材料科學(xué)導(dǎo)論課后習(xí)題答案 第一章 材料科學(xué)概論 1 氧化鋁既牢固又堅(jiān)硬且耐磨 但為什么不能用來制造榔頭 答 氧化鋁脆性較高 且抗震性不佳 2 將下列材料按金屬 陶瓷 聚合物和復(fù)合材料進(jìn)行分類 黃銅 環(huán)氧樹脂 混泥土 鎂合金 玻璃鋼 瀝青 碳化硅 鉛錫焊料 橡膠 紙杯 答 金屬 黃銅 鎂合金 鉛錫焊料 陶瓷 碳化硅 聚合物 環(huán)氧樹脂 瀝青 橡膠 紙杯 復(fù)合材料 混泥土 玻璃鋼 3 下列用品選材時 哪些性能特別重要 答 汽車曲柄 強(qiáng)度 耐沖擊韌度 耐磨性 抗疲勞強(qiáng)度 電燈泡燈絲 熔點(diǎn)高 耐高溫 電阻大 剪刀 硬度和高耐磨性 足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性 汽車擋風(fēng)玻璃 透光性 硬度 電視機(jī)熒光屏 光學(xué)特性 足夠的發(fā)光亮度 第二章 材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識 1 下列電子排列方式中 哪一個是惰性元素 鹵族元素 堿族 堿土族元素及過渡金屬 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 答 惰性元素 2 鹵族元素 3 堿族 6 堿土族 4 過渡金屬 1 5 2 稀土族元素電子排列的特點(diǎn)是什么 為什么它們處于周期表的同一空格內(nèi) 答 稀土族元素的電子在填滿 6s 態(tài)后 先依次填入遠(yuǎn)離外殼層的 4f 5d 層 在此過程中 由于電子層最外層和次外層的電子分布沒有變化 這些元素具有幾乎相同的化學(xué)性質(zhì) 故 處于周期表的同一空格內(nèi) 3 描述氫鍵的本質(zhì) 什么情況下容易形成氫鍵 答 氫鍵本質(zhì)上與范德華鍵一樣 是靠分子間的偶極吸引力結(jié)合在一起 它是氫原子同時 與兩個電負(fù)性很強(qiáng) 原子半徑較小的原子 或原子團(tuán) 之間的結(jié)合所形成的物理鍵 當(dāng)氫 原子與一個電負(fù)性很強(qiáng)的原子 或原子團(tuán) X 結(jié)合成分子時 氫原子的一個電子轉(zhuǎn)移至該 原子殼層上 分子的氫變成一個裸露的質(zhì)子 對另外一個電負(fù)性較大的原子 Y 表現(xiàn)出較強(qiáng) 的吸引力 與 Y 之間形成氫鍵 4 為什么金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高 答 一是金屬原子質(zhì)量大 二是金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性 原子趨于緊密排列 得到 簡單的原子排列形態(tài) 離子鍵和共價鍵結(jié)合的原子 相鄰原子的個數(shù)受到共價鍵數(shù)目的限 制 離子鍵結(jié)合還要滿足正 負(fù)離子間電荷的平衡 原子不可能緊密堆積 而且存在孔洞 缺陷 故金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高 5 應(yīng)用公式計算 Mg2 O2 離子對的結(jié)合鍵能 以及每摩爾 MgO 晶體的結(jié)合鍵能 假設(shè)離 子半徑為 r Mg2 0 065nm r O2 0 140nm n 7 答 吸引 1 2 24 0 2 2 0 Mg2 O2 2 排斥 1 7 Mg2 O2 8 在平衡時 F 吸引 F 排斥 故 解得 2 0 Mg2 2 2 7 Mg2 O2 8 b 9 763 10 87 10 晶體的結(jié)合鍵能 合 2 0 7 3 85 10 18 轉(zhuǎn)換為每摩爾 MgO 晶體的結(jié)合鍵能 0 合 2318 5 1 6 原子序數(shù)為 12 的 Mg 有三種同位素 78 70 的 Mg 原子由 12 個中子 10 13 的 Mg 原 子由 13 個中子 11 17 的 Mg 原子由 14 個中子 試計算 Mg 的原子量 答 78 70 24 10 13 25 11 17 26 24 32 7 試計算原子 N 殼層內(nèi)的最大電子數(shù) 若 K L M 和 N 殼層中所有能級都被填滿 試確定 該原子的原子數(shù) 答 N 殼層內(nèi)最大電子數(shù) 2 42 32 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s2 該原子的原子數(shù)是 70 8 試寫出 Al 原子 13 個電子的每個電子的全部量子數(shù) 答 n l m ms 1 0 0 12 2 0 0 12 2 1 0 12 2 1 1 12 2 1 1 12 3 0 0 12 3 1 0 12 9 材料的三級和四級結(jié)構(gòu)可以通過加工工藝來改變 那么材料的二級結(jié)構(gòu)可以改變嗎 為什么 答 原子的結(jié)合鍵是材料的二級結(jié)構(gòu) 對于單一的材料來說 其價鍵結(jié)構(gòu)是不可以通過加 工工藝來改變的 但是實(shí)際工程應(yīng)用中 通過一定的加工工藝來改變材料的二級結(jié)構(gòu) 比 如金剛石具有共價鍵 石墨具有共價鍵和物理鍵 而石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬在高溫高 壓下可以反應(yīng)生成金剛石 即一定程度上改變了材料的二級結(jié)構(gòu) 第三章 固體材料的晶體學(xué)基礎(chǔ) 1 回答下列問題 1 在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶向 001 與 210 111 與 與 111 與 123 與 236 112 110 132 322 2 在立方晶系的一個晶胞中畫出 111 和 112 晶面 并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù) 3 在立方晶系的一個晶胞中畫出同時位于 101 011 112 晶面上的 晶向 111 答 作圖略 2 兩晶面交線的晶向指數(shù)為 110 或 110 2 有一正交點(diǎn)陣的 a b c a 2 某晶面在三個晶軸上的截距分別為 6 個 2 個 4 個原子 間距 求該晶面的密勒指數(shù) 答 263 3 寫出六方晶系的 晶面族中所有晶面的密勒指數(shù) 在六方晶胞中畫出 1012 1120 晶向和 晶面 并確定 晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù) 1101 1012 1012 答 晶面族中所有晶面的密勒指數(shù)為 1012 1012 1012 1102 1102 0112 0112 1012 1012 1102 1102 0112 0112 作圖略 晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù)為 1012 1210 1210 4223 4223 2243 2243 4 根據(jù)剛性球模型回答下列問題 1 以點(diǎn)陣常數(shù)為單位 計算體心立方 面心立方和密排六方晶體中的原子半徑及四面體 和八面體的間隙半徑 2 計算體心立方 面心立方和密排六方晶胞中的原子數(shù) 致密度和配位數(shù) 答 體心立方 面心立方 密排六方 原子半徑 a34 a24 a12 四面體間隙 a5 34 a3 24 a6 24 八面體間隙 a12 34 a12 24 a22 12 原子數(shù) 2 4 6 致密度 0 68 0 74 0 74 配位數(shù) 8 12 12 5 用密勒指數(shù)表示出體心立方 面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)中的原子密排面和原子密排方 向 并分別計算這些晶面和晶向上的原子密度 答 體心立方 面心立方 密排六方 原子密排面 110 111 0001 晶面的原子密度 1 14 4 2 2 2 16 3 12 3 34 2 2 43 2 13 6 1 6 34 2 23 2 原子密排方向 1120 晶向的原子密度 12 2 1 3 23 12 2 1 2 22 12 12 1 6 求下列晶面的晶面間距 并指出晶面間距最大的晶面 1 已知室溫下 Fe 的點(diǎn)陣常數(shù)為 0 286nm 分別求出 100 110 123 的晶面 間距 2 已知 916 時 Fe 的點(diǎn)陣常數(shù)為 0 365nm 分別求出 100 111 112 的晶面 間距 3 已知室溫下 Mg 的點(diǎn)陣常數(shù)為 a 0 321nm c 0 521nm 分別求出 的晶面間距 1120 1010 1012 答 1 100 12 0 0 0 286 110 12 12 0 0 202 123 12 22 32 0 076 其中 晶面間距最大的晶面為 100 2 110 12 0 0 0 365 111 12 12 12 0 211 112 12 12 22 0 149 其中 晶面間距最大的晶面為 110 3 1120 143 12 12 12 2 0 161 1010 143 12 0 0 2 0 278 1012 143 12 0 0 2 2 2 0 190 其中 晶面間距最大的晶面為 1010 7 已知 Na 和 Cl 的半徑分別為 0 097nm 和 0 181nm 請計算 NaCl 中鈉離子中心到 1 最近鄰離子中心間的距離 2 最近鄰正離子中心間的距離 3 第二個最近的氯 離子中心間的距離 4 第三個最近的氯離子中心間的距離 5 它最近的等同位 置間的距離 答 1 r r r 0 278nm 2 r 3 r 2 0 393 3 0 482 4 r 5 r 5 0 622 2 0 393 8 根據(jù) NaCl 的晶體結(jié)構(gòu)及 Na 和 Cl 的原子量 計算氯化鈉的密度 答 12 14 1 8 18 6 12 2 3 2 26 3 9 示意畫出金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞 說明其中包含有幾個原子 并寫出各個原子的坐標(biāo) 答 作圖略 其中包含原子數(shù) 18 8 12 6 4 8 頂點(diǎn)坐標(biāo) 000 100 010 001 110 101 011 111 選填一個即 可 面心坐標(biāo) 選填三個即可 12012 12112 01212 11212 12120 12121 晶胞內(nèi)坐標(biāo) 341414 141434 143414 343434 10 何謂單體 聚合物和鏈節(jié) 它們相互之間有什么關(guān)系 請寫出以下高分子鏈節(jié)的結(jié)構(gòu) 式 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 答 單體是合成聚合物的起始原料 是化合物獨(dú)立存在的基本單元 是單個分子存在的穩(wěn) 定狀態(tài) 聚合物是由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物 鏈節(jié)是組成大分子鏈的特定結(jié)構(gòu)單元 聚乙烯 CH 2 CH2 n 聚氯乙烯 CHCl CH 2 n 聚丙烯 CHCH3 CH2 n 聚苯乙烯 CHAr CH 2 n 聚四氟乙烯 CF 2 CF2 n 第四章 固體材料的晶體缺陷 1 純 Cu 的空位形成能為 1 5aJ atom 1aJ 10 18J 將純 Cu 加熱至 850 后激冷至室溫 20 若高溫下的空位全部保留 試求過飽和空位濃度與室溫平衡空位濃度的比值 答 1 2 exp 1 1 1 2 274 2 空位對材料行為的主要影響是什么 答 首先 材料中原子 或分子 的擴(kuò)散機(jī)制與空位的運(yùn)動有關(guān) 其次 空位可以造成材 料物理性能與力學(xué)性能的改變 如密度降低 體積膨脹 電阻增加 強(qiáng)度提高 脆性也更 明顯 晶體高溫下發(fā)生蠕變等 3 某晶體中有一條柏氏矢量為 a 001 的位錯線 位錯線的一端露頭于晶體表面 另一端 與兩條位錯線相連接 其中一條柏氏矢量為 求另一條位錯線的柏氏矢量 2 111 答 a 001 2 111 2 111 4 如附圖 a 所示 試求某一晶格參數(shù)為 2 5A0 的立方金屬刃型位錯的 burgers 矢量的 Miller 指數(shù)及其長度 答 柏氏矢量 垂直于 220 故其 Miller 指數(shù)為 110 220 22 22 02 0 88 0 5 如附圖 b 所示 寫出在 FCC 金屬的 滑移方向的晶向指數(shù) 111 答 101 101 011 011 110 110 第五章 固體材料的凝固與結(jié)晶 1 液體金屬在凝固時必須過冷 而加熱使其融化卻毋需過熱 即一旦加熱到熔點(diǎn)就立即 熔化 為什么 答 液體金屬在凝固時必須克服表面能 形核時自由能變化大于零 故需要過冷 固態(tài)金 屬在熔化時 液相與氣相接觸 當(dāng)有少量液體金屬在固相表面形成時 就會很快覆蓋在整 個表面 因?yàn)橐后w金屬總是潤濕同一種固體金屬 表面能變化決定過程能否自發(fā)進(jìn)行 根 據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 在熔化過程中 表面自由能的變化小于零 即不存在表面能障礙 也就不必 過熱 2 金屬凝固時的形核率常桉下式做簡化計算 即 均 0 均 試計算液體 Cu 在過冷度為 180K 200K 和 220K 時的均勻形核率 并將計算結(jié)果與書圖 6 4b 比較 已知 1 88 109 3 1356 0 177 2 0 6 1028原子 3 1 38 10 23 1 答 均 16 3 3 2 16 3 2 3 2 2 代入數(shù)據(jù)得 180K 時 N 均 7 50 200K 時 N 均 7 89 220K 時 N 均 13 36 10 12 10 5 與圖 6 4b 相比 結(jié)果吻合 表明只有過冷度達(dá)到一定程度 使凝固溫度接近有效成核溫度 時 形核率才會急劇增加 3 試解釋凝固與結(jié)晶 晶胚與形核的相互關(guān)系 答 凝固是指物質(zhì)從液態(tài)冷卻成固態(tài)的一種轉(zhuǎn)變過程 可以形成晶態(tài)或非晶態(tài) 若冷卻后 成為晶體 這種凝固成為結(jié)晶 根據(jù)熱力學(xué)判斷 在過冷液態(tài)金屬中 短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)尺寸越大 就越穩(wěn)定 只有尺 寸較大的短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu) 才能成為晶核 晶胚即是過冷液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列尺 寸較大的原子有序排列部分 一定溫度下 最大晶胚有一個極限值 rmax 而液態(tài)金屬的過 冷度越大 實(shí)際可能出現(xiàn)的最大晶胚尺寸也越大 當(dāng)液態(tài)金屬中形成的晶胚尺寸大于或等 于一定臨界尺寸時 成為晶核 其有兩種形成方式 均勻成核 依靠液態(tài)金屬本身能量的 變化獲得驅(qū)動力并由晶胚直接成核的過程 和非均勻成核 晶胚是依附在其他物質(zhì)表面上 形核的過程 4 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件是什么 答 過冷度是金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是結(jié)構(gòu)條件 5 哪些因素會影響金屬結(jié)晶時的非均勻形核率 答 過冷度 固體雜質(zhì)及其表面形貌 物理性能如液相宏觀流動 外加電磁場 受機(jī)械作 用等 第六章 材料的擴(kuò)散與遷移 1 把 P 原子擴(kuò)散到單晶硅中的摻雜工藝是制備 n 型半導(dǎo)體的常用方法 若將原來的每 107 個 Si 原子中含有一個 P 原子的 1mm 厚的硅片 通過擴(kuò)散摻雜處理后表面達(dá)到每 107 Si 原 子中含有 400 個 P 原子 試分別按 a 原子百分?jǐn)?shù) cm b 原子數(shù) cm 3 cm 的表示方法計 算濃度梯度 硅的晶格常數(shù)為 5 4307A0 答 a 1107 4001070 1 0 0399 b 硅的晶胞體積為 0 5 4307 10 8 3 1 6 10 22 3 單位晶胞中有 8 個 Si 原子 則 107Si 所占體積為 V 1078 0 2 10 16 3 12 10 16 4002 10 160 1 1 995 1019個 3 2 試說明影響擴(kuò)散的因素 答 溫度 原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu) 固溶體類型和濃度 晶體缺陷 第三組元 3 試?yán)霉?D 2 解釋各因素對擴(kuò)散的影響 答 D 與 2 成正比 其中 為最鄰近的間隙原子距離 與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān) 為躍遷幾率 跟溫度 畸變能等有關(guān) 為躍遷頻率 與溫度 晶體結(jié)構(gòu) 畸變能 擴(kuò)散機(jī)制等因素有關(guān) 4 自擴(kuò)散與空位擴(kuò)散有何關(guān)系 為什么自擴(kuò)散系數(shù)公式要比空位擴(kuò)散系數(shù) Dv 小得多 Dv D nv nv 為空位的平衡濃度 答 對于純金屬或間隙固溶體合金 原子都處于正常的晶格結(jié)點(diǎn)位置 若晶格結(jié)點(diǎn)某處的 原子空缺時 相鄰原子可能躍遷到此空缺位置 之后又留下新的空位 原子的這種擴(kuò)散方 式叫空位擴(kuò)散 當(dāng)晶體內(nèi)完全是同類原子時 原子在純材料中的擴(kuò)散為自擴(kuò)散 自擴(kuò)散是 空位擴(kuò)散的一種特殊形式 對于置換固溶體合金和純金屬 溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸和化學(xué)性質(zhì)不同 與空位交換 位置的幾率也不同 D D 0exp Q RT 自擴(kuò)散的擴(kuò)散激活能要比空位擴(kuò)散的擴(kuò)散激活能大 空位擴(kuò)散系數(shù) Dv D nv 由于空位平衡濃度 nv 遠(yuǎn)小于 1 Dv 比 D 大得多 第七章 熱力學(xué)與相圖 1 分析共晶反應(yīng) 包晶反應(yīng)和共析反應(yīng)的異同點(diǎn) 答 1 不同點(diǎn) 共晶反應(yīng)是一定成分的液體合金 在一定溫度下 同時結(jié)晶形成另外一 種固相的反應(yīng)過程 包晶反應(yīng)是一定成分的固相與一定成分的液相作用 形成另外一種固 相的反應(yīng)過程 共析反應(yīng)是由特定成分的單相固態(tài)合金 在恒定的溫度下 分解成兩個新 的 具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相的反應(yīng)過程 2 相同點(diǎn) 均是在恒溫下發(fā)生 處于三相平衡的狀態(tài) 2 試分析圖 7 6 中合金 IV 的結(jié)晶過程 wsn 70 計算室溫下組元成分的含量及顯微組 織 答 結(jié)晶過程為勻晶反應(yīng) 共晶反應(yīng) 二次析出 冷卻過程如下圖所示 室溫下組元成分 II 共晶 室溫下組元成分的含量 58 0102 97561 975 0 2 20 6170m 79 5 72 I 共 晶 3 鉍 熔點(diǎn)為 271 5 和銻 熔點(diǎn)為 630 7 在液態(tài)和固態(tài)時均能彼此無限互溶 wBi 50 的合金在 520 時開始結(jié)晶處成分為 wSb 87 的固相 w Bi 80 的合金在 400 時開 始結(jié)晶出成分為 wSb 64 的固相 根據(jù)上述條件 1 繪出 Bi Sb 相圖 并標(biāo)出各線和各相區(qū)的名稱 2 從相圖上確定含銻量為 wSb 40 合金的開始結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度 并求出它在 400 時的平衡相成分及相對量 答 1 2 根據(jù)相圖 含銻量為 40 合金開始結(jié)晶溫度大約為 490 終了溫度為 350 液相 含量 54 5 固相含量 45 5 4 1 應(yīng)用相律時需考慮哪些限制條件 2 試指出圖 5 115 中的錯誤之處 并用相律說明理由 且加以改正 答 1 A 相律只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài)下各相的溫度應(yīng)相等 各相的壓力應(yīng) 相等 每一阻元在各相中的化學(xué)位必須相同 B 相律只能表示體系中組元和相的數(shù)目 不 能指明組元或相的類型和含量 C 相律不能預(yù)告反應(yīng)動力學(xué) D 自由度的值不得小于零 2 A 二元體系兩相平衡 自由度為 1 故不可為直線 B 單一體系兩相平衡 自由度為 0 故應(yīng)為一點(diǎn) C 二元體系最多只能三相平衡 此處含四相 D 二元體系三相平衡 自由度為 0 故應(yīng)為水平線 5 分析 wc 0 2 的鐵 碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的轉(zhuǎn)變過程 用冷卻曲線和組織示意圖 說明各階段的組織 并分別計算室溫下的相組織物及組織組成物的相對量 答 合金在 t1 t2 之間發(fā)生勻晶反應(yīng)析出 固溶體 冷卻至 t2 1495 時 液相 L 與 固 溶體發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變生成 包晶轉(zhuǎn)變完成后 剩余的液相 L 在 t2 t3 之間不斷結(jié)晶出奧氏體 冷卻至 t3 合金全部為奧氏體 單相奧氏體在 t4 開始析出鐵素體 當(dāng)溫度達(dá) t5 727 時 剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w 此時合金組織為鐵素體加珠光體 727 以下 鐵素體中會析出少量三次滲碳體 該合金室溫時的組織為鐵素體與珠光體 相組成為 與 Fe3C 冷卻至室溫的轉(zhuǎn)變過程如圖所示 相組成物的相對量 6 69 0 26 69 0 0218 100 97 3 3 0 2 0 02186 69 0 0218 100 2 7 組織組成物的相對量 0 2 0 02180 77 0 0218 100 23 8 1 76 2