材料科学与工程复习思考题.docx
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材料科学与工程复习思考题
第1章绪论
思考题
1.材料科学与工程的四个基本要素
解:
制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用
2.材料科学与工程定义
解:
关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3.按材料特性,材料分为哪几类?
金属通常分哪两大类?
无机非金属材料分哪四大类?
高分子材料按使用性质哪几类?
解:
按材料特性,材料分为:
金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为:
黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为:
混泥土(水泥)、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为:
塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4.金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性
解:
①金属材料的基本特性:
a.金属键;b.常温下固体,熔点较高;c.金属不透明,具有光泽;d.纯金属范性大、展性、延性大;e.强度较高;f.导热性、导电性好;g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能:
a.离子键、共价键及其混合键;b.硬而脆;c.熔点高、耐高温,抗氧化;d.导热性和导电性差;e.耐化学腐蚀性好;f.耐磨损;g.成型方式:
粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性:
a.共价键,部分范德华键;b.分子量大,无明显熔点,有玻璃化转变温度(Tg)和粘流温度(Tf);c.力学状态有三态:
玻璃态、高弹态和粘流态;d.质量轻,比重小;e.绝缘性好;f.优越的化学稳定性;g.成型方法较多。
第2章物质结构基础StructureofMatter
思考题
1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定?
解:
主量子数n、角量子数l、磁量子数ml、自旋量子数ms
2.在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则?
解:
泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则
3.配位数及其影响配位数的因素
解:
配位数:
一个原子周围具有的第一邻近原子(离子)数。
影响因素:
①共价键数;②原子的有效堆积(离子和金属键合)。
4.电离能及其影响电离能的因素
解:
电离能:
从孤立原子中,去除束缚最弱的电子所需外加的能量。
影响因素:
①同一周期,核电荷增大,原子半径减小,电离能增大;②同一族,原子半径增大,电离能减小;③电子构型的影响,惰性气体;非金属;过渡金属;碱金属;
5.混合键合实例
解:
石墨:
同一层碳原子之间以共价键结合,层与层之间以范德华力结合;
高分子:
同一条链原子之间以共价键结合,链与链之间以范德华力结合。
作业题
2-1按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。
解:
N:
1s22s22p3O:
1s22s22p4Si:
1s22s22p63s23p2
Fe:
1s22s22p63s23p63d64s2Cu:
1s22s22p63s23p63d104s1Br:
1s22s22p63s23p63d104s24p5
2-288.83%的镁原子有13个中子,11.17%的镁原子有14个中子,试计算镁原子的相对原子质量。
解:
镁原子的质子为12
镁原子的相对原子质量M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.11
3.在元素周期表中,同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点?
从左到右或从上到下元素结构有什么区别?
性质如何递变?
解:
①在同一周期中,各元素的原子核外电子层数相同,且等于其周期序数。
在同一主族中,各元素的最外层电子数相等,且等于其主族序数。
②在同一周期中,从左到右,核电荷数依次增多,原子半径逐渐减小,电离能增大,失电子能力减弱,得电子能力增强,因此,金属性减弱,非金属性增强;而同一主族元素中,从上到下电子层数增多,原子半径增大,电离能趋于减小,失电子能力增强,得电子能力减弱,所以,元素的金属性增强,非金属性减弱。
4.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
解:
①金属材料:
简单金属(指元素周期表上主族元素)的结合键完全为金属键,过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合,但以金属键为主。
②陶瓷材料:
陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属(通常为氧)相结合的化合物,其主要结合方式为离子键,也有一定成分的共价键。
③高分子材料:
高分子材料中,大分子内的原子之间结合方式为共价键,而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。
④复合材料:
复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质,因而其结合键非常复杂,不能一概而论。
5.比较键能大小,简述各种结合键的主要特点,简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。
解:
键能大小:
化学键能>物理键能
共价键≥离子键>金属键>氢键>范德华力
共价键中:
叁键键能>双键键能>单键键能
结合键的主要特点:
①金属键,由金属正离子和自由电子,靠库仑引力结合,电子的共有化,无饱和性,无方向性;
②离子键以离子为结合单元,无饱和性,无方向性;
③共价键共用电子对,有饱和性和方向性;
④范德华力,原子或分子间偶极作用,无方向性,无饱和性;
⑤氢键,分子间作用力,氢桥,有方向性和饱和性。
结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响:
①结合键的键能大小决定材料的熔点高低,其中纯共价键的金刚石有最高的熔点,金属的熔点相对较低,这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。
金属中过渡金属具有较高的熔点,这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满,是结合键中有一定比例的共价键。
具有二次键结合的材料如聚合物等,熔点偏低。
②密度与结合键类型有关,金属密度最高,陶瓷材料次之,高分子材料密度最低。
金属的高密度有两个原因:
一个是由于金属原子有较高的相对原子质量,另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性,所以金属原子中趋向于密集排列,金属经常得到简单的原子密排结构。
离子键和共价键结合时的情况,原子排列不可能非常致密,所以陶瓷材料的密度比较低。
高分子中由于是通过二次键结合,分子之间堆垛不紧密,加上组成的原子质量比较小,所以其密度最低。
③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。
结合键的键能是影响弹性模量的主要因素,键能越大,则弹性模量越大。
陶瓷250~600GPa,金属70~350GPa,高分子0.7~3.5GPa。
④塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。
材料的塑性也与结合键类型有关,金属键结合的材料具有良好的塑性,而离子键、共价键的材料的塑性变形困难,所以陶瓷材料的塑性很差,高分子材料具有一定的塑性。
思考题
1.空间点阵,配位数
解:
空间点阵:
一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。
配位数:
一原子最邻近的、等距离的原子数。
2.晶面指数,致密度
解:
晶面指数:
指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比,当化为最简单的整数比后,所得到的3个整数。
致密度:
晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。
3.液晶及其液晶的分类(从分子排列的有序性类,按液晶的形成条件分类)
解:
液晶:
某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后,失去固态物质的刚性,变成具有流动性的液态物质,但结构上保存一维或二维有序排列,物理性质上呈现各向异性,兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。
1从分子排列的有序性分类:
a.丝状相(向列相);b.螺旋状相(胆甾相);c.层状相(近晶相)
2按液晶的形成条件分类:
a.热致液晶;b.溶致液晶
4.同素异构转变,并举例说明。
解:
同素异构转变:
改变温度或压力等条件下,固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。
例:
铁在不同温度下晶体结构不同,
<906℃体心立方结构,α-Fe
906~1401℃面心立方结构,γ-Fe
1401℃~熔点(1540℃)体心立方结构,δ-Fe
高压下(150kPa)密排六方结构,ε-Fe
5.按键合类型,晶体分哪几类?
各自的键合类型和主要特点如何?
解:
按键合类型,晶体分为:
金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。
1金属晶体:
金属键结合;失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引;无方向性和饱和性;低能量密堆结构。
(大多数金属晶体具有面心立方,体心立方和密排六方结构,金属晶体的原子排列比较紧密,其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。
)
2离子晶体:
离子键结合,无方向性和饱和性;正离子周围配位多个负离子,离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制;堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小。
(硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。
)
3共价晶体:
共价键结合,具有方向性和饱和性;配位数和方向受限制,晶体的配位数为(8-N)。
N表示原子最外层的电子数。
(强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。
配位数比金属晶体和离子晶体低)
4分子晶体:
范德华键合氢键结合;组元为分子,仅有范德华键时,无方向性和饱和性,趋于密堆,分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用,限制了堆砌方式;有氢键时,有方向性和饱和性。
作业题
1.归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点
解:
结构特征
结构类型
体心立方(bcc)
面心立方(fcc)
密排六方(hcp)
点阵类型
体心立方
面心立方
简单六方
点阵常数
a
a
a,c,c/a=1.633
最近的原子间距
(原子直径)
晶胞中原子数
6
配位数
8
12
12
致密度
0.74
2.已知916℃时,γ-Fe(面心立方)的点阵常数为0.365nm,分别求(100),(111),(112)的晶面间距。
解:
属于立方晶系
,面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时
∴(100)面,
(111)面,
(112)面,
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?
解:
(a)
∴面心立方金属的原子致密度为0.74。
(b)N(Na+)=3*4*1/4+1=4N(Cl-)=6*1/2+2*4*1/8=4
a=2r(Na+)+2r(Cl-)=0.556
(c)结论:
原子大小相同时,致密度与原子的大小无关;当有不同种类的原子出现时,其原子的相对大小必然影响致密度。
2-15铁的单位晶胞为立方体,晶格常数为a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。
解:
由资料可知,
∴
∴每个单位晶胞所含的原子个数为2。
2-17计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。
解:
面心立方:
,
体心立方:
,
密排六方:
,
,
,
∴面心立方的致密度为0.74,体心立方的致密度为0.68,密排六方的致密度为0.74。
2-21(a)在1mm3的固体钡中含有多少个原子?
(b)其原子堆积因子是多少?
(c)钡属于哪一种立方结构?
(原子序=56,相对原子质量137.3,原子半径=0.22nm,离子半径=0.143nm,密度=3.5mg/mm3)
解:
(a)
∴
∴在1mm3的固体钡中含有
个原子。
(b)原子堆积因子是金属正离子和自由电子之间的库仑力。
(c)
∴钡属于体心立方结构。
2-23钻石结构的晶格常数a=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•mm-3)
解:
钻石属于面心结构,有4个体心
∴
∴
∴
∴钻石转变为石墨时,体积增加55.8%。
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,则此平面的米勒指数是什么?
解:
∴此平面的米勒指数为(320)。
2-27一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3,此平面的米勒指数是什么?
解:
∴此平面的米勒指数是
。
2-30某X光波长0.058nm,用来计算铝的d200,其衍射角2θ为16.47°,求晶体常数是多少?
解:
∴a=2d200=0.404nm
∴晶体常数为0.404nm。
2-39在温度为912℃,铁从bcc转到fcc。
此温度时铁的两种结构的原子半径分别为0.126nm和0.129nm,
(1)求其变化时的体积变化V/O。
从室温加热到铁1000℃,铁的体积变化?
解:
(1)bccN1=2fccN2=4
,
∴
∴
∴其变化时的体积变化为0.014。
(2)912℃时,由bcc转变为fcc,体积减小;912℃-1000℃,受热膨胀,体积增大。
思考题
1.影响形成间隙型固溶体的因素
解:
A.晶格结构(溶质原子半径小,溶剂原子晶格间隙大);B.平衡或保持电中性。
2.有序合金的原子排列有何特点?
这种排列和结合键有什么关系?
解:
特点:
各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列,称为分点阵,整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵,称为超点阵或超结构。
3.为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶,而间隙固溶体则不能?
解:
间隙固溶体其中一个组元只能进入另一组元的空隙中,溶解度小,而置换型固溶体两组元原子大小近似,因此可以无限互溶。
作业题
简述影响置换型固溶体置换的因素
解:
A.离子大小:
同晶型时,
Δr<15%,有可能完全互溶
Δr=15~30%,部分互溶
Δr>30%,难置换,不能形成固溶体
B.键性(极化)
两元素间电负性差越小,越易形成固溶体,溶解度越大;溶质与溶剂元素间的电负性差增大,固溶度减小,倾向于生成稳定的金属化合物,而不利于形成固溶体。
生成的化合物愈稳定,则固溶体的溶解度愈小。
C.晶体结构类型和晶胞大小
当组元A和B有相同晶体结构,B原子才有可能连续不断地置换A原子,固溶度较大;晶体结构不同,最多只能形成有限型固溶体
D.电价(原子价,电子浓度)
原子价(离子价)相同,固溶度大;价态差越大,固溶度降低。
思考题
1.晶体缺陷的分类。
肖脱基缺陷(SchottkyDefect)
弗仑克尔缺陷(FrenkelDefect):
点缺陷对晶体性质的影响
解:
肖脱基缺陷:
有空位,无间隙原子,原子逃逸到晶体外表面或内界面(晶界)。
弗仑克尔缺陷:
同时形成等量的空位和间隙原子,空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基(空位)缺陷。
点缺陷对晶体性质的影响:
点缺陷存在和空位运动,造成小区域的晶格畸变。
1)使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力,使电子在传导中的散射增加;
2)加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动;
3)使材料体积增加,密度下降
4)比热容增大附加空位生成焓
5)改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在,增加位错运动阻力,使强度提高,塑性下降。
2.柏氏矢量的物理意义。
解:
表示晶体形成位错的滑移方向和大小。
3.简述刃型位错、螺型位错与位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。
解:
①刃型位错滑移方向与位错线垂直;
②螺型位错滑移方向与位错线平行。
4.位错的运动及其特点。
解:
①位错的滑移:
在外力作用下,位错线在滑移面(即位错线和柏氏矢量构成的晶面)上的运动,结果导致晶体永久变形。
滑移是位错运动的主要方式。
特点:
a.刃型位错滑移方向与外力及柏氏矢量平行,正、负位错滑移方向相反;b.螺型位错滑移方向与外力及柏氏矢量垂直,左、右螺型位错滑移方向相反;c.混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量成一定角度(即沿位错法线方向滑移);d.晶体的滑移方向与外力及柏氏矢量相一致,但并不一定与位错的滑移方向相同。
②位错攀移,在热缺陷或外力下,位错线在垂直其滑移面方向上的运动,结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。
a.位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的,螺型位错没有多余半原子面,固无攀移运动;b.由于位错攀移需要物质的扩散,因此,不可能是整条位错线同时攀移,只能一段一段地逐段进行;c.单晶生长利用位错攀移来消灭空位。
思考题
一.体积(晶格)扩散的微观机制类型
解:
体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。
包括3种微观扩散机制:
①空位机制,其中一个原子与相邻空位交换位置。
②间隙机制,自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。
③直接交换机制,相邻原子成对的互相交换位置。
二.为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ—Fe相区中进行?
若不在γ相区进行会有何结果?
解:
α—Fe中的最大碳溶解度(质量分数)只有0.02l8%,对于含碳质量分数大于0.0218%的钢铁,在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零,渗碳无法进行,即使是纯铁,在α相区渗碳时铁中浓度梯度很小,在表面也不能获得高含碳层;由于温度低,扩散系数也很小,渗碳过程极慢,没有实际意义。
γ—Fe中的碳溶解度高,渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度,使渗碳顺利进行。
三.比较下列各因素对扩散系数的影响,并简要说明原因。
1.温度对扩散系数的影响
2.金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数
3.体积扩散系数(晶格或点阵)与短路扩散系数(沿位错、晶界、表面)
4.间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数。
5.铁的自扩散系数α(Fe)与γ(Fe)
解:
1.温度越高,扩散系数越大;间隙机制和空位机制都遵循热激活规律,温度提高,超过能垒几率越大,同时晶体的平衡空位浓度也越高,扩散系数提高。
2.原子的迁移要挤开通路上的原子,引起局部点阵畸变,部分破坏原子结合键才能通过。
键能越强,原子间的结合键力越强,激活能越大,扩散系数越小。
共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数。
3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况,原子排列越紧密,原子间的结合力越强,扩散激活能越高,而扩散系数越小;②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子,他们扩散所需的活化能也较小,相应的扩散系数较大。
4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。
因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。
间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙,而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时,需要首先形成空位,因而激活能高。
5.α(Fe)属于体心结构,γ(Fe)属于面心结构,面心结构点阵比体心结构点阵紧密,铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-(Fe)相比,
在912℃时,Dα-(Fe)≈280Dγ-Fe
作业题
2-45.在钢棒表面上,每20个铁的晶胞中有一个碳原子,在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。
1000℃时扩散系数为3×10-11ms-1,且结构为面心立方(a=0.365nm)。
问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个?
解:
计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度
C1=1/20(0.365×10-9)3=1.03×1027个/m3
C2=1/30(0.365×10-9)3=0.68×1027个/m3
J=-DΔc/Δx=-(3×10-11)×(0.68-1.03)×1027/10-3=1.05×1019/m2s
每一个单位晶胞的面积为(0.365×10-9)2
每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数:
Ja=(1.05×1019/m2s)×(0.365×10-9)2×60=84个/min
∴每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有84个。
2-47含0.18%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳,此时D=1.28*10-11m2•s-1,若表面含碳量为1%,试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间。
解:
Cs=1%C0=0.18%Cx=0.3%
,即
由误差函数表可知,
得t=1.84h
∴距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间为1.84h。
2-48含0.20%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳,此时D=1.28*10-11m2•s-1,若表面含碳量为1.2%,试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。
解:
Cs=1.2%C0=0.20%
,即
,得Cx=0.32%
∴渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量为0.32%。
2-49计算550℃时铜在铝中的扩散系数(D0=1.5*10-5m2•s-1,Q=191kJ•mol-1)。
解:
∴550℃时铜在铝中的扩散系数为
。
思考题
1.固态相变,结构弛豫,非晶态的晶化和熔体结晶有何异同?
解:
1固态相变在温度、压力、成分改变时。
固体材料的内部组成结构(相成分、结构和有序度的变化)所发生的转变。
2结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料,常温或加热保温退火,许多性质将随时间发生变化,达到另一种亚稳态。
3非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点:
都是由亚稳态向晶态的相变,受成核和晶体生长控制。
非晶态晶化:
T<Tg,相变驱动力大,成核功小,利于成核和
晶体生长;
粘度大,固相内扩散,扩散慢,不利于成核和
晶体生长,更有利于保持非晶状态。
熔体冷凝结晶:
Tg<T<Tm,液体内的扩散
2.在f~g点之间的不同成分的合金,标注其室温组织的构成?
解:
不同成分合金的室温组成如下图所示:
3.分别求W(Sn)=61.9%和W(Sn)=50%时,在183℃转变时,各相的相对含量?
解:
①W(Sn)=61.9%
,
②W(Sn)=50%
,
思考题
1.固体表面结构的主要特点?
解:
固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。
晶体不同晶面的表面能数值不同,密排面的表面能最低,故晶体力图以密排面作为晶体的外表面;
2.固体表面对外来原子发生哪两种吸附?
并比较其主要特征?
解:
物理吸附、化学吸附
主要特征
物理吸附
化学吸附
吸附力
分子间力
化学键力
选择性
不明显
很显著
吸附热
近于液化热0-20kJ/mol
近于反应热80-400kJ/mol
吸附速度
速度快易平衡
速度慢难平衡
吸附层
单或多分子
只能单分子
3.分析讨论影响材料表面能的因素?
解:
表面能是增加单位面积的表面,需要做的功.扩张表面时。
要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。
作用力弱,做功小,表面能低。
1)键性:
表面能反映质点间的引力作用,强键力的金属和无机材料表面能较高。
低表面能物质:
水0.059,石蜡0.03,PE0.035,PTFE0.023,PA660.047
2)温度:
温度升高,表面能一般减小。
热运动削弱了质点间的吸引力。
3)杂质:
含少量表面能较小的组分,可富集于表面,显著降低表面能;含少量表面能较大的组分,倾向于体内富集,对表面能影响小。
4.三种润湿的数学表达式?
共同点及其规律?
解:
①沾湿:
WA=-ΔG=Sg+Lg-SL
2润湿:
Wi=-ΔG=sg-sL
3铺展:
S=-ΔG=sg-Lg-sL
三种润湿的共同点:
液体将气体从固体表面排开,使原有的固/气(或液/气)界面消失,被固/液界面取代
三种润湿的规律:
沾湿粘附功Wa=A+LgWa=Sg+Lg-SL