材料科学基础答案王章忠.doc

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1、简答题第一章 材料结构的基本知识1、说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义。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。2、说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。答：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

2、结构向稳态结构转变。3、说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。 答：离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子(离子或分子)间结合方式或作用力。离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原于相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。 共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。 分子键是由分子(或原子)中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。 当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。第二章 材料的晶体结构1、在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。

3、6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。 解 八面体中的晶面和晶向指数如图所示。图中A、B、C、D、E、F为立方晶胞中6个表面的面心，由它们构成的正八面体其表面和棱边两两互相平行。ABF面平行CDE面，其晶面指数为 ；ABE面平行CDF面，其晶面指数为 ；ADF面平行BCE面，其晶面指数为 ；ADE面平行BCF面，其晶面指数为(111)。 棱边 ， ， ， ， ， ，其晶向指数分别为110， ，011， ，101。对角线分别为 ，其晶向指数分别为100，010，001图 八面体中的晶面和晶向指数2、标出图中ABCD面的晶面指数，并标出AB、BC、

4、AC、BD线的晶向指数。解：晶面指数： ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为3/2a,3a,a,截距倒数比为 ABCD面的晶面指数为 （213） 晶向指数：AB的晶向指数：A、B两点的坐标为A（0，0，1），B（0，1,2/3） (以a为单位) 则 ，化简即得AB的晶向指数 同理：BC、AC、BD线的晶向指数分别为 ， ， 。 3、如图所示立方晶胞晶格常数为 ，AO的长度为2/3a， BD的长度为1/2a，CF的长度为1/3a，标出图中ABC面的晶面指数，并标出AB、BC、AC的晶向指数。解：ABC面的晶面指数： ABC面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为4，2，2/3，截距倒数比为 ABC

5、面的晶面指数为 （126） 晶向指数：AB的晶向指数：A、B、C点的坐标为A（0，0，2/3），B（1，0，1/2），C（0，1，1/3） (以a为单位) 则AB的晶向指数 或 BC的晶向指数 或 AC的晶向指数 或 、求图中所示立方晶胞中面的指数；并求该晶面与晶胞所交的四边形四条边和对角线的晶向指数。解：晶面指数： ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为2a,a,2a截距倒数比为 ABCD面的晶面指数为 （121） 晶向指数：AB的晶向指数：A、B两点的坐标为A（1，1/2，0），B（0，1,0） (以a为单位) 则 ， AB的晶向指数 同理：BC、AC、BD线的晶向指数分别为 ， ， 。 回

6、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：(001）与210，(111）与 ， 与 111, 与123, 与23606B 06YB(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 晶向。解：1、面心立方结构和体心立方结构中有几种间隙，各有几个？答：面心立方结构包含4个正八面体间隙和8个正四面体间隙；体心立方结构包含6个正八面体间隙和12个正四面体间隙。2、简述同素异构产生原因。答：与该类原子的电子层结构的变化有关，即在不同的温度或压力下，通过

7、参与键和的外层数分布状态的改变，而引起原子间结合能以致点阵的形式发生改变，过渡族金属多型性倾向较大，与此结构中的s能级和d能级十分接近有关性能：发生多型性转变，由于晶体点阵致密度不同 ，伴随热涨，在离子(陶瓷)晶体中正、负离子的堆积方式取决于哪些因素？答：(1)正、负离子的电荷大小晶体必须保持电的中性，即所有正离子的正电荷应等于所有负离子的负电荷。 (2)正、负离子的相对大小由于正、负离子的外层电子形成闭合的壳层，因此可以把离子看成具有一定半径的刚性圆球。在离子晶体中，一些原子失去其外层电子而成为正离子另一些则得到外层电子而成为负离子。（答对（1）、（2）中的任一点5分）2、简要说明硅酸盐的几

8、种结构单元的主要特点。答：第四章 晶体缺陷1、为什么位错没有平衡浓度？ 答：自由能分析：位错是由大量点缺陷串成线，混乱程度受到限制，熵的作用大减，主要考虑内能，位错总是增加内能，位错越多，越不稳定，热力学要求位错越少越好，故位错没有平衡浓度。虽然热力学不稳定，但因其呈网状分布，故力学上是稳定的。2、简述大角晶界特点； 答：1.过渡层厚度仅23个原子直径；2.原子排列混乱；3.相对稀疏。3、简述物理吸附机理及特点。答：物理吸附是由范德华耳斯力作用而相互吸引的，特点：任何固体对任何气体或其他原子都有这类吸附作用，（1、吸附无选择性、多层吸附），只是吸附的程度随气体或其他原子的性质不同而有所差异。2

9、、物理吸附的吸附热较小。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 ，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：5、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

10、用在晶体上下两面上。tb多余原子面，作图（3）沿b方向滑出一个柏氏矢量单位的距离第五章 材料的相结构及相图1、应用相律时须考虑哪些限制条件？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)自由度的值不得小于零 。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 。答主要错误如下：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

11、. 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3、AlCu合金相图，试分析： (1)什么成分的合金适于压力加工，什么成分的合金适于铸造? (2)用什么方法可提高合金的强度?解 (1)压力加工时，要求合金有良好的塑性变形能力，组织中不允许有过多的脆性第二相，所以，要求铝合金中合金元素含量较低，一般不超过极限固溶度的成分。对A1Cu合金，常选用 的合金。该成分合金加热后可处于完全单相状态，塑性好，适于压力加工。铸造合金要求其流动性好。合金的结晶温度范围愈宽，其流动性愈差。从相图上看，共晶成分的流

12、动性最好，所以，一般来说共晶成分的合金具有优良的铸造件能，适于铸造。但考虑到其它多方面因素，一般选用 的AlCu合金用于铸造。(2)要提尚合金的强度，可采用以下方法。 1)固溶十时效处理 将AlCu合金( )加热到单相状态，然后快速冷却，获得过饱和的固溶体，然后重新加热到一定温度保温便会析出细小的金属间化合物( )作为第二相质点，从而提高合金的强度。 2)冷塑性变形 通过冷变形，产生加工硬化效应，从而提高合金的强度。第六章 材料凝固与气相沉积1、对于有可能进行结晶的材料，决定液体冷却时是否能结晶或形成玻璃的主要因素有哪些？答：首先，如果冷却速率足够高任何液体原则上都可以转变为玻璃。其次，如果晶

13、体结构的基元很难由液相形成，结晶就会延缓而有利于玻璃的形成。例如：金属、陶瓷和聚合物在这方面有本质上的差别。金属晶体的基元只包含几个原子，而且大多只含有一个原子，因此很容易进行结晶。陶瓷晶体一般比较复杂，尽管大多数陶瓷材料可进行结晶，形成玻璃也是常见的，最后，长链高分子的结晶在结构上有以下两个困难：(1)难得会有简单的基元；(2)已有链段在既不使键断开也不重新形成的条件下进行重排，只能通过所有各链段的缓慢扩散来完成。2、固溶体凝固与纯金属凝固相比有哪些不同？、固溶体凝固时，结晶出来的固相成分与原液相成分不同，所以固溶体凝固形核时，除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，因而固溶体凝固形核比

14、纯金属困难；3分、固溶体凝固需要一定的温度范围，在此温度范围的每一温度下，只能凝固出来一定数量的固相，即固溶体凝固必须依赖异类原子的互相扩散，这需要时间，所以凝固速率比纯金属慢。、简述铸锭典型组织 答：通常铸锭的晶粒组织由三个区域组成：最外层由细小的等轴晶粒组成，即细晶粒区；接着是垂直于模壁、长而粗的柱状晶粒区；中心部分也是由等轴晶粒组成，但是比表层的晶粒大，这个区域叫做等轴晶粒区。细晶粒区总是很薄的一层，对性能的影响很小。根据凝固条件的不同及其它因素的影响，有时只能见到一个或两个晶粒区。例如，不锈钢锭通常只有柱状晶粒区，而没有中心等轴晶粒区，细晶粒区也很薄或没有；而经过晶粒细化处理的铝合金铸锭，其组织全部是等轴晶粒。6、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）而分布均匀，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。第七章 扩散与固态相变1、简述晶体结构对扩散的影响。答：晶体结构反映了原子（离子）在空间排列的情况；扩散时原子