材料科学基础思考题

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1、材料科学基础思考题1. 解释下列名词的含义： 晶体:固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体非晶体:固态下原子或分子在空间呈无序排列，则称之为非晶体晶格:用于描述原子在晶体当中排列形式的空间格架（点阵）晶胞:反映该晶体结构(点阵)的特点的最小组成单元称为晶胞晶格常数:晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。称为点阵常数（晶格常数）致密度:晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。晶面指数:实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶向指数:实际表示一组原子排列相同的平行晶向。晶体的各向异性:在晶体中, 不同晶面和晶向上

2、原子排列的方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。点缺陷:是指在三维尺度上都很小的, 不超过几个原子直径的缺陷。线缺陷:指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。面缺陷:是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷亚晶粒: 在多晶体的每一个小晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小，位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌形成晶粒，称为亚晶粒亚晶界:亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界是位错规则排列的结构, 可以把它看成是一种位错线的堆积或称位错壁; 亚晶界是晶粒内的一种面缺陷位错:由晶体中原子平面的错动引起 的缺陷。单晶体：一

3、块晶体中，其内部的晶格位向完全一致时称这块晶体为多晶体（由多晶粒组成的晶体结构）；固溶体:合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体金属间化合物: 在化合物中，有些具有相当程度的金属键及一定程度的金属性质，是一种金属化合物，称为金属间化合物；固溶强化:通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化结合键: 是指由原子结合成分子,是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小密排面:在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110, 称为密排面; 2. 金属键、离子键、共价键及分子键结合的材料其性能有何特点。答：离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度

4、大，热膨胀系数小， 但脆性大; 共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低。不导电、导热性有好有差; 金属键无所谓饱和性和方向性; 分子键在它们的结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布几乎不变,很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。 3. 常见的金属晶体结构有哪几种 ? 它们的原子排列和晶格常数有什么特点 ? 答：体心立方晶格：八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠，晶格常数：a=b=c, =90；面心立方晶格：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面

5、的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。晶格常数：a=b=c, =90；密排六方晶格：十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子，晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。4. 标出图中影线所示晶面的晶面指数及 a 、 b 、 c 三晶向的晶向指数。(19p)在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值相同时，那么该晶面和晶向间存在着什么关系 ?答：在立方晶系中, 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶面与该晶向互相垂直5. 画出立方晶

6、格中 (110) 晶面与 (111) 晶面。并画出在晶格中和(111) 晶面上原子排列情况完全相同而空间位向不同的几个晶面。 6. 为什么单晶体具有各向异性 ? 而多晶体在一般情况下不显示各向异性 ? 金属晶体具有各向异性 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。非晶体在各个方向上性能完全相同, 这种性质叫非晶体的各向同性。但是对于实际使用的金属, 由于其内部有许许多多个晶粒组成, 每个晶粒在空间分布的位向不同, 因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同, 晶体的各向异性就显示不出来了

7、。7、指出体心立方、面心立方、密排六方三种晶体结构的晶格常数、晶胞原子数、原子半径与晶格常数a之间的关系、致密度、空隙类型、配位数。答：体心立方晶格：晶格常数：a=b=c, =90；81/8+1=2(个)；晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半, 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)；四面体空隙和八面体空隙；体心立方晶格的配位数为8。面心立方晶胞：晶格常数：a=b=c,=90；8*1/8+1/2*6=4 ；原子半径： ；致密度：0.74 (74%)；四面体空隙和八面体空隙；配位数：12=3*4。密排六方晶胞：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距

8、离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。晶胞原子数1/6*12+1/2*2+3=6; 原子半径r=1/2a; 致密度：0.74 (74%);四面体空隙和八面体空隙; 配位数：128、分别指出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110, 原子密度最大的晶向为, 称为密排方向.在面心立方晶格中, 密排面为111, 密排方向为。10. 实际金属晶体中存在那些晶体缺陷，对性能有什么影响。答：点缺陷：空位、间隙原子、异类原子，作用：点缺陷周围引起弹性畸变，产生应力场；使金属的电阻率、屈服强度增加, 密度发生变化;对固体中的

9、扩散及与扩散有关的过程(如回复与再结晶、相变及化学热处理等)起重要作用；线缺陷:产生刃型位错、螺型位错、混合位错三种错位，位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错的存在极大地影响金属的机械性能，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度，理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高面缺陷：晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大, 塑性越好11. 简述固溶体和金属间化合物在晶体结构方面的区别。 答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属间化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂12. 固溶体可分为几种类型

10、? 形成固溶对合金有何影响 ? 答：按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种；按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种；按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。影响：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相；若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体；若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素相互作用而生成的一种新物质，属于化合物或中间相。13. 金属间化合物有几种类型 ? 它们在钢中起什么作用 ? 答：正常价化合物起着强化相的作用；电子化合物它们

11、的熔点和硬度较高，塑性较差，与其它金属化合物一样，电子化合物不适于作合金的基体，但确是合金（特别是有色金属）中重要的强化相，与固溶体适当配合，可使合金获得良好的机械性能；间隙化合物中间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。陶瓷材料部分1.何谓陶瓷?陶瓷的组织由哪些相组成?它们对陶瓷性能各有何影响?答：陶瓷材料是指除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。它是用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化

12、物）为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧结而成的无机非金属材料。陶瓷材料的组织由1、晶体相2、玻璃相和3、气相组成晶体相是陶瓷材料中主要的组成相，由其结构、数量、形态、和分布决定陶瓷材料的主要性能和应用。玻璃相 玻璃转变温度Tg，低于此温度时，物质表现出明显的脆性。气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。气孔对陶瓷的性能不利2. 陶瓷材料的主要结合键是什么?从结合键角度分析陶瓷材料的性能特点？答：主要由金属元素和非金属通过离子键或兼有离子键和共价键的方式结合起来。由于离子键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运

13、动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。3陶瓷材料的晶体相有哪几种常见主要结构？举例说明？答：AX型陶瓷晶体（1）CsCl型 （2）NaCl型（3） ZnS闪锌矿型结构（4）纤维锌矿型结构AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构（2）刚玉（Al2O3）结构尖晶石型结构（AB2O4） 正常尖晶石型结构、反尖晶石型结构钙钛矿型结构4硅酸盐化合物有那几种基本类型？答：按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几种类型：孤立状硅酸盐复合状硅酸盐环状或链状硅酸盐层状硅酸盐立体网络状硅酸盐 5、陶瓷材料的主要成分？陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等

14、。6、陶瓷材料的分类？答：1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。2、按使用的原材料分类可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷3、按性能和用途分类可将陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。 4、通常按组织形态，陶瓷材料可分为三大类：无机玻璃、微晶玻璃、 陶瓷7、简述工程陶瓷的生产过程？答：工程陶瓷的制造工艺：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。 原料制备 将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得到坯料。原料经过坯料制备后，依成型工艺的要求，可以是粉料、浆料或可塑泥团。坯料成型 将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和致密度的半成品。成型方法主要

15、有可塑法（如传统陶瓷），注浆法（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制法（如特种陶瓷和金属陶瓷）一系列 烧结 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。8. 简述常用工程结构陶瓷的种类、性能特点及应用？答：（一）普通陶瓷 性能特点：这类陶瓷质地坚硬，不会氧化生锈、不导电，能耐寒1200OC高温，加工成型性好，成本低廉，产量大。缺点是因含有较多的玻璃相，固强度较低，且在高温下玻璃相易软化，所以其耐高温性及绝缘性不如特种陶瓷。应用：除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。用来制作低于200OC的耐蚀器皿和容器、反应塔管道、供电系统的绝缘子、纺织机械中的导沙零件等 （二）新型结构陶瓷1、氧化铝陶瓷 性能特点： 耐高温性能好，可使用到1950,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石). 应用：氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、 热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。 氮化硅（Si3N4）陶瓷(以Si3N4为主要成分的陶瓷)性能特点：氮化硅的强度高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2；有自润滑作用、热膨胀系