《材料科学基础》作业.docx

1、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

2、，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

3、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

4、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 3L4 4L3 6L2 9PC ，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Si2O76-、Si2O64-、Si4O104-、AlSi3O81-，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

5、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）abc、=90的晶体属于什么晶族和晶系？（2）abc、=90的晶体属于什么晶族和晶系？（3）能否据此确定这2种

6、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内离子在或方向是否相接触？（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 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0.140 nm。试求MgO的密度和堆积系数（致密度）K。10、（2-24）下列硅酸盐化合物属于什么结构

7、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

8、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）

9、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

10、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

11、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(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

12、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(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PS

13、K、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(C)=0.2%、(C)=0.6%、(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Al2O3SiO2相图，A3S2（3 Al2O32 SiO2）为莫来石固溶体，共晶成分E1点为10wt%Al

14、2O3，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

15、，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

16、、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t0时，x=0处，=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， Dc=1.110 -7 cm2/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Dc=3.610 -2 mm2/h，若渗层深度定为从表面

17、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=2.010 -5 m2/s，Q=140 KJ/mol，求：（1）在上两温度下，碳在铁中的扩散系数。（2）若忽略不同温度下碳在铁中的溶解度差别，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，9004h生成的Fe2B层厚度为0.068mm，9604h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

18、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ko1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 。