材料科学基础习题Word文档下载推荐.docx

1、18、试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。19、从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。20、试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点。列出简明表格比较。21、ZnO是六方晶系，a=0.3242nm，c = 0.5195nm，每个晶胞中含2个ZnO分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606 g/cm3，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？22、对于MgO、Al2O3和Cr2O3，其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40。Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。 （a） 这个结果可能吗？为什么？ （b） 试预计，在MgOCr2O3系统中的固溶

2、度是有限还是很大？23、Al2O3在MgO中将形成有限固溶体，在低共熔温度1995时，约有18wt% Al2O3溶入MgO中，MgO单位晶胞尺寸减小。试预计下列情况下密度的变化。（a） Al3+为间隙离子；（b） Al3+为置换离子。24、用0.2 mol YF3加入CaF2中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参数a = 0.55nm，测得固溶体密度= 3.64 g/cm3，试计算说明固溶体的类型？（元素相对原子质量：Y= 88.90；Ca = 40.08；F = 19.00）25、一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在Al2O3中添加了0.5 mol % NiO和0.02 mol % C

3、r2O3。试写出缺陷反应方程（置换型）及化学式。26、MgOAl2O3SiO2系统的低共熔物放在Si3N4 陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为90010-3 N/m，液体与固体的界面能为60010-3 N/m，测得接触角为70.52， 求Si3N4的表面张力。 把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角60，求Si3N4的晶界能？27、氧化铝瓷件中需要被银，已知1000时（Al2O3（S） = 1.010-3N/m,（Ag （L） = 0.9210-3N/m，（Ag （L） /Al2O3（S） = 1.7710-3N/m，问液态银能否湿润氧化铝瓷件表面？用什么方法改善它们

4、之间的湿润性？参考答案解：MgO晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。（a）（111）、（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况略。（b）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中，（111）面排列密度 = （110）面排列密度= （100）面排列密度=（略）在体心立方堆积结构中：（100）面排列密度= 面间距= （111）面排列密度= 答：以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，它的正下方有1个八面体空隙（体心位置），与其对称，正上方也有1个八面体空隙；前后左右各有1个八面体空隙（棱心位置）。所以共有6个八面体空隙与其直接相邻，由于每个八面体空隙由6个球构成，所以属于

5、这个球的八面体空隙数为61/6=1。在这个晶胞中，这个球还与另外2个面心、1个顶角上的球构成4个四面体空隙（即1/8小立方体的体心位置）；由于对称性，在上面的晶胞中，也有4个四面体空隙由这个参与构成。所以共有8个四面体空隙与其直接相邻，由于每个四面体空隙由4个球构成，所以属于这个球的四面体空隙数为81/4=2。（1）立方体配位在立方体的对角线上正、负离子相互接触，在立方体的棱上两个负离子相互接触。因此：, （2）八面体配位在八面体中，中心对称的一对阴离子中心连线上正、负离子相互接触，棱上两个负离子相互接触。（3）四面体配位在四面体中中心正离子与四个负离子直接接触，四个负离子之间相互接触（中心角

6、）。底面上对角中心线长为：（4）三角体配位在三角体中，在同一个平面上中心正离子与三个负离子直接接触，三个负离子之间相互接触。根据密度定义，晶格常数原子间距= 2r=面心立方晶胞：六方晶胞（1/3）：体心立方晶胞：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0 = 2（r+r-） = 0.424（nm）体积分数 = 4（4/3）（0.143+0.0723）/0.4243 = 68.52%密度= 4（24.3+16）/6.0231023（0.42410-7）3=3.5112（g/cm3）MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r- = 0.072/0.14 = 0.42350.414，正负离子紧密接

7、触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。在体心立方结构中，同样存在八面体和四面体空隙，但是其形状、大小和位置与面心立方紧密堆积略有不同。设：大球半径为R，小球半径为r。则位于立方体面心、棱心位置的八面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：位于立方体（0.5, 0.25, 0）位置的四面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：因为面心立方结构中，单位晶胞4个原子，；而体心立方结构中，单位晶胞2个原子， 所以，解得：RF = 1.0251RI，或RI = 0.9755RF按照已知密度计算：根据已知离子

8、半径计算：LiO4的棱为小立方体的面对角线：将已知数值代入上式并解方程得：为了分析晶体结构方便起见，金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。但实际上由于C原子之间是共价键，具有方向性和饱和性，每个C原子只与4个C原子形成价键（紧密相邻），所以并没有达到紧密堆积（紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻），其晶体结构内部存在很多空隙。所以其堆积系数仅为34 %，远远小于紧密堆积的74.05%。（a）根据热缺陷浓度公式：由题意 G = 6 ev = 61.60210-19= 9.61210-19 JK = 1.3810-23 J/KT1 = 25+273= 298 K T2 = 1600+27

9、3=1873 K298K： 1873K：（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反应方程为：此时产生的缺陷为杂质。而由上式可知：Al2O3=杂质当加入10-6 Al2O3时，杂质缺陷的浓度为杂质=Al2O3 = 10-6由（a）计算结果可知：在1873 K，热= 810-9显然： 杂质热，所以在1873 K时杂质缺陷占优势。根据热缺陷浓度公式：由题意 G = 84 kJ/molR = 8.314 J/ mol.K1000 K：1500 K： 非化学计量化合物FexO，可认为是 （mol）的Fe2O3溶入FeO中，缺陷反应式为： 2 此非化学计量化合物的组成为：已知：Fe3+/Fe2

10、+0.1, 则： 0.044x2+（13）1 0.956又 0.044正常格点数N1+x1+0.9561.956, 空位浓度为刃型位错螺型位错与柏格斯矢量b的位置关系柏格斯矢量b与刃性位错线垂直柏格斯矢量b与螺型位错线平行位错分类刃性位错有正负之分螺形位错分为左旋和右旋位错是否引起晶体畸变和形成应力场引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小位错类型只有几个原子间距的线缺陷1.离子尺寸因素。从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。若以r1和r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。当它们半径差时，形成连续置换型固溶体。若此值在1530%时，可以形成有限置换型固

11、溶体。而此值30%时，不能形成固溶体。2、晶体的结构类型。形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。结构不同最多只能生成有限固溶体。3、离子的电价因素。只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。4、电负性因素。电负性相近，有利于固溶体的生成。从化学组成、相组成考虑，固溶体、化合物和机械混合物的区别如下表 。固溶体、合物和机械混合物比较（以AO溶质溶解在B2O3溶剂中为例）比 较 项固 溶 体化 合 物机 械 混 合 物化学组成B2-xAx （x =02）AB2O4AO+B2O3相组成均匀单相单相两相有界面六方晶系的晶胞体积, 在两种密度下晶胞的重量分别为W

12、1 = d1v = 5.744.7310-23 = 2.7210-22（g）W2 = d2v = 5.60610-23 = 2.65理论上单位晶胞重密度是d1时为间隙型固溶体，是d2时为置换型固溶体。（a）Al2O3与Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为：=10%15%结构类型相同，均属刚玉型结构。（b）对于MgOCr2O3系统，由于结构类型相差较大，前者为NaCl型，后者为刚玉型。虽然也不可能形成完全互溶的固溶体，而只能是有限固溶。（a） Al3+为间隙离子：缺陷反应为：（1）固溶式分子式：（2）（b）Al3+为置换离子：（3）（4）取100g试样为基准： m（摩尔）mMgOMgO中固溶18

13、%wt的Al2O3后的分子式为：2.035 MgO0.176 Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563 （5）（5）式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O （6）由（6）式得x= 0.137代入（2）（4）式，对（a）有即（b）有固溶前后晶胞体积不变，则密度变化为： （，分别代表固溶前后密度）所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。YF3加入CaF2的缺陷反应方程如下： （1） （2）方程（1）和（2）的固溶式：（1）Ca1-xYxF2+x （2） Ca（1-3/2x）YxF2按题意x=0.2代入上述固溶式得：间隙型固溶体分子式为Ca0.8Y0.2F2.2置换型固溶体分子

14、式为Ca0.7Y0.2F2；它们的密度分别设为1和2。CaF2是萤石型晶体，单位晶胞内含有4个萤石分子。（g/cm3）由1与2计算值与实测密度= 3.64 g/cm3比较，1值接近3.64 g/cm3，因此0.2 mol YF3加入CaF2中形成间隙型固溶体。NiO和Cr2O3固溶入Al2O3的缺陷反应为：固溶体分子式为：取1mol试样为基准，则MNiO0.005 ； mCr2O30.0002 ； mAl2O310.0050.00020.9948 2NiO 2Al2 O3， Cr2 O3 Al2 O3取代前Al2O3所占晶格为：0.99480.005/20.00020.9975mol （Al2

15、O3）取代后各组分所占晶格分别为：Al2O3：0.9948/0.9975 = 0.9973 molNiO： 0.005/0.9975 = 0.005 molCr2 O3： 0.0002/0.9975 = 0.0002 mol取代后，固溶体的分子式为：0.9973 Al2O30.005 NiO 0.0002 Cr2 O3或Al1.9946Ni 0.005Cr0.0004 O2.9975x=0.005, Y=0.00041.9946=20.0050.0004=2xy2.9975=3（0.005/2）x=3-x/2（1）求Si3N4的表面张力；（2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀

16、的槽角60已知LV=90010-3N/m SL=60010-3N/m =70.52SV= SL+ LVCos=60010-3+90010-3Cos70.25=900.1310-3N/m 已知=60 SS=2SV Cos /2 =2900COS60/2 =1.559N/m 由于SV=SL+LVCOS Cos= -0.84 = 14790液态银不能湿润氧化铝瓷件表面，但可以通过降低SL使其小于SV，从而达到湿润的目的。方法：加入一些金属降低SL。分类形成原因形成条件缺陷反应固溶式溶解度热缺陷肖特基缺陷晶 格 热 振 动0K以上MX只受温度控制弗伦克尔缺陷固溶体无限置换型固溶体掺 杂 溶 解， A2

17、+电价=B2+电价，AO结构同BO，电负性相近B1-xAxO受温度控制x = 01有限固溶体间隙型间隙离子半径小，晶体结构开放，空隙大Ca1-xYxF2+x掺杂量固溶度，受温度控制组分缺陷，Ca2+电价Zr4+电价Zr1-xCa 2xO2Zr1-xCa xO2-x非化学计量化合物阳离子缺位环境中气氛性质和压力变化变价元素氧化物在氧化气氛中阴离子间隙阳离子间隙变价元素氧化物在还原气氛中阴离子缺位2008年5月13日1. 试分析H，N，C，B在 -Fe和-Fe中形成固溶体的类型，存在位置和固溶度（摩尔分数）。各元素的原子半径如下： 元素 H N C H -Fe -Fernm 0.046 0.071

18、 0.077 0.0 91 0124 0.1262. MgF2能否具有与CaF2相同的结构?3. 由几个刃型位错组成亚晶界，亚晶界取向差为。设在多边化前位错间无交互作用，试问形成亚晶后，畸变能是原来的多少倍?由此说明，回复对再结晶有何影响?4. 已知锌单晶体的回复激活能为20 000 J/mol，在一50温度去除2的加工硬化需要13d，若要求在5 min.内去除同样的加工硬化需要将温度提高多少?5. 已知含wzn0.30的黄铜在400的恒温下完成再结晶需要1h，而在390完成再结晶需要2h，试计算在420 恒温下完成再结晶需要多少时间?6. 铝单晶体在室温时的临界分切应力为7.9105 Pa。若室温下对铝单晶体试样作拉伸试验时，拉力轴为123方向，求引起试样屈服所需要加的应力。7. 面心立方晶体的可动滑移系为（111）110。（1） 指出引起滑移的单位位错的伯氏矢量；（2） 如果滑移是由纯刃型位错引起的，试指出位错线的方向；（3） 如果滑移是由纯螺型位错引起的，试指出位错线的方向；（4） 指出在上述（2）、（3）两种情况下滑移时位错线的滑移方向（5） 假定在该滑移系上作用一大小为0.7 MPa的切应力，试计算单位刃型位错和单位螺型位错线受力的大小和方向（取点阵常数d0.2 nm）8. 拉伸铜单晶体时，若拉力