太原理工大学材料科学基础习题及参考答案.docx

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太原理工大学材料科学基础习题及参考答案

第一章

i子结构与结合键

1-1计算下列粒子的德布罗意波长：

（1）质量为10'10kg,运动速度为0.01nrs"的尘埃；

（2）速度为103m/s的氢原子；

（3）能量为300eV的自由电子。

1-2怎样理解波函数p的物理意义？

1-3在原子结构中，听和/ck代表什么？

1-4写出决定原子轨道的量子数取值规定，并说明其物理意义。

1-5试绘出s、p、d轨道的二维角度分布平面图。

1-6多电子原子中，屏蔽效应和钻穿效应是怎样影响电子的能级的?

1-7写出下列原子的基态电子组态（扌舌号内为原子序号）:

C（6）,P（15）,Cl（17）,Cr（24）。

1-8形成离子键有哪些条件？

其本质是什么？

1-9试述共价键的本质。

共价键理论包括哪些理论？

各有什么缺点？

1-10何谓金属键？

金属的性能与金属键关系如何？

1-11范德华键与氢键有何特点和区别？

参考答案：

1-1利用公式X=h，'p=h/mv、E=hv计算德布罗意波长Xo

1-8离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能人的非金属原子相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。

1-9共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。

共价键理论包扌舌价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。

1-10当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属建。

由于存在自由电子，金属具有高导电性和导热性；自由电子能吸收光波能量产生跃迁,表现出有金属光泽、不透明；金属正离子以球星密堆方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性。

第二章材料的结构

习题

2-1定义卞述术语，并注意它们之间的联系和区别。

晶系，空间群，平移群，空间点阵。

2-2名词解释：

晶胞与空间格子的平行六面体，并比较它们的不同点。

2-3

（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c,求出该晶面的米勒指数。

（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c,求出该晶面指数。

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：

（001）与[210],（111）与[112],（110）与[111],（322）与[236],

（257）与[111],（123）与[121]。

2-5在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：

（102）,（112）,（213）,[110],[111],[120]和[321]o

2-6在六方晶胞中画出下列的晶面和晶向：

（0001）,（0110）,（2110）,（1012）,（1012）,[0001],[1010],[1210],[0111]。

2-7

（1）写出六方体、八面体、六八面体、单形号分别为｛100｝、｛111｝、和｛321｝的晶面符号.

（2）写出六方晶系的晶胞晶面族为｛100｝、｛111｝、｛321｝的等价晶面指数。

2-8写出六方晶系晶胞的｛1120｝和｛1012｝晶面族的等价晶面指数。

2-9求

（1）由面（121）与（100）所决定的晶带轴指数和（100）与（010）所决定的晶带轴指数。

（2）由晶向[001]与[山]所决定的晶面指数和[010]与[100]所决定的晶面指数。

2-10

（1）已知室温下a-Fe的点阵常数为nm,分别求（100）、（110）、（123）的晶面间距。

（2）已知916°C时y-Fe的点阵常数为mu,分别求出（100）、（111）和（112）的

晶面间距。

2-11

（1）妙b*、a=p=y=90。

的晶体属于什么晶族和晶系？

⑵aHbHc、aHp工丫=90。

的晶体属于什么晶族和晶系？

（3）你能否据此确定这2种晶体的布拉维点阵？

2-12写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

2-13根据对称要素组合规律，分别确定下列各种情况下对称要素的组合。

①I?

丄I?

I?

丄L4,I?

丄I?

；②P丄I?

P丄U,P±L6：

③P+L2（对称面包含I?

）,P+I?

P+L4,P+LJ

2-14确定MgO、TICh、GaAs、ThO：

、SnO2晶体结构的点群、空间群、晶族晶系、质点的空间坐标、正负离子的配位数、晶体的键型、一个晶胞占有正负离子的数目和堆积系数。

2-15已知Cs+半径为nm,Cl'半径为nm,计算堆积系数（堆积系数=V/2=—个晶胞占有正负离子的体积/一个晶胞的体积）。

2-16已知Mg”半径为inn,O--半径为mu,计算MgO结构的堆积系数。

2-17计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和堆积系数。

2-18用米勒指数表示出体心立方、面心立方、密排六方结构中的原子密排晶面和原子密排晶向。

2-19Ag和A1都是面心立方结构，且原子半径相似，r（Ag）=mil,r（Al）=mil,但都不能形成连续（无限）固溶体，为什么？

2-20下列合金相属什么类型？

指出其结构特点和主要控制因素。

铁素体，奥氏体，MnS,Fe3C,MgzSi,CujiSns.

2-21

（1）叙述形成固溶体的影响因素。

（2）形成连续固溶体的充分必要条件是什么？

2-22MgO-FeO.ThCh-UO：

、Ni-Cu、MgO-CaO、Fe-C、Cu-Zn等各自两两可形成什么固溶体？

为什么？

2-23什么是金属间化合物？

试叙述金属河化合物的结构类型和结构特点。

2-24下列硅酸盐化合物属于什么结构类型？

说明理由。

（MgFe）2[S1O4]>Zu*[SipO?

]（OH）2,BaTi[S13O9]>Be3Al?

[SUOis]，Ca3[SijOg],KCa4[SuOiohFSHzO,Ca[AhSizOs]*K[A1Si2O6]。

2-25

（1）为什么滑石与高岭石实际发生的那种解理是合理的？

（2）为什么滑石比高岭石软的多？

2-26叙述叶腊石的结构特点（结构类型、层内结构特点、层内带电荷情况、层间结合力）。

2-27为什么石英不同系列变体之间转化温度比同系列变体之间转化温度高得多？

2-28比较硅酸盐玻璃与金属玻璃的异同点。

2-29玻璃的组成为w（Na：

O）=13%、w（CaO）=13%和w（SiOJ=74%,计算该玻璃的4个结构参数。

2-30有两种不同配比的破璃，其组成如下：

序号

w（Na2O）/%

w（AlO）/%

w（SiO2）/%

1

10

20

70

2

20

10

70

通过计算说明两种玻璃高温下的粘度大小。

2-31名词解释：

（1）高分子的链结构；

（2）高分于的聚集态结构。

2-32键接方式对高聚物材料的性能有何影喝？

分子链的几何形状对高分子的性能有何影响？

2-33高分子的构型与构象有何不同？

如果聚丙烯的等规度不高，能否用改变构彖的方法提高等规度？

说明理由。

2-34用密度梯度管测得某涤纶树脂试样的密度为p=1.36g/cm3,若涤纶树脂的晶区密度为pc=1.50g/cm\非晶区密度为pa=1.34g/cm3,内聚能为△E=mol,试计算涤纶树脂试样的内聚能密度和结晶度。

2-35请用固体能带理论解释绝缘体、导体和半导体。

2-36确定二十面体点群对称性。

2-37确定斜方柱晶、四方双锥晶、六方双锥晶、六八体晶的点群，并画出极射赤平投影图。

参考答案:

2-2组成各种晶体构造的最小体积单位称为晶胞。

晶胞能反映真实晶体内部质点排列的周期性和对称性。

空间点阵是由晶体结构抽彖而得到的几何图形。

空间格子中的平行六面体是由不具有任何物理、化学特性的几何点构成，而晶胞则由实在的具体质点（原子或离子）组成。

2-5

【110]

2-6

2-7{100}=（100）+（010）+（001）

{111}=（111）+（111）+（111）+（111）

2-8{1120}=（1120）+（1210）+（2110）

{1012}=（1012）+（0112）+（1102）+（1012）+（0112）+（ll02）

2-9

（1）：

[012][001]

（2）：

（110）（001）

2-10

（1）

d（ioo）=

a

'2_

mil

=

V2

=——a

2

=mn

d（123）=

a

=714

=mil

（2）

d（ioo丿=

a

2_

mil

V3

——a：

3

=mil

d（ii2）=

a

丽=

=mn

2-16

2-17

晶格类型

晶胞原子数

配位数

堆积系数

体心方（bcc）

2

8

面心立方（fbc）

4

12

密排六方（hep）

6

12

2-18

晶格类型

密排面

密排方向

体心方（bee）

{110}

<111>

面心立方（fbc）

{H1}

<110>

密排六方（hep）

六方底面

底面对角线

第三章晶体结构缺陷

习题

3-1纯金属晶体中主要点缺陷类型是什么？

这些点缺陷对金属的结构和性能有何影响？

3-2何谓空位平衡浓度？

影响空位平衡浓度的因素有哪些？

3-3纯铁的空位形成能为105kJ/mol.将纯铁加热到850°C后激冷至室温（20°C）,假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与空温平衡空位浓度的比值。

3-4由6OO0C降低至300”C时，错晶体中的空位平衡浓度降低了6个数量级，试计算错晶体中的空位形成能。

（波尔兹曼常数k=xlO-5eV/K）

3-5铝空位形成能和间隙原子形成能分别为和，求在室温（20°C）及500°C时铝中空位平衡浓度与间隙原子平衡浓度的比值，并讨论所得结果。

（假定空位形成时振动爛的变化与间隙原子形成时振动爛变化相等）

3-6画一个方形位错环并在这个平面上画出柏氏失量及位错线方向，使柏氏矢量平行于位错环的任意一条边，据此指出位错环各线段的性质。

3-7画一个圆形位错坏并在这个平面上任意画出它的柏氏矢量及位错线方向，据此指出位错环各线段的性质。

3-8试比较刃型位错和螺型位错的异同点。

3-9试说明滑移、攀移及交滑移的条件、过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。

3-10何谓全位错、单位位错、不全位错？

指出几种典型金属晶体中单位位错的柏氏矢量。

3-11试分析在面心立方金属中，卞列位错反应能否进行，井指出其中3个位错各属于什么

类型的位错，反应后生成的新位错能否在滑移面上运动。

11;-1-a[101]+-a[121]->-a[lll]

263

3-12割阶或扭折对原位错线运动有何影响？

3-13何谓扩展位错？

已知两平行位错间的F=?

途。

如果由一个全位错b=」a[110]分2加2

Gb"

解成两个肖克莱不全位错，求证两者之间的平衡间距dsv莎二（卩是堆垛层错能）。

3-14假定题图3-1中的这两个位错正在扩人，试问两个位错坏在交互作用时，是因塞枳而

钉扎住还是形成一个人的位错环（请用图示说明）？

3-15题图3-1中这两个刃型位错AB和CD的方向相反时，问正在扩人的位错环是相互钉扎住还是形成一个大的为兰克■瑞德位错源？

为什么？

参考答案:

3-1纯金属晶体中点缺陷主要类型包括空位、间隙原子、空位对等。

3-2在某一温度下，晶体处于平衡状态时空位数（nJ和构成晶体的原子总数（N）之比称为晶体在该温度下空位的平衡浓度，用Ce表示；其大小主要取决于空位形成能和温度。

Qf

3-3解：

由公式C°=Aexp（-竺）可得

RT

=exp=x1013

ce2rtlrt2

3-4（Ev）

3-520°C时，Ce/Ce,=xio3s

500°C时,Ce/Ce‘=xjo14

3-11反应后生成的新位错不能在滑移面上运动。

3-14扩散成一个大位错环。

第四章晶态固体中的扩散

习题

4-1w（C）=%的普碳钢加热到900°C在空气中保温lh后外层碳浓度降到零，假如要求零件表层的碳浓度为％,表面应车去多少深度？

（已知900°C时，Dc^=xio-7cnr/s）.

4-2纯铁在950°C渗碳10h,所用渗碳气氛足以维持表面碳浓度为％,分别求距表面、、、、2.0mm处的碳浓度，然后作出滲层内碳的浓度分布曲线.（已知950°C时，Dcy=xlO'-nmi2/h）

4-320钢在930°C渗碳，若渗层深度定为从表面起测量到碳含量为％的位置，求渗层深度与时间的关系.（设气氛的渗碳能力很强，可使表面碳浓度达到奥氏体中碳的饱和值C：

=%,此时DcY=X10-2/h）

4-4在一纯铁管内通入增碳气氛，管外为脱碳气氛，管子外径为1.11cm,内径为0.86cm,长10cm,100h后，共有3.6g碳流经过管子，测得管子不同半径处的含碳量（质量分数）如下表，试计算不同含碳量的扩散系数，并作出D-C曲线.

r/cm

w/%

4-5试说明钢的常规渗碳为什么在奥氏体状态下进行而不在铁素体状态下进行.

4-6铸态钢锌合全存在晶内偏析，最大成分差达w（Zn）=5%.含锌最高处与最低处相距mm,试求850°C均匀化退火使最人成分差降至w（Zn）=l%所需时间.（己知锌在铜中扩散时，Do=xlO-5nr-s-1,Q=171kJ/mol）

4-7870°C渗碳与927°C渗碳相比较，优点是热处理产品晶粒细小，且淬火后变形较小.

（1）讨论上述两种温度下,碳在y铁中的扩散系数.（已知Do=xlO-5m2/s,Q=140kJ/mol）⑵870°C渗碳需用多少时间才能获得927°C渗碳10h的渗层厚度？

（不同温度下碳在丫铁中溶解度的差别可忽略不计）

4-8设纯铁和纯铭组成扩散偶扩散lh后，Kirkendall标志面移动了"（^cm,已知摩尔分数

C（Cr）=时，dC/dx=126/cm,互扩散系数D=xi0'9cnr/s,试求Kiikendall标志面的移动速度和铁、珞的本征扩散系数D（Cr）、D（Fe）.（实验测得Kukendall标志面移动距离的平方与扩散时间之比为常数）

4-9纯铁渗硼，900°C4h生成的Fe：

E层厚度为0.068mm,960°C411为0.14mm,假定Fe：

E的生长受扩散速度的控制，求出硼原子在Fe2B中的扩散激活能Q.

4-10非定比过渡族金属氧化物因为有变价阳离子，故阳离子空位浓度比较人（例如FegO含有5%~15%的铁空位）.氧溶解在金属氧化物MO中的溶解反应为2Mm+丄O2（g）=Oo

2

+V'm+2Mm,式中Mm=Mm+1i,h为电子空穴.在平衡时，由上述溶解反应控制缺陷浓度，试求阳离子的扩散系数.

参考答案:

X

4-1解:

由公式C=Ci-（Ci-C.）erf—=可得x=16.85mm2y/Dt

即表而应车去的深度为16.85nun.

解：

距表面距离x=

=0.5mm时，

碳浓度

c=

%

距表面距离x=

=1.0nun时，

碳浓度

c=

%

距表面距离x=

=1.2nun时，

碳浓度

c=

%

距表面距离x=

=1.5nun时，

碳浓度

c=

%

距表面距离x=

=2.0nun时，

碳浓度

c=

%

4-3解：

渗层深度与时间的关系：

x=

4-5结构不同的固溶体对扩散元素的溶解度是不同的，由此所造成的浓度梯度不同，也

会影响扩散速率。

4-7解：

（1）D9MX?

>Ds?

oc

（2）

已知：

Ti=927°C=1200K,T2=870°C=1143K,h=1011,

并且代入数据可得：

b=h.

第五章相平衡与相图

习题

5-1什么是凝聚系统？

什么是组元？

什么是相？

组成相与组元有什么不同？

5-2何所谓平衡状态？

影响平衡的因素有哪些？

什么是相律？

它有什么实际意义？

5-3画出Pb-Sn相图，标出各相区存在的组织，指出组织中含卩II最多和最少的成分，指出共晶体最多和最少的成分.

5-4根据Pb-Sn相图，说明w（Sn）=30%的Pb-Sn合金在下列温度其组织中存在哪些相，并求相的相对含量.

（1）咼于300C；

（2）刚冷至183°C（共晶转变尚未开始）；

（3）在183°C共晶转变完毕；

（4）冷到室温.

5-5已知A组元的熔点为1000°C,B组元的熔点为700°C,

在800°C时发生：

a（wB=5%）+L（wB=50%j;——►p（wB=30%）

在600°C时发生：

L（wB=80治―p（wb=60%）+丫（wB=95%）

在400°C时发生：

p（wB=50^—»a（wB=2%）+y（wB=97%）

注明以上各反应的类型并根据这些数据绘出A-B二元相图.

5-6指出题图5-1相图中的错误，说明理由并加以改正.

题图5・1A・B二元相图

5-7画出Fe-Fe3C相图指出：

S、C、J、H、E、P、N、G以及GS、SE、PQ、HJB、PSK、ECF各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物.

5-8分析w（C）=%、w（C）=%>w（C）=%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织.并分别计算室温下的相组成物和组织组成物.

5-9分析w（C）=%、w（C）=%铁碳合金从液态平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量.

5-10Fe-Fe3C合金中的一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的主要区别是什么？

根据Fe-Fe3C相图计算二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量.

5-11莱氏体与变态莱氏体的主要区别是什么？

变态莱氏体的共晶渗碳体和共析渗碳体的含量各为多少？

5-12Fe-C相图和Fe-Fe3C相图二者的主要区别是什么？

分析并说明灰II铸铁的石墨化过程.

5-13白口铸铁、灰口铸铁和钢三者的成分组织和性能有什么不同？

5-

14根据A-B-C三元共晶投影图（题图5-2）分析合金山、虫、山（E点）3个合金的结晶过程，求出其结晶完成后的组织组成物和相组成物的含量并作岀Eb变温截面.

题图5-2

5-15绘出题图5-3中1、2、3、4合金冷却曲线和室温下的组织示意图.

5-16在Al-Cu-Mg三元系液相面投影图（图5-99）中标出w（Cu）=5%,w（Mg）=5%,w（Al）=90%和w（Cu）=20%,w（Mg）=20%,w（Al）=60%两个合金的成分点，并指出其初生相及开始结晶的温度.

5-17试根据Fe-Fe3C相图作铁碳合金在950、860、727以及600C时各有关相的自由能一成分［w（C）］曲线（示意图）.

5-18试用自由能-成分曲线解释铁碳双重相图中的虚线位于实线的右上方的原因.

5-19分折讨论题图5-4形成多种不稳定化合物的相图（BaO-TiO2系相图）.

参考答案:

5-1凝聚系统一没有气相的系统。

组元一组成合金的各种化学元素或化合物。

相一合金内部具有相同的（或连续变化的）成分、结构和性能的部分或区域。

5-2相律一处于热力学平衡状态的系统中自由度f与组元数c和相数p之间的关系定律。

吉布斯相律数学表达式：

f二c-p+n

5-3如比59图5-19Pb-Sn相图，含仇最多和最少的成分点分别为19%Sn和f点.含共晶体最多和最少的成分点分别为％Sn和接近c、d点.

5-4

（1）100%液相；

（2）L、a相L%=%a%=%

（3）a、p相a=86%卩=14%

（4）a、p相a=%p=%

5-8

w（C）=%：

a=

%

Fe3C=%

a

=%

P=

w（C）=%:

a=

%

Fe3C=%

a

=%

Pi=%

w（C）=%:

a=

%

Fe3C=%

P

=%

Fe^Cii=%

5-9

w（C）=%：

a=

%

Fe3C=%

P=

=%

Fc^Cn=%

Le=%

w（C）=%:

a=

%

Fe3C=%

Le

=%

FejCi=%

5-10一次渗碳体：

从液相中直接结晶出，呈粗人长条状；

二次渗碳体：

沿奥氏体晶界析出，呈网状；

三次渗碳体：

从基体相铁素体晶界上析出，呈细片状；

共析渗碳体：

共析反应后形成的渗碳体，呈片层状；

共晶渗碳体：

共晶反应后形成的渗碳体，是连续的基体组织。

FejCilmax=%Fe^ClIImax=%

5-14合金山、112.113结晶完成后的相组成都为A、E、C三元相，各自含量为:

ni：

n.a.

WA=尸

AaL

X100%

WB=

-X100%

B*

Wc=

-X100%

Cq

n：

：

ma.

w-22

■x100%

WB=

100%

Bb2

Wc=

^-X100%

Cc2

V>A

Aa2

U3：

Wa=———

Aa5

x100%

WB=

n.b.

xinn%

Wc=

^-X100%

5

广、丄Uv/OBb,

组织组成及相对含量为:

□1:

A+（A+B+C）

njn

\Vk（l-—-

113:

（A+B+C）

n.g、

100%

Eg

W（a+by）=100%

ini

第六章材料的凝固

习题

6-1试证明金属均匀形核时AGc=（l/2）VcAGv,非均匀形核时AGC*与V*又是什么关系?

6-2说明固溶体合金结晶时浓度因素在晶体形核及长大过程中的作用.

6-3在A-E二元共晶系中说明共晶成分的合金在T!

（

6-4在C。

成分单相合金的棒料中存在成分不均匀，请指出为使之均匀化和提纯金属所采用的方法和措施.

6-5为使固溶体合金在凝固中使晶体呈柱状树枝状生长应采取什么措施，而欲使生长界面保持稳定又采取什么措施？

6-6说明玻璃态结构和性能上的特性，什么材料容易获得非晶固态，为什么？

6-7说明Tm、Ig、Tf的物理意义和本质，分别为哪些材料所具有.

6-8与金属材料比较，说明在结晶动力学上硅酸盐和聚合物的结晶过程的特点.聚合物的晶区与一般金属材料中的晶体比较有什么特性？

哪些因素影响聚合物结晶过程及结晶度？

6-9用分子运动来说明非晶聚合物3种物理状态的特性及形变机理.

6-10说明橡胶态、皮革态及玻璃态