《材料科学基础》作业1.docx

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《材料科学基础》作业1

Ch1习题及思考题

1． 名词解释

晶体液晶　非晶体长程有序短程有序等同点空间点阵结构基元　晶体结构　晶体点阵空间格子布拉菲点阵单胞（晶胞）点阵常数晶系

2． 体心单斜和底心正方是否皆为新点阵？

3． 绘图说明面心正方点阵可表示为体心正方点阵。

4． 试证明金刚石晶体不是布拉菲点阵，而是复式面心立方点阵。

金刚石晶体属于立方晶系，其中碳原子坐标是（000）、（01/21/2）、（1/21/20）、（1/201/2）、（1/41/41/4）、（3/41/43/4）、（1/43/43/4）、（3/43/41/4）。

5． 求金刚石结构中通过（0，0，0）和（3/4，3/4，1/4）两碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。

6． 画出立方晶系中所有的｛110｝和｛111｝。

7． 写出立方晶系中属于｛123｝晶面族的所有晶面和属于〈110〉晶向族的所有晶向。

8． 画出立方晶系中具有下列密勒指数的晶面和晶向：

（130）、（211）、（131）、（112）、（321）晶面和[210]、[111]、[321]、[121]晶向。

9． 试在完整的六方晶系的晶胞中画出（1012）晶面和[1120]、[1101]，并列出｛1012｝晶面族中所有晶面的密勒指数。

10．             点阵平面（110）、（311）和（132）是否属于同一晶带？

如果是的话，试指出其晶带轴，另外再指出属于该晶带的任一其它点阵平面；如果不是的话，为什么？

11．             求（121）和（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。

12．             计算立方晶系[321]与[120]夹角，（111）与（111）之间的夹角。

13．             写出镍晶体中面间距为0.1246nm的晶面族指数。

镍的点阵常数为0.3524nm。

14．             1）计算fcc结构的（111）面的面间距（用点阵常数表示）；

2）欲确定一成分为18%Cr，18%Ni的不锈钢晶体在室温下的可能结构是fcc还是bcc，由X射线测得此晶体的（111）面间距为0.21nm，已知bcc铁的a=0.286nm，fcc铁的a=0.363nm，试问此晶体属何种结构？

Ch2.1-2习题及思考题

1．分别说明什么是过渡族金属、镧系金属和锕系金属？

2．什么是一次键、二次键？

它们分别包括哪些键？

3．什么是离子键、共价键和金属键？

它们有何特性，并给予解释。

4．什么是分子键？

什么是氢键？

5．试述结合键的多重性。

6．晶体结合键与其性能有何关系？

7．元素周期表中的元素可分为哪几大类？

每一类结构有何特点？

8．什么是配位数？

什么是致密度？

9．常见金属晶体结构有哪三大类？

在这些晶胞中，分别说明晶胞中的原子数目、原子半径和点阵常数的关系、配位数和致密度。

10．HCP六方晶体点阵是不是一种独立的布拉菲点阵？

11．什么是同素异构转变？

12．简述FCC和HCP的密排结构特点，并比较二者的异同点。

13．试说明FCC、BCC、HCP晶体结构中间隙的种类、位置、大小及多少。

14．影响金属原子半径的因素有哪些？

并说明如何影响。

15．铁的点阵常数是2.86埃，原子量是55.84，用阿佛伽德罗常数（6.023×1023）计算其密度。

16．γ-Fe在略高于910℃时的点阵常数α=0.3633nm，α-Fe在略低于910℃时α=0.2892nm，求：

⑴上述温度时γ-Fe何和α-Fe的原子半径R；

⑵γ-Fe→α-Fe时的体积变化率；

⑶设γ-Fe→α-Fe转变时的原子半径不发生变化，求此转变时的体积变化率，与⑵的结果相比较并加以说明。

17．钛冷却到880℃发生b.c.c→h.c.p相变时体积收缩了3.3%，已知h.c.p结构的钛点阵常数a为0.2956nm，c为0.4638nm，求：

⑴b.c.c结构的钛的点阵常数；

⑵b.c.c→h.c.p转变时的原子半径有何变化？

18．已知金刚石晶胞中最邻近的原子间距为0.1544nm，试求出金刚石的点阵常数a，配位数P和致密度K。

19．举例说明亚金属晶体结构有何特点。

Ch2.3习题及思考题

1.简述纯金属作为结构材料合金化的目的

2.名词解释合金组元相

组织固溶体化合物

3.固溶体是如何分类的?

4.影响置换固溶体溶解度的因素有哪些?

它们是如何影响的?

5.什么是间隙固溶体?

形成间隙固溶体有何条件?

6.C原子可与α-Fe形成间隙固溶体,请问C占据的是八面体间隙还是四面体间隙?

为什么.

7.什么是固溶强化和有序强化?

8.化合物有何特点?

常见化合物有哪几种?

9.什么是正常价化合物?

并简述其结合键、稳定性和性能特点.

10.电子化合物有哪几种类型?

其性能有何特点.

11.说明γ黄铜型结构的特点.

12.描述具有砷化镍结构的相的特点.

13.列表说明受原子尺寸因素控制的中间相的形成条件.

14.间隙相有何特点?

性能如何?

有何用途?

15.常见间隙相有哪几种?

原子位置如何?

16.间隙化合物结构有何特点?

常见类型有哪些?

17.描述Fe3C结构特点.

18.说明Cr23C6的性能与一般用途

19.什么是拓朴密堆相?

20.黄铜是指以Cu-Zn为基的合金,为什么常用黄铜的含Zn量控制在50%以内?

21.具有NiAs结构的相有何特点?

22.比较无限固溶体和有限固溶体的形成条件?

23.间隙固溶体、间隙相和间隙化合物有何异同点?

24.在NaCl型、立方ZnS型、CaF2型和M4X型的间隙相中,若金属原子以FCC排布,请问非金属原子应该如何排布?

25.描述或绘图说明Cu3Au型、CuAuⅠ型、CuAuⅡ型和CuPt型的超结构原子排列特点.

26.描述或绘图说明CuZn（β黄铜）型、Fe3Al和FeAl型的超结构原子排列特点

27.什么是反相畴和反相畴界?

影响有序化转变的因素有哪些?

Ch2-4习题及思考题

1．请问材料分别按化学组成、状态及用途是如何分类的？

2．陶瓷材料的组成相有哪些？

它们各起什么作用？

3．陶瓷材料如何分类？

其生产过程可分为哪几步？

4．什么是负离子配位多面体？

常见负离子配位多面体有哪些？

并画出陶瓷材料中最常见的两个负离子配位多面体。

5．举例说明在离子晶体中，正、负离子是如何排列的？

正离子的配位数主要取决于什么？

（即鲍林第一规则的实质是什么？

）

6．当负离子配位多面体共用顶点、棱和面时，离子晶体结构稳定性如何？

（即请解释鲍林第三规则）

7．MX组成的离子晶体通常有哪四种晶体结构？

并说出其离子排列特征。

该类离子晶体的结构与离子半径一般有什么关系？

8．画出萤石和金红石的晶体结构；说明β-方石英晶体结构中原子排列特征。

9．画出Cu2O（赤铜矿的主要成分）离子晶体结构。

10．说出刚玉结构特征。

11．比较在α-Al2O3、FeTiO3（钛铁矿的主要成分）、LiSb03三种离子晶体中离子排列的异同点。

12．简述CaTiO3（灰钛石的主要成分）晶体结构特征。

13．什么是硅酸盐材料？

举例说明硅酸盐矿物化学式的两种表达方法。

14．说明硅酸盐晶体结构的主要规律。

15．按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿和＿＿＿＿几种方式。

硅酸盐晶体就是由一定方式的硅氧结构单元通过其它＿＿＿＿联系起来而形成的。

16．以锆英石Zr[SiO4]和镁橄榄石Mg2[SiO4]为例说明岛状硅酸盐晶体结构特征。

17．为什么说绿宝石结构（其结构式为Be3Al2[Si6O18]）可以成为离子导电的载体

18．每个硅氧四面体通过＿＿＿＿个公共的＿＿＿＿连接起来，形成一维空间无限伸展的链状结构，即＿＿＿＿。

两条相同的＿＿＿＿通过尚未公用的＿＿＿＿可以形成＿＿＿＿。

19．层状结构的基本单元是由＿＿＿＿的某一个面,在平面上彼此以其节点连接成向二维空间无限延伸的＿＿＿＿节环的硅氧层.硅氧层的化学式应是＿＿＿＿.

20．层状结构中的硅氧层有两类,一类是所有活性氧＿＿＿＿,另一类是活性氧＿＿＿＿.大部分层状结构硅酸盐矿物是由复网层（双四面体）构成的.复网层是由活性氧相对着的两层硅氧层通过＿＿＿＿联系起来而组成的.对于某些矿物,在复网层与复网层之间可以有层间＿＿＿＿存在。

21．叶蜡石A12O3·4SiO2·H2O（分子式）的结构式为A12[Si4O10]（OH）2

，请说明其结构特征。

22．叶腊石与蒙脱石、莫来石、滑石及白云母结构有何关联？

23．架状结构中每一个氧都是＿＿＿,整个结构就是由＿＿＿连接成的三维骨架.石英族（即硅石）晶体属于架状结构,通式为＿＿＿,它有3种基本结构:

＿＿＿,＿＿＿和＿＿＿,每一种都有2种或3种变体.

24．α-石英，β-石英,β-鳞石英和β-方石英结构上有何不同？

25．晶体与非晶体在X射线衍射图和电子衍射图上衍射结果有何不同？

并给予解释。

26．试用无规网络模型来描述玻璃的结构。

27．影响玻璃生成的因素有哪些？

玻璃中常加有哪些调整剂？

并简单说明其作用。

28．什么是玻璃陶瓷？

说明其性能及制造工艺特点，并举例说明其应用。

29．什么是金属玻璃？

简述其性能特点及应用。

30．非晶态材料的制备方法可分为哪三类？

Ch2-5习题及思考题

1．名词解释：

高分子化合物单体链节聚合度

ABS塑料加聚反应均聚反映共聚反应

缩聚反应共缩聚反应均缩聚反应

2．试比较加聚反应与缩聚反应的特点。

3．简述高分子化合物的基本性质。

4．举例说明高聚物常见的改性途径。

5．熟悉高聚物的分类，了解高聚物的命名。

6．简述高聚物的结构特点及研究高聚物结构的主要内容。

7．高聚物的大分子链是由哪些元素组成的？

高聚物的密度为什么一般仅有钢铁的1/4～1/7（即0.9～2.0g/cm3）。

8．分别列举均聚物与共聚物中常出现的链接方式或序列。

9．说明常见高聚物分子链的键接方式及其对聚合物性能的影响。

10．什么是高分子链的构型？

乙烯类大分子链有哪三类常见的立体异构？

并举例说明不同立体异构对其性能的影响。

11．如何理解高聚物分子量的多分散性？

高聚物的平均分子量及分子量分布宽窄对高聚物性能有何影响？

12．什么是大分子链的柔性？

影响大分子链的柔性有哪些因素？

13．在高聚物大分子链中有哪些热运动单元？

这些热运动单元与高聚物宏观性状有何关联？

14．简述高聚物中原子键合的种类及特点。

15．非晶态高聚物一般包括＿＿、＿＿、＿＿以及＿＿。

关于非晶态高聚物结构的两种代表性模型是＿＿模型和＿＿模型。

16．怎样理解晶态高聚物的结构？

17．什么是结晶度？

影响结晶度的因素有哪些？

结晶对高聚物性能有何影响？

18．举例说明什么是高分子合金及其特性。

Ch3习题及思考题

1.计算当压力增加到500×105Pa时锡的熔点的变化时,已知在105Pa下,锡的熔点为505K，熔化热7196J/mol，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol，固体锡的体积质量密度7.30×103kg/m，熔化时的体积变化为+2.7%。

2.考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：

ΔT=1，10，100和200℃，计算：

（a）临界晶核尺寸；

（b）半径为r*的晶核个数；

（c）从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔG*（形核功）；

（d）从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化ΔGv。

铝的熔点Tm=993K，单位体积熔化热Lm=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ=93mJ/m2，书中表6-4是121mJ/m2,原子体积V0=1.66×10-29m3。

3.（a）已知液态纯镍在1.013×105Pa（1个大气压），过冷度为319℃时发生均匀形核。

设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热Lm=18075J/mol，摩尔体积V=6.6cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。

（b）若要在2045K发生均匀形核，需将大气压增加到多少?

已知凝固时体积变化ΔV=-0.26cm3/mol（1J=9.87×105cm3.Pa）。

4.纯金属的均匀形核率可以下式表示

式中A

1035,exp（-Q/kT）

10-2，ΔG*为临界形核功，k为波耳兹曼常数，其值为1.38*10-23J/K

（a）假设过冷度ΔT分别为20℃和200℃，界面能σ=2×10-5J/cm2，熔化热ΔHm=12600J/mol，熔点Tm=1000K，摩尔体积V=6cm3/mol，计算均匀形核率

。

（b）若为非均匀形核，晶核与杂质的接触角θ=60°，则

如何变化？

ΔT为多少？

（c）导出r*与ΔT的关系式，计算r*=1nm时的ΔT/Tm。

5.试证明在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。

6.证明任意形状晶核的临界晶核形成功ΔG*与临界晶核体积V*的关系：

ΔGV——液固相单位体积自由能差。

7．绘图并推导纯金属的凝固驱动力⊿G＝Lm⊿T/Tm。

8．合金中相平衡的条件是什么？

9．什么是相变？

相变在材料研究中有何意义？

10．什么是结晶？

研究金属和合金的结晶理论有何意义？

11．名词解释：

冷却曲线过冷现象过冷度结构起伏晶胚

晶核晶粒晶界形核率长大速度均匀形核

非均匀形核能量起伏光滑界面粗糙界面

12．纯金属液固转变的驱动力是什么？

为什么说过冷度越大这个相变的驱动力也越大？

13．试说明与气态金属相比，液态金属的性质更接近于固态金属。

14．液态金属的结晶过程是与的过程。

15．证明均匀形核的临界形核功等于表面能的1/3。

16．能否说明过冷度⊿T越大，相变的形核率就越大，为什么？

17．晶核长大的动力学条件是什么？

长大机制有哪几种？

长大速度如何？

18．推导相律f＝C－P＋2。

Ch4习题及思考题

1.固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：

（a）成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；

（b）若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？

（c）成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；

（d）合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？

2.指出下列相图中的错误，并加以改正。

3.Mg-Ni系的一个共晶反应为

507℃

L（23.5Wt.%Ni）

α（纯镁）+Mg2Ni（54.6Wt.%Ni）

设C1为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但C1合金中的α总量为C2合金中的α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。

4.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，由热分析测得下列数据：

含B量（wt%.%）,液相线温度（℃）,固相线温度（℃）

0,—,1000

20,900,750

40,765,750

43,—,750

50,930,750

63,—,1040

80,850,640

90,—,640

100,—,800

（a）      画出平衡相图，并注明个区域的相、各点的成分及温度，并写出中间化合物的分子式（原子量A=28，B=24）。

（b）      100kg的含20wt.%B的合金在800℃平衡冷却到室温，最多能分离出多少纯A。

5.一种由SiO2-45%Al2O3（wt%）构成的耐高温材料被用来盛装熔融态的钢（1600℃）。

（a）  在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化？

（共晶成分10wt%Al2O3）

（b）   选用该耐高温材料是否正确？

（实际使用，液相不能超过20%）

6．画出Fe—Fe3C相图，并写出各关键点的温度及习惯标注的字母、表明各相区。

7．画出含碳3.5%的铁碳合金的冷却曲线并表明其组织变化示意图；在室温下，它由什么相组成，各相的比例是多少？

在室温下，它由什么组织组成，各组成物比例是多少？

8．在Fe－Fe3C相图中，分别画出1148℃、800℃、727℃、700℃时各相的自由能-成分曲线。

9．说明固溶体的平衡凝固过程是：

形核→相界平衡→扩散破坏平衡→长大→相界平衡。

10．分别画出液相完全混合、部分混合和完全混合时固溶体不平衡凝固过程中的溶质分布情况。

11．名词解释：

枝晶偏析（晶内偏析）匀晶转变共晶转变伪共晶离异共晶包晶转变

扩散退火（均匀化退火）熔晶转变偏晶转变合晶转变共析转变

包析转变铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体定向凝固区域熔炼

12．什么是成分过冷？

它对液-固界面的形貌有何影响？

13．共晶合金是如何形核和长大的？

14．简述铸锭的组织及其形成机理。

15．铸锭中常见的缺陷有哪些？

16．为什么高分子混合时不太易达到分子量级的混合？

17．简述高分子合金化的方法和特点。

18．青铜（Cu-Sn）和黄铜（Cu-Zn）相图如图所示：

（a）叙述Cu-10%Sn合金的不平衡冷却过程并指出室温时的金相组织；

（b）比较Cu-10%Sn合金铸件和Cu-30%Zn合金铸件的铸造性能及铸造组织；说明Cu-10%Sn合金铸件中有许多分散砂眼的原因；

（c）分别含2%Sn、11%Sn和15%Sn的青铜合金，哪一种可进行压力加工，哪种可利用铸造法来制造机件？

Ch5习题及思考题

1．在三元相图中，常用的成分三角形有哪些？

2．材料相图的实验测定方法包括哪些？

3．名词解释：

杠杆定律直线法则重心法则

4．三元相图：

⑴熟悉立体模型，能够想象出各个点、线、面及区（包括单相区、两相区、三相区及四相区）所处的空间位置及代表的意义；

⑵垂直截面及其用途；

⑶画出各温度下的水平截面；

⑷熟悉液相面投影图及液相面等温投影图；

⑸画出组织区分图、冷却曲线及室温下各区的组织。

5．在三元合金相图中，常见的四相平衡转变有哪几种类型？

分别在立体模型、投影图及垂直截面图上画出各四相平衡转变的位置特征，并写出各四相平衡转变的反应式及其转变前后的三相平衡反应式。

6．实际三元相图应用举例：

要求看懂图。

7．某三元合金K在温度为t1时分解为B组元和液相，两个相的相对量WB/WL=2。

已知合金K中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。

8．已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分（a点）为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分（E点）为50％A、10％B、40％C。

（a）试计算A初％、（A+B）%和（A+B+C）%的相对量。

（b）写出右图中I和P合金的室温平衡组织。

9．成分为40%A、30%B和30%C的三元系合金在共晶温度形成三相平衡，三相成分如下：

液相：

50%A

40%B

10%C

α相

85%A

10%B

5%C

β相

10%A

20%B

70%C

（a） 计算液相、α相和β相各占多少分数；

（b）  

试估计在同一温度，α相和β相的成分同上，但各占50%时合金的成分。

10．Cu-Sn-Zn三元系相图在600℃时的部分等温截面如上图示：

（a）请在此图中标出合金成分点P点（Cu-32%Zn-5%Sn），Q点（Cu-40%Zn-6%Sn）和T点（Cu-33%Zn-1%Sn）,并指出这些合金在600℃时由那些平衡相组成。

（b）        若将5kgP合金、5kgQ合金和10kgT合金熔合在一起，则新合金的成分为多少？

11．根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。

试证明该反应为R→Q+U+V类型反应。

12．根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。

试证明该反应为R+Q→U+V类型反应。

作业1

1.纯金属晶体中主要的点缺陷类型有哪些？

并试述它们产生的途径。

2.银的空位形成能为1.76×10-19，试计算600℃和300℃时1cm3银晶体中所包含的平衡空位数（银的密度为10.5g/cm3，原子量为107.9）

3.某晶体的长度（L）和晶格常数（a）随温度变化关系如右图所示：

（1）说明为何高温时⊿L/L＞⊿a/a

（2）证明在较高温度时晶体的平衡浓度可表示为：

CV=3（⊿L/L—⊿a/a）

作业2

1.    指出图1各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。

2.    在面心立方晶体中，画出（111）面上的b=a/2[101]和b=a/2[011]。

3.    如图2所示，某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，并受到一均匀切应力τ的作用。

1）         分析该位错环各段位错的结构类型；

2）         在τ的作用下，该位错环将如何运动？

4.    当刃型位错周围的晶体中含有：

1）过饱和空位；2）过饱和间隙原子；3）低于平衡浓度的空位；4）低于平衡浓度的间隙原子等四种情形，该位错怎样攀移。

作业3

1. 计算产生1cm长的刃位错所需要的能量，并求出占该位错一半能量的区域半径。

（设r0=1nm,R=1cm,b=0.25nm,γ=1/3,G=50Gpa）

2. 试判断下列位错反应在面心立方晶体中能否进行，并确定无外力作用时的反应方向：

（1）

（2）

（3）

3.    铜晶体中有一直刃位错，试作出由此位错所产生的最大切应力与距离的关系曲线，并计算当距离为1μm时的最大分切应力。

（铜晶体的G=50Gpa,γ=1/3,b=0.256nm）

作业4

1.    选择题

（1）计算位错受力的表达式ƒ=τb中的τ是指______

a. 外力在滑移面的滑移方向上的分切应力；

b.    外加切应力；

c.    外力在位错线运动方向上的分切应力。

（2）在一块晶体中有一根刃位错线L和一根相同长度的螺位错线S,两者的应变能有以下关系:

a.EL>Es

b.EL

c.EL=Es

（3）位错受力（运动）方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向————

d. 也随位错线运动方向而改变

e. 始终是柏氏矢量方向

f. 始终是外力方向

2. 在相距为l的两滑移面上有两个平行的异号刃位错，如图所示，问

（1）要使两位错在各自滑移面上作相向运动，需施加多大切应力?

方向如何？

（2）要使两位错在各自滑移面上作反向运动，需施加多大切应力?

方向如何？

思考题.设有两条交叉（正交但不共面）的位错线

和

其柏氏矢量分别为

和

，且︱

︱=︱

︱=b。

试求下述情况下两位错间的交互作用（要求算出单位长度位错线的受力ƒ，总力F和总力距M）:

（1）两个位错都是螺型；

（2）两个位错都是刃型；

（3）一个是螺型，一个是刃型。

作业5

1.方形晶体中有两根刃型位错（如图所示），

（1）当周围晶体