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材料科学与工程基础习题和思考题及答案

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材料科学与工程基础习题和思考题及答案

《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案

第二章

2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布(用方框图表示)。

2-2.的镁原子有13个中子,11.17%的镁原子有14个中子,试计算镁原子的原子量。

2-3.试计算N壳层内的最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时,该原子的原子序数是多少?

2-4.计算O壳层内的最大电子数。并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。

2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类,简单说明理由。

2-6.按照杂化轨道理论,说明下列的键合形式:

(1)CO2的分子键合(2)甲烷CH4的分子键合

(3)乙烯C2H4的分子键合(4)水H2O的分子键合

(5)苯环的分子键合(6)羰基中C、O间的原子键合

2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些?

2-8.试解释表2-3-1中,原子键型与物性的关系?

2-9.0℃时,水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3,如何解释这一现象?

2-10.当CN=6时,K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时,半径是多少?(b)CN=8时,半径是多少?

2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量?(b)每mm3的金有多少个原子?(c)根据金的密度,某颗含有1021个原子的金粒,体积是多少?(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙,则1021个原子占多少体积?(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比?

2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子,每边的边长是0.478nm,则CaO的密度是多少?

2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子,但是为何不适用于分子?

2-14.计算(a)面心立方金属的原子致密度;(b)面心立方化合物NaCl的离子致密度(离子半径r Na+=0.097,r Cl-=0.181);(C)由计算结果,可以引出什么结论?

2-15.铁的单位晶胞为立方体,晶格常数a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。

2-16.钛的单位晶胞含有两个原子,请问此单位晶胞的体积是多少?

2-17.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。

2-18.在体心立方结构晶胞的(100)面上按比例画出该面上的原子以及八面体和四面体间隙。2-19.键合类型是怎样影响局部原子堆垛的?

2-20.厚度0.08mm、面积670mm2的薄铝片(a)其单位晶胞为立方体,a=0.4049nm,则此薄片共含多少个单位晶胞?(b)铝的密度2.7Mg/m3,则每个单位晶胞的质量是多少?

2-21.(a)在每mm3的固体钡中含有多少个原子?(b)其原子堆积因子是多少?(c)钡属于哪一种立方体结构?(原子序=56,原子质量=137.3aum,原子半径=0.22nm,离子半径=0.143 nm,密度=3.5Mg/m3)

2-22.由X射线衍射数据显示,MgO立方体的单位晶胞尺寸是0.412nm,其密度3.83Mg/m3,请问在每单位晶胞中有多少Mg2+离子和O2-离子?

2-23.钻石结构的晶格常数a为0.357nm,当它转变成石墨时,体积变化的百分比是多少?

(石墨密度2.25Mg/m3)

2-24.方向为[111]的直线通过1/2,0,1/2点,则在此直线上的另外两点的坐标是什么?

2-25.(a)在立方体系中,[100]方向和[211]方向的夹角是多少?(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少?

2-26.一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行,则此平面的米勒指标是什么?

2-27.一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3, 则此平面的米勒指标是什么?

2-28.(a)方向族<111>的那些)方向是在铁的(101)平面上?(b)方向族<110>的那些)方向是在铁的(110)平面上?

2-29.氯化钠晶体被用来测量某些X光的波长,对氯离子的d111间距而言,其绕射角2为27°30′(a)X光的波长是多少?(NaCl晶格常数为0.563nm)(b)若X光的波长为0.058nm,则其衍射角2是多少?

2-30.某X光波长0.058nm ,用来计算铝的d200, 其衍射角2为16.47°,求晶格常数为多少?

2-31.请算出能进入fcc银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。

2-32.碳原子能溶入fcc 铁的最大填隙位置:(a)每个单元晶胞中有多少个这样的位置?(b)在此位置四周有多少铁原子围绕?

2-33.一个熔体含30m/o MgO和70m/o LiF:(a)Li+,Mg2+,F-和O2-的w/o是多少?(b)密度是

多少?

2-34.请找出能进入bcc铁填隙位置的最大原子的半径(暗示:最大空洞位在1/2,1/4,0位置)。

2-35.碳和氮在γ-Fe中的最大固溶度分别为8.9%和10.3%,已知碳、氮原子均占据八面体间隙,试分别计算八面体间隙被碳原子和氮原子占据的百分数。

2-36.fcc间隙位置的配位数是什么?如果每一个间隙位置都被小原子或离子占满,则会产生什么样的结构?

2-37.如果Fe3+/Fe2+比为0.14,则FeO的密度是多少?(FeO为NaCl结构;(r0+r Fe)平均为0.215nm)

2-38.如果在固溶体中每个Zr离子中加入一个Ca2+离子,就可能形成ZrO2的立方体,因此阳离子形成fcc结构,而O2-离子位于四重对称位置,(a)每100个阳离子有多少个O2-离子存在?(b)有多少百分比的四重对称位置被占据?

2-39.在温度为912℃时,铁从bcc转变到fcc 。此温度时铁的两种结构的原子半径分别是0.126nm和0.129nm,(1)求其结构变化时的体积变化V/O。(2)从室温加热铁到1000℃,

铁的体积将如何变化?

2-40.固体材料存在哪些结构转变类型?受哪些因素的影响?举例说明。

2-41.某熔化的Pb-Sn焊锡具共晶温度,假设此焊锡50g加热到200℃,则有多少克的锡能熔进此焊锡中?(参见图2-7-13)

2-42.某65Cu-35Zn黄铜(参见图2-6-1)由300℃加热到1000℃,则每隔100℃有哪些相会出现?

2-43.为什么金属、金属氧化物、无机化合物(氮化物等)具有高的表面能,而有机物(包括高聚物)表面能很低?

2-44.为什么表面能和表面张力具有相同的量纲?影响材料表面能高低的实质是什么?

第三章

3-1与金属材料和无机非金属材料比较,高分子材料的组成和结构有什么特征?

3-2为什么会出现高分子链聚集态结构?高分子链聚集态结构包含哪些内容?

3-3为什么高分子链具有一定柔性?

3-4什么是聚合物共混复合材料?其基本特征是什么?

3-5是否可以通过内旋转将无规立构聚丙烯转变为全同立构聚丙烯?为什么?在全同立构

聚丙烯晶体中,分子链是否呈无规线团构象?

3-6.下列高聚物中哪些是结晶性的,哪些是非晶性的?(1)聚乙烯;(2)全顺式1.3聚异戊二烯;(3)尼龙6;(4)聚碳酸酯;(5)乙烯和丙烯的无规共聚物;(6)全同立构聚甲基丙烯酸甲酯;(7)间同立构聚氯乙烯;(8)无规立构聚丙烯;(9)固化酚醛塑料;(10)聚对苯二甲酸丁二醇酯;(11)ABS;(12)聚乙烯醇。

3-7.总结一下,与低分子物质相比,高聚物的分子结构和分子聚集态结构有哪些重要特点?3-8.下列键的旋转位能均小于H2C-CH2,请解释

H2C-O O=C-CH2H2C-NH N2C-S Si-O H2C-CH=

3-9.简要说明聚合物晶体与金属晶体、离子晶体和无机共价晶体的主要差别。

3-10影响多组分体系相分离有那些因素?

3-11.聚合物共聚物形态结构有那些基本类型?其结构是怎样的?各举一个例子。

3-12.高聚物有几种主要结晶形式?其中的高分子链的构象是怎样的?

3-13.从结构分析,为什么PTFE具有极低的表面张力,并说明其粘结性能。

3-14.为什么高分子链具有柔性?试比较下列各组内高分子链柔性的大小并简要说明理由:(1)聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯;(2)聚乙烯、聚乙炔、聚甲醛;(3)聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯;(4)聚甲醛、聚苯醚;(5)尼龙66、聚对苯二甲酰对苯二胺。

3-15聚合物基复合材料的界面粘结剂的主要影响因素有哪些?如何提高复合材料的界面粘结性?

3-16.增混剂和偶联剂的作用是什么?有何异同点?

3-17无机玻璃和网络聚合物有何异同之处?从结构及物理状态的变化说明。

3-18归纳金属、陶瓷、高分子材料在组成和结构方面的主要异同点。

3-19.一玻璃含80%(wt)的SiO2和20%(wt)的Na2O,问非桥氧的分数为多少?

3-20简述无机非金属材料中不同键合类型对材料性能的影响,并举例进行说明。

3-21在离子晶体中,密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时,正负离子的半径比为临界半径比:(1)立方体配位(2)八面体配位;(3)四面体配位;(4)三角形配位。

3-22.CaTiO3为标准钙钛矿型结构,简述其结构特征,分析其中钙离子、钛离子和氧离子的配位数。

3-23黏土、滑石和云母同为层状结构硅酸盐,为什么它们却表现出非常大的机械性能差异?3-24.简要说明硅酸盐的几种结构单元的主要特点。

3-25(a)99.8Fe和0.2C钢在800℃是什么相?(b)写出这些相的成分,(c)这些相各是多少百分比?

3-26解释以下名词

金属键、晶格、晶胞、合金、组元、相、机械混合物、铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、黄铜、青铜、形变铝合金、非晶态

3-27.最常见的金属晶体结构有哪几种?

3-28默画出Fe-Fe3C相图,说明相图中的主要点、线的意义,填出各相区的主要组织组成物。

3-29总结铁碳合金中渗碳体的形态对合金性能影响的特点?

3-30钢和铸铁在成分、组织和性能上的主要区别是什么?

3-31什么是再结晶?如何选定再结晶退火温度?钢的再结晶退火温度是多少?

3-32试比较各类铸铁之间的性能差别?

第四章

4-1.铝的弹性模量为70GPa,泊松比为0.34,在83MPa的静水压时,此单位晶胞体积是多

少?

4-2.下列何者的压缩性比较大?泊松比为0.29的β铁或泊松比为0.37的黄铜?

4-3.直径为12.83mm的试棒,标距长度为50mm,轴向受200KN的作用力后拉长0.456mm,且直径变成12.79mm,(a)此试棒的体积模量是多少?(b)剪切模量是多少?

4-4.一硫化的橡胶球受到1000psi的静水压力,直径减少了1.2%,而相同材质的试棒在受到75psi的拉应力时伸长2.1%,则此橡胶棒的泊松比为多少?

4-5.在聚苯乙烯中加入15-20%的丁苯橡胶后抗冲击强度大大提高,请解释原因,并绘出共混前后PS的σ-ε曲线示意图。

4-6.已知温度为25℃时五种高聚物的性能,用下面列的名称来识别是哪种高聚物,并说明原因。

a.

名称:环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乙烯、酚醛树脂、聚碳酸酯

b.指出上述树脂哪些是不透明的。

4-7.一条212cm长的铜线,直径是0.76mm。当外加载荷8.7Kg时开始产生塑性变形(a)此作用力是多少牛顿?(b)外加载荷15.2kg时,此线的应变是0.011,则除去载荷后,铜线的长度是多少?(c)此铜线的屈服强度是多少?

4-8冲击试验机的摆锤重10kg,自质量中心到摆动支点的距离是75cm,摆锤举高到120。后释放。打断试片后,摆锤升高到90。,此试片吸收了多少能量?

4-9从拉伸试验如何获得常用的力学性能数据?

4-10请分别说明三种弹性模量。

4-11陶瓷材料的力学性能有何特点并做出简要的解释。

4-12热处理(退火)的实质是什么?它对材料的拉伸强度、硬度、尺寸稳定性、冲击强度和断裂伸长率有什么影响?

4-13有哪些方法可以改善材料的韧性,试举例说明。

4-14.有哪些途径可以提高材料的刚性?

4-15高聚物的实际强度大大低于理论强度,你能从哪些方面给予解释?

4-16孪生与滑移有何区别?在哪些情况下可以看到金属中的变形孪晶?

4-17画出bcc金属的(112)平面,并指出<111>滑动方向在这平面上。

4-18请解释杂质原子会阻止差排的移动。

4-19某钢板的屈服强度为690MPa,K IC值为70MPa·m1/2,如果可容许最大裂缝是2.5mm,且不许发生塑性变形,则此钢的设计极性强度是多少?

4-20玻璃的理论强度超过7000MPa。一块平板玻璃在60MPa弯曲张力下破坏。我们假定裂纹尖端为氧离子尺寸(即裂纹尖端曲率半径为氧离子半径,R O2-=0.14nm),问对应这种低应力断裂,相应的裂纹深度为多大?

4-21某钢材的屈服强度为1100MPa,抗拉强度为1200MPa,断裂韧性(K IC)为90MPa·m1/2。(a)在一钢板上有2mm的边裂,在他产生屈服之前是否会先断裂?(b)在屈服发生之前,不产生断裂的可容许断裂缝的最大深度是多少?(假设几何因子Y等于1.1,试样的拉应力与边裂纹垂直)

4-22.简要说明金属断裂的类型及其特征。

4-23冷变形金属在加热过程中要发生哪些变化?简要说明再结晶过程的一般规律。

4-24.按照粘附摩擦的机理,说明为什么极性高聚物与金属材料表面间的摩擦系数较大,而非极性高聚物则较小。

4-25.SN曲线是怎样得到的?它有何特点和用途?

4-26.写出下列物理量的量纲:(1)摩尔热容;(2)比热容;(3)线膨胀系数和体膨胀系数;(4)热导率

4-27为什么非晶态高聚物在玻璃化转变前后热膨胀系数不同?

4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm的25#钢板,两表面的温度分别为300℃和100℃,试计算该钢板每小时损失的热量?

4-29.试从金属、陶瓷和高聚物材料的结构差别解释它们在热容、热膨胀系数和热导率等性能方面的差别。

4-30何为半分解温度?它与高分子化学键之间有什么关系?

4-31为什么耐热塑料的分子主链上多有苯环或杂环?为什么天然橡胶、顺丁橡胶不耐老化而乙丙橡胶却具有良好的耐老化性能?

4-32讨论影响材料热膨胀性的主要因素?

4-33为什么高分子材料是热的不良导体?

4-34高分子材料的阻燃性主要由哪几个指标表示?

4-35增加高分子材料的阻燃性一般有哪些方法?

4-36写出下列物理量的量纲:(1)电阻率;(2)电导率;(3)迁移率;(4)禁带宽度;(5)极化率;(6)相对介电常数;(7)介电损耗;(8)介电强度

4-37试述导体、半导体和绝缘体的电子能带结构区别。

4-38已知硅和锗在300K的电阻率分别为2.3×103μΩ·m和0.46μΩ·m,试分别计算硅和锗在250℃的电导率。

4-39为什么金属材料的电导率随温度的升高而降低,半导体和绝缘材料的电阻率却随着温

度的升高而下降?为什么非本征半导体的电阻率对温度的依赖性比本征半导体的电阻率对温度的依赖性小?当温度足够高时,为什么非本征半导体的电导率与本征基材的电导率趋于一致?

4-40试述介电材料在电场中的极化机理,写出介电常数与极化强度之间的关系。

4-41分别画出非极性分子和极性分子组成的介电材料与电场频率的关系曲线,指出不同频率范围内的极化机理。

4-42.在下列高聚物材料中,哪些有可能利用高频塑化法加工成型?(1)酚醛树脂;(2)聚乙烯;(3)聚苯乙烯;(4)聚氯乙烯

4-43同一聚合物处在高弹态时的电阻率远低于玻璃态时的电阻率,从材料结构因素解释这一现象。

4-44产生介电损耗的原因是什么?主要的影响因素有哪些?

4-45写出下列物理量的量纲:(1)磁感应强度;(2)磁化强度;(3)磁导率和相对磁导率;(4)磁化率;

4-46铁磁性材料和稀土磁性材料的磁性来源有何异同点?

4-47软磁材料和硬磁材料在结构上主要区别是什么?列举几种常见的软磁材料和硬磁材料。

4-48为什么金属对可见光是不透明的?元素半导体硅和锗对可见光是否透明?

4-49已知碲化锌的Eg=2.26eV,它对哪一部分可见光透明?

4-50当可见光垂直入射并透过20mm厚的某种透明材料时,透射率为0.85,当该种透明材料的厚度增加到40mm时,透射率为多少?已知该透明材料的折射率为1.6。

4-51金属的颜色取决于什么?

4-52为什么有些透明材料是带色的,有些是无色的?

4-53为什么聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等非晶态塑料是透明的,而向聚乙烯、聚四氟乙烯等结晶性塑料往往是半透明或不透明的?

4-54为什么常见的很多陶瓷材料是不透明的?

4-55试述磷光和荧光的区别。

4-56有哪些方法可以改善材料的透明性。

4-57化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别?试举例说明。

4-58何谓标准电极电位?如何用标准氢电极测定一种金属的标准电极电位?

4-59将两个锌电极分别浸在氧含量较低和较高的水溶液中并用铜导线将两个锌电极连接起来时哪个电极受腐蚀?写出两个电极上的半电池反应。

4-60什么样的金属氧化膜对金属具有良好的防氧化保护作用?

第五章

5-1解释以下名词

铸造、合金流动性、焊接性、碳当量

5-2炼铁过程的主要物理化学变化有哪些?写出反应式?

5-3为什么在炼铁过程中要造渣?

5-4炼钢的过程有哪些?要清除钢水中的杂质,应采取什么样的工艺措施?

5-5简述铜制备原理及制备方法?

5-6简述铝制备原理及制备方法?

5-7影响金属材料可锻性的因素有哪些?

5-8怎样评定金属材料的可焊性?

5-9简述常用的焊接方法?

5-10影响金属材料切削加工性的因素有哪些?

5-11简述粉末冶金的加工工艺?

5-12为什么在聚合物成型加工中,多采用耗散混合熔融的熔融方式?

5-13聚合物加工中可能产生哪些物理变化和化学变化?

5-14聚合物加工一般要经历哪些基本过程,举例说明。

5-15.将低分子单体变为聚合物,可通过哪些聚合机理合成?采用哪些聚合实施方法实现?为什么?

5-16.制备高分子材料包括哪些过程?每一过程的作用和控制因素是什么?

5-17简述陶瓷制备的基本过程。分析各工序对陶瓷性能的影响。

5-18玻璃的共性有哪些?简述玻璃生成的一般过程。

5-19分析浮法玻璃生产线的工作原理。

中文思考题、习题部分答案

2-2:12Mg: 25.1117

2-3: N 壳层: 共32个电子;K 、L 、M 、N 全满时: 70个

2-4 O 壳层: 共50个电子

K 、L 、M 、N 、O 全满时: 102个

2-6: CO 2: C sp 杂化,

CH 4: C sp 3杂化,

CH 2=CH 2: C sp 2杂化,

H 2O : O sp 3杂化,

苯环: C sp 2杂化,

羰基: C sp 2杂化。

2-10:若(按K +半径不变) 求负离子半径, 则:

CN=6 r - = 0.321 nm

CN=4 r - = 0.591 nm

CN=8 r - = 0.182 nm

2-11:(a ): 一个Au 原子: 3.274×10-22(g )

(b ) 5.895×1019(个)

(c ) v = 1.696×10-2(cm 3)

(d) v’=1.253×10-2(cm 3)

(e) v’/v= 73.88%

2-12 3.41 (g/cm 3)

2-14 (a ) PF = 0.74

(b ) PF = 0.64

结论: (1) 同种原子晶体的致密度只与晶胞类型相关,与原子尺寸无关

(2) 化合物晶体的离子致密度与离子大小相关

2-15 : x=2 (个)

2-16:V= 35.3 (A 0)3

2-17 面心立方: 0.74

体心立方: 0.68

密排六方: 0.74

2-18

2-20 (a) 8.07×1020 (个)

(b) 1.79×10-22 (g)

2-21 (a) 1.5346 ×1019个

(b) 0.6845mm (c) 钡属于 体心立方结构(致密度

0.68) 2-22 x = 4 (4个Mg 2+, 4个O 2-)

2-24 过 (0, -1/2 , 0) , (1, 1/2 , 1) 点

八面体间隙 四面体间隙

2-25 (a)θ=35.3°

(b)θ=35.3°

2-26 (3 2 0)

2-27 (2 3 3)

2-28 (a)[1 1 1] 和 [1 1 1]

(b) [1 1 0]

2-29 (a) λ= 0.154 (nm)

(b) 2θ= 10.24°

2-30 d 200= 0.2×10-9m a =0.4nm

2-31 0.598(A 0)

2-33 Li:6.94 F:19 Mg:24.31 O:16

MgO: 40 (w%)

LiF: 60 (w%)

(a) Li +: 16 (w%) F -: 44 (w%)

Mg 2+: 24.1 (w%) O 2-: 15.9 (w%)

2-37 ρ= 5.73 (g/cm 3)

2-39 (1) ΔV / V = (0.0486-0.0493)/0.0493 = - 0.014 = - 1.4%

(2) 室温至912℃, 体积增大; 912℃, 体积减小;912℃至1000℃, 体积增大 2-41 溶入的Sn 重量为 45.25(g)

2-42 300 ~ 700℃: α相;800℃: β相;1000℃: 液相

2-45 J= 1.05×1019/m 2s

J u C= 84原子/min

2-46

右螺型 左螺型 滑移矢量平行位错线

2-49 D =1.13×10-17 (m 2/s)

2-50 x=75%

a=5%

正刃型

滑移矢量垂直位错线

负刃型 滑移

矢量

3-6 结晶性:1,2,3,6,7,10

非结晶性:5,8,9,11,(12,4)

3-19 非桥氧的分数0.215

3-21 临界半径比:r/R

(1)立方体配位:0.732

(2)八面体配位:0.414

(3)四面体配位:0.255

(4)三角形配位:0.155

3-22立方晶系:Ca2+占立方体顶角,O2-占立方体面心,Ti4+占立方体体心配位数:Ca2+为12(12个O2-),Ti4+为6(6个O2-),

O2-为(4个Ca2++2个Ti4+)

3-25(a):F (铁素体)+ A(奥氏体)

(b):F 0.01%C; A 0.4%C.

(c): A是48.7%; F是51.3%.

3-37 1.01×106g/m3 (1.01g/m3)

4.1 V= 0.06638(nm3)

4.2 0.37的黄铜大。

4.3 体积模量:K= 178.10MPa

切弹性模量:E=63GPa

4.4 =0.043

4.5 PS 是脆性聚合物,抗冲击强度小。加入丁苯橡胶后,增大材料的断裂伸长而增大-

曲线下的面积。

-曲线

4.6 (1)为

PC

;(2)环氧树脂(3)4)酚醛(5)PTFE 4.7 F=85.26N;长度=214.332cm;屈服强度

4.8 W= 36.75N.M

4.9 拉伸强度等,公式可计算。

4.17

4.19 K IC=1117MPa

4.21 c =1460Mpa,不断裂。

3.52mm。

4-28 Q=934.2MJ

4-55 M=119A/m

4-61 λ=0.55μm

4-62 T=0.808

4-63 α2=45.72°

材料科学基础习题

查看文本 习题 一、名词解释 金属键; 结构起伏; 固溶体; 枝晶偏析; 奥氏体; 加工硬化; 离异共晶; 成分过冷; 热加工; 反应扩散 二、画图 1在简单立方晶胞中绘出()、(210)晶面及[、[210]晶向。 2结合Fe-Fe3C相图,分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后,试棒的成分-距离曲线示意图。 3如下图所示,将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。 4画出简单立方晶体中(100)面上柏氏矢量为[010]的刃型位错与(001)面上柏氏矢量为[010]的刃型位错交割前后的示意图。 5画图说明成分过冷的形成。 三、Fe-Fe3C相图分析 1用组织组成物填写相图。 2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。 3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。 四、简答题 1已知某铁碳合金,其组成相为铁素体和渗碳体,铁素体占82%,试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。 2什么是单滑移、多滑移、交滑移?三者的滑移线各有什么特征,如何解释?。 3设原子为刚球,在原子直径不变的情况下,试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。 4间隙固溶体与间隙化合物有何异同? 5可否说扩散定律实际上只有一个?为什么? 五、论述题 τC 结合右图所示的τC(晶体强度)—ρ位错密度 关系曲线,分析强化金属材料的方法及其机制。 晶须 冷塑变 六、拓展题 1 画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。 2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形? 3 固态相变为何易于在晶体缺陷处形核? 4 画出面心立方晶体中(225)晶面上的原子排列图。 综合题一:材料的结构 1 谈谈你对材料学科和材料科学的认识。 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 碳原子易进入a-铁,还是b-铁,如何解释? 7 研究晶体缺陷有何意义? 8 点缺陷主要有几种?为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷?

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

材料科学基础试题库答案 (1)

Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编 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。 0026.离子晶体生成Schttky缺陷时,正离子空位和负离子空位是同时成对产生的,同时伴随_________的增加。0027.多种聚合物同时并存而不是一种独存这就是熔体结构_________的实质。在熔体组成不变时,各级聚合物的数量还与温度有关,温度升高,低聚物浓度增加。 0028.系统中每一个能单独分离出来并_________的化学均匀物质,称为物种或组元,即组份。例如,对于食盐的水溶液来说,NaCl与H2O都是组元。而Na+、Cl-、H+、OH-等离子却不能算是组元,因为它们都不能作为独立的物质存在。 0029.在弯曲表面效应中,附加压力ΔP总是指向曲面的_________,当曲面为凸面时,ΔP为正值。 0030.矿化剂在硅酸盐工业中使用普遍,其作用机理各异,例在硅砖中加入1-3%[Fe2O3+Ca2(OH)2]做矿化剂,能使大部分a-石英不断溶解同时不断析出a-磷石英,从而促进a-石英向磷石英的转化。水泥生产中

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

材料科学基础课后习题

1.作图表示立方晶体的晶面及晶向。 2.在六方晶体中,绘出以下常见晶向 等。 3.写出立方晶体中晶面族{100},{110},{111},{112}等所包括的 等价晶面。 4.镁的原子堆积密度和所有hcp金属一样,为。试求镁单位晶胞的 体积。已知Mg的密度,相对原子质量为,原子半径r=。 5.当CN=6时离子半径为,试问: 1)当CN=4时,其半径为多少? 2)当CN=8时,其半径为多少? 6.试问:在铜(fcc,a=)的<100>方向及铁(bcc,a=的<100>方向,原 子的线密度为多少? 7.镍为面心立方结构,其原子半径为。试确定在镍的 (100),(110)及(111)平面上1中各有多少个原子。 8.石英的密度为。试问: 1)1中有多少个硅原子(与氧原子)? 2)当硅与氧的半径分别为与时,其堆积密度为多少(假设原子是 球形的)?

9.在800℃时个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动,而在900℃时个原子中则只有一个原子,试求其激活能(J/原 子)。 10.若将一块铁加热至850℃,然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空 位数应增加多少倍(设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J)。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。 若该滑移面上有一正方形位错环,如果位错环的各段分别与滑移面各边平行,其柏氏矢量b∥AB。 1)有人认为“此位错环运动移出晶体后,滑移面上产生的滑移台 阶应为4个b,试问这种看法是否正确?为什么? 2)指出位错环上各段位错线的类型,并画出位错运动出晶体后, 滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。 晶体中有一条位错线段在滑移面上并平行AB,段与滑移面垂直。位错的柏氏矢量b与平行而与垂直。试问: 1)欲使段位错在ABCD滑移面上运动而不动,应对晶体施加 怎样的应力? 2)在上述应力作用下位错线如何运动?晶体外形如何变化? 13.设面心立方晶体中的为滑移面,位错滑移后的滑移矢量为 。 1)在晶胞中画出柏氏矢量b的方向并计算出其大小。 2)在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方 向,并写出此二位错线的晶向指数。

《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912ε 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?-Fe 和?-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 ,?-Fe :0.124nm ,?-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 1. 在液态纯金属中进行均质形核时,需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中 自由能

《材料科学基础》习题与思考题电子教案

《材料科学基础》习题与思考题

《材料科学基础教程》复习题与思考题 一、选择与填空 1-1下列组织中的哪一个可能不是亚稳态,即平衡态组织? a)马氏体+残余奥氏体b)上贝氏体c)铁素体+珠光体d)奥氏体+贝氏体 1-2下列组织中的哪一个可能不是亚稳态? a)铁碳合金中的马氏体b)铁碳合金中的珠光体+铁素体 c)铝铜合金中的a +GPZ d铁碳合金中的奥氏体+贝氏体 1-3单相固溶体在非平衡凝固过程中会形成成分偏析: a)若冷却速度越大,则成分偏析的倾向越大; b)若过冷度越大,则成分偏析的倾向越大; c)若两组元熔点相差越大,则成分偏析的倾向越小; d)若固相线和液相线距离越近,贝U成分偏析的倾向越小。 1-4有两要平等右螺旋位错,各自的能量都为E1,当它们无限靠近时,总能量为—a)2E1 b) 0 c) 4E1 1-13两根具有反向柏氏矢量的刃型位错在一个原子面间隔的两个平行滑移面上相向运动以后,在相遇处___________ 。 a)相互抵消b)形成一排间隙原子c)形成一排空位 1-15位错运动方向处处垂直于位错线,在运动过程中是可变的,晶体做相对滑动的方向—。 a)随位错线运动方向而改变b)始终是柏氏矢量方向c)始终是外力方向 1-16位错线张力是以单位长度位错线能量来表示,则一定长度位错的线张力具有— 纲。 a)长度的b)力的c)能量的 1-17位错线上的割阶一般通过—形成。

a)位错的交割b)共格界面c)小角度晶界 1-7位错上的割阶一般通过 _形成。 a)孪生b)位错的交滑移c)位错的交割 1-23刃形位错的割阶部分—。 a)为刃形位错b)为螺形位错c)为混合位错 1-24面心立方晶体中Frank不全位错最通常的运动方式是 _。 a)沿{111}面滑移b)沿垂直于{111}的面滑移c)沿{111}面攀移 1-25位错塞积群的一个重要效应是在它的前端引起______ 。 a)应力偏转b)应力松弛c)应力集中 1-26面心立方晶体中关于Shcockley分位错的话,正确的是_____ 。 a)Shcockle y分位错可以是刃型、螺型或混合型; b)刃型Shcockley分位错能滑移和攀移; c)螺型Shcockley分位错能交滑移。 1-27汤普森四面体中罗-罗向量、不对应罗-希向量、希-希向量分别有个。 a)12, 24, 8,12 b)24, 24, 8,12 c)12,24, 8,6 1-32 ______ ,位错滑移的派—纳力越小。 a)相邻位错的距离越大b)滑移方向上的原子间距越大c)位错宽度越大 1 —33层错和不全位错之间的关系是__ 。 a)层错和不全位错交替出现;b)层错和不全位错能量相同; c)层错能越高,不全位错柏氏矢量模越小;d)不全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处。 1 —34位错交割后原来的位错线成为折线,若—。

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一、单项选择题(请在每小题的4个备选答案中,选出一个最佳答案, 共10小题;每小题2分,共20分) 1、材料按照使用性能,可分为结构材料和 。 A. 高分子材料; B. 功能材料; C. 金属材料; D. 复合材料。 2、在下列结合键中,不属于一次键的是: A. 离子键; B. 金属键; C. 氢键; D. 共价键。 3、材料的许多性能均与结合键有关,如大多数金属均具有较高的密度是由于: A. 金属元素具有较高的相对原子质量; B. 金属键具有方向性; C. 金属键没有方向性; D.A 和C 。 3、下述晶面指数中,不属于同一晶面族的是: A. (110); B. (101); C. (011- );D. (100)。 4、 面心立方晶体中,一个晶胞中的原子数目为: A. 2; B. 4; C. 6; D. 14。 5、 体心立方结构晶体的配位数是: A. 8; B.12; C. 4; D. 16。 6、面心立方结构晶体的原子密排面是: A. {111}; B. {110}; C. (100); D. [111]。 7、立方晶体中(110)和(211)面同属于 晶带 A. [110]; B. [100]; C. [211]; D. [--111]。 6、体心立方结构中原子的最密排晶向族是: A. <100>; B. [111]; C. <111>; D. (111)。 6、如果某一晶体中若干晶面属于某一晶带,则: A. 这些晶面必定是同族晶面; B. 这些晶面必定相互平行; C. 这些晶面上原子排列相同; D. 这些晶面之间的交线相互平行。 7、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种,它们的晶胞中原子数分别为:A. 4, 2, 6; B. 6, 2, 4; C. 4, 4, 6; D. 2, 4, 6 7、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. 肖脱基缺陷; B. 弗兰克缺陷; C. 线缺陷; D. 面缺陷 7、两平行螺旋位错,当柏氏矢量同向时,其相互作用力:

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

材料科学基础期末习题库

材料科学基础(一)主要内容

原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。由于原子间结合键不同,故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。原子的电子结构决定了原子键合的本身,原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键即主价键,它包括金属键、离子键和共价键三种: (1)金属键:绝大多数金属均为金属键方式结合,它的基本特点是电子的共有化; (2)离子键:大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合,这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位; (3)共价键:在亚金属(C、Si、Sn、Ge 等)、聚合物和无机非金属材料中共价键占有重要地位,它的主要特点共用电子对。 物理键为次价键,亦称范德华力,在高分子材料中占着重要作用。它是借助瞬时的、微弱的电偶极矩的感应作用将原子或分子结合在一起的键合。它包括静电力、诱导力和色散力。 此外还有一种氢键,它是一种极性分子键,存在于HF、H2O、NH3 等分子间。其结合键能介于化学键与物理键之间。 理想的完整晶体是不存在的。在实际晶体中,总存在着偏离理想结构的区域——晶体缺陷,这在高分子材料中,尤其严重。按其几何特征,晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。 点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。点缺陷通常是由于原子的热运动并存在能量起伏而导致的。在一定温度下,点缺陷处于不断产生和复合的过程中。当这两个过程达到平衡时,此时的点缺陷浓度就是该温度下的平衡浓度。它根据热力学理论求得:另外晶体中的点缺陷还可通过高温淬火、冷变形以及高能粒子的辐照效应等形成。此时晶体点缺陷浓度往往超过其平衡浓度,称为过饱和点缺陷。 晶体的线缺陷表现为各种类型的位错。位错的概念是在研究晶体滑移过程时提出的。它相当于滑移面上已滑移区和未滑移区的交界线。位错按几何特征分为刃型位错和螺型位错两大类。但实际晶体中大量存在的是混合位错。 柏氏矢量b 是一个反映位错周围点阵畸变总积累的重要物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向,即位错运动导致晶体滑移的方向;该矢量的模∣b∣表示了畸变的程度,称为位错的强度,而且∣b∣ 。一根位错线具有唯一的柏氏矢量,这是柏氏矢量的守恒性所决定的。柏氏矢量不仅决定位错的组态及其运动方向,而且对位错的一系列属性,如位错的应力场、应变能,位错的受力状态,位错增殖与交互作用,位错反应等都有很大影响。 对刃型位错,运动方式有滑移和攀移两种,而对螺型位错,则只能滑移,但由于其滑移面不是唯一的,故可进行交滑移或双交滑移。位错的组态,分布及密度大小对材料性能影响很大。材料塑性变形就是大量位错运动的结果。位错理论可用来解释材料的屈服现象、加工硬化和弥散强化机制。

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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