武汉理工大学材料科学基础第2版课后习题和答案.docx

武汉理工大学材料科学基础第2版课后习题和答案.docx

《武汉理工大学材料科学基础第2版课后习题和答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武汉理工大学材料科学基础第2版课后习题和答案.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

武汉理工大学材料科学基础第2版课后习题和答案

武汉理工大学材料科学基础（第2版）课后习题和答案

　　　　　　第一章绪论　　1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？

每种材料需要何种热学、电学性质？

2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？

3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？

　　4、铝原子的质量是多少？

若铝的密度为/cm3，计算1mm3中有多少原子？

　　5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？

说出至少三种理。

　　6、描述不同材料常用的加工方法。

7、叙述金属材料的类型及其分类依据。

　　8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：

　　黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢　　9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？

　　第二章晶体结构　　1、解释下列概念　　晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.　　2、一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。

　　3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：

与[210]，与[112]，与[111]，与[236]，与[111]，与[121]，，，，[110]，[111]，[120]，[321]　　4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

　　5、已知Mg2+半径为，O2-半径为，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。

6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。

　　7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。

MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃,请说明这种差别的原因。

　　8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低（只有％），　　为什么它也很稳定?

　　9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；　　10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为克/厘米3，求它的晶胞体积。

11、根据半径比关系，说明下列离子与O2—配位时的配位数各是多?

　　ro2-=　　rSi4+=　　rK+=　　rAl3+=　　rMg2+=12、为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？

　　13、有效离子半径可通过晶体结构测定算出。

在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均为a=（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。

若CaS（a=）、CaO（a=）和MgO（a=）为一般阳离子——阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。

　　14、氟化锂（LiF）为NaCl型结构，测得其密度为／cm3，根据此数据汁算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。

　　15、Li2O的结构是O2-作面心立方堆积，Li+占据所有四面体空隙位置。

求：

（1）计算四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li+半径比较，说明此时O2-能否互相接触。

（2）根据离子半径数据求晶胞参数。

（3）求Li2O的密度。

　　16、试解释对于AX型化合物来说，正负离子为一价时多形成离子化合物。

二价时则形成的离子化合物减少（如ZnS为共价型化合物），到了三价、四价（如AlN，SiC）则是形成共价化合物了。

17、MgO和CaO同属NaCl型结构，而它们与水作用时则CaO要比MgO活泼，试解释之。

18、根据CaF2晶胞图画出CaF2晶胞的投影图。

　　19、算一算CdI2晶体中的I-及CaTiO3晶体中O2-的电价是否饱和。

　　20、

（1）画出O2-作而心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置（以一个晶胞为结构基元表示出来）。

（2）计算四面体空隙数、八而休空隙数与O2-数之比。

　　（3）根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。

　　所有四面体空隙位置均填满；（b）所有八而体空隙位置均填满；（c）填满—半四面体空隙位置；（d）填满—半八面休空隙位置。

　　21、下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：

　　Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10]（OH）2，Ca2Al[AlSiO7]。

22、根据Mg2[SiO4]在（110）面的投影图回答：

（1）结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样?

（2）O2-的电价是否饱和?

　　（3）晶胞的分子数是多少?

　　（4）Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少?

　　23、石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11]（OH）2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2[Si4O10]（OH）2却具有片状结晶习性，试解释之。

　　24、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及此引起的性质上的差异。

25、

（1）在硅酸盐晶体中，Al3+为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4+；

（2）Al3+置换Si4+后，对硅酸盐组成有何影响?

　　（3）用电价规则说明Al3+置换骨架中的Si4+时，通常不超过一半，否则将使结构不稳定。

　　答案　　1、略。

　　2、解：

h:

k:

l=1/2:

1/3:

1/6=3:

2:

1,∴该晶面的米勒指数为；3、略。

4、略。

　　5、解：

MgO为NaCl型，O2-做密堆积，Mg2+填充空隙。

rO2-=，rMg2+=，z=4，晶胞中质点体积：

（4/3×πrO2-3+4/3×πrMg2+3）×4，a=2（r++r-），晶胞体积=a3，堆积系数=晶胞中MgO体积/晶胞体积=%，密度=晶胞中MgO质量/晶胞体积=/cm3。

6、解：

体心：

原子数2，配位数8，堆积密度%；　　面心：

原子数4，配位数6，堆积密度%；　　六方：

原子数6，配位数6，堆积密度%。

　　7、解：

u=z1z2e2N0A/r0×（1-1/n）/4πε0，e=×10-19，ε0=×10-12，N0=×1023，NaCl：

z1=1，z2=1，A=，nNa+=7，nCl-=9，n=8，r0=，uNaCl=752KJ/mol；MgO：

z1=2，z2=2，A=，nO2-=7，nMg2+=，n=7，r0=，uMgO=392KJ/mol；∵uMgO>uNaCl，∴MgO的熔点高。

8、略。

　　9、解：

设球半径为a，则球的体积为4/3πa3，求的z=4，则球的总体积4×4/3πa3，立方体晶　　胞体积：

（2　　a）3=16a3，空间利用率=球所占体积/空间体积=%，空隙率=%=%。

　　10、解：

ρ=m/V晶=/cm3，V=×10-22。

11、解：

Si4+4；K+12；Al3+6；Mg2+6。

12、略。

　　13、解：

MgS中a=?

，阴离子相互接触，a=2　　r-，∴rS2-=?

；CaS中a=?

，阴-阳离子相　　互接触，a=2（r++r-），∴rCa2+=?

；CaO中a=?

，a=2（r++r-），∴rO2-=?

；MgO中a=?

，a=2（r++r-），∴rMg2+=?

。

　　14、解：

LiF为NaCl型结构，z=4，V=a3，ρ=m/V=/cm3，a=?

，根据离子半径a1=2（r++r-）=?

，a　　15、解：

如图是一个四面体空隙，O为四面体中心位置。

AO=r++r-，BC=2r-，CE=r-/3，AG=2r+=AO-r-=（　　r-/3，△OGC∽△EFC，OG/CG=EF/CF，OG=EF/CF×CG=　　r-，CG=2/3CE=2　　r/2，　　r-/6，AO=AG-OG=　　/2-1）r=?

，查表知rLi+=?

>?

，∴O2-不能互相接触;　　a=4（r++r-），a=?

；ρ=m/V=/cm3.　　体对角线=　　　　16、略。

　　17、解：

rMg2+与rCa2+不同，rCa2+>rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。

18.　　　　19.　　　　20、略；　　四面体空隙数/O2-数=2:

1，八面体空隙数/O2-数=1:

1；　　（a）CN=4，z+/4×8=2，z+=1，Na2O，Li2O；（b）CN=6，z+/6×6=2，z+=2，FeO，MnO；CN=4，z+/4×4=2，z+=4，ZnS，SiC；（d）CN=6，z+/6×3=2，z+=4，MnO2。

21、解：

岛状；架状；单链；层状；组群。

　　22、解：

有两种配位多面体，[SiO4]，[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2-和27O2-，不同层的[MgO6]八面体共顶，如1[MgO6]和51[MgO6]共顶是22O2-，同层的[MgO6]与[SiO4]共顶，如T[MgO6]和7[SiO4]共顶22O2-，不同层的[MgO6]与[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2-和28O2-；　　z=4；　　Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。

　　23、解：

透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。

　　24、解：

石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。

于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。

　　25、解：

Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，于鲍林规则，只能部分取代；Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然>1/4，造成结构不稳定。

　　　　　　第三章晶体结构缺陷　　1、说明下列符号的含义：

　　VNa，VNa’，VCl?

，.（VNa’VCl?

），CaK?

，CaCa，Cai?

?

2、写出下列缺陷反应式：

　　　　　　　　　　化合物16、略。

　　变化17、解：

设AL2O3、MgO总重量为100g，则AL2O318g，MgO82g，溶入MgO中AL2O3的mol数：

AL2O3mol%=　　==8%,MgOmol%=1-8%=92%,　　固溶体组成：

8%AL2O3，92%MgO，固溶体组成式：

（a）AL2O3　　2ALMg2+2OO+Oi’’　　X　　2x　　x　　固溶体化学式：

Al2xMg1-2xO1+x将化学式与组成式一一对应，求出待定参数x，于O2-的量不同，将O2-的量化为1//　　Al2x/1+xMg1-2x/1+xO　　x=，化学式　　d理想=AL2O3　　　　，　　　　=　　2ALMg2+3OO+OMg’’　　x　　2x　　xAl2xMg1-3xO　　18、解：

Fe1-xS中存在Fe空位，VFe’’非化学计量，存在h2P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e’，N型半导体；因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。

　　19、解：

晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力≤10%；间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置　　//　　x=　　　　=　　　　换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。

20、解：

　　r大-r小/r大=%15%Pt—Pd电负性差==0结构类型：

面心立方r大-r小/r大=%883℃，TiTa结构类型相同形成有限固溶体形成连续固溶体　　可形成连续固溶体　　可形成连续固溶体21、解：

∵r大-r小/r大=10%　　2NiNi2+3OO+VNi’’　　Ni3+/Ni2+=2y/（1-3y）=10-x　　y　　2y　　y　　Ni3+2yNi2+1-3yO则y=5310，x=1-y=，　　-5　　　　每m3中有多少载流子即为空位浓度：

[VNi’’]=y/（1+x）=。

　　23、解：

MgO-AL2O3：

r大-r小/r大=15%，即rMg、rAl半径相差大，MgO、AL2O3结构类型差别大，形成有限固溶体；　　PbTiO3-PbZrO3形成无限固溶体，因为尽管Ti4+、Zr4+半径相差较大,但都是钙钛矿型结构，Ti4+、Zr4+都填充八面体空隙，该空隙体积较大，可填入的阳离子的半径r值可在一定范围内变化，而不至于使结构变化。

　　24、解：

对于置换式固溶体有x=，1-x=，2-x=，所以置换式固溶体化学式。

有因为ZrO2属于萤石结构，晶胞分子数Z=4，晶胞中有Ca2+、Zr4+、O2-三种质点。

晶胞质量　　d置=　　=/cm3；　　　　对于间隙固溶体，其化学式Ca2yZr1-yO2，与已知组成相比，O2-不同，　　//　　　　∴间隙式固溶体化学式//晶胞质量　　d间=　　=/cm3，此可判断生成的是置换型固溶体。

　　　　　　第四章非晶体结构与性质　　1．试述石英晶体、石英熔体、Na2O?

2SiO2熔体结构和性质上的区别。

　　2．某熔体粘度在727℃时是108泊，1156℃时是104泊，要获得粘度为107泊的熔体，要加热到什么温度?

　　3．在Na2O—SiO2系统及RO—SiO2系统中随着SiO2含量的增加，熔体的粘度将升高而表面张力则降低，说明原因。

　　4．说明在一定温度下同组成的玻璃比晶体具有较高的内能及晶体具有一定的熔点而玻璃体没有固定熔点的原因。

　　5．某窗玻璃含14Na2O－14CaO－72SiO2（重量百分数），求非桥氧百分数。

　　6．网络外体（如Na2O）加到SiO2熔体中，使氧硅比增加，当O/Si≈～3时，即达到形成玻璃的极限，　　O/Si>3时，则不能形成玻璃，为什么?

　　7．按照在形成氧化物玻璃中的作用，把下列氧化物分为网络变体，中间体和网络形成体：

SiO2，Na2O，B2O3，CaO，Al2O3，P2O5，K2O，BaO。

8．以B203为例解释具有混合键氧化物容易形成玻璃的原因。

　　9．试述微晶学说与无规则网络学说的主要观点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。

10．什么是硼反常现象?

为什么会产生这些现象?

　　11．已知石英玻璃的密度为/cm3，假定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同，试计算该玻璃的原于堆积系数是多少?

　　12．根据教材的T—T—T曲线，计算A、B、C三种物质的临界冷却速度，哪一种物质易形成玻璃?

哪一种难形成玻璃?

　　答案　　1.1、解：

结构石英晶体[SiO4]按共顶方式石英熔体基本结构单元Na2O?

2SiO2基本结构单元12-对称有规律有序排列，[SiO4]呈架状结构，[Si6O18]呈六节环或八节环，远程有序远程无序远程无序性质固体无流动性，熔有流动性，η大，有流动性，η较石英点高，硬度大，导电性电导率大，表面张力大熔体小，电导率大，表面差，结构稳定，化学稳定性好2、解：

根据lnη=A+B/T，727℃时，η=108P0，1156℃时，η=104P0，∴A=-，B=13324，当η=107P0时，则t=80℃。

　　3、解：

Na2O-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；因为SiO2含量增加，聚合离子团尺寸增大，迁移阻力增大，η增大，e/r减小，相互作用力减小，σ减小；RO-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；因为无SiO2时RO-O2系统η很低，表面张力大；加入SiO2，系统中出现聚合离子团，SiO2增加，聚合离子团尺寸增大，数目增大，　　张力大η增大，σ减小。

　　4、解：

玻璃的介稳性：

熔体转变为玻璃过程中，是快速冷却，使玻璃在低温下保留了高温时的结构状态，玻璃态是能量的介稳态，有自发放热而转变为晶体的趋势；玻璃无固定熔点：

熔体的结晶过程中，系统必有多个相出现，有固定熔点；熔体向玻璃体转变时，其过程是渐变的，无多个相出现，无固定的熔点，只有一个转化温度范围。

5.　　　　6、解：

在熔体结构中，不O/Si比值对应着一定的聚集负离子团结构，如当O/Si比值为2时，熔体中含有大小不等的歪扭的[SiO2]n聚集团；随着O/Si比值的增加，硅氧负离子集团不断变小，当O/Si比值增至4时，硅-氧负离子集团全部拆散成为分立状的[SiO4]4-，这就很难形成玻璃。

7、解：

网络变体Na2OCaOK2OBaO中间体Al2O3　　网络形成体SiO2B2O3P2O58、略。

　　9、解：

微晶学说：

玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微晶多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界限。

无规则网络学说：

玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。

但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。

于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元应是相同的，不同之处在与排列的周期性。

微晶学说强调了玻璃结构的不均匀性、　　　　　　　　　　　　12、解：

（1）S组成点在三角形内且位于初晶区外，不一致熔融三元化合物；　　　　　　

（2）结晶过程2点位于A初晶区，在AS连线上，结晶产物为A、S　　　　　　3点位于A初晶区，在△BCS内，结晶产物为B、C、S　　　　　　　　　　（3）5点冷却过程　　　　　　　　6点冷却过程　　　　　　　　12、解：

（1）S1不一致熔融二元化合物，高温稳定，低温分解　　S2一致熔融二元化合物　　S3不一致熔融二元化合物，低温稳定，高温分解　　

（2）见图　　（3）E1，过渡点，　　E2，单转熔点，　　E3，过渡点，　　E4，低共熔点，　　E5，低共熔点，（4）　　　　（5）在E5点出现液相，在N点所在温度完全熔融。

13、略。

14、略。

　　16、解：

（1）k点开始出现液相，温度为1455℃,连接3k交CaO-C3S线于6点,　　线段长度可直接量取；　　

（2）急冷好，k点将进行转熔过程L+C3SC2S+C3A　　这样C3S量会减少，急冷使转熔过程来不及进行，从而提高C3S含量；　　（3）AS2与CaCO3配料，不能得到3点矿物组成　　3点组成66CaO26SiO28Al203　　化成mol%%%%　　SiO2mol%/Al203mol%=　　题目中组成点Al20322SiO222H2O与CaCO3配料，SiO2mol%/Al203mol%=2：

1　　二者比较，SiO2量不够，所以需加入SiO2。

　　设配料100g，含66gCaO，26gSiO2，8gAl203　　　　66gCaO化成CaCO3量66/563100=　　8gAl203化成Al20322SiO222H2O量8/1023258=　　AS222H2O提供SiO28/10232360=　　还需SiO2量=　　CaCO3wt%=%，AS222H2Owt%=%，SiO2wt%=%　　　　17、解：

（1）该点位于△NC3S6-NCS5-SiO2中，Q点附近β-CS初晶区　　对应无变量点H点1:

3:

6+α-石英+L1:

1:

5　　配料在827℃熔化，完全熔化为1050℃左右　　

（2）加热到1050℃L→β-CS　　1000℃L→1:

3:

6+α-鳞石英　　900℃L→1:

3:

6+α-石英　　800℃加热到800℃时未熔化，冷却到800℃时三个晶相1:

3:

61:

1:

5　　（3）NC3S6加热是不一致熔融，加热分解　　1:

3:

6析晶，先析出α-CS，α-CS→β-CS，RQ线上L+β-CS→1:

3:

6　　1:

3:

6加热到RQ界线与CS-1:

3:

6交点温度开始熔化（1050℃左右）分解出β-CS18、解：

组成点确定下来，图中M点，△MS-M2Al2S35-SiO2对应无变量点1点（1355℃）加热该组成点，于1点开始出现液相，液相组成点在MS与SiO2界线上移动，固相组成点在MS-SiO2连线上变化，以M点为支点连成杠杆，当L%=35%时，对应温度1390℃，L%=45%时，对应温度1430℃，烧成温度范围为1390～1430℃。

　　19、解：

50%AS230%KAS620%SiO2组成点在△QWD中3点，3点位于初晶区，对应E点结晶结束985℃LSiO2+A3S2+KAS6，加热组成为3物质，于E点开始出现液相　　　　升温于1250℃时，固相中有SiO22A3S2及L相，液相组成点在莫来石与石英界线上，固相组成点在SiO2与A3S2连线上，用杠杆规则计算。

20、解：

40￡S2+6%液相　　原始组成点在A3S2初晶区，在A3S2组点与E点连线上，在图中12点附近，过原始组成点做△SiO2-K20-Al203各边平行线，确定出K2O、SiO2、Al203百分含量　　K20:

wt%=%Al203:

wt%=%SiO2:

wt%=%　　长石K2O2Al20326SiO2（94+102+360=556）　　仅从长石中获得K2O　　100gK2O:

Al203:

SiO2:

　　化成长石/943556=　　长石提供Al203SiO2　　另需加Al203:

=SiO2:

=长石wt%=　　=　　21、略。

　　第七章扩散　　1．解释并区分下列概念：

（1）稳定扩散与不稳定扩散；　　

（2）本征扩散与非本征扩散；　　（3）自扩散与互扩散；　　（4）扩散系数与扩散通量。

　　2．浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行?

为什么?

　　3．当锌向铜内扩散时，已知在x点处锌的含量为个锌原子/cm，300℃时每分钟每mm　　17　　3　　2　　要扩散60个锌原子，求与x点相距2mm处锌原子的浓度。

　　4．在钢棒的表面，每20个铁的晶胞中含有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中含有一个碳原子，知铁为面心立方结构（a=）,1000℃时碳的扩散系数为3310m／s，求每