材料科学基础章作业参考答案.docx
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材料科学基础章作业参考答案
作业参考答案
第1章
1.结点数：
7×2+3=17
原子个数=1（底面中心）×0.5×2+6×1/6×2+3=1+2+3=6
r=a/2
配位数=12
2.α-Fe——BCC
每个晶胞中有2个原子，质量=55.847×2/（6.02×1023）=18.554×10-23（g）
体积=a3=（0.2866×10-7）=2.3541×10-23（cm3）
或直接用式（1.5）计算。
3.概念：
晶面族、晶向族
{123}=（见教材P23）
晶向族用上述同样的方法。
4.晶面指数的倒数=截距
如
（102）
[110]
5.
晶向指数：
和
6.
7.
8.9.（略，不要求）
10．设晶格常数为a
11.（略，不要求）
12.（略，不要求）
13.6/2+12/4=6
14.立方晶系晶面间距计算公式：
①
②
③（略，不要求）
15.（略，不要求）
16.（略，不要求）
一、单项选择题。
1.γ-Fe的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5B.0.433C.0.354D.1
2.α-Fe的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5B.0.433C.0.354D.1
3.Zn的晶格常数为a，其原子半径为______a。
A.0.5B.0.433C.0.354D.1
4.面心立方晶胞原子数为______个。
A.2B.4C.8D.6
5.密排六方晶胞原子数为______个。
A.2B.4C.6D.8
6.体心立方晶胞原子数为______个。
A.2B.4C.8D.6
7.立方晶系的一个晶胞中（1
0）和（11
）两晶面交线的晶向指数为______。
A.[
10]B.[110]C.[
1]D.[111]
8.面心立方的晶格常数为a，（110）的晶面间距为______a。
A.0.707B.0.577C.0.354D.0.433
9.体心立方的晶格常数为a，（111）的晶面间距为______a。
A.0.289B.0.577C.0.354D.0.433
10.体心立方的晶格常数为a，（110）的晶面间距为______a。
A.0.707B.0.577C.0.354D.0.433
11.立方晶系｛111｝晶面族有______个位向不同但原子排列情况相同的晶面。
A.2B.4C.8D.3
12.立方晶系<111>晶向族有______个位向不同但原子排列情况相同的晶向。
A.2B.4C.8D.3
13.体心立方晶格的配位数为______个。
A12B8C4D2
14.面心立方晶格的配位数为______个。
A12B8C4D2
15.体心立方晶格的八面体间隙半径R=______r。
（r为原子半径）
A0.414B0.291C0.155D0.225
16.______具有体心立方的晶格。
Aα-FeBAlCCuDγ-Fe
17.______具有密排六方的晶格。
Aα-FeBAlCCuDZn
18.______具有面心立方的晶格。
Aα-FeBWCMgDCu
答案：
1C2B3A4B5C6A7D8A9A10A11B12B13B14A15C16A17D18D
二、判断题。
1.面心立方晶格原子堆垛方式为ABAB……。
（×）
2.密排六方晶格原子堆垛方式为ABCABC……。
（×）
3.各向异性是晶体区别于非晶体的一个重要标志。
（√）
4.弹性模量和强度都对材料的显微组织很敏感。
（×）
5.结合能很高的离子键和共价键材料，具有很高的熔点、弹性模量和低的热膨胀系数。
（√）
6.晶体分为七个晶系和七种布拉菲点阵。
（×）
7.原子空间堆垛方式不同的面心立方和密排六方结构都可以获得空间最紧密的排列，配位数为12和致密度为0.74。
（√）
8.常利用X射线衍射技术（XRD）和电子衍射来研究晶体材料的晶体结构。
（√）
9.透射电子显微镜（TEM）用于材料微小尺度范围内显微组织图像特征的观察和分析。
（√）
10.实际工程材料一般为多晶体，它和单晶体一样都表现出晶体的各向异性。
（×）
11.材料的结合能越大，熔点越高，原子间距变化的力越小，材料的弹性模量越低。
（×）
12.原子结合力高的材料原子的内能越大，原子偏离的距离较小，其线热膨胀系数较低。
（√）
13.液晶高分子材料就像一种液体状的非晶态材料。
当外界的电场或者温度变化时，这些高分子材料中的分子就会在小范围内排列成晶体。
（√）
14.布拉菲点阵的结点反映的是晶体中原子或原子集团的分布规律，结点本身并不一定代表原子，点阵和晶体结构并不一定相同。
（√）
15.采用特定工艺制备的单晶材料或者是定向生长的晶体材料具有各向异性的力学性能、光学性能、磁性能和介电性能。
（√）
16.二氧化硅玻璃具有短程有序的结构，石英和其它二氧化硅晶体具有长程有序的结构。
（√）
17.晶胞的形状和大小可由三个棱边的长度及其夹角完全表达出来，这六个参数称为晶格常数。
（×）
18.立方晶系中，晶面和晶向垂直，则晶面和晶向的指数相同。
反之亦然。
（√）
19.晶面间距越小，晶面上原子的排列就越密集。
（×）
20.面心立方和体心立方均存在正八面体间隙。
（√）
21.如果间隙原子尺寸很大，它会进入配位数更大的间隙。
（√）
22.半径比为0.225-0.414的原子会进入四面体间隙，半径比大于0.414的原子进入八面体间隙。
（√）
23.许多离子晶体可以看成是由大尺寸的阴离子紧密堆垛而成的，小尺寸的阳离子位于间隙位置。
（√）
第2章
1．
（1）理论密度
（2）空位密度=1-8.57/8.63=0.007
（3）空位数=0.007×106=7×103（个）
2．
3．由
得：
将C1=10-4、C2=10-3、UV=0.32×10-18，K=1.38×10-23，T1=800+273=1073代入上式得：
T2=1201K=928℃
4．可以，形成刃型位错环。
5．将一个位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量也反向但位错的性质不变。
当柏氏矢量与位错环所在平面平行时，位错环上各点的位错类型不同；当柏氏矢量与位错环所在平面垂直时，位错环上各点的位错类型相同（为刃型位错）。
6．
（1）判断位错性质：
先判断刃位错和螺位错：
①刃位错:
b⊥位错线
②螺位错：
b∥位错线
答案：
全部为刃位错
（2）不能运动
7．
①垂直于b的位错为刃型位错，平行于b的位错为
螺型位错，其他为混合型位错。
②切应力方向平行于b，但要确定具体方向，必须给出位错线正向。
本题没给出，补充如图所示，则滑移面上面的切应力与b同向，如果改变位错线正向，则滑移面上面的切应力与b反向。
③滑移面上面的晶体相对于下面的晶体平移一个b的距离。
8．①1-2和3-4为刃型位错，其余为螺型位错。
②O-S在同一个滑移面上滑移，而O′-S′在不同滑移面上滑移。
9．因为点缺陷同时增加排列熵和畸变能，而位错只增加畸变能。
10．①空位、置换原子、间隙原子均提高材料强度（固溶强化）。
点缺陷造成晶格畸变，与位错相互作用，增大了位错运动阻力。
间隙原子的作用最大，置换原子次之，空位的作用最小。
②当位错密度非常低时，位错降低强度，因为位错破坏了晶体的完整性，通过位错滑移比完整晶体的滑移更容易进行。
但当位错密度较高时，随位错密度的增大强度提高，因为位错与位错交割时增大了位错阻力。
③位错不能直接通过大角度晶界、相界、孪晶界，所以提高强度（细晶强化），小角度晶界对位错运动也有一定阻碍作用也能提高强度，但效果很小。
11．陶瓷中位错的柏氏矢量的模很大，位错运动阻力非常大，几乎不能运动，因此很难发生塑性变形。
12．主要用投射电镜观察位错，其次是侵蚀法。
13．见10.②
第二章晶体缺陷
一、单项选择题。
1.图中______段位错线为刃型位错，且额外半排原子面处于垂直于纸面朝上的位置。
ADCBCBCBADAD
2.实际晶体强度远远低于理论强度的原因，是由于实际晶体中存在大量的
A.晶界B.亚晶界C.空位D.位错
3.方法不能获得过饱和点缺陷。
A高温淬火B冷变形C辐照D退火
4.不属于面缺陷。
A相界面B位错C堆垛层错D亚晶界
5.不属于点缺陷。
A空位B孪晶界C置换原子D间隙原子
6.属于线缺陷。
A堆垛层错B孪晶界C位错D间隙原子
7.利用观察位错有一定的局限性，它只能观察在表面露头的位错，而在晶体内部的位错则无法显示。
A缀饰法B透射电镜C蚀坑D场离子显微镜观测方法
8.图中晶面上有—位错环，其柏氏矢量b垂直于滑移面，该位错环在切应力作用下的运动特征为_____。
A在位错环平面上攀移B在位错环平面上滑移C沿通过位错环的圆柱面滑移
D不能确定
9.如图所示垂直于纸面的位错，位错正向朝纸面外，在图示切应力作用下向左运动。
其柏氏矢量方向朝。
A上B下C左D右
10.由派-纳力的公式可知，_____。
A滑移阻力随柏氏矢量的大小呈直线上升B滑移阻力随滑移面的面间距呈指数下降C滑移阻力随柏氏矢量的大小呈指数下降D滑移阻力随滑移面的面间距呈指数上升
答案：
1.B2.D3.D4.B5.B6.C7.C8.D9.C10.B
二、判断题。
1.任何一条位错线，不论其形状如何，位错线各点的柏氏矢量都相同。
（√）
2.晶体中非密排面的表面能最低，故晶体力求以非密排面作为晶体的外表面。
（×）
3.共格界面的界面能最低。
（√）
4.共格界面的应变能最低。
（×）
5.肖脱基空位是晶体中的原子迁移到晶体点阵的间隙位置，在原位置形成的空位。
（×）
6.弗兰克空位是晶体中的原子离开平衡位置，迁移到表面或其它界面而在原位置形成的空位。
（×）
7.点缺陷的平衡浓度与化学反应速率一样，随温度升高呈指数关系增加。
（√）
8.点缺陷可以造成金属物理性能与力学性能的变化，最明显的是引起电阻的增加。
（√）
9.滑移是上、下两部分晶体作整体性的刚性移动实现的。
（×）
10.空位的数量取决于材料的温度，其平衡浓度随温度升高呈直线关系上升。
（×）
11.位错线的方向t与柏氏矢量b平行，为刃型位错。
（×）
12.位错线的方向t与柏氏矢量b垂直，为螺型位错。
（×）
13.不论是刃型位错或螺型位错，位错线的运动方向总是与位错线垂直的（×）。
14.在位错应力场作用下，溶质原子与螺型位错能发生强烈的交互作用，形成柯氏气团。
（√）
15.一根不分岔的位错线，无论其形状如何变化，它只有一个恒定的柏氏矢量。
（√）
16.位错线不能终止在晶体内部，只能终止在表面或界面，或与其它位错线连成结点。
（√）
17.使刃型位错运动的切应力方向与位错线垂直；（√）
18.使螺型位错运动的切应力方向与螺型位错垂直；（×）
19.不论是刃或螺型位错，使位错滑移的切应力方向和柏氏矢量b都是一致的（√）；
20.滑移阻力随柏氏矢量的大小呈指数上升。
金属和合金的密排方向就是滑移方向。
（√）
21.滑移阻力随滑移面的面间距呈指数下降。
滑移面应为原子的面密度大，面间距大的密排面。
所以说，滑移最容易沿着晶体中最密晶面上的最密晶向进行。
（√）
22.刃型位错和螺型位错均能发生攀移运动。
（×）
23.蚀坑观察位错只适合于位错密度很高的晶体。
（×）
24.表面的曲率越小，则表面能越大。
（×）
25.大角度晶界的迁移速率较小角度晶界小。
（√）
26.奥氏体不锈钢的层错能小，层错出现的几率大，可以看到大量的层错。
（√）
27.铝的层错能小，层错出现的几率大，可以看到大量的层错（×）。
28.堆垛层错和孪晶界相比，界面能高的晶界阻碍滑移的能力最强。
29.金属和合金相比，陶瓷的柏氏矢量比较小，派-纳力大。
（×）
30.在共价键晶体（如硅）和聚合物中，位错不容易运动。
（√）
31.位错攀移是一个热激活过程，通常只有在高温下攀移才对位错的运动产生重要影响，而常温下它的贡献并不大。
（√）
第3章
1．证明：
设晶核边长为a，则
形核功是形成临界晶核所需要补充的额外能量。
临界晶核尺寸是能够稳定存在的最小晶核尺寸。
2.临界晶核半径与过冷度关系为：
形核功与过冷度关系为：
形核功与过冷度关系为：
其中：
是过冷度等于1K时的形核功；Q为扩散激活能。
3．①角越小，形核率越大。
②杂质粒子的晶体结构与固相晶体结构越相似，形核率越大。
③凹面比凸面形核率大。
4．答：
根据形核理论，形核需要一定的形核功，变质处理减小了形核功，因而更容易形核，提高了形核率，或者降低长大速度，增大形核率与长大速率的比值，使晶粒细化，从而使铸件的晶粒细化。
5．铸锭的典型宏观组织由三个晶区组成，即表面细晶区，柱状晶区和中心等轴晶区。
等轴晶区易于进行压力加工，性能不显方向性，但显微缩孔增多，组织不够致密。
降低冷却速度，降低浇注温度、搅拌和孕育处理都可以增加等轴晶区。
第三章凝固原理
一、单项选择题。
1.具有粗糙界面的金属，其长大机理为______长大。
A二维晶核B垂直C螺位错D刃位错
2.在负的温度梯度下，常用纯金属都是以______方式生长。
A台阶B胞状C平面D树枝状
3.不利于提高非均匀形核时形核率的因素是______。
A很大的过冷度B凹曲面的固体杂质C很大的过热度D变质处理
4.不利于细化晶粒的工艺是______。
A提高过冷度B变质处理C振动搅拌D减小过冷度
5.金属凝固时，______。
A一定为晶体B一定为非晶体C任何冷速下都可以得到晶体和非晶体D只有在快速凝固时才能得到非晶体
6.金属凝固时，临界晶核半径大小______。
A与晶核表面能、过冷度成反比B与晶核表面能成正比，与过冷度成反比
C与晶核表面能、过冷度成正比D与晶核表面能成反比，与过冷度成正比
7.有形状、尺寸相同的4个Cu-Ni合金铸件，铸造以后自然冷却，偏析较严重的是含_____%Ni的铸件。
A10B50C90D95
8.假设过冷液体中出现一个立方体晶胚，形核功______。
A等于表面能B等于表面能的1/2C等于表面能的1/3D等于表面能的2/3
9.假设过冷液体中出现一个球形晶胚，形核功______。
A等于体积自由能B等于体积自由能的1/2C等于体积自由能的1/3
D等于体积自由能的2/3
10.假设过冷液体中出现一个球形体晶胚，体积自由能______。
A等于表面能B等于表面能的1/2C等于表面能的1/3D等于表面能的2/3
答案：
1.B2.D3.C4.D5.D6.B7.B8.C9.D10.D
三、判断题。
1.过冷度越大，则形核率越大，长大速率越小，所以晶粒细化。
（×）
2.所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能增加时的晶胚大小。
（×）
3.无论温度分布如何，常用纯金属都是以树枝状方式生长。
（×）
4.纯铝铸锭铸造时采用铁模比采用砂模可以得到更多的柱状晶区。
（×）
5.金属在熔化温度以上剧烈的过热并使液体的浇铸温度增高有利于柱状晶区生长。
（√）
6.不管是纯金属还是固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分都完全一样。
（×）
7.当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，使非均匀形核转变为均匀形核，形核率大大降低。
（√）
8.典型的金属结晶时，固相表面多是光滑界面。
（×）
9.晶体缺陷在粗糙界面的生长过程中不起明显作用。
它的长大速度很快。
（√）
10.在型壁的微小裂缝或小孔、凹坑处，最不易结晶。
（×）
11.变质处理有利于铸锭中心等轴晶区的发展。
（√）
12.变质处理中的活性质点降低与晶核的接触角θ，降低表面能，使形核功降低，形核率增大，因此使晶粒细化。
（√）
13.理论结晶温度的物理意义，就是液态和固态自由能相等时所对应的温度。
（√）
14.液态金属的冷却速度越快，过冷度就越小。
（×）
15.对于纯金属，熔点是固定的。
负的温度梯度意味着由晶体表面向液体内的过冷度逐渐降低。
（×）
16.很纯的金属凝固后，不易看到枝晶，只能看到各个晶粒的边界。
（√）
17.对于光滑度大的晶体来说，即使在负的温度梯度下，仍有可能长成规则形状的晶体。
（√）
18.在相同条件下，体积小、表面积较大的铸件冷却速度更慢。
（×）
19.凝固速度越快，二次枝晶臂间距越大。
（×）
20.对于某些金属材料，采用106℃/s以上的冷却速度的快速凝固工艺可以抑制晶核形成，得到金属玻璃。
（√）
21.实际金属的结晶主要按均匀形核方式进行。
（×）
22.纯金属形核既需要结构起伏，也需要能量起伏。
（√）
23.在正的温度梯度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；（√）
24.在正的温度梯度下长大时，粗糙界面的形态为平行于等温面的平直界面呈平面长大方式。
（√）
25.在负的温度梯度下长大时，一般金属和亚金属的界面都呈树枝状。
（√）
26．金属铸锭的宏观组织，任何条件下都存在急冷区、柱状晶区和等轴晶区三个晶区。
（×）
第4章
1.略
2.
第2问略，不要求。
3.
根据
（4.7）可知，要达到相同效果，D870t870=D927t927，t870=D920/D870t920=20（h）
4．~7.略（不要求）
第四章固态扩散
一、单项选择题。
1.______扩散属于体扩散。
A表面B晶界C位错D晶格
2.下列四种扩散途径，______扩散系数最低。
A表面B晶界C位错D晶格
3.在置换固溶体中，原子最不可能通过______扩散方式进行。
A空位B间隙C环形换位D直接换位
4.通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶度极限而形成新相的过程称为______。
A反应扩散B自扩散C相变扩散D互扩散
5.不伴随有浓度变化，与浓度梯度无关的扩散称为______。
A反应扩散B自扩散C原子扩散D上坡扩散
6.伴随有浓度变化，与浓度梯度有关的扩散称为______。
A反应扩散B自扩散C体扩散D互扩散
7.如果添加元素溶入到溶剂金属中而使熔点下降，那么，在任一温度下，互扩散系数均_____。
A降低B增大C不受影响D先增大后降低
8.晶体的致密度越高，则______。
A扩散激活能越小，扩散系数减小B扩散激活能越大，扩散系数减小
C扩散激活能越小，扩散系数增大D扩散激活能越大，扩散系数增大
9.菲克第一定律表达式为______。
AJ=-D（dc/dx）BJ=D（dc/dx）CJ=-D（dx/dc）DJ=D（dx/dc）
10.菲克第二定律表达式为______。
A∂J/∂x=∂c/∂tB-∂J/∂x=∂t/∂cC-∂J/∂x=∂c/∂tD-∂J/∂t=∂c/∂x
11.对于典型的原子扩散过程，扩散系数D符合Arrhenius公式：
AD=D0exp（-QT/R）BD=D0exp（-Q/RT）CD=D0exp（Q/RT）DD=D0exp（-T/RQ）
答案：
1.D2.D3.D4.A5.B6.D7.B8.B9.A10.C11.B
二、判断题。
1.原子沿晶界扩散比晶内扩散要慢得多。
（×）
2.间隙原子的扩散激活能比置换原子的大，所以扩散速度比较大。
（×）
3.过饱和固溶体的分解过程属于下坡扩散，结果使合金趋向于分解为复相组织。
（×）
4.铸锭的均匀化退火属于下坡扩散。
（√）
5.指定区域浓度不随时间而变化的扩散，称为稳定扩散。
扩散第二定律适用于稳定扩散。
（×）
6.浓度随时间而变化的扩散称为不稳定扩散。
扩散第二定律适用于不稳定扩散。
（√）
7.由菲克第一定律可知，浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数。
（√）
8.温度低时，晶界扩散起重要作用；随温度升高，晶粒内空位的密度逐渐增大，扩散速度加快，晶界扩散所占比例减小。
（√）
9.原子沿位错线扩散的激活能高于晶内扩散的扩散激活能。
（×）
10.钢的氧化、渗氮、渗硼均与反应扩散有关。
（√）
11.扩散系数D强烈地依赖于温度，它与温度T的关系遵循直线关系。
（×）
12.溶剂和溶质的原子半径越接近,则溶质的扩散系数越大。
（×）
13.金属的熔点越高，原子间的结合力越强，则原子越不容易离开其平衡位置，因而自扩散激活能越大。
（√）
14.原子扩散的驱动力总是与化学位下降的方向一致，扩散朝着浓度减小的方向进行。
（×）
15.温度较低时，短路扩散起主导作用。
（√）
16.温度较高时，晶格扩散起主要作用。
（√）
17.温度升高则位错密度增大，有利于扩散。
（×）
18.空位扩散机制适合于纯金属的自扩散和置换固溶体中原子的扩散。
（√）
19.间隙扩散机制适合于间隙固溶体中间隙原子的扩散。
（√）
20.在溶剂金属中固溶度较小的元素，其扩散系数常常较大。
形成连续固溶体的合金元素的扩散系数则较小。
（√）
第6章
2*．金属在冷变形过程中晶粒被拉长，形成纤维组织，强度提高，塑性和韧性降低。
金属在回复过程中组织不发生变化，强度也基本不变（略有降低）。
金属在再结晶过程中，重新形核和长大，无畸变的等轴晶粒代替拉长的晶粒，强度显著降低，而塑性和韧性显著提高。
3*．
（1）由派-纳力计算公式：
可知，滑移面的面间距越大或柏氏矢量的模越小，则晶格阻力越小。
所以，滑移面是原子密度最大的晶面（面间距最大），滑移方向是原子密度最大的方向（柏氏矢量的模越小）。
（2）位错不能直接通过晶界，在晶界处造成塞积，因此其阻力大于晶内。
（3）Zn属于密排六方，Cu属于面心立方，Cr属于体心立方，三者晶体结构类型不同，面心立方的塑性最好，密排六方的塑性最差。
4*．金属在冷塑性变形过程中，随塑性变形量的增大，位错密度
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