材料科学与工程复习思考题.docx

1、材料科学与工程复习思考题第1章 绪论思考题1材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2材料科学与工程定义解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。3按材料特性，材料分为哪几类？ 金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？ 高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。4金属无机非金

2、属材料高分子材料的基本特性解：金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。 无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式： 粉末制坯、烧结成型。 高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f

3、.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。第2章 物质结构基础 Structure of Matter思考题1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数ml、自旋量子数ms2在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。影响因素： 共价键数； 原子的有效堆积（离子和金属键合）。4电离能及其影响电离能的因素解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。影响因素：同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；同

4、一族，原子半径增大，电离能减小；电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；5混合键合实例解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合； 高分子：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。作业题2-1 按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p2 Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p52-2 88.83%的镁原子有13个中子，11.1

5、7%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原子质量。解： 镁原子的质子为12 镁原子的相对原子质量M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.113在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？解：在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。在同一主族中，各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。 在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素中，从上到下电子层数增多，原子半径增大

6、，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。4比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。解：金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而

7、论。5比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点密度导电性导热性弹性模量和塑性有何影响。解：键能大小：化学键能 物理键能共价键 离子键 金属键 氢键 范德华力共价键中： 叁键键能 双键键能 单键键能 结合键的主要特点：金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；共价键共用电子对，有饱和性和方向性；范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。结合键类型及键能大小对材料的熔点密度弹性模量和塑性的影响：结合键的键能大小决定材料的熔点高

8、低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。高分子中由于是通过二次键结合，分子

9、之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。陶瓷250600GPa，金属70350GPa，高分子0.73.5GPa。塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。思考题1空间点阵，配位数解：空间点阵：一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。 配位数：一原子最邻近的、等距离的原子数。2晶面指数，

10、致密度解：晶面指数：指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得到的3个整数。 致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。3液晶及其液晶的分类（从分子排列的有序性类，按液晶的形成条件分类）解：液晶：某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后，失去固态物质的刚性，变成具有流动性的液态物质，但结构上保存一维或二维有序排列，物理性质上呈现各向异性，兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。1从分子排列的有序性分类：a.丝状相（向列相）；b. 螺旋状相（胆甾相）;c.层状相（近晶相）2按液晶的形成条件分类：a.热致液晶；b.溶致液晶4同素异构转变，并举例说明。解：同素异构转变：改变温度或

11、压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。例：铁在不同温度下晶体结构不同， 30%， 难置换，不能形成固溶体 B键性（极化） 两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大；溶质与溶剂元素间的电负性差增大，固溶度减小，倾向于生成稳定的金属化合物，而不利于形成固溶体。生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度愈小。 C 晶体结构类型和晶胞大小 当组元A和B有相同晶体结构， B原子才有可能连续不断地置换A原子，固溶度较大； 晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体 D电价（原子价，电子浓度 ）原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固溶度降低。思考题1晶体缺陷的分类。 肖脱基缺陷 (Sc

12、hottky Defect) 弗仑克尔缺陷 (Frenkel Defect)： 点缺陷对晶体性质的影响解：肖脱基缺陷：有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱 基（空位）缺陷。点缺陷对晶体性质的影响： 点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。 1）使材料电阻增加 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散 射增加； 2）加快原子的扩散迁移 空位的迁移伴随原子的反向运动； 3）使材料体积增加，密度下降 4）比热容增大 附加空位生成焓 5）改变材料力学性能 间隙原子和异类原子的存在，增加

13、位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。 2柏氏矢量的物理意义。解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小。3简述刃型位错、螺型位错与位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。解：刃型位错滑移方向与位错线垂直；螺型位错滑移方向与位错线平行。4位错的运动及其特点。解：位错的滑移：在外力作用下，位错线在滑移面（即位错线和柏氏矢量构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。滑移是位错运动的主要方式。特点：a.刃型位错滑移方向与外力及柏氏矢量平行，正、负位错滑移方向相反；b.螺型位错滑移方向与外力及柏氏矢量垂直，左、右螺型位错滑移方向相反；c.混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量成一定角度（即沿位错法线方向滑移）；

14、d.晶体的滑移方向与外力及柏氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。位错攀移，在热缺陷或外力下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。a.位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的，螺型位错没有多余半原子面，固无攀移运动；b.由于位错攀移需要物质的扩散,因此，不可能是整条位错线同时攀移，只能一段一段地逐段进行；c.单晶生长利用位错攀移来消灭空位。思考题一体积（晶格）扩散的微观机制类型解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。包括3种微观扩散机制：空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。直

15、接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置。二为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择Fe相区中进行?若不在相区进行会有何结果?解：Fe中的最大碳溶解度(质量分数)只有0.02l8，对于含碳质量分数大于0.0218的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表面也不能获得高含碳层；由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。Fe中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度，使渗碳顺利进行。三比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。1温度对扩散系数的影响2金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3体积扩散系数（晶格

16、或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）4间隙固溶体的扩散系数 与置换型固溶体的扩散系数 。5铁的自扩散系数 (Fe ) 与 ( Fe )解：1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。共价键晶体和离子键晶体的扩散系数金属键晶体的扩散系数。3.晶体结构反映了原子在空间的排列情况，原子排列越紧密，原子间的结合力越强，扩散激活能越高，而扩散系数越小；处于晶体表面、晶界

17、和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子，他们扩散所需的活化能也较小，相应的扩散系数较大。4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。5. (Fe )属于体心结构，( Fe )属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数D-Fe与在体心立方点阵的D-(Fe)相比， 在912时，D-(Fe)280D-Fe作业题2-45在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。100

18、0时扩散系数为310 - 11m s -1，且结构为面心立方(a0.365nm)。问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？ 解：计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度 C1 1/20(0.36510-9)3 1.031027 个/m3 C2 1/30(0.36510-9)3 0.681027 个/m3 J = - D c /x -（310 - 11）（0.68-1.03）1027/10-31.051019 /m2 s 每一个单位晶胞的面积为(0.36510-9)2 每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数: Ja = (1.051019 /m2 s) (0.36510-9)26084个/min

19、每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有84个。2-47含0.18%碳的碳钢在927今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2s-1，若表面含碳量为1%，试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间。解：Cs=1% C0=0.18% Cx=0.3%，即由误差函数表可知， 得t=1.84h距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间为1.84h。2-48含0.20%碳的碳钢在927今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2s-1，若表面含碳量为1.2%，试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。解：Cs=1.2% C0=0.20%，即 ，得Cx=0.32%渗碳10h后距

20、表面1.5mm处的碳含量为0.32%。2-49计算550时铜在铝中的扩散系数（D0=1.5*10-5m2s-1,Q=191kJmol-1）。解：550时铜在铝中的扩散系数为。思考题1固态相变，结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？解：1固态相变 在温度、压力、成分改变时。固体材料的内部组成结构（相成分、结构和有序度的变化）所发生的转变。2结构驰豫 刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发生变化，达到另一种亚稳态。3非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点： 都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。 非晶态晶化: T Tg ，相变驱动力大，成核功小，利于成核和 晶体

21、生长； 粘度大，固相内扩散，扩散慢 ，不利于成核和 晶体生长，更有利于保持非晶状态。 熔体冷凝结晶： TgTTm，液体内的扩散2在 fg点之间的不同成分的合金，标注其室温组织的构成?解：不同成分合金的室温组成如下图所示：3分别求W(Sn)=61.9% 和W(Sn)=50%时，在183转变时，各相的相对含量?解：W(Sn)=61.9%，W(Sn)=50%，思考题1固体表面结构的主要特点? 解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；2固体表面对外来原子发生哪两种吸附? 并比较其主要特征? 解：物理吸附

22、、化学吸附主要特征物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力选择性不明显很显著吸附热近于液化热0-20kJ/mol近于反应热80-400kJ/mol吸附速度速度快易平衡速度慢难平衡吸附层单或多分子只能单分子3分析讨论影响材料表面能的因素 ?解：表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。作用力弱，做功小，表面能低。1） 键性：表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。 低表面能物质：水0.059，石蜡 0.03， PE 0.035，PTFE 0.023，PA66 0.0472） 温度：温度升高，表面能一般减小。热运动削弱了质点间的吸引力。3） 杂质：含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小。4三种润湿的数学表达式? 共同点及其规律? 解：沾湿：WA = G = Sg + Lg SL 2润湿：Wi= G = sg - sL 3铺展：S = G = sg - Lg - sL 三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气(或液/气)界面消失，被固/液界面取代三种润湿的规律：沾湿 粘附功 Wa = A+ Lg Wa = Sg + Lg SL