西北工业大学材料科学基础练习题.docx
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西北工业大学材料科学基础练习题
w-tE旌林料中的慑孑桃咧BS
1.作图表示立方晶体的（123）,（01^（421）晶面及［102|［211］［346］晶向。
2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向［OOOllMllOioIlll^lhio］等。
3.写出立方晶体中晶面族{100},{110},{111},{112}等所包括的等价晶面。
4.镁的原子堆积密度和所有hep金属一样，为0.74o试求镁单位晶胞的体积。
已知Mg的密度^=L74Mg/m3,相对原子质量为24.31,原子半径r二0.161nm。
5.当CN二6时MT离子半径为o.097nm,试问：
1）当CN二4时，其半径为多少？
2）当CN二8时，其半径为多少？
6.试问：
在铜（fcc,a=0.361nm）的〈100＞方向及铁（bee,a=0.286nm）的〈100＞方
向，原子的线密度为多少？
7.银为面心立方结构，其原子半径为卞=°1246nm。
试确定在線的（口。
），
（110）及（111）平面上1mm'中各有多少个原子。
8.石英（Si°2）的密度为2.65M^/m?
。
试问：
1）1m"中有多少个硅原子（与氧原子）？
2）当硅与氧的半径分别为0.038nm与0.114nm时，其堆积密度为多少（假设
原子是球形的）？
9.在800°C时10"个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动，而在900°C
时1°"个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。
10.若将一块铁加热至850°C,然后快速冷却到20°C。
试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J）。
11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。
若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量6〃AB。
1）有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个厶，试问这种看法是否正确？
为什么？
2）指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。
12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。
晶体中有一条位错线定乩加段在滑移面上并平行AB,豕段与滑移面垂直。
位错的柏氏矢量&与不平行而与"垂直。
试问：
1）欲使不段位错在ABCD滑移面上运动而"不动，应对晶体施加怎样的应力？
2）在上述应力作用下呢位错线如何运动？
晶体外形如何变化?
13.设面心立方晶体中的⑴b为滑移面，位错滑移后的滑移矢量为少*
1）在晶胞中画出柏氏矢量&的方向并计算出其大小。
2）在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方向，并写出此二位错线的晶向指数。
14.判断下列位错反应能否进行。
«[100]^-[101]+-[101];
2）22
3）沖煜叫何
4）
d[100]T_[l]l]+_[lll].
22
-[101]-[121]
15.若面心立方晶体中有戻2的单位位错及左6的不全位错，此二位
错相遇产生位错反应。
1）问此反应能否进行？
为什么？
2）写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的类型。
16.若已知某晶体中位错密度~10'cMcm'。
1）由实验测得F-R位错源的平均长度为10%叫求位错网络中F-R位错源
的数目。
2）计算具有这种F-R位错源的谋晶体发生滑移时所需要的切应力。
已知Ni
的G=7.9x10%,a=0.350iimo
17.已知柏氏矢量b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差&二1°及10°,求晶界上位错之间的距离。
从计算结果可得到什么结论？
18•由n个刃型位错组成亚晶界，其晶界取向差为0.057°。
设在形成亚晶界之前位错间无交互作用，试问形成亚晶界后，畸变能是原来的多少倍（设
尺=10,r0=/?
=10；形成亚晶界后，&）?
19.用位错理论证明小角度晶界的晶界能了与位向差&的关系为
y=ln&）。
式中九和a为常数。
20.简单回答下列各题。
1）空间点阵与晶体点阵有何区别？
2）金属的3种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？
3）原子半径与晶体结构有关。
当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变
化？
4）在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
5）计算位错运动受力的表达式为W其中r是指什么？
6）位错受力后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
相对滑动的方向应是什么方向？
7）位错线上的割阶一般如何形成？
8）界面能最低的界面是什么界面？
9）^小角度晶界都是山刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？
第二童同休申的粕结构
说明间隙固熔体与间隙化合物有什么异同。
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？
为什么许多有序合金在高温下变成无序？
已知Cd,Zn,Sn,Sb等元素在Ag中的固熔度（摩尔分数）极限分别为A-crf=42.5/10-2?
^,=20/10-^心”=12/10-2,.%=7/10-2，它们的原子直径分别为0.3042nm,0.314nm,0.316nm,0.3228nm,Ag为0.2883nm。
试分析其固熔度（摩尔分数）极限差别的原因，并计算它们在固熔度（摩尔分数）极限时的电子浓度。
试分析H、\、C、B在a-Fe和厂—Fe中形成固熔体的类型、存在位置和固溶度（摩尔分数）。
各元素的原子半径如下：
H为0.046nm,N为0.071nm,C为0.077nm,B为0・091nm,°_Fe为0.124nm,了一Fe为0.126nm。
金属间化合物AlNi具有CsCl型结构，其点阵常数屮0・2881nm,试计算其密度（Ni的相对原子质量为58.7bAl的相对原子质量为26.98）□
ZnS的密度为4.1Mg/m、，试山此计算两离子的中心距离。
碳和氮在/-Fe中的最大固熔度（摩尔分数）分别为^=8-9/10__,
心=10.3/10二已知c、n原子均位于八面体间隙，试分别计算八面体间隙被C、N原子占据的百分数。
为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固熔体则不能?
9.计算在NdCl内，钠离子的中心与下列各离子中心的距离（设Na*和CL的半径分别为0.097nm和0.181nm）。
1）最近邻的正离子；
2）最近邻的离子；
3）次邻近的CT离子；
4）第三邻近的Cr离子；
5）最邻近的相同位置。
10.某固熔体中含有氧化镁为•臥0=30/10：
心=70/10二
1）试问『，Mg〉F,O‘之质量分数为多少？
2）假设MgO的密度为3.6g/cm",LiF的密度为2.6,那么该固溶体的
密度为多少？
11.非晶形材料的理论强度经计算为G/6、G/4,其中G为剪切模量。
若"二0.25,由其弹性性质试估计玻璃（非晶形材料）的理论强度（已知E=70000Mpa）。
12.一陶瓷绝缘体在烧结后含有1%（以容积为准）的孔，其孔长为13.7mm的立方体。
若在制造过程中，粉末可以被压成含有24%的孔，则模子的尺寸应该是多少？
13.一有机化合物，其成分为62.1/10二10.3/10二wo=27.6/10-2
试写出可能的化合物名称。
14.画出丁醇（GHQH）的4种可能的异构体。
15.一普通聚合物具有°2日2°2作为单体，其平均分子质量为60000U（取其各元素相对原子质量为A「（C）=12,Ar（H）=l,Ar（G）=35.5）。
1）求其单体的质量;
2）其聚合度为多少?
16.聚氯乙烯心比^人被溶在有机溶剂中，设其C-C键长为0.⑸换,且链中键的数目x=2no
1）分子质量为28500g的分子，其均方根的长度为多少？
2）如果均方根的长度只有⑴中的一半，则分子质量为多少？
17.一聚合材料含有聚氯乙烯，其1个分子中有900个单体。
如果每一个分子均能被伸展成直线分子，则求此聚合物可得到理论上的最大应变为多少（设C-C键中每1键长是0.154nm）?
18.有一共聚物ABS,每一种的质量分数均相同，则单体的比为多少（A——丙烯晴；B——丁二烯；S——苯乙烯）？
19.尼龙-6是HOCO（CH2）5皿的缩合聚合物。
1）给出此分子的结构。
2）说明缩合聚合是如何发生的。
3）当每摩尔的H<°形成时，所放出的能量为多少？
已知不同的键:
C-O,H-N,C-N,H-0,其键能（kj/mol）分别为360,430,305,500。
20.试述硅酸盐结构的基本特点和类型。
21.为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎？
22.陶瓷材料中主要结合键是什么？
从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。
第工章凝因
1.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
2.如果纯線凝固时的最大过冷度与其熔点（J=1453°C）的比值为0.18,试求其凝固驱动力。
（AH=-18075J/mol）
3.已知Cu的熔点t.=1083°C,熔化潜热L.=1.88X103J/cm3,比表面能□=1.44X105J/cm3o
（1）试计算Cu在853°C均匀形核时的临界晶核半径。
（2）已知Cu的相对原子质量为63.5,密度为8.9g/cm3,求临界晶核中的原子数。
4.试推导杰克逊（K.A.Jackson）方程
△G
—_—=ax（\-x）+aInx+（1-a）ln（l-x）
NkTm
5.铸件组织有何特点？
6.液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？
7.已知完全结晶的聚乙烯（PE）其密度为1.01g/cm3,低密度乙烯（LDPE）为0.92g/cm3,而高密度乙烯（HDPE）为0.96g/cm3,试计算在LDPE及HDPE中“资自由空间”的大小。
8.欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡，从而有较低共晶温度的二元系？
9.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。
10.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
11.什么叫临界晶核？
它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？
12.简述纯金属晶体长大的机制。
13.试分析单晶体形成的基本条件。
14.指出下列概念的错误之处，并改正。
（1）所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差;而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。
（2）金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系爛值减少,因此是一个自发过程。
（3）在任何温度下，
液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
（4）在任何温度下，
液相中出现的最大结构起伏都是核。
（5）所谓临界晶核，晶胚的大小。
就是体系自山能的减少完全补偿表面自山能的增加时的
（6）在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以成核的。
（7）测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测值与用公式AT二0.21；计算值基本一致。
（8）某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率，提高，非均匀形核率丸也提高，故总的形核率为N=N：
+N“
（9）若在过冷液体中，外加10000颗形核剂，则结晶后就可以形成10000颗晶粒。
（10）从非均匀形核功的计算公式A：
=A
（2-3cos&+cosT）
均4
中可以看出,
当润湿角0=0°时，非均匀形核的形核功最大。
（11）为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。
（12）非均匀形核总是比均匀形核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心,不象后者那样形成界面，而引起自由能的增加。
（13）在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。
（14）纯金属生长时，无论液一固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。
（15）无论温度如何分布，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
（16）氮化鞍和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。
（17）人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推理。
（18）液体纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。
（19）纯金属结晶时若呈垂直方式长大，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。
（20）从宏观上观察，若液一固界面是平直的称为光滑界面结构，若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。
（21）纯金属结晶时以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化爛无关。
（22）
MH
金属结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。
第®童箱團
1.在Al-Mg合金中，险=0.05,计算该合金中Mg的质量分数（陷）（已知Mg的相对原子质量为24.31,AI为26.98）。
2.已知Al-Cu相图中，K=0.16,m=3.2。
若铸件的凝固速率R=3XIO'*cm/s,温度梯度G=30°C/cm,扩散系数D=3X10-5cm7s,求能保持平面状界面生长的合金中％的极值。
3.证明固溶体合金凝固时，因成分过冷而产生的最大过冷度为：
max
1+ln
GK
最大过冷度离液一固界面的距离为:
x=£lnR
GDK
式中
m——液相线斜率；
WCOcu合金成分；
K——平衡分配系数；
G——温度梯度；
D——扩散系数；
R凝固速率。
说明：
液体中熔质分布曲线可表示为：
厂co匚1-K{\
Cz=vvcu1+exd-—x
Lkqd丿」
4.Mg-Ni系的一个共晶反应为：
57O-C
仏严35oa（映）+Mg2Ni^=0546
设叫为亚共晶合金，毛为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量分数相等，但G合金中的a总量为G合金中Q总量的2.5倍，试计算G和G的成分。
5.在图4—30所示相图中，请指出：
（1）水平线上反应的性质；
（2）各区域的组织组成物；
（3）分析合金I,II的冷却过程；
（4）合金工，II室温时组织组成物的相对量表达式。
心1。
7
图4-30A-B二元相图
6•根据下列条件画出一个二元系相图，A和B的熔点分别是1000°C和700°C,含Wb=0.25的合金正好在500°C完全凝固，它的平衡组织III73.3%的先共晶。
和26.7%的（a+B）共晶组成。
而Wb=0.50的合金在500°C时的组织由40%的先共晶a和60%的（a+B）炖组成，并且此合金的a总量为50%o
7.图4-31为Pb-Sb相图。
若用铅铢合金制成的轴瓦，要求其组织为在共晶体基体上分布有相对量为5%的P（Sb）作为硬质点，试求该合金的成分及硬度（已知a（Pb）的硬度为3HB,P（Pb）的硬度为30HB）。
图4-31Pb-Sb相图
8.参见图4-32Cu-Zn相图，图中有多少三相平衡，写出它们的反应式。
分析含w>50.40的Cu-Zn合金平衡结晶过程中主要转变反应式及室温下相组成物与组织组成物。
ffl4-3?
9.计算含碳wfO.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对量；并讣算组织组成物珠光体中渗碳体和铁素体、莱氏体中二次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体的相对量。
10.根据显微组织分析，一灰口铁内石墨的体积占12%,铁素体的体积占88%,试求Wc为多少（已知石墨的密度Pc=2.2g/cm3,铁素体的密度Pa=7.8g/cni8）o
11.汽车挡泥板应选用高碳钢还是低碳钢来制造？
12.当800°C时，
（1）Fe-0.002C的钢内存在哪些相?
（2）写出这些相的成分；
（3）各相所占的分率是多少？
13.根据Fe-Fe3C相图（见图4-33）,
（1）比较wc=0.004的合金在铸态和平衡状态下结晶过程和室温组织有何不同；
（2）比较wc=0.019的合金在慢冷和铸态下结晶过程和室温组织的不同；
（3）说明不同成分区域铁碳合金的工艺性。
14.550°C时有一铝铜合金的固熔体，其成分为Xc=0.02。
此合金先被淬火，然后重新加热到100°C以便析出0。
此0（CuA"）相发展成许多很小的颗粒弥散分布于合金中，致使平均颗粒间距仅为5.Onmo
（1）请问lmn?
合金内大约形成多少个颗粒？
（2）如果我们假设100°C时□中的含Cu量可认为是零，试推算每个9颗粒内有多少个铜原子（已知A1的原子半径为0.143nm）o
15.如果有某Cu-Ag合金佩=0.075,W昭=0.925）1000g,请提出一种方案，可从该合金内提炼岀100名的Ag,且其中的含Cu量wCu<0.02（假设液相线和固相线均为直线）。
16・已知和渗碳体相平衡的a-Fe,其固溶度方程为:
wac=2.55exp
-11.3x10'
RT-
假设碳在奥氏体中的固熔度方程也类似于此方程，试根据Fe-Fe3C相图写岀该方程。
17.一碳钢在平衡冷却条件下，所得显微组织中，含有50%的珠光体和50%的铁素体，问：
（1）此合金中含碳质量分数为多少？
（2）若该合金加热到730°C,在平衡条件下将获得什么组织？
（3）若加热到850°C,乂将得到什么组织？
18・利用相律判断图4-34所示相图中错误之处。
（d）
（e）
图4-34错误二元相图举例
（f）
19・指岀下列概念中错误之处，并更正。
（1）固熔体晶粒内存在枝晶偏析，主轴与枝间成分不同，所以整个晶粒不是
一个相。
（2）尽管固熔体合金的结晶速度很快，但是在凝固的某一个瞬间，A、B组元
在液相与固相内的化学位都是相等的。
（3）固熔体合金无论平衡或非平衡结晶过程中，液一固界面上液相成分沿着液相平均成分线变化；固相成分沿着固相平均成分线变化。
（4）在共晶线上利用杠杆定律可以计算出共晶体的相对量。
而共晶线属于三
相区，所以杠杆定律不仅适用于两相区，也适用于三相区。
（5）固熔体合金棒顺序结晶过程中，液一固界面推进速度越快，则棒中宏观
偏析越严重。
（6）将固熔体合金棒反复多次“熔化一凝固”，并采用定向快速凝固的方法，
可以有效地提纯金属。
G<加C。
］_心
（7）从产生成分过冷的条件只°心可知，合金中熔质浓度越高，成
分过冷区域小，越易形成胞状组织。
（8）厚薄不均匀的Ni-Cu合金铸件，结晶后薄处易形成树枝状组织，而厚处
易形成胞状组织。
（9）不平衡结晶条件下，靠近共晶线端点内侧的合金比外侧的合金易于形成
离异共晶组织。
（10）具有包晶转变的合金，室温时的相组成物为。
ci+B,其中B相均是包晶转变产物。
（11）用循环水冷却金属模，有利于获得柱状晶区，以提高铸件的致密性。
（12）铁素体与奥氏体的根本区别在于固熔度不同，前者小而后者大。
（13）（13）727°C是铁素体与奥氏体的同素异构转变温度。
（14）在Fe-Fe3C系合金中，只有过共析钢的平衡结晶组织中才有二次渗碳体存在。
（15）凡是碳钢的平衡结晶过程都具有共析转变，而没有共晶转变；相反，对于铸铁则只有共晶转变而没有共析转变。
（16）无论何种成分的碳钢，随着碳含量的增加，组织中铁素体相对量减少,而珠光体相对量增加。
（17）含碳wc=0.043的共晶白口铁的显微组织中，白色基体为Fe3C,其中包括FesCi>FesCn%FesCm>Fe3C共折和Fe3C夫晶等。
（18）观察共析钢的显微组织，发现图中显示渗碳体片层密集程度不同。
凡是片层密集处则碳含量偏多，而疏稀处则碳含量偏少。
（19）厚薄不均匀的铸件，往往厚处易白口化。
因此，对于这种铸件必须多加碳、少加硅。
（20）用Ni-Cu合金焊条焊接某合金板料时，发现焊条慢速移动时，焊缝易出现胞状组织，而快速移动时则易于出现树枝状组织。
20.读出图4-33浓度三角形中，C,D,E,F,G,H各合金点的成分。
它们在浓度三角形中所处的位置有什么特点？
21.在图4-36的浓度三角形中；
（1）写出点P，R,S的成分；
（2）设有2kgP,4kgR,2kgS,求它们混熔后的液体成分点X；
（3）定出盹=0.08,A、B组元浓度之比与S相同的合金成分点Y；
（4）若有2KgP,问需要多少何种成分的合金Z才能混熔得到6Kg的成分R的厶仝
Fl3IZ.o
图—36浓度：
角形
22.成分为wCr=0.18,wC=O.01的不锈钢，其成分点在Fe-C-Cr相图1150°C截面上的点F处（见图4-37），该合金在此温度下各平衡相相对量为多少？
图4-37Ft-OC相图11509竽温截面
23.三元相图的垂直截面与二元相图有何不同？
为什么二元相图中何以应用杠杆定律而三元相图的垂直截面中却不能？
24.已知图4-38为A-B-C三元匀晶相图的等温线的投影图，其中实线和虚线分别表示终了点的大致温度，请指岀液、固两相成分变化轨迹。
m1-38A-B-C三元匀乩相l¥l等iM找投彩阳
25.已知A-B-C三元系富A角液相面与固相面投影，如图4-39所示。
（1）写出E：
相变的三条单变量线所处三相区存在的反应；
（2）写出I和II平衡凝固后的组织组成：
（3）图中什么成分的合金平衡凝固后由等变量的a聊与三相共晶体（a+AX+AA）共组成？
（4）什么成分的合金平衡凝固后是山等变量的二相共晶体2+竭》共（a+AA）丼和，三相共晶体（□+AX+AG）共组成？
图1-3"A-B-C'＜兀系富A角投彫图
26.利用图4-29分析4Crl3不锈钢（wc=O.0004,WCr=O.13）和Crl3型模具钢
（wc=0.02,%=0.13）的凝固过程及组织组成物，并说明其组织特点。
27・图4-40为Pb-Bi-Sn相图的投影图。
（1）写出点P，E的反应式和反应类型；
（2）写出合金Q（%=0.70,*3=0.20）的凝固过程及室温组织;
（3）计算合金室温下组织的相对量。
wJ\O
1«4-40
28.图4-41是Fe-C-X系在565°C下的等温截面图。
（1）请填充相区；
（2）写出45号钢氮化时的渗层组织。
1.能否说扩散定律实际上只要一个，而不是两个？
2.要想在800°C下使通过a-Fe箔的氢气通气量为2XlO^mol/^・s）,铁箔两侧氢浓度分别为3X10'6mol/m3和8X1O':
mol/mS若D=2.2XlOf/s,试确定：
（1）所需浓度梯度；
（2）所需铁箔厚度。
3.在硅晶体表明沉积一层硼膜，再在1200°C下保温使硼向硅晶体中扩散，已知其浓度分布曲线为
炯）=島°淑需）
若
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