《材料科学基础》作业.docx
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《材料科学基础》作业
注意:
习题按以下内容结构给出,
加深理解本课程的内容和结构。
绪论
第一篇材料的原子结构
第一章材料的原子结构
第二篇材料的晶体结构与缺陷
第二章材料的结构
第三章晶体结构缺陷
第七章晶态固体材料中的界面
第三篇材料的组织结构
第五章相平衡与相图
第四章晶态固体中的扩散
第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论
材料的结构
相图与相变
【综合习题】
绪论
一、填空题
1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节,结构的最微细水平是原子水平,第二个水平是原子的排列方式,第三个水平是显微组织。
2.根据材料的性能特点和用途,材料分为结构材料和功能材料两大类。
根据原子之间的键合特点,材料分为金属、陶瓷、
高分子和复合材料四大类。
第一篇材料的原子结构
第一章材料的原子结构
一、填空题
1.金属材料中原子结合以金属键为主,陶瓷材料(无机非金属材料)以
共价键和离子键结合键为主,聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。
第二篇材料的晶体结构与缺陷
第二章材料的结构
一、填空题
1、晶体是基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体长程有序,非晶体长程无序短程有序。
3、晶胞是晶体结构中的最小单位。
4、根据晶体的对称性,晶系有3大晶族,7大晶系,14种布拉菲Bravais点阵,32种点群,230种空间群。
5、金属常见的晶格类型有面心立方、体心立方、密排六方。
6、fcc晶体的最密排方向为【111】,最密排面为(110),最密排面的堆垛顺序为ABCABCABC……。
7、fcc晶体的致密度为0.84,配位数为12,原子在(111)面上的原子配位数为6。
8、bcc晶体的最密排方向为【110】,最密排面为(111),致密度为0.76,配位数为8。
9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。
10、CsCl型结构属于简单立方格子,NaCl型结构属于面心立方格子,CaF2型结构属于面心立方格子。
11、MgO晶体具有NaCl型结构,其对称型是3L44L36L29PC,
晶族是高级晶族,晶系是立方晶系,晶体的键型是离子键。
12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是氧硅四面体。
13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-,
它们的晶体结构类型分别为,,,
和。
14、表征晶体中晶向和晶面的方法有解析法和图示法。
二、分析计算
1、(2-3)
(1)晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和6c,求该晶面的米勒指数;
(2)晶面B在x、y、z轴上的截距分别是a/3、b/2和c,求该晶面的米勒指数。
2、(2-4)在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向,每一组画在同一个晶胞中,并说明每一组晶面和晶向的关系。
3、写出立方晶系中晶面族{100}、{110}、{111}包含的等价晶面。
写出<112>晶向族包含的等价晶向。
4、(2-9)求
(1)晶面(121)和(100)的晶带轴指数;晶面(100)和(010)的晶带轴指数;
(2)晶向[001]和[111]确定的晶面指数;包含[010]和[100]晶向的晶面指数。
5、(2-11)
(1)a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系?
(2)a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系?
(3)能否据此确定这2种晶体的Bravis点阵?
6、Ni为面心立方结构,原子半径r=0.1243nm,求Ni的晶格常数和密度。
7、Mo为体心立方结构,晶格常数a=0.3147nm,求Mo的原子半径r。
8、(2-15)CsCl中铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm。
试问
(1)在CsCl内离子在<100>或<111>方向是否相接触?
(2)每单位晶胞内有几个离子?
(3)各离子的配位数是多少?
(4)密度ρ和堆积系数(致密度)K?
9、(2-16)MgO具有NaCl型结构。
Mg2+的离子半径为0.072nm,O2-的离子半径为0.140nm。
试求MgO的密度ρ和堆积系数(致密度)K。
10、(2-24)下列硅酸盐化合物属于什么结构类型?
,
,
,
,
,
,
,
第三章晶体结构缺陷
一、填空题
1、按几何组态,晶体中的缺陷分为、、和体缺陷。
2、点缺陷主要包括、、;线缺陷有;面缺陷包括等。
3、描述位错性质及特征的是。
4、位错的类型有、、和。
5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为,位错线与柏氏矢量平行的位错称为。
6、位错的基本运动方式有和。
7、位错可以滑移和攀移,位错可以滑移而不攀移,能进行交滑移的位错必然是。
8、位错滑移一般沿着晶体的(面)和(方向)进行。
9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域的大小和方向。
10、两平行同号螺位错间的作用力为(引力或斥力?
)。
11、全位错是;不全位错是。
12、面心立方晶体的不全位错类型主要有和,
柏氏矢量分别为,。
只能发生攀移运动的位错是。
Shockley不全位错Franker不全位错
13、位错间转化(位错反应)要满足的条件有和。
14、两个不全位错夹一片层错的位错称为位错。
二、分析题
1、(3-6)画一个方形位错环,
(1)在此平面上画出柏氏矢量,使其平行于位错环的其中一边,任意选择并画出位错线方向,据此指出位错环各段的性质。
(2)能否使该位错环处处为刃位错?
(3)能否使该位错环处处为螺位错?
2、在滑移面上有一位错环,柏氏矢量为b,位错环的方向和柏氏矢量的方向如图所示。
(1)指出位错环各段的性质。
(2)能否使该位错环处处为刃位错?
(3)能否使该位错环处处为螺位错?
(4)该位错环滑移出晶体后,晶体有怎样的滑动(大小和方向)?
3、(3-11)试分析在fcc中,下列位错反应能否进行?
并指出其中三个位错的性质类型?
反应后生成的新位错能否在滑移面上运动?
4、(3-8)比较刃位错和螺位错的异同点。
第七章晶态固体材料中的界面
1、表面能来源于;一般地,割断的键数,表面能越高。
表面割断的键数,表面能最低。
因此,晶体的外表面一般为。
2、根据晶粒取向差的大小,晶界分为和。
3、小角晶界分为和。
倾转晶界由位错构成,扭转晶界由位错构成。
4、晶界迁移的驱动力是。
晶界移动的结果是小晶粒,大晶粒。
5、根据两相界面上的原子排列,相界分为,和。
6、在晶粒内部形成第二相时,若第二相和基体之间的界面能大,则其形状一般为,若要减少弹性应变能,一般会长成形状。
7、单相多晶体平衡时一般规律是两个晶粒相遇于,三个晶粒相遇于,四个晶粒相遇于。
第三篇材料的组织结构
第五章相平衡与相图
一、填空题
1.组元是,组元一般是或。
2.相是。
相平衡是指各相的平衡。
3.组织是。
平衡凝固是指冷却条件下的凝固。
4.在二元系合金相图中,杠杆法则只能用于相区。
5.根据渗碳体的形状,钢中珠光体分为和两种。
6.根据含碳量,钢分类为、和钢。
随着碳含量的增加,钢的硬度和塑性的变化规律是。
7.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。
平行于一边的任一直线上的合金,其成分共性为。
8.根据三元相图的垂直截面图,可以分析过程。
9.根据三元相图的水平(等温)截面图,可以进行分析。
10.二元合金相图三相平衡转变的类型主要有和。
三元合金相图四相平衡转变的类型主要有,,
和。
二、改错题
1.指出下列相图中的错误,说明原因并加以改正,画出正确的相图。
2.(5-6)指出相图中的错误,说明理由并改正。
三、分析计算
1.下图为A-B固溶体合金的相图,试根据相图确定:
(a)成分为ω(B)=40%的合金首先凝固出来的固溶体成分;
(b)若首先凝固出来的固溶体成分含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.(5-3)画出Pb-Sn相图,标出各相区存在的组织,指出组织中含βⅡ最多和最少的合金成分,指出共晶体最多和最少的合金成分。
3.(5-4)根据Pb-Sn相图,说明ω(Sn)=30%的Pb-Sn合金在下列温度时,其组织中存在哪些相,并求相的相对含量。
(1)高于300℃;
(2)刚冷至183℃,共晶转变尚未开始;(3)在183℃共晶转变完毕;(4)冷到室温。
4.(5-7)画出简易的铁碳相图,
(1)指出PSK、ECF各点成分、各线的反应特征及反应式;
(2)标出各相区的相组成物;(3)标出各相区的组织组成物。
5.(5-8)指出ω(C)=0.2%、ω(C)=0.6%、ω(C)=1.0%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的相组成物和组织组成物,并分别计算相和组织的相对含量。
6.如下相图:
(1)该相图的组元是什么?
(2)标出所有相区的组成相。
(3)指出该相图中有何特征反应,写出反应式。
(4)指出含80%的Al2O3时的室温平衡组织,并计算组织组成物的相对含量。
7.下图为使用高纯原料在密封条件下的Al2O3—SiO2相图,A3S2(3Al2O3·2SiO2)为莫来石固溶体,共晶成分E1点为10wt%Al2O3,含60%摩尔分数Al2O3的A3S2的质量分数为75%。
要求:
(1)填写空白相区的相组成。
(2)写出2个水平反应线的反应,并指出反应类型。
(3)一种由SiO2-30%Al2O3(wt%)构成的耐高温材料,分析其平衡凝固后的室温组织是什么,并计算组织组成物的含量。
该材料能否用来盛装熔融态的钢(1600℃)?
在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化?
8.(5-14)下图为A-B-C三元共晶相图的投影图,指出n1、n2、n3(E)、n4点从液态平衡冷却结晶的室温相和组织组成物,并分别计算相和组织的相对含量。
9.下图为某三元相图投影图上3条液相单变量线及其温度走向,判断四相平衡反应类型,写出反应式。
10.下图是MgO-Al2O3-SiO2三元系相图的平面投影图及局部放大图,写出四相平衡点处代表的反应特征及反应式。
第四章晶态固体中的扩散
一、填空题
1、菲克第一定律描述的是状态下的扩散规律;菲克第一定律描述的是状态下的扩散规律。
2、稳态扩散是指;非稳态扩散是指。
3、Fick扩散第二方程的高斯解适合求解扩散问题;Fick扩散第二方程的误差函数解适合求解扩散问题。
4、扩散的微观机理有、、、等。
5、空位扩散的阻力比间隙扩散,激活能。
6、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中,扩散系数D最大的是__。
7、在间隙固溶体中,H、O、C等原子以方式扩散。
8、Cu-Al合金和Cu组成的扩散偶发生柯肯达尔效应,标记向Cu-Al合金一侧漂移,则的扩散通量大。
9、上坡扩散是指。
10、扩散的驱动力是。
化学位梯度。
11、伴随有反应的扩散称为。
二、计算题(不考)
(4-1)含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。
(a)推导脱碳扩散方程的解,假定t>0时,x=0处,ρ=0。
(b)假如要求零件外层的碳浓度为0.8%,表面应车去多少深度?
(900℃时,Dcγ=1.1×10-7cm2/s)
(4-3)20钢在930℃渗碳,表面碳浓度达到奥氏体中碳的饱和浓度Cs=1.4%,此时Dcγ=3.6×10-2mm2/h,若渗层深度定为从表面到碳含量0.4%的位置,求渗层深度与时间的关系。
(4-7)870℃渗碳与927℃渗碳相比较,优点是热处理产品晶粒细小,淬火后变形小。
若已知D0=2.0×10-5m2/s,Q=140KJ/mol,求:
(1)在上两温度下,碳在γ铁中的扩散系数。
(2)若忽略不同温度下碳在γ铁中的溶解度差别,870℃渗碳需用多少时间才能获得927℃渗碳10小时的渗层厚度?
(4-9)纯铁渗硼,900℃4h生成的Fe2B层厚度为0.068mm,960℃4h为0.14mm,假定Fe2B的生长受扩散速度的控制,求硼原子在Fe2B中的扩散激活能Q。
第六章材料的凝固
一、填空题
1、凝固过程包括和2个过程。
2、材料的凝固的驱动力是,阻力是。
3、凝固形核的方式有和,其中的临界形核功较小。
(均匀形核非均匀形核非均匀形核)
4、均匀形核时液、固两相自由能差只能补偿表面能的,其他靠系统中的补偿。
5、液/固界面的微观结构分为和。
6、在正温度梯度下,晶体生长成界面;负温度梯度下成长时,一般金属界面都呈状。
7、在正的温度梯度下,纯金属以状形式长大,固溶体合金由于存在以
状形式长大。
8、固溶体结晶的形核条件是、、、和
。
9、固溶体结晶与纯金属结晶的差异表现为、及现象。
10、平衡结晶是指冷却,组元间互扩散,每个阶段都达到
均匀成份。
11、晶内偏析(枝晶偏析)是。
消除晶内偏析(枝晶偏析)方法。
12、宏观偏析是。
13、对于ko<1的合金棒,从左端向右端区域提纯,杂质元素会富集于
端。
14、固溶体不平衡凝固时,条件下凝固后溶质分布愈不均匀,宏观偏析愈严重。
(凝固速度很慢,充分对流、搅拌,扩散很快混合均匀)。
15、成分过冷是。
16、界面前沿温度梯度G,凝固速度R,成分过冷倾向大。
17、液-固界面前沿成分过冷区越大,晶体越易长成形貌。
18、常见的共晶组织形态有、、、等。
19、铸锭组织包括、和三个晶区。
20、对于液-固相变过程可通过控制过冷度来获得数量和尺寸不等的晶体,要获得晶粒多而尺寸小的细晶,则△T。