材料科学基础课后答案.docx

1、材料科学基础课后答案第一章8计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例(1)NaF(2)CaO(3)ZnS解： 1 、查表得： XNa=,X F=1(0.93 3.98)2根据鲍林公式可得 NaF中离子键比例为： 1 e 4 100% 90.2% 共价键比例为： %=%1 (1.00 3.44)2 100% 77.4%21 e 1/ 4(2.58 1.65) 100% 19.44%2、同理， CaO中离子键比例为： 1 e 4 共价键比例为： %=%3、 ZnS中离子键比例为： ZnS中离子键含量 共价键比例为： %=%10 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义说明稳态结构与亚稳态结构之间的

2、关系。 答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度 的大小，反映转变过程中阻力的大小。稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转 交过程的推动力和阻力 (即热力学条件和动力学条件 ) ，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态 结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定 甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。第二章1回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(

3、001 )与210 ，(111 )与112 ， (110)与 111, (132)与123, (322) 与236 (2)在立方晶系的一个晶胞中画出( 111) 和 ( 112)晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于( 101). (011) 和( 112)晶面上的 111晶向。123 (132)解：2 数。34a=b, c=a/2 。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6 个、 2 个和 4 个原子间距，求该晶面的密勒指 立方晶系的 111, 1110, 123 )晶面族各包括多少晶面写出它们的密勒指数。写出六方晶系的 1012晶面族中所有晶面的密勒指数，在六

4、方晶胞中画出 1120 、 1101晶向和 (1012)晶面，并确定 (1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。5根据刚性球模型回答下列问题：(1)以点阵常数为单位，计算体心立方、面心立方和密排六方晶体中的原子半径及四面体和八面体的间隙半径。(2 )计算体心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子数、致密度和配位数。 6用密勒指数表示出体心立方、面心立方和密排六方结构中的原子密排面和原子密排方向，并分别计算这些晶面和晶 向上的原子密度。解： 1、体心立方1 4 1密排面： 110 ，原子密度： 24 1.414a 22a22密排方向： ，原子密度： 1.15a 13a2、面心立方密排面： 111

5、，原子密度：密排方向： ，原子密度：12 ( 2a) 23 ( 2a) 2.3a22a 1.414a 13、密排六方7求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面 ：(1 )已知室温下 -Fe 的点阵常数为 0. 286nm，分别求出 (100), (110), (123 )的晶面间距 。 (2 )已知 9160C 时 -Fe 的点阵常数为 0. 365nm ，分别求出 (100), (111), (112 )的晶面间距 。(3 )已知室温下 Mg的点阵常数为 a=, c=0. 521nm ，分别求出 (1120), (1010),(1012 )的晶面间距。 8回答下列问题：(1 )通过计算

6、判断 (110) , (132), (311 )晶面是否属于同一晶带(2)求 (211)和 (110 )晶面的晶带轴 ，并列出五个属于该晶带的晶面的密勒指数。 解： 1、根据晶带定律， hu+kv+lw=0 ，可得(110) , (132) 的 晶 带 轴 为 112 3 1+11-2 1=20 或 (132), (311 ) 的 晶 带 轴 为 158- 11+15-08=40故 (110) , (132), (311 )晶面不属于同一晶带2、根据晶带定律， hu+kv+lw=0 ，可得2u+v+w=0u+v=0 联立求解，得： u:v:w=-1:1:1 ，故晶带轴为 111 属于该晶带的晶

7、面： (321)、(312)、(101)、 (011) 、( 431) 等。 9回答下列问题：(1 )试求出立方晶系中 321 与 401 晶向之间的夹角。(2 )试求出立方晶系中( 210)与( 320)晶面之间的夹角。(3 )试求出立方晶系中( 111)晶面与 112晶向之间的夹角。uuur r r r解： 1、根据晶向指数标定法可知：矢量 OA 3i 2j k 必然平行于 321 晶向uuur r r矢量 OB 4i k 必然平行于 401 晶向 则：这两个矢量夹角即为 321 与 401 晶向之间的夹角根据矢量点积公式：uuur uuur OAgOBuuur OAuuurOBcos即1

8、31417cos= uuuruuuruuurrr或 ABOBOAi 2kuuur uuur uuur矢量 OA, OB, AB的模分别为 14, 17, 5根据余弦定理： 5 14 17 2 14 17cos 解得： =2、立方系中同指数的晶面与晶向相互垂直，故( 210)与( 320)晶面之间的夹角与 210 与320 晶向之间的夹角相等，uuur r r根据晶向指数标定法可知：矢量 OA 2i 1j 必然平行于 210 晶向uuur r r矢量 OB 3i 2j 必然平行于 320 晶向 则：这两个矢量夹角即为 210 与 320 晶向之间的夹角根据矢量点积公式：uuur uuur OAg

9、OBuuur OAuuurOBcos即 8 5 13cos=uuur uuur uuurrr或 AB OB OA i juuur uuur uuur矢量 OA, OB, AB的模分别为 5, 13, 2 根据余弦定理： 2 5 13 2 5 13cos 解得： =3、由于( 111)晶面与 112晶向之间满足晶带定律： hu+kv+lw=0 ， 根据晶带定律可知，立方晶系中( 111)晶面与 112晶向平行，故他们之间的夹角为 0。方法 2，1、求 111 与 112之间夹角为 902 、( 111)与 112 之间夹角为 0第四章1纯 Cu 的空位形成能为 atom (1aJ=10 -18J

10、) ，将纯 Cu加热至 850后激冷至室温 (20 ) ，若高温下的空位全部保留， 试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。exp 1.5 10 23 ( 1 1 )1.38 10 23 850 273.15 20 273.153Ag= 9. 58g/crn 3 ,银的摩尔质量为 MAg=107.274.22已知银在 800下的平衡空位数为 3. 6 1023/m3，该温度下银的密度9g/mol ，计算银的空位形成能。解：平衡空位浓度： Cv Aexp uv kT5.34 1028 /m31m 3内银原子总数： N N0 Ag 6.02 1023 9.58 106M Ag 107.9233

11、.6 1023 u28 1 exp 235.34 1028 1.38 10 23(800 273.15) u 1.76 10 19 J /atom3空位对材料行为的主要影响是什么4某晶体中有一条柏氏矢量为 a 001 的位错线，位错线的一端露头于晶体表面，另一端与两条位错线相连接，其中 一条的柏氏矢量为 a / 2111 ，求另一条位错线的柏氏矢量。答：根据柏氏矢量的守恒性，另一条位错的柏氏矢量为：aaa110 111 111225在图 4-52 所示的晶体中， ABCD滑移面上有一个位错环，其柏氏矢量 b 平行于 AC(1) 指出位错环各部分的位错类型。 (2) 在图中表示出使位错环向外运

12、动所需施加的切应力方向。 (3) 该位错环运动出晶体后，晶体外形如何变化答：( 1)位错环和与 AC平行的直线相切的部分为纯螺位错，位错环和与AC垂直的直线相切的部分为纯刃位错，其余部分为混合位错，作图(2)切应力与 b 平行，作用在晶体上下两面上。 t b多余原子面，作图(3)of 段处于非滑移面上，位错的柏氏矢 of 段因处于非滑移面是固定不动的) ， ，晶体外协 如 1 可贾 化沿 b 方向滑出一个柏氏矢量单位的距离6在图 4-53 所示的晶体中有一位错线 fed, de 段正好处于位错的滑移面上， 量 b 与 AB平行而垂直于 BC, (1) 欲使 de段位错线在 ABCD滑移面上运动

13、 应对晶体施加怎样的应力 (2 )在 上述 应力作用下 de 段位错线如何运动 7在图 4-54 所示的面心立方 晶体 的 ( 111)滑移 面上有 两条弯 折 的位错线 OS和 OS 其 中 OS 位错 的台阶4-55a, b 所示。设其中一条位错线 AB (1) 交 图 a) (2) 交截前两条刃位错的柏氏矢量相互平行的情况 (图 b) r ；和 r ：的位错环，其中 rlr2 ，它们的柏氏矢量相同，试问在切应力垂直十 (111), 它们的桕氏天量如图中箭头 P)rT o 0 )判断位错线上各段位错的类型。 (2 )有一切应力施加 于滑移面，且与柏氏矢量平行时，两条位错线的滑移特征有何差异

14、8在两个相互垂直的滑移面上各有一条刃型位错线，位错线的柏氏矢量如图 在切应力作用下发生如图所示的运动， 试问交截后两条位错线的形状有何变化各段位错线的位错类型是什么 截前两条刃位错的柏氏矢量相互垂直的情况 9在晶体的同一滑移面上有两个直径分别为 作用下何者更容易运动为什么 10判断下列位错反应能否进行：a 2 2 2 2 3 2 2( 12 12 12 )2 a222 满足几何条件，但反应后能量增加，故反应不能进行。11. 若面心立方晶体中”一号 101 的全位错以及”一音 C1211 的不全位错，此两位错相遇发生位错反应，试问(1) 此反应能否进行为什么 (2) 写出合成位错的柏氏矢量，并说

15、明合成位错的性质 12在面心立方晶体的“)面上有”一号叮。彐的位错，试问该位错的刃型分量及螺型分量应处于什么方向上， 在晶胞中画出它们的方向，并写出它们的晶向指数。13已知 Cu的点阵常数为 0. 255nm ，密度为 8. 9g/cm 摩尔质量为 63. 54g/mol 。如果 Cu在交变载荷作用下产生的空位浓度为 5 X 10-4 ，并假定这些空位都在 111面上聚集成直径为 20nm 的空位片，（相当于抽出一排原子而形成 位错环） （1） 计算 lcm3 晶体中位错环的数 目。 （2 ）指出位错环的位错类型。 （3 ）位错环在 111面上 如何运动14为什么点缺陷在热力学上是稳定的，而位

16、错则是不平衡的晶体缺陷了15 柏氏矢量为答巨 10的全位错可以在面心立方晶体的哪些 111面上存在试写出该全位错在这些面上分解为两个 a/6分位错的反应式。16根据单位长度位错应变能公式（ 4-7） 以及位错密度与位向差的关系式（ 4-10） ，推导出小角度晶界能 Y（ ；与 0 之 间的关系式： 汽=Y,）B （ B 一1nB式中、 4洽h-o l 。为与位错中心。能有关的积分常数提示：在式（ 4-7 ）中未考虑位错中心 （YGYo）的错排能，推导时可另加上一常数项。17金属在真空高温加热时，抛光表面上晶界处由于能量较高，原子蒸发速度较快因而产生沟槽，这一沟槽常称为热 蚀沟，假定自由表面的表

17、面能为晶界能的三倍，且晶界与表面垂直，试在图上画出各项界面能之间的平衡情况，并计 算热蚀沟底部的二面角。18在如图 4-56 所示的 Cu 晶界上有一双球冠形第二相 、 Cu晶粒工 R，已知 Cu 的大角度晶界能为 0. 5J m -,丫一一荟一一月一汤一一丫 （l ）分别计算当“一 0, ）=400, ）=60 时 Cu与第二相之间 C 晶痴一的相 界能。 （2 ）讨论晶界上第二相形态与相界能及晶界能之间的关图 4-56 系。19表面为什么具有吸附效应物理吸附及化学吸附各起源于什么试举出生活中的例子说明吸附现象的实际意义。 20。从热力学角度解释润湿现象的本质。第五章 1按不同特点分类，固溶

18、体可分为哪几种类型影响置换固溶体固溶度的因素有哪些 2影响固溶体的无序、有序和偏聚的主要因素是什么3. （ 1）间隙化合物与间隙固溶体有何根本区别（2） 下列中间相各属什么类型指出其结构特点及主要控制因素： MnS, Fe3C, Mg2Si, SiC, Cu31Zn8, Fe,N, WC, Cr23C64.陶瓷材料中的固溶方式与金属相比有何不同影响陶瓷材料中离子代换或固溶度的因素有哪些5.铋（熔点为 271.5 ）和锑 （ 熔点为 630.7 ）在液态和固态时均能彼此无限互溶， wBi=50的合金在 520 时开始结晶出成分为 wSb = 87%的固相。 wBi =80 的合金在 400 时开

19、始结晶出成分为 wSb =64%的固相。根据上述条件， （1） 绘出 Bi-Sb 相图，并标出各线和各相区的名称。（2 ）从相图上确定含锑量为 wSb =40 合金的开始结晶和结晶终了温度，并求出它在 400时的平衡相成分及相对量。2）含锑量为 wSb =40 合金的开始结晶约 484和结晶终了温度约 332 wSb =40 合金在 400时的平衡相成分为液相 （20%锑）和铋固溶体 （64%锑） 相对量由杠杆定律求出：6、根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图， A组元的熔点为 1000， B组元的熔点为 700。 wB=25的合金在 500凝固完毕，含初生相，其余为共晶体 （+）。含 50

20、B的合金也在 500凝固完毕，含 40初生相，其余为共晶 体（+），此合金中相的总量占合金总量的 50，试画出此 A B二元相图 （ 假定相及相的固溶度不随温度而改变）。解：设共晶反应的三个成分点（、 L、）含 B量依次为 x,y,z则根据杠杆定律：7根据下列条件绘制 A-B 二元相图。已知 A-B 二元相图中存在一个液相区 （L）和七个固相区 （a, 阝、Y, S, u, 。、匀，其中。、 （3, ）, S, pc 是以纯组元为基的固溶体，。和安是以化合物为基的固溶体 （中间相）、。相中含 B 量小 、勺、于份相中的含 B 量。相图中存在下列温度， 且 T, T273.Tn ，其中 T- T

21、；分别为纯组元 A和 B的熔点； T2,T7,Tiu 为同素异构转变温度； T3 为熔晶转变温度； TS为包晶温度； T6 为共晶转变温度； 7 ：为共析转变温度； T9, Tii 为 包析转变温度。8. （1） 应用相律时须考虑哪些限制条件（2） 试指出图 5-115 中的错误之处，并用相律说明理由，且加以改正 。解：（ 1） 相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下各相的温度应相等 （热量平衡）；各相的压力应相 等 （机械平衡）；每一组元在各相 中的化学位必须相同 （化学平衡 ）。2） 相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量。3） 相律不能预告反应动力学 （速度）。4

22、） 自由度的值不得小于零 。 （2）主要错误如下：a.两相平衡自由度不为 0，b.纯组元相变，两相平衡， f=0 ，温度固定；c.二元合金最多只能三相平衡，不能四相平衡，三相平衡时 f=0 ，相成分唯一，不能变动。d.二元合金最多三相平衡时自由度为零，温度不变，三相平衡线为水平线 9分析 wC= 0. 2的铁一碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图，说明各阶段的组织， 并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的相对量。10计算 wC=3%C的铁- 碳合金室温下莱氏体的相对量；组织中珠光体的相对量；组织中共析渗碳体的相对量。 解：莱氏体的相对量：组织中珠光体的相对含量：组织中

23、共析渗碳体的相对含量：11 利用 Fe-Fe 3C相图说明铁一碳合金的成分、组织和性能之间的关系。 12试比较匀晶型三元相图的变温截面与二元匀晶相图的异同。13图 5-116 中为某三元合金系在 T,. T2 温度下的等温截面。若 7, T2 ，此合金系中存在哪种三相平衡反应 14利用所给出的 Fe-Cr-C 系 wc. =17 的变温截面。（” 填写图 5-117 上空 白相区 。（2 ）从截面图上能判断哪一些三相区的三相反应用什么方法是什么反应（3 ）分析 we=写的合金平衡凝固过程。8. （ 1）应用相律时必须考虑哪些限制条件（2）利用相图10. 含wC=3%C的铁 -碳合金室温下莱氏体

24、的相对量；组织中珠光体的相对含量；组织中共晶渗碳体的相对含量。 第六章 简述二元合金平衡凝固的特点 答：二元合金平衡凝固的特点：1、液相中溶质原子通过迁移（对流 +扩散）而分均匀，固相中溶质原子通过扩散也分布均匀；2、固相及液相的成分随温度变化而变化，但在任一温度下都达到平衡状态； 3、结晶后晶粒内成分均匀，无宏观偏析及微观偏析。1液体金属在凝固时必须过冷，而在加热使其熔化却毋需过热，即一旦加热到熔点就立即熔化，为什么 今给出一组典型数据作参考： 以金为例，其 SL=, LV=, SV=分别为液 -固、液-气、固-气相的界面能（单位 J/m 2）。解：液体金属在凝固时必须克服表面能，形核时自由

25、能变化大于零，故需要过冷。固态金属熔化时，液相若与气相接 触，当有少量液体金属在固相表面形成时，就会很快覆盖在整个表面 （因为液体金属总是润湿同一种固体金属 ） 。由于熔化时， ? GV=0，所以 ? G=? GV+? G（表面）= ? G（表面） ，因为液体金属总是润湿同一种固体金属，即表面能变化 决定过程能否自发进行，而实验指出： SV= LV +SL=+=，说明在熔化时，表面自由能的变化 ? G（表面） 0。即不存在表面能障碍，也就不必 过热。2式（ 6-13） 为形核率计算的一般表达式。对金属，因为形核的激活能（书中用 或 G* ）相比甚小，可忽略不计，因此金属凝固时的形核率常按下式作

26、简化计算3试对图 6-9 所示三种类型材料的生长速率给予定性解释。 4本章在讨论固溶体合金凝固时，引用了平衡分配系数和局部平衡的概念，并说明了实际合金的凝固处在图 6-16 中曲线 2 和曲线 3 这两个极端情况之间。为了研究实际合金的凝固，有人提出有效分配系数 ke, k 。定义为 k,= （CS）, /（CL）B ，即界面上的固相体积浓度（ Cs）; ；与液相的整体平均成分（ CI-） 。之比。1） 试说明由于液相混合均匀程度的不同， k。在 k。与 1 之间变化。较慢凝固时 k,-ko ，快速凝固时 k,-1,2）画出 ke=ko, k,=1 和 koke1 这三种溶质分布曲线的示意图。

27、5某二元合金相图如图 6-45 所示。今将含 WB40的合金置于长度为 I, 的长瓷舟中并保持为液态，并从一端缓慢地 凝固。温度梯度大到足以使液一固界面保持平直，同时液相成分能完全均匀混合。1）试问这个合金的 k。和 k 。是多少2） 该试样在何位置 （以端部距离计）出现共晶体画出此时的溶质分布曲线。3） 若为完全平衡凝固，试样共晶体的百分数是多少4）如合金成分为含 wu 5 ，问 2）, 3 ）的答案如何5） 假设用含 wa5的合金作成一个大铸件，如将铸件剖开，问有无可能观察到共晶体6仍用上题的合金相图， 如合金含二 elooo ，也浇成长棒 自一端缓慢凝固， 其溶质分布为 XS=koxo（

28、1- f） “一 （等 同于式（ 6-28） ，式中 f 为凝固的长度百分数， Xs, x 。为摩尔分数。1） 证明当凝固百分数为 f 时，固相的平均成分为2） 在凝固过程中，由于液相中的溶质含量增高会降低合金的凝固温度，证明液相的凝固温度 T（ 与已凝固试样的分数 f 之间的关系为 式中， T、为纯溶剂组元 A 的熔点， m,为液相线的斜率。3）在图上画出凝固温度为 7500C, 7000C, 6000C, 5000C 时的固相平均成分二 So7参考 Cu-Zn （图 6-46 ）和 Cu-Sn合金相图 （图 5-44） ，试对比 Cu-30Zn 和 Cu-IOSn 合金在做铸件时： 1）

29、哪种合金的疏松倾向较严重2） 哪种合金含有第二相的可能性大3） 哪种合金的反偏析倾向大8说明成分过冷在理论上和实际生产中的意义。9说明杂质对共晶生长的影响。10比较普通铸造、连续铸造和熔化焊这三种凝固过程及其组织。第七章870 下渗碳1 钢的渗碳有时在 870 而不是在 927 下进行，因为在较低的温度下容易保证获得细晶粒。试问在 要多少时间才能得到相当于在 927 下 10h 的渗层深度（渗碳时选用的钢材相同，炉内渗碳气氛相同。关于碳在 -Fe 中的扩散数据可查表 7-4） 解： 根据 Fick 第二定律c cs (cs c0 )erf ( )2 Dt在渗层深度相同时，在该深度的碳浓度为一定

30、值，则2今有小量的放射性 Au沉积在金试样的一端，在高温下保持 24h 后将试样切割成薄层，距放射源不同距离测量相应位置的放谢性强度，其数据如下：距离放射源位置小 m 10 20 30 40 50相对放射强度求 Au 的扩散系数。（这是测定物质扩散系数的一种常用方法。 沉积的放射性 Au总量是恒定的，各个位置的放射强度与其所含的放射 性 Au原子数成正比）3自扩散与空位扩散有何关系为什么自扩散系数公式 （ 7-18） 要比空位扩散系数 公小得多 （Dv=Dlnv, n：为空位的平衡浓度）4- 1）为什么晶界扩散和体扩散 （或点阵扩散）对扩散的相对贡献为 D,81D,d （D,- D ，分别为晶界和点阵扩散系数，8, d 分别为晶界厚度和晶粒直径。为简单计，将晶粒设想为一立方体，试用菲克第一定律写出此关系）2） 利用表 7-4 给出的 Ag 的晶界扩散和体扩散数据，如晶界厚度为 。. 5nm, Ag 的晶粒尺寸 d=IOzpm，试问