《材料科学基础》作业.docx

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《材料科学基础》作业

注意：

习题按以下内容结构给出，

加深理解本课程的内容和结构。

绪论

第一篇材料的原子结构

第一章材料的原子结构

第二篇材料的晶体结构与缺陷

第二章材料的结构

第三章晶体结构缺陷

第七章晶态固体材料中的界面

第三篇材料的组织结构

第五章相平衡与相图

第四章晶态固体中的扩散

第六章材料的凝固-----材料的制备工艺基础理论

材料的结构

相图与相变

【综合习题】

绪论

一、填空题

1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。

材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子水平，第二个水平是原子的排列方式，第三个水平是显微组织。

2.根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。

根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷、

高分子和复合材料四大类。

第一篇材料的原子结构

第一章材料的原子结构

一、填空题

1.金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以

共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。

第二篇材料的晶体结构与缺陷

第二章材料的结构

一、填空题

1、晶体是基元以周期性重复的方式在三维空间作有规则排列的固体。

2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体长程有序，非晶体长程无序短程有序。

3、晶胞是晶体结构中的最小单位。

4、根据晶体的对称性，晶系有3大晶族，7大晶系，14种布拉菲Bravais点阵，32种点群，230种空间群。

5、金属常见的晶格类型有面心立方、体心立方、密排六方。

6、fcc晶体的最密排方向为【111】，最密排面为（110），最密排面的堆垛顺序为ABCABCABC……。

7、fcc晶体的致密度为0.84，配位数为12，原子在（111）面上的原子配位数为6。

8、bcc晶体的最密排方向为【110】，最密排面为（111），致密度为0.76，配位数为8。

9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。

10、CsCl型结构属于简单立方格子，NaCl型结构属于面心立方格子，CaF2型结构属于面心立方格子。

11、MgO晶体具有NaCl型结构，其对称型是3L44L36L29PC，

晶族是高级晶族，晶系是立方晶系，晶体的键型是离子键。

12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是氧硅四面体。

13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，

它们的晶体结构类型分别为，，，

和。

14、表征晶体中晶向和晶面的方法有解析法和图示法。

二、分析计算

1、（2-3）

（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和6c，求该晶面的米勒指数；

（2）晶面B在x、y、z轴上的截距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。

2、（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，每一组画在同一个晶胞中，并说明每一组晶面和晶向的关系。

3、写出立方晶系中晶面族｛100｝、｛110｝、｛111｝包含的等价晶面。

写出<112>晶向族包含的等价晶向。

4、（2-9）求

（1）晶面（121）和（100）的晶带轴指数；晶面（100）和（010）的晶带轴指数；

（2）晶向[001]和[111]确定的晶面指数；包含[010]和[100]晶向的晶面指数。

5、（2-11）

（1）a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？

（2）a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？

（3）能否据此确定这2种晶体的Bravis点阵？

6、Ni为面心立方结构，原子半径r=0.1243nm，求Ni的晶格常数和密度。

7、Mo为体心立方结构，晶格常数a=0.3147nm，求Mo的原子半径r。

8、（2-15）CsCl中铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm。

试问

（1）在CsCl内离子在<100>或<111>方向是否相接触？

（2）每单位晶胞内有几个离子？

（3）各离子的配位数是多少？

（4）密度ρ和堆积系数（致密度）K？

9、（2-16）MgO具有NaCl型结构。

Mg2+的离子半径为0.072nm，O2-的离子半径为0.140nm。

试求MgO的密度ρ和堆积系数（致密度）K。

10、（2-24）下列硅酸盐化合物属于什么结构类型？

，

，

，

，

，

，

，

第三章晶体结构缺陷

一、填空题

1、按几何组态，晶体中的缺陷分为、、和体缺陷。

2、点缺陷主要包括、、；线缺陷有；面缺陷包括等。

3、描述位错性质及特征的是。

4、位错的类型有、、和。

5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为，位错线与柏氏矢量平行的位错称为。

6、位错的基本运动方式有和。

7、位错可以滑移和攀移，位错可以滑移而不攀移，能进行交滑移的位错必然是。

8、位错滑移一般沿着晶体的（面）和（方向）进行。

9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域的大小和方向。

10、两平行同号螺位错间的作用力为（引力或斥力？

）。

11、全位错是；不全位错是。

12、面心立方晶体的不全位错类型主要有和，

柏氏矢量分别为，。

只能发生攀移运动的位错是。

Shockley不全位错Franker不全位错

13、位错间转化（位错反应）要满足的条件有和。

14、两个不全位错夹一片层错的位错称为位错。

二、分析题

1、（3-6）画一个方形位错环，

（1）在此平面上画出柏氏矢量，使其平行于位错环的其中一边，任意选择并画出位错线方向，据此指出位错环各段的性质。

（2）能否使该位错环处处为刃位错？

（3）能否使该位错环处处为螺位错？

2、在滑移面上有一位错环，柏氏矢量为b，位错环的方向和柏氏矢量的方向如图所示。

（1）指出位错环各段的性质。

（2）能否使该位错环处处为刃位错？

（3）能否使该位错环处处为螺位错？

（4）该位错环滑移出晶体后，晶体有怎样的滑动（大小和方向）？

3、（3-11）试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?

并指出其中三个位错的性质类型？

反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

4、（3-8）比较刃位错和螺位错的异同点。

第七章晶态固体材料中的界面

1、表面能来源于；一般地，割断的键数，表面能越高。

表面割断的键数，表面能最低。

因此，晶体的外表面一般为。

2、根据晶粒取向差的大小，晶界分为和。

3、小角晶界分为和。

倾转晶界由位错构成，扭转晶界由位错构成。

4、晶界迁移的驱动力是。

晶界移动的结果是小晶粒，大晶粒。

5、根据两相界面上的原子排列，相界分为，和。

6、在晶粒内部形成第二相时，若第二相和基体之间的界面能大，则其形状一般为，若要减少弹性应变能，一般会长成形状。

7、单相多晶体平衡时一般规律是两个晶粒相遇于，三个晶粒相遇于，四个晶粒相遇于。

第三篇材料的组织结构

第五章相平衡与相图

一、填空题

1.组元是，组元一般是或。

2.相是。

相平衡是指各相的平衡。

3.组织是。

平衡凝固是指冷却条件下的凝固。

4.在二元系合金相图中，杠杆法则只能用于相区。

5.根据渗碳体的形状，钢中珠光体分为和两种。

6.根据含碳量，钢分类为、和钢。

随着碳含量的增加，钢的硬度和塑性的变化规律是。

7.在三元系浓度三角形中，凡成分位于上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。

平行于一边的任一直线上的合金，其成分共性为。

8.根据三元相图的垂直截面图，可以分析过程。

9.根据三元相图的水平（等温）截面图，可以进行分析。

10.二元合金相图三相平衡转变的类型主要有和。

三元合金相图四相平衡转变的类型主要有，，

和。

二、改错题

1.指出下列相图中的错误，说明原因并加以改正，画出正确的相图。

2.（5-6）指出相图中的错误，说明理由并改正。

三、分析计算

1.下图为A-B固溶体合金的相图，试根据相图确定：

（a）成分为ω（B）=40%的合金首先凝固出来的固溶体成分；

（b）若首先凝固出来的固溶体成分含60%B，合金的成分为多少？

（c）成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；

（d）合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？

2.（5-3）画出Pb-Sn相图，标出各相区存在的组织，指出组织中含βⅡ最多和最少的合金成分，指出共晶体最多和最少的合金成分。

3.（5-4）根据Pb-Sn相图，说明ω（Sn）=30%的Pb-Sn合金在下列温度时，其组织中存在哪些相，并求相的相对含量。

（1）高于300℃；

（2）刚冷至183℃，共晶转变尚未开始；（3）在183℃共晶转变完毕；（4）冷到室温。

4.（5-7）画出简易的铁碳相图，

（1）指出PSK、ECF各点成分、各线的反应特征及反应式；

（2）标出各相区的相组成物；（3）标出各相区的组织组成物。

5.（5-8）指出ω（C）=0.2%、ω（C）=0.6%、ω（C）=1.0%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的相组成物和组织组成物，并分别计算相和组织的相对含量。

6.如下相图：

（1）该相图的组元是什么？

（2）标出所有相区的组成相。

（3）指出该相图中有何特征反应，写出反应式。

（4）指出含80%的Al2O3时的室温平衡组织，并计算组织组成物的相对含量。

7.下图为使用高纯原料在密封条件下的Al2O3—SiO2相图，A3S2（3Al2O3·2SiO2）为莫来石固溶体，共晶成分E1点为10wt%Al2O3，含60%摩尔分数Al2O3的A3S2的质量分数为75%。

要求：

（1）填写空白相区的相组成。

（2）写出2个水平反应线的反应，并指出反应类型。

（3）一种由SiO2-30%Al2O3（wt%）构成的耐高温材料，分析其平衡凝固后的室温组织是什么，并计算组织组成物的含量。

该材料能否用来盛装熔融态的钢（1600℃）？

在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化？

8.（5-14）下图为A-B-C三元共晶相图的投影图，指出n1、n2、n3（E）、n4点从液态平衡冷却结晶的室温相和组织组成物，并分别计算相和组织的相对含量。

9.下图为某三元相图投影图上3条液相单变量线及其温度走向，判断四相平衡反应类型，写出反应式。

10.下图是MgO-Al2O3-SiO2三元系相图的平面投影图及局部放大图，写出四相平衡点处代表的反应特征及反应式。

第四章晶态固体中的扩散

一、填空题

1、菲克第一定律描述的是状态下的扩散规律；菲克第一定律描述的是状态下的扩散规律。

2、稳态扩散是指；非稳态扩散是指。

3、Fick扩散第二方程的高斯解适合求解扩散问题；Fick扩散第二方程的误差函数解适合求解扩散问题。

4、扩散的微观机理有、、、等。

5、空位扩散的阻力比间隙扩散，激活能。

6、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中，扩散系数D最大的是__。

7、在间隙固溶体中，H、O、C等原子以方式扩散。

8、Cu-Al合金和Cu组成的扩散偶发生柯肯达尔效应，标记向Cu-Al合金一侧漂移，则的扩散通量大。

9、上坡扩散是指。

10、扩散的驱动力是。

化学位梯度。

11、伴随有反应的扩散称为。

二、计算题（不考）

（4-1）含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。

（a）推导脱碳扩散方程的解，假定t>0时，x=0处，ρ=0。

（b）假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？

（900℃时，Dcγ=1.1×10-7cm2/s）

（4-3）20钢在930℃渗碳，表面碳浓度达到奥氏体中碳的饱和浓度Cs=1.4%，此时Dcγ=3.6×10-2mm2/h，若渗层深度定为从表面到碳含量0.4%的位置，求渗层深度与时间的关系。

（4-7）870℃渗碳与927℃渗碳相比较，优点是热处理产品晶粒细小，淬火后变形小。

若已知D0=2.0×10-5m2/s，Q=140KJ/mol，求：

（1）在上两温度下，碳在γ铁中的扩散系数。

（2）若忽略不同温度下碳在γ铁中的溶解度差别，870℃渗碳需用多少时间才能获得927℃渗碳10小时的渗层厚度？

（4-9）纯铁渗硼，900℃4h生成的Fe2B层厚度为0.068mm，960℃4h为0.14mm，假定Fe2B的生长受扩散速度的控制，求硼原子在Fe2B中的扩散激活能Q。

第六章材料的凝固

一、填空题

1、凝固过程包括和2个过程。

2、材料的凝固的驱动力是，阻力是。

3、凝固形核的方式有和，其中的临界形核功较小。

（均匀形核非均匀形核非均匀形核）

4、均匀形核时液、固两相自由能差只能补偿表面能的，其他靠系统中的补偿。

5、液/固界面的微观结构分为和。

6、在正温度梯度下，晶体生长成界面；负温度梯度下成长时，一般金属界面都呈状。

7、在正的温度梯度下，纯金属以状形式长大，固溶体合金由于存在以

状形式长大。

8、固溶体结晶的形核条件是、、、和

。

9、固溶体结晶与纯金属结晶的差异表现为、及现象。

10、平衡结晶是指冷却，组元间互扩散，每个阶段都达到

均匀成份。

11、晶内偏析（枝晶偏析）是。

消除晶内偏析（枝晶偏析）方法。

12、宏观偏析是。

13、对于ko＜1的合金棒，从左端向右端区域提纯，杂质元素会富集于

端。

14、固溶体不平衡凝固时，条件下凝固后溶质分布愈不均匀，宏观偏析愈严重。

（凝固速度很慢，充分对流、搅拌，扩散很快混合均匀）。

15、成分过冷是。

16、界面前沿温度梯度G，凝固速度R，成分过冷倾向大。

17、液-固界面前沿成分过冷区越大，晶体越易长成形貌。

18、常见的共晶组织形态有、、、等。

19、铸锭组织包括、和三个晶区。

20、对于液-固相变过程可通过控制过冷度来获得数量和尺寸不等的晶体，要获得晶粒多而尺寸小的细晶，则△T。