材料科学基础习题Word格式文档下载.docx

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由于同一元素的同位素在周期表中占据同一位置，尽管其质量不同，但它们的化学性质完全相同。

6.物质中的结合键主要有：

金属键、离子键、共价键、氢键、范德瓦耳斯力。

金属键：

由金属中自由电子与金属正离子相互作用所构成的结合键。

离子键：

金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，金属原子、非金属原子分别转变成正离子、负离子，其依靠静电引力结合在一起而形成的键。

共价键：

由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。

范德瓦耳斯力：

借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定结构的原子或分子结合为一体的键合。

氢键：

分子中氢的唯一的电子已被其他原子所共有，结合的氢端就裸露出带正电荷的原子核。

其与邻近分子的负端相互吸引而构成的中间桥梁，又称为氢桥。

离子键没有饱和性和方向性。

离子键无方向性和饱和性，一般具有较高的配位数。

离子晶体都具有良好的电绝缘性。

但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时即呈现离子导电性。

共价键具有方向性和饱和性。

共价晶体要有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，一般是绝缘体，其导电能力较差。

范德瓦耳斯力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。

其键能通常比化学键的小1-2个数量级。

氢键具有方向性和饱和性，也属于次价键，键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。

五、固体结构

1.晶体、非晶体的主要区别：

晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体却无固定熔点，存在一个软化温度范围；

晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。

2.晶胞：

具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。

3.晶胞选取的原则

选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；

平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；

当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；

当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。

4.晶向指数、晶面指数的确定。

在面心立方晶胞中画出[012]和[1

3]晶向。

在面心立方晶胞中画出（012）和（1

3）晶面。

写出立方晶胞中晶向族<

111>

、<

100>

110>

所包含的晶向指数。

写出立方晶胞中晶面族{111}、{100}、{110}所包含的晶面指数。

5.fcc结构的密排方向是__<

___，密排面是__{111}___，密排面的堆垛顺序是__ABCABC·

·

___致密度为__0.74___配位数是__12____晶胞中原子数为__4____，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__{110}___致密度__0.68___配位数是__8___晶胞中原子数为___2___，原子的半径是__

hcp结构的密排方向是___<

112-0>

____，密排面是___{0001}___，密排面的堆垛顺序是___ABAB·

____，致密度为___0.74____配位数是__12____，晶胞中原子数为___6____，原子的半径是__

___。

6.简单立方晶系，晶面间距公式是____

_______。

7.Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是___

________。

8.在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是____（

）_________。

9.在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是_____（

）_______。

10.空间点阵只可能有___14___种。

Al的晶体结构是___面心立方__，-Fe的晶体结构是___体心立方__,Cu的晶体结构是___面心立方___。

11. 

晶胞中每个原子平均占有的体积分数称为_______致密度________。

12.面心立方结构每个晶胞中八面体间隙数为__4__，四面体间隙数为__8__。

13.Zn室温的点阵常数a=2.6649A，c=4.9468A，其轴比为___c/a____，配位数为___12____。

14.纯铁冷却时在912度发生同素异晶转变是从___体心立方___结构转变为__面心立方____结构，其体积发生___膨胀___变化。

15.固溶体按溶质溶解度可分为___有限__固溶体和__无限___固溶体。

固态合金相基本上可分为___固溶体__和____金属化合物___两大类。

16.同素异晶转变，点阵常数，晶面指数，晶面族，晶向指数，晶向族，晶带和晶带轴，配位数，致密度

17.体心立方、面心立方、密排六方的晶胞：

晶胞组成原子数、含有原子数、致密度、性能特点、常用金属

18.课堂上讲的例题。

例1.氧化镁（MgO）与氯化钠（NaCl）具有相同的结构。

已知Mg的离子半径为0.066nm，氧的离子半径为0.140nm。

（1）试求氧化镁的晶格常数。

（2）试求氧化镁的密度。

解答：

氧化镁为离子化合物，计算时必须使用离子半径而不能使用原子半径

（1）氯化钠（NaCl）晶体的结构如图2.52（P59）

（2）氧化镁（MgO）与氯化钠（NaCl）具有相同的结构。

每一晶胞中含有4个Mg2+及4个O2-；

1mol的Mg2+具有24.31g的质量，1mol的O2-具有16.00g的质量，则密度为

2.某一原子的配位数（CN）为此原子之邻接原子的数目。

以共价键结合的原子其最大的配位数是由其原子所具有的价电子数来决定；

而离子键结合的原子其最大的配位数是受其离子半径比所限制。

试证明当配位数为6时，其最小半径比为0.41。

当配位数为6时，其可能的最小半径值如图（a），第五和第六个离子正好位于中心原子的正上方和正下方如图（b）；

一个Mg2+最多被六个O2-包围。

由图（a）

（2r＋2R）2=（2R2＋2R2）

（r＋R）2=（R2＋R2）

CN=6时的r和R之比为0.41。

例3.已知Cu的原子直径为2.56

，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu的原子数。

解答D（γ）为Cu的原子直（半）径，n为1mm3Cu的原子数，

晶胞体积a3，致密度为0.74。

.

例4.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。

（刘P3）

解答

例5.bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm3；

fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。

当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少？

例1．A（Tm=600℃），B（Tm=500℃），液态无限互溶；

固态时A→B最大WA=0.30（质量），室温时A→B最大WA=0.10（质量），但B→A高低温时均不溶；

在300℃时，含WB=0.40的L发生共晶反应，试画出A—B相图。

并分析WA=0.20、WA=0.45、WA=0.80时的合金的室温下的组织组成物和相组成物的相对量。

六、晶体缺陷

1.晶体中缺陷分类

点缺陷：

空位、间隙原子、置换原子

线缺陷：

刃型位错、螺形位错

面缺陷：

表面和界面

外表面

晶界和亚晶界

孪晶界

相界

2.空位平衡浓度的推导

间隙原子平衡浓度的结论

3.刃形位错：

定义位错线与伯氏矢量垂直的位错。

特点：

有一个多余的半原子面；

晶体中已滑移区与未滑移区边界线，不一定是直线，也可为折线或曲线，但它必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量；

只有一个滑移面。

4.螺形位错

定义位错线与伯氏矢量平行的位错。

特点

无额外半原子面，原子错排呈轴对称性；

位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直；

滑移面有多个，但通常是在密排面上进行。

5.伯氏矢量

伯氏矢量与伯氏回路的起点和具体途径无关；

一根位错线具有唯一的伯氏矢量；

一根位错分解为多个位错时，其分解后的位错的伯氏矢量之和等于原位错的伯氏矢量；

位错在晶体中存在的形态可形成一个闭合的位错环，或连接与其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面，但不能中断于晶体内部。

6.位错交割

交割的结果，台阶的性质

7.位错反应

几何条件反应前后的伯氏矢量相等

能量条件反应前的b2和大于反应后的b2

8.课堂上所讲的例题

1.空位随温度升高而增加，在20℃和1020℃之间，由于热膨胀bcc某金属元素的晶格常数增加0.51%，而密度减少2.0%，假设在20℃时，此金属中每1000个单位晶胞中有1个空位，试估计在1020℃时每1000个单位晶胞中有多少个空位？

2.在500℃（773K）所做扩散实验指出，在1010个原子中有一个原子具有足够的激活能可以跳出其平衡位置而进入间隙位置，在600℃时，此比例会增加到109，问：

（1）此跳跃所需要的激活能？

（2）在700℃（973K）具有足够能量的原子所占的比例为多少？

3.在金属中形成一个空位所需要的激活能为2.0eV（或0.32×

10-18J）。

在800℃时，1×

104个原子中有一个空位，问在何种温度下，1000个原子中含有1个空位？

4.两个相同符合的的刃型位错，在同一滑移面相遇；

它们会排斥还是会吸引？

7.判断下列位错反应能否进行：

（1）

（2）

（3）

（4）

七、扩散

1.物质的传输方式

气态、液态：

对流和扩散

固态：

扩散

2.固态金属的扩散条件

温度足够高

时间足够长

扩散原子要能固溶

扩散要有驱动力

3.菲克第一定律

在稳态扩散条件下，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即

4.菲克第二定律

大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而变化的，

，假定D与浓度无关，可简化为

在立方晶系中，考虑三维扩散的情况，菲克第二定律普遍式为

5.两端成分不受影响的扩散偶的扩散方程的解的推导和应用P130

6.一端成分不受影响的扩散体的扩散方程的解的推导和应用P132

7.例：

纯铁在气体渗碳介质中927℃渗碳，该温度下C在γ-Fe中最大溶解度1.3%，求10h后纯铁内C%分布

8.柯肯达尔效应

9.扩散的驱动力有哪些？

化学势

内应力

晶界的内吸附

电场或温度场

10.扩散的机制

交换机制：

直接交换、环形交换

间隙机制：

间隙、推填、挤列

空位机制

晶界扩散和表面扩散：

晶内扩散系数DL<

晶界扩散系数DB<

晶体表面扩散系数DS

11.无规则行走：

原子向各个方向随机地跃迁。

12.影响扩散的因素有哪些，其对扩散分别有何影响？

P150

温度：

影响扩散速率的主要因素，温度越高，扩散系数越大。

固溶体类型：

不同类型的固溶体，原子的扩散机制不同。

间隙固溶体的扩散激活能一般均较小，如钢中要获得同样的渗层浓度时，渗碳、渗氮较渗铝、渗铬的周期短。

晶体结构：

发生同素异构转变时，晶体结构改变后，扩散系数也随之发生较大改变。

所有元素在

中的扩散系数都比在

中大，其原因是体心立方结构的致密度比面心立方的致密度小，原子较易迁移。

结构不同的固溶体对扩散元素的溶解限度是不同的，由此造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速率。

晶体缺陷：

晶界、表面和位错等对扩散起着快速通道的作用，这是由于晶体缺陷处点阵畸变较大，原子处于较高的能量状态，易于跃迁，故各种缺陷处的扩散激活能均比晶内扩散激活能小，加快了原子的扩散。

化学成分：

扩散系数与组元特性有关，熔点高的金属的自扩散激活能大；

还与溶质的浓度有关；

第三组元（或杂质）对二元合金扩散原子的影响较为复杂，可能提高其扩散速率，也可能降低，或几乎无作用。

应力的作用：

如果合金内部存在着应力梯度，应力就会提供原子扩散的驱动力，那么，即使溶质分布是均匀的，也可能出现化学扩散现象。

13.通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。

14.课堂例题

例1.设有一条内径为30mm的厚壁管道，被厚度为0.1mm的铁膜隔开，通过向管子一端向管内输入氮气，以保持膜片一侧氮气浓度为1200mol/m3，而另一侧的氮气浓度为100mol/m3。

如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×

10-4mol/3，求此时氮气在铁中的扩散系数。

3.Cu-Al组成的互扩散偶发生扩散时，标志面会向哪个方向移动？

2.在室温下对Pb板进行弯折，越弯越硬，但如果放置一段时间再进行弯折，Pb板又像最初一样柔软，这是为什么？

（Tm（Pb）=327℃）

例题解答：

3.将一锲型铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制，如下图。

（1）画出此铜片经完全再结晶后晶粒沿片长方向的变化示意图。

（2）如果在较低温度退火，何处先发生再结晶？

为什么？

4.用冷拨铜丝制作导线，冷拨后应如何处理，为什么？

7.钢丝绳吊工件，随工件放入1000℃炉中加热，加热完毕，吊出时绳断原因？

8.金属铸件能否通过再结晶来细化晶粒？

八、凝固

1.相：

合金中成分、晶体结构相同，并以一定界面与其他组成部分相分开的均匀组成部分。

2.相图：

表示合金的成分、温度以及相组成的关系的图表。

3.相律：

f=c-p+2

f体系的自由度，指不影响体系平衡状态的独立可变参数

c体系的组元数

p相数

在压力不变的条件下，f=c-p+1

4.相律应用

相律给出了平衡条件下体系中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系。

在压力不变条件下，纯金属最多有p=c+1-f=1+1-0=2相共存

在压力不变条件下，二元合金最多有p=c+1-f=2+1-0=3相共存

5.晶体凝固的热力学条件

根据相变的自由能变化推导出晶体凝固的热力学条件

，此式说明：

实际凝固温度应低于熔点，即需要有过冷度。

6.形核方式

均匀形核，非均匀形核

一般来说，均匀形核所需要的过冷度高于非均匀形核。

九、二元相图

1.二元系各类恒温转变图型，教材上所有相图

2.铁碳合金组织的基本相、基本组织分别有哪些，其性能特点如何？

3.画出铁碳合金平衡状态图，要求完整标出特性点、主要的温度、成分等。

4.60钢从高温液态在平衡条件下冷却至室温，获得平衡组织。

试计算其平衡组织中的相的相对含量和组织的相对含量。

5.课堂例题

并分析WA=0.20、WA=0.45、WB=0.80时的合金的室温下的组织组成物和相组成物的相对量。

例2.A（Tm=700℃）、B（Tm=500℃），液态互溶，固态部溶，Max.5%B和25%A（质量）0℃时，则为2%B及5%A（质量）。

二者在750℃形成A2B化合物，A与B原子量分别为30与50；

在450℃和320℃分别发生液相成分为22%B及60%B（质量）的共晶转变。

试画出A—B相图，并标注相区。

例3.下图为Pb-Sb相图，该合金制轴瓦，要求在组织中有共晶体基体上分布着相对量为5%的β（Sb）作为硬质点，试求满足要求的合金成分及硬度[已知α（Pb）的硬度3HB，β（Sb）的硬度为30HB]

例4.一块碳钢在平衡冷却条件下显微组织中含有50%珠光体和50%铁素体，问：

（a）此钢中的碳含量；

（b）此合金加热到730℃，平衡条件下将获何种显微组织？

（c）若加热到850℃，又将得何组织？

（d）室温下相的相对含量、组织的相对含量分别是多少？

4.一块碳钢在平衡冷却条件下显微组织中含有50%珠光体和50%铁素体，问：

（d）室温下相的相对含量分别是多少？