的主要滑移系。

7 何谓临界分切应力，并说明临界分切应力与屈服强度的关系（针对单晶体而言）。

8 有一70MPa应力作用在fcc晶体的[001]方向上，求作用在(111)[10-1]和(111)[-110]滑移系上的分切应力。

9 （课后）一镁合金的屈服强度为180MPa，弹性模量为45GPa，（1）求不至于使一块10mm ×2mm的镁板发生塑性变形的最大载荷。（2）求在此载荷下，该镁板每mm的伸长量使多少。

10 （课后）铜单晶圆棒试样的直径为5mm，滑移面和滑移方向为{111}和<110>，临界分切应力为0.98N/mm2，试求：（1）若沿[001]方向拉伸，需要多大的外力才能使试样屈服？屈服强度是多少？（2）若沿[111]方向拉伸，则需要多大的外力才能使试样屈服？屈服强度又是多少？（3）请分别写出在上述两种情况下的等效滑移系。

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第七章（三）

引言

前述提示：

上节课学习了单晶体的塑变过程和特点。

若单晶体受到外加应力σ，则该应力在滑移面和滑移方向上的分切应力为τ，τ＝σ×cosλ×cosυ，其中，λ为外加应力与滑移方向的夹角，υ为外加应力与滑移面法线的夹角。τK为该滑移系的临界分切应力，其值与原子结构有关。当τ>τK，晶体就沿着滑移系开始滑移，即开始发生塑变，此时所对应的外加应力就是屈服强度。

显然，屈服强度与τK有关，τK越小，屈服强度越低。屈服强度还与cosλ×cosυ有关，cosλ×cosυ被称为取向因子，cosλ×cosυ值越大，则屈服强度越低，即开始塑变所需的应力越小。有最大cosλ×cosυ值的取向称为软取向，反之则为硬取向。

晶体滑移的本质是位错的运动。在外力作用下，位错开始运动。当位错运动至晶体表面，在晶体表面产生了滑移台阶，也就是晶体产生了变形。显然，这是永久变形，即发生了塑变。

随着位错不断地运动至晶体表面，晶体不断地发生塑变。实验证明，随着塑变的不断进行，晶体内的位错数目是不断增加的，请同学们思考，为何随着塑变的进行，晶体内的位错数目是增加的而不是下降的？

本节课提示：

1 实际使用的金属都是多晶体，室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体是相同的，但是，由于多晶体中相邻晶粒之间取向不同，以及晶界的存在，使得多晶体的变形要受这些因素的影响。

2 与纯金属相比，在工程上使用更多的是合金，合金的相结构包括固溶体和化合物，显然，纯金属、固溶体、化合物的变形性质是不同的。

3 金属经过塑性变形后，其组织结构和性能将发生变化。

本节课的要求

1 理解多晶体的变形特点，了解Hall-Petch公式的表述，掌握细晶强化的概念。

2 掌握固溶强化、第二相强化的概念，理解细晶强化、固溶强化、第二相强化与位错的关系，掌握纤维组织、位错胞结构、织构的概念，了解塑性变形后金属组织和性能的变化。

3 学习第四、第五节，完成习题10～13。

习题

1 何谓金属的塑性变形和弹性变形，何谓屈服强度、抗拉强度。

2 指出工程应力和真实应力、工程应变和真实应变的差异，写出真应力和真应变的计算式。

3 金属在塑性变形过程中，随应变的增加，应力将如何变化？

4 弹性变形是在正应力还是在切应力作用下发生的？塑性变形呢？

5 简述塑变、滑移、位错运动之间的关系。

6 写出面心立方、体心立方金属的主要滑移系。

7 何谓临界分切应力，并说明临界分切应力与屈服强度的关系（针对单晶体而言）。

8 有一70MPa应力作用在fcc晶体的[001]方向上，求作用在(111)[10-1]和(111)[-110]滑移系上的分切应力。

9 （课后）一镁合金的屈服强度为180MPa，弹性模量为45GPa，（1）求不至于使一块10mm ×2mm的镁板发生塑性变形的最大载荷。（2）求在此载荷下，该镁板每mm的伸长量使多少。

10 （课后）铜单晶圆棒试样的直径为5mm，滑移面和滑移方向为{111}和<110>，临界分切应力为0.98N/mm2，试求：（1）若沿[001]方向拉伸，需要多大的外力才能使试样屈服？屈服强度是多少？（2）若沿[111]方向拉伸，则需要多大的外力才能使试样屈服？屈服强度又是多少？（3）请分别写出在上述两种情况下的等效滑移系。

11 简述多晶体塑变与单晶体塑变的差异。

12 （1）写出Hall-Petch公式，说明公式的意义。（2）已知平均晶粒直径为1mm和0.0625mm 的α－Fe的屈服强度分别为112.7MPa和196MPa，问平均晶粒直径为0.0196mm的纯铁的屈服强度为多少。

13何谓加工硬化、固溶强化、第二相强化、细晶强化，说明它们与位错的关系。

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第八章（一）

引言

金属和合金经塑性变形后，不仅内部的组织结构和性能发生了明显的变化，而且，由于空位、位错等缺陷的数目大大的增加，导致畸变能升高，将使其处于热力学不稳定状态，具有自发恢复到变形前的低自由能状态的趋势。所以，经过冷塑性变形的金属在加热时，将发

生组织和性能的变化。了解这些变化过程的发生和发展规律，可以改善和控制金属材料的组织和性能，从而可以更好的使用金属材料。

本节课的要求

1 掌握回复、多边化的概念，理解回复过程组织和性能的变化，了解回复的应用。

2 掌握再结晶、再结晶温度的概念，了解影响再结晶温度的因素。

3 学习第一、第二节，完成习题1～4。

习题

1 说明金属在塑性变形后，其组织和性能将发生怎样的变化。

2 请问，经过冷塑性变形后的金属，在加热过程中，所温度的升高，将发生什么过程，各个过程是如何区分的。

3 冷塑性变形后的金属，在加热过程中，将发生回复，请问，在回复过程中，金属的组织和性能发生怎样的变化？回复有什么应用？

4何谓再结晶温度，简述影响再结晶温度的因素。

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第八章（二）

引言

金属经过冷塑性变形，由于加工硬化，将使金属的强度、硬度上升，塑性、韧性下降。同时，金属内部的缺陷数目大大增加，使其内能（弹性畸变能）也大大增加，能量下降是一个自发过程，所以，畸变能的下降成为了回复和再结晶的驱动力。伴随着回复、再结晶的进行，其组织结构将发生变化，导致其性能发生变化。请同学们思考：在生活和生产实践中，是如何利用塑性变形、回复再结晶的。（例如：通常使用的钢丝绳、钢缆，包括大桥的钢索，都是经过冷塑性变形的，利用了加工硬化，使其有高的强度。）

冷变形晶体在回复过程中性能的变化是一个渐变过程，组织结构没有明显的变化。进一步提高退火温度，当达到某一临界值(严格说应是一个窄的温度范围)，就可以看到组织结构发生了急剧变化，在原变形组织中产生了新的无畸变的晶粒，性能也发生了明显的变化，这个过程称为再结晶。随着退火温度的进一步提高，或退火时间的进一步增加，再结晶后的晶粒也将长大，这一过程称为晶粒长大。

显然，合金的成分、冷变形量、加热温度等因素将影响再结晶后的组织结构，再结晶图就反映了这种关系。再结晶后的组织结构（如：晶粒大小、缺陷数目等）将影响到合金的性能。

本节课的要求

1 掌握再结晶后晶粒尺寸与变形量、加热温度的关系，掌握临界变形度的概念，理解再结晶的动力学公式。

2 掌握再结晶、晶粒长大过程的组织和性能的变化，了解晶粒异常长大的概念。

3 掌握动态回复、动态再结晶的概念。

4 学习第二、三、四节，完成习题5～10。

习题

5 已知Cu-30%Zn合金的再结晶激活能为250KJ/mol，此合金在400℃的恒温下完成再结晶

需要1小时，问：（1）此合金在390℃的恒温下完成再结晶需要多少小时？（2）若希望在100℃的恒温下完成再结晶，则需要多少时间？

6 何谓临界变形量和再结晶晶粒异常长大。请描述变形量和退火温度对再结晶晶粒大小的影响。

7 在再结晶和晶粒长大过程中金属的组织和性能将发生怎样的变化？

8 回复、再结晶、晶粒长大过程的驱动力分别是什么。

9 （课后）某工厂用一冷拉钢丝绳将一大型钢件吊入热处理炉内，由于一时的疏忽，未将钢丝绳取出，而是随同工件一起加热至860℃，保温时间到了，打开炉门，要吊出工件时，钢丝绳发生了断裂，试分析原因。

10 （课后）工业纯铝在室温下经大变形量轧制成带材后，测得其室温力学性能为冷加工硬化态的性能，已知工业纯铝的再结晶温度为150℃，但是，若将上述经过冷变形的铝带加热至100℃，并保温16天后冷至室温，再测其强度，发现强度明显下降，请解释其原因。（返回目录）

第八章掌握和了解的内容

冷塑性变形的金属在加热时组织和性能的变化，回复，再结晶，再结晶温度，再结晶动力学方程，影响再结晶因素，影响晶粒长大的因素

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第四章主要内容

第一节扩散条件

第二节扩散定律的描述，第二定律在渗碳中的应用，

第三节换位机制，空位机制，间隙机制，D = D0exp(-Q /RT)中参数的物理意义，

第四节柯肯达尔效应描述及其意义

第五节针对D = D0exp(-Q /RT)说明影响扩散的因素

(返回目录)第四章内容和习题(一)

提示

在液体和气体中很容易感觉到扩散现象，如一滴蓝墨水滴入一杯清水中，逐渐地整杯水都变成蓝色了，这是由于蓝墨水扩散的结果。对于固体，扩散较难被感觉到。但是，扩散对于固体是非常重要的。在学习过程中，可以借助于已经熟悉的液体和气体中的扩散现象来理解固体中的扩散。

扩散过程伴随有浓度的变化，若浓度不随扩散时间而变，则为稳态扩散，此时适用第一定律。用扩散第一定律可以分析相应的扩散过程。若浓度随扩散时间而变，则为非稳态扩散，此时适用第二定律，第二定律的不同解分别对应了不同的适用场合。

本节课要求

1 理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散的条件。理解稳态扩散和非稳态扩散的概念，掌握扩散第一适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。

2 学习1、2节，完成习题1～3。

习题

1 描述在金属固体中发生扩散时，原子是如何运动的。指出扩散的条件。

2 何谓稳态扩散、非稳态扩散，指出第一定律适用的场合。

3 有一球壳，内半径为r1，外半径为r2。在T温度保温，有物质从球壳内向球壳外扩散，当扩散达到平衡后，球壳内表面扩散物质的浓度为C1，外表面的浓度为C2，并测得在单位时间内从球壳内向球壳外扩散的物质总量为Q。设扩散系数为常数。求：

A，扩散系数。

B，r=(r1+r2)/2处的浓度。

(提示：对第一定律进行定积分)

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第四章（二）内容和习题

提示

扩散过程通常伴随有浓度的变化，若浓度不随扩散时间而变，则为稳态扩散，此时适用第一定律。用扩散第一定律可以分析相应的扩散过程。若浓度随扩散时间而变，则为非稳态扩散，此时适用第二定律，第二定律的不同解分别对应了不同的适用场合。

扩散的本质是原子的迁移运动，原子如何从一位置移动到二位置，对于置换原子和间隙原子来说是不同的，也就是它们的扩散机制是不同的。

本节课要求

1 了解扩散第二定律的描述，掌握扩散第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。

2 掌握几种重要的扩散机制的描述及其适用的对象，

3 学习第2、3节，完成习题4～7。

习题

4 简述第二定律中的不同解分别适用的场合。

5 对于第二节第15页上的例子，问：(1) 扩散7×104s后，表面、距表面4和8μm处的硼浓度分别是多少？

6 钢可以在870℃渗碳也可以在930℃渗碳，若已知钢在870℃渗碳时的扩散系数为5.2×10-12，钢在930℃渗碳时的渗碳系数为0.98×10-11，问：在870℃渗碳要用多长时间才能获得930℃渗碳10小时的渗层深度？（渗层深度：在浓度－距离曲线中，某一浓度所对应的离表面的距离。）

(提示：使用扩散第二定律中的误差函数解4-18式，因为渗层深度相同，所以C、C1、C2、x都相等。)

7 简述置换原子和间隙原子的扩散机制。

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第四章（三）内容和习题

提示

扩散第二定律的误差函数解适用于渗碳过程，渗碳过程是指：将含碳量小于0.2％的铁碳合金，放入含碳量为1％左右的富碳气氛中（也可以放入富碳的液体或固体中），加热到900℃左右，保温几个或十几个小时后，使合金的表面获得几个或几十个微米厚的含碳量为1％左右的富碳层，而心部的含碳量仍然是0.2％。汽车变速箱中的齿轮通常都经过渗碳处理。利用扩散第二定律可以有效地控制渗碳过程。

柯肯达尔效应的提出，对于认识固体中原子的扩散机制是有重要意义的。

温度、晶体结构和化学成分对扩散有重要的影响。公式：D = D0exp(-Q /RT)反映了温度（T）、晶体结构和成分（D0和Q）对扩散的影响。

本节课的要求

1掌握扩散系数的概念及其表达式的物理意义。

2 掌握柯肯达尔效应的描述，理解柯肯达尔效应的意义。

3掌握温度和晶体结构对扩散的影响。

4 学习3、4、5节，完成习题8～10。

习题

8 钢可以在870℃渗碳也可以在930℃渗碳，计算钢在870℃和930℃渗碳时，碳在钢（奥氏体）中的扩散系数。已知D0=2.0×10-5m2s-1，Q=144×103J/mol。

9 何谓柯肯达尔效应，简述柯肯达尔效应的意义。

10 简述影响扩散的因素（从温度、晶体结构两方面来简述），并对书中P139的图4.15进行描述和分析。

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第五章要求掌握的内容

第一节，相图，相律，自由度，杠杆定律，相平衡

第二节，匀晶转变，匀晶相图，平衡结晶过程分析，选分（选择）结晶，冷却曲线分析，不平衡结晶，偏析

第三节，共晶转变，共晶相图，亚（过）共晶合金，共晶合金，平衡结晶过程分析，冷却曲线分析，二次析出，平衡相、平衡组织及其相对量计算，不平衡结晶（伪共晶、不

平衡共晶、离异共晶），共晶形貌，初晶形貌

第四节，包晶转变，包晶相图，平衡结晶过程分析，冷却曲线分析，平衡相、平衡组织及其相对量计算，包晶转变的应用

第五节，稳定化合物，不稳定化合物，固态转变（同素异晶、共析、包析）

第六节，单相固溶体自由能表达式，固溶体的自由能－成分曲线，混合相自由能表达式，相平衡条件表达式，相平衡的公切线法则，由自由能曲线获得二元相图

第七节，相区接触法则

第八节，力学性能，铸造性能

第九节，Fe-C合金的相结构（铁素体，奥氏体，渗碳体）及其成分，组织（铁素体，珠光体，莱氏体，一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体）及其形貌和成分，平衡结晶过程

分析，平衡相、平衡组织及其相对量计算，成分与性能关系

第十节，成分三角形及其成分的标注，成分三角形中的特殊线，直线法则，杠杆定律，重心法则，匀晶相图平衡结晶过程分析（连接线方向、连接线走向），简单共晶相图平

衡结晶过程分析，平衡组织相对量计算，四相平衡转变及其相图形式，实际相图分

析

第五章总体掌握：

对二元相图：简单二元相图和Fe-Fe3C相图平衡结晶过程分析，平衡相、平衡组织及其相对量计算，平衡组织的形貌描述，Fe-Fe3C相图室温平衡组织与性能的关系。

对三元相图：由等温截面、垂直截面、投影图分析匀晶和简单共晶平衡结晶过程，平衡相、平衡组织及其相对量计算，实际三元相图分析。

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第五章（一）内容及习题

引言

本节课提示：

材料科学基础练习题

练习题 第三章 晶体结构，习题与解答 3-1 名词解释 （a ）萤石型和反萤石型 （b ）类质同晶和同质多晶 （c ）二八面体型与三八面体型 （d ）同晶取代与阳离子交换 （e ）尖晶石与反尖晶石 答：（a ）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。 （b ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 （c ）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构 三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 （d ）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。 （e ）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石； 反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。 3-2 （a ）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？ （b ）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中： （1）所有八面体间隙位置均填满； （2）所有四面体间隙位置均填满； （3）填满一半八面体间隙位置； （4）填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解：（a ）参见2-5题解答。1:1和2:1 （b ）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子及实例如下： （1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO ； （2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O ； （3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2； （4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO 。 3-3 MgO 晶体结构，Mg2+半径为0.072nm ，O2-半径为0.140nm ，计算MgO 晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO 的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？

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1mm3Cu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。 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%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)=，Ar(C)=） 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=，α-Fe在略低于912℃时a=，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γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化，求此转变时的体积变

材料科学基础2复习题与参考答案

材料科学基础2复习题及部分参考答案 一、名词解释 1、再结晶：指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶 粒的过程。 2、交滑移：在晶体中，出现两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移。 3、冷拉：在常温条件下，以超过原来屈服点强度的拉应力，强行拉伸聚合物，使其产生塑性变形以达到提高其屈服点 强度和节约材料为目的。（《笔记》聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。） 4、位错：指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。（《书》晶体中某处一列或者若 干列原子发生了有规律的错排现象） 5、柯氏气团：金属内部存在的大量位错线，在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子（大小不同吸附的位 置有差别）,形成所谓的“柯氏气团”。（《书》溶质原子与位错弹性交互作用的结果，使溶质原子趋于聚集在位错周围，以减小畸变，降低体系的能量，使体系更加稳定。） 6、位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度或晶体中穿过单位截面面积的位错线数目。 7、二次再结晶：晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。 8、滑移的临界分切应力：滑移系开动所需要的最小分切应力。（《书》晶体开始滑移时，滑移方向上的分切应力。） 9、加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象，又称冷作硬 化。（《书》随塑性变形的增大，塑性变形抗力不断增加的现象。） 10、热加工：金属铸造、热扎、锻造、焊接和金属热处理等工艺的总称。（《书》使金属在再结晶温度以上发生加 工变形的工艺。） 11、柏氏矢量：是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。（《书》揭 示位错本质并描述位错行为的矢量。）反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量。 12、多滑移：晶体的滑移在两组或者更多的滑移面（系）上同时进行或者交替进行。 13、堆垛层错：晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为 层错面）两侧附近原子的错排的一种面缺陷。 14、位错的应变能：位错的存在引起点阵畸变，导致能量增高，此增量称为位错的应变能。 15、回复：发生形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时，金属或合金的显微组织几乎没有变化，然而性能 却有程度不同的改变，使之趋近于范性形变之前的数值的现象。（《书》指冷变形金属加热时，尚未发生光学显微组织变化前（即再结晶前）的微观结构及性能的变化过程。） 16、全位错：指伯氏矢量为晶体点阵的单位平移矢量的位错。 17、弗兰克尔空位：当晶体中的原子由于热涨落而从格点跳到间隙位置时，即产生一个空位和与其邻近的一个间 隙原子，这样的一对缺陷——空位和间隙原子，就称为弗兰克尔缺陷。（《书》存在能量起伏的原子摆脱周围原子的约束而跳离平衡位置进入点阵的间隙中所形成的空位（原子尺度的空洞）。） 18、层错能：单位面积层错所增加的能量。（《书》产生单位面积层错所需要的能量。） 19、表面热蚀沟：金属长时间加热时，与表面相交处因张力平衡而形成的热蚀沟。（《书》金属在高温下长时间加热时， 晶界与金属表面相交处为了达到表面张力间的平衡，通过表面扩散产生的热蚀沟。） 20、动态再结晶：金属在热变形过程中发生的再结晶。 二、填空题 1、两个平行的同号螺位错之间的作用力为排斥力，而两个平行的异号螺位错之间的作用力为吸引力。 2、小角度晶界能随位向差的增大而增大；大角度晶界能与位向差无关。 3、柏氏矢量是一个反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量；该矢量的模称为位错强度。 4、金属的层错能越低，产生的扩展位错的宽度越宽，交滑移越难进行。 5、螺型位错的应力场有两个特点，一是没有正应力分量，二是径向对称分布。 6、冷拉铜导线在用作架空导线时，应采用去应力退火，而用作电灯花导线时，则应采用再结晶退火。 7、为了保证零件具有较高的力学性能，热加工时应控制工艺使流线与零件工作时受到的最大拉应力的方向 一致，而与外加的切应力方向垂直。 8、位错的应变能与其柏氏矢量的模的平方成正比，故柏氏矢量越小的位错，其能量越低，在晶体中越稳定。 9、金属的层错能越高，产生的扩展位错的宽度越窄，交滑移越容易进行。

材料科学基础习题及答案

《材料科学基础》习题及答案 第一章 结晶学基础 第二章 晶体结构与晶体中的缺陷 1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶、类质同晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论。 晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 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 图2-1 MgO 晶体中不同晶面的氧离子排布示意图 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）晶面上的原子排布图； （b ）计算这三个晶面的面排列密度。 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，r a 220= （111）面：面排列密度= ()[] 907.032/2/2/34/222==?ππr r

(完整版)材料科学基础练习题

练习题 第三章晶体结构，习题与解答 3-1 名词解释 （a）萤石型和反萤石型 （b）类质同晶和同质多晶 （c）二八面体型与三八面体型 （d）同晶取代与阳离子交换 （e）尖晶石与反尖晶石 答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。 （b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 （c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 （d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。 （e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四 面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石； 反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空 隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。 3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置 的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四 面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？ （b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何 种价离子，其中： （1）所有八面体间隙位置均填满； （2）所有四面体间隙位置均填满； （3）填满一半八面体间隙位置； （4）填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解：（a）参见2-5题解答。1:1和2:1 （b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子 及实例如下： （1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO； （2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O； （3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2； （4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO。 3-3 MgO晶体结构，Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？

(完整版)材料科学基础考题1

材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷 二、选择题（每题2分，共20分） 1．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2]111[. (A) 不能(B) 能(C) 可能 2．原子扩散的驱动力是：( ) (A) 组元的浓度梯度(B) 组元的化学势梯度(C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（） （A）形核率(B)系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（） (A) 氧离子空位(B) 钛离子空位(C)阳离子空位 5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1

材料科学基础-习题集

https://www.wendangku.net/doc/cb14519257.html,/jxtd/caike/这个网址有很多东西,例如教学录像,你可以上去看看,另 外左下角有个“释疑解惑”，应该很有用 第一章材料结构的基本知识 习题 1．原子中的电子按照什么规律排列?什么是泡利不相容原理? 2．下述电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金 属? (1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 (2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 (3) 1s2 2s2 2p5 (4) 1s2 2s2 2p6 3s2 (5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 (6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3．稀土元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内? 4．简述一次键与二次键的差异。 5．描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键? 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? 7．应用式(1-2)~式(1-5)计算Mg2+O2-离子对的结合键能，以及每摩尔MgO晶体的结合键能。假设离子半径为；；n=7。 8．计算下列晶体的离子键与共价键的相对比例 (1) NaF

(2) CaO 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。 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。 11．归纳并比较原子结构、原子结合键、原子排列方式以及晶体的显微组织等四个结构 层次对材料性能的影响。 第二章材料中的晶体结构 习题

第三章高分子材料的结构 习题 1．何谓单体、聚合物和链节?它们相互之间有什么关系?请写出以下高分子链节的结构式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤聚四氟乙烯。 2．加聚反应和缩聚反应有何不同? 3．说明官能度与聚合物结构形态的关系。要由线型聚合物得到网状聚合物，单体必 须具有什么特征? 4．聚合物的分子结构对主链的柔顺性有什么影响? 5．在热塑性塑料中结晶度如何影响密度和强度，请解释之。 6．为什么聚乙烯容易结晶，而聚氯乙烯则难以结晶? 为什么在热塑性塑料中完全结 晶不大可能?

《材料科学基础》练习题集01

《材料科学基础》复习题 第1章原子结构与结合键 一、判断题： 4、金属键具有明显的方向性和饱和性。（ F） 5、共价键具有明显的方向性和饱和性。（ T） 6、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是两组元的电负性相同。两组元的晶体结构相同（ F） 7、工程材料的强度与结合键有一定的关系，结合键能越高的材料，通常其弹性模量、强度和熔点越低。（F） 8、晶体中配位数和致密度之间的关系是配位数越大，致密度越小。（F ） 二、选择题： 1、具有明显的方向性和饱和性。 A、金属键 B、共价键 C、离子键 D、化学键 2、以下各种结合键中，结合键能最大的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 D、化学键 3、以下各种结合键中，结合键能最小的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 D、化学键 5、已知铝元素的电负性为1.61，氧元素的电负性为3.44，则Al 2O 3 中离子键结合的比 例为。 A、28% B、45% C、57% D、68% 6、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中，是不正确的。P54 A、结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，材料的弹性模量越大。 B、具有同类型结合键的材料，结合键能越高，熔点也越高。 C、具有离子键和共价键的材料，塑性较差。 D、随着温度升高，金属中的正离子和原子本身振动的幅度加大，导电率和导热率 都会增加。（应该是自由电子的定向运动加剧） 7、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是。 A、两组元的电子浓度相同 B、两组元的晶体结构相同 C、两组元的原子半径相同 D、两组元电负性相同 11、晶体中配位数和致密度之间的关系是。 A、配位数越大，致密度越大 B、配位数越小，致密度越大 C、配位数越大，致密度越小 D、两者之间无直接关系 三、填空题： 2、构成陶瓷化合物的两种元素的电负性差值越大，则化合物中离子键结合的比例越大。 3、体心立方结构的晶格常数为a，单位晶胞原子数为 2 、原子半径为

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

《材料科学基础》课后答案章

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： (1)以点阵常数为单位，计算体心立方、面心立方和密排六方晶体中的原子半径及四面体和八面体的间隙半径。 (2）计算体心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子数、致密度和配位数。 6．用密勒指数表示出体心立方、面心立方和密排六方结构中的原子密排面和原子密排方向，并分别计算这些晶面和晶向上的原子密度。 解：1、体心立方

材料科学基础试题

第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 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 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。

材料科学基础习题集(新)

第一部分：习题集 《材料科学基础》复习思考题 第一章：材料的结构 一、解释以下基本概念 空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。 二、填空题 1、材料的键合方式有四类，分别是（），（），（），（）。 2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成（）。 3、我们把原子在物质内部呈（）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（），（），（）。 4、三种常见的金属晶格分别为（），（）和（）。 5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有体心立方晶格的常见金属有（）。 6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。 7、密排六方晶格中，晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（），密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金

属有（）。 8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和（）。 9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（），按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。 10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。 11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是（），（），（），（）。 12、金属化合物（中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（）、脆性（），因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相（）作用。 13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），（），（）。 14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（），（），（），（）。 15、Fe3C的铁、碳原子比为（），碳的重量百分数为（），它是（）的主要强化相。 三、作图表示出立方晶系（123）、 （0）、（421）等晶面和

材料科学基础复习题及答案

单项选择题：（每一道题1分） 第1章原子结构与键合 1.高分子材料中的C-H化学键属于。 （A）氢键（B）离子键（C）共价键 2.属于物理键的是。 （A）共价键（B）范德华力（C）氢键 3.化学键中通过共用电子对形成的是。 （A）共价键（B）离子键（C）金属键 第2章固体结构 4.面心立方晶体的致密度为 C 。 （A）100% （B）68% （C）74% 5.体心立方晶体的致密度为 B 。 （A）100% （B）68% （C）74% 6.密排六方晶体的致密度为 C 。 （A）100% （B）68% （C）74% 7.以下不具有多晶型性的金属是。 （A）铜（B）锰（C）铁 8.面心立方晶体的孪晶面是。 （A）{112} （B）{110} （C）{111} 9.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 10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？

（A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化 11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。（A）氮（B）碳（C）硼 12.以下属于正常价化合物的是。 （A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C 第3章晶体缺陷 13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？ （A）垂直（B）平行（C）交叉 14.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 15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称 为。 （A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷 16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为 （A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错 17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是 （A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。 （A）3 （B）4 （C）5 第4章固体中原子及分子的运动 19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变 化。

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。 2+进入到KCl 间隙中而形成0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种，CaCl2中Ca 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。 2

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