武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案-第一套试题 武汉理工大学《材料科学基础》考试试题 第一套试卷 一、填空题（共20分，每个空1分） 1、村料科学要解决的问题就是研究材料的（）与（）、（）、材料性质、使用性能以及环境间相互关系及制约规律 2、晶体结构指晶体中原子或分子的排列情况，由（）+（）而构成晶体结构的形式是无限多的 3、热缺陷是由热起伏的原因所产生的，（）缺陷是指点离开正常的个点后进入到晶格间隙位置，其特征是空位和间隙质点成对出现：而（）缺陷是指点有表面位置迁移到新表面位置，在晶体表面形成新的一层，向时在晶体内部留下空位 4、硅酸盐熔体随着温度升高，低聚物浓度（），熔体的粘度（） 5、玻璃的料性是指玻璃的（）变化时（）随之变化的速率 6、固体的表面粗糙化后，原来能润湿的液体，接触角将（），原来不能润湿的液体，接触角将（） 7、克肯达尔（Kirkendall）效应说明了互扩算过程中各组元的（）不同以及置换型扩散的（）机制 8、按照相变机理可以将相变分成（）、（）、乃氏体相变和有序-无序转变 9、晶体长大时，当析出晶体与熔体组成相同时，晶体长大速率由（）控制，当析出晶体与熔体组成不同时，晶体长大速率由（）控制 10、同一物质处于不同结构状态时，其反应活性相差很大，一般来说，晶格能愈高、结构愈完整和稳定的，其反应活性也（）。
二、判断题（共10分，每个题1分） 1、（）位错的滑移是指在热缺陷或外力作用下，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 2、（）间隙扩散机制适用于间隙型固溶体中间隙原子的扩散，其中发生间隙扩散的主要是间隙原子，阵点上的原子则可以认为是不动的 3、（）要使相变自发进行，系统必须过冷（过热）或者过饱和，此时系统温度、浓度和压力与相平衡时温度、浓度和压力之差就是相变过程的推动力 4、（）扩散系数对温度是非常敏感的，随着温度升高，扩散系数明显降低 5、（）当晶核与晶核剂的接触角越大时，越有利于晶核的形成 6、（）固相反应的开始温度，远低于反应物的熔点或者系统的低共融温度 7、（）烧结过程中的初次再结品和次再结晶，其推动力都是晶界过剩的界面能 8、（）NaCl晶体的表面质点在表力作用下发生重排，Na+被推向外侧，C1-拉向内侧前形成了双电层结构 9、（）硅酸盐熔体中，形成玻璃的倾向大小和熔体中负离子团的聚合程度有关，聚合程度越低，越不容易形成玻璃，聚合程度越高，越容易形成玻璃 10、（）形成置换型固溶体时，只要原子或离子半径差小于15%，就可以形成连续型固溶体。
三、作图题（共8分） 1、作图表示立方晶系的晶体中（112）晶而和[112]晶向（标出坐标系） 2、如果同时考虑本征缺陷和杂质缺陷在晶体中扩散的作川，作图说明扩算系数与温度的关系 四、根据尖晶石（MgAl2O4）结构示意图回答下列问题（14分）； 1、指出结构中各离∫的堆积方式及空隙填充情况； 2、写出各离的配位数及配位多面体； 3、计算说明O2-的电价是否饱和？ 4、计算图（a）中的晶胞分子数； 5、解释正、反尖晶石的含义 五、写出下列缺陷反应方程式（共6分） 1、AgCl形成弗伦克尔缺陷； 2、MgQ形成肖特基缺陷； 3、CaO溶入ZrO2基质中形成置换型固溶体 六、简答题（共9分，每个题3分） 1、2222Na 2SiO Na O i O S O ??、和NaCl 三种物质，那个最容易形成玻璃？哪个最不容易形成玻璃，为什么？ 2、烧结过程可分为哪几个阶段？其特种如何？烧结的推动力是什么？ 3、α-石英转变成α-磷石英（1000℃）的体积效应为16%，而β-石英转变为α-石英（537℃）的体积效应仅为0.82%，而硅砖的烧制和使用过程中在537℃都要对升温速度进行严格控制，为什么？ 七、推导及说明（10分） 1、推导出成核生长相变过程中，均态核化临界晶核半径和形成临界晶核时的相变势垒关系式； 2、作出过冷度与成核速率的关系图，并说明成核速率与过冷度关系。
八、计算及讨论（10分） 粒径为1μm 球状Al2O3由过量的MgO 颗粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定温度下，第l h 有20%的Al2O3起了反应，计算完全反应的时间 1、用杨德方程计算； 2、用金斯特林格方程计算； 3、讨论分析造成两个方程计算结果差异的原因 八、相图题（15分） 1、判断化合物S 的性质； 2、划分副三角形并用箭头标出各界线的温度下降方向及性质； 3、指出各无变量点的性质，写出其平衡关系式； 4、出熔体M1、M2在平衡条件下的冷却结晶过程； 5、写出组成点M3在完全平衡条件下进行加热时，开始出现液相的温度和完全熔融的温度写出完全平衡条件下进行冷却，结晶结束时各物质的分含量（用线段比表示） 第一套试卷武汉理工大学考试试题答案 一、填空题（共20分，每个空1分） 1、组成、结构、制备过程（合成加工过程） 2、空间点阵、结构基元 3、弗伦克尔、肖特基 4、增加、降低 5、温度、粘度 6、减小、增大 7、扩算系数、空位或者（空位扩散） 8、成核-生长相变、连续型相变或不稳分解相变或斯宾那多分解 9、界面、扩散 10、越低 二、判断题（共10分，每题1分）√ 1、× 2、√ 3、√ 4、× 5、× 6、√ 7、× 8、× 9、√ 10、× 三、作图题（共6分，前2个图3分，后1个图3分） 四、晶体结构（14分） 1、3分。
结构中O 2?作面心立方最紧密堆积，Mg 2+填充在四面体空隙，Al 3+离子占据八面体空隙Mg 2+填充四面体空隙的1/8，而Al 3+离子占据八面体空隙的1/2. 2、3分O 2?离子的配位数为4，配位多体为[OMgAl 3]Mg 2+离子的配位数为4，配位多面体为[MgO 4]，Al 3+离子的位数为6，配位多面体为[AlO 6] 3、3分O 2?O 2?离子电价相符，所以O 2?的电价是饱和的 4、2分由于一个尖晶石晶胞中含有8个Mg 2+离子，所以晶胞中含自8个尖晶石分子，即8MgAl 2O 4 5、3分在尖晶石结构中，如果A 离子占据四面体空隙，B 离子据八面体空隙，则称为正尖晶石 如果半数的B 离子占据四体空隙，A 离子和另外半数的B 离子占据八面体空隙，则称为反尖晶石 五、缺陷反应力程式（共6分，每个2分） 1、?Ag i Ag Ag Ag +V '→2、Mg O 0V V ??''→+ 3、2ZrO Zr O O CaO Ca V +O ???''???→+八、问答题（共9分，每题3分） 1、最容易形成玻璃的是Na 2O·2SiO 2，最不容易形成玻璃的是NaCl （1分），因为NaCl 是例子晶体，离子键化合物形成熔体其结构质点是正、负离子，在熔融状态以单独离存在，流动性大，粘度很低，在凝固温度靠静电力迅速组成晶格，不易形成玻璃（l 分）。
硅酸盐熔体形成玻璃倾向的大小和熔体中负离于团的聚合程度有关，聚合度越低，越不容易形成玻璃，Na 2O·2SiO 2中O/Si 小于Na 2O·2SiO 2，硅氧负离子团大，所以容易形成玻璃1分） 2、烧结分成初期、中期和后期二个阶段（1分）；特征（1分）：烧结初期胚体中颗粒重排，接触处产生键合，大气孔消失，但总的比表面积变化不大；烧结中期传质开始，粒界增大，空隙进步缩小变形，但仍然联通呈隧道状；烧结后期传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，制晶强度提高，密度大理论密度的95%以上烧结推动力是系统过剩的表面能（1分） 3、因为α-石英转变成α-磷石英（1000℃）属于重建性转变，转变速度慢（1分），在实际生产 中的正常加热或冷却速度下，体系温度变化速度快于多晶转变速度，因此往往转变不及发生就偏离转变温度，体积效应不明显：而β·石英转变为α石英（537℃）属于位移性转变，转变速度很快（1分），转变速度快于体系变化速度，因此位移性体积效应甚常突出，在升温和降温过程中如果控制不当，往往使制晶开裂或影响使用寿命，（1分） 七、推导（10分） 当溶液中形成半径为r 的球形新时，整个系统自由含的变化有： 32443 r r ls G r G ππγ?=?+（2分） 形成临界晶核时，系统自由焓变化达到最大，因此临界晶核半径由自由焓变化对r 微分，并使其等于0来决定，所以有： 2,12803 l s r d G r r G dr ππ?=+?=（1分） 因此可以解得： *2LS V r G γ=??（2分） 将临界晶核半径带入自由焓变化式子，可得： 3216*3() rs r G G πγ?=?（1分） 均态成核速度和过冷度关系图如下所示：（2分） 随着过冷度增加，相变的推动力增大，成核速度加快，但经过最大值后继续冷却，核化速率降低，这是由于在过冷度很大时，温度过低，扩散过程非常缓慢，因而使成核速度下降。
2分） 八、计算题（10分） 1、已知反应时间为1 h 时，G=20% 由杨德方程21/31(1)G Kt ????=??可得2 1/31(1)/K G t ??=????（2分） 求出该温度下的杨德方程常数21/31(10.2)/10.00513K ??=??=??（1分） 当G=100%时，2 1/31(1)/1/0.00513194h t G K ??=??==??（1分） 由杨德方程计算出完全反应时间为194小时 2、由金斯特林格方程2/321(1)3G G Kt ???=可得到2/3)3 21(1/K G G t =???（2分） 由已知条件可以求出2/321*0.2(10.2)/10043 .089K ?=???= ?∣（1分） 当G=100%，2/321*0.2(10.2)/(12/3)/0.0048968.1h 3t K ?=???=?= ? ∣（1分） 3、杨德方程采用了球状模型但却保留了扩散截面恒定的不合理假设，因此只在转化度较小时适用；而金斯特林格方程采用了杨德的球形模型，但放弃了扩散截面不管的假设，因此两者计算结果不同，金斯特林格方程具有更好的适用性。
2分） 九、相图题（15分） 1、化合物S 是不一致熔融的二元化合物（1分） 2、可划分成3个副三角形ΔASC 、△BSC 和ΔASB ，界线和温度。