復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)導(dǎo)論課后習(xí)題答案搭配石德珂材料科學(xué)基礎(chǔ)教材

1、材料科學(xué)導(dǎo)論課后習(xí)題答案第一章 材料科學(xué)概論1. 氧化鋁既牢固又堅硬且耐磨，但為什么不能用來制造榔頭？ 答：氧化鋁脆性較高，且抗震性不佳。2. 將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料進行分類： 黃銅、環(huán)氧樹脂、混泥土、鎂合金、玻璃鋼、瀝青、碳化硅、鉛錫焊料、橡膠、紙杯 答：金屬：黃銅、鎂合金、鉛錫焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：環(huán)氧樹脂、瀝青、橡膠、紙 杯；復(fù)合材料：混泥土、玻璃鋼3. 下列用品選材時，哪些性能特別重要？ 答：汽車曲柄：強度，耐沖擊韌度，耐磨性，抗疲勞強度；電燈泡燈絲：熔點高，耐高溫，電阻大； 剪刀：硬度和高耐磨性，足夠的強度和沖擊韌性；汽車擋風(fēng)玻璃：透光性，硬度； 電視機熒光屏

2、：光學(xué)特性，足夠的發(fā)光亮度。第二章 材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識1. 下列電子排列方式中，哪一個是惰性元素、鹵族元素、堿族、堿土族元素及過渡金屬？226267 2(1) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 222626(2) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6(3) 1s 2 2s 2 2p 5 2262(4) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 2262622(5) 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 226261(6) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1答：惰性元素： (2) ；鹵族元素： (3) ；堿族： (6) ；堿土

3、族： (4) ；過渡金屬： (1),(5)2. 稀土族元素電子排列的特點是什么？為什么它們處于周期表的同一空格內(nèi)？ 答：稀土族元素的電子在填滿 6s 態(tài)后，先依次填入遠離外殼層的 4f 、5d 層，在此過程中， 由于電子層最外層和次外層的電子分布沒有變化， 這些元素具有幾乎相同的化學(xué)性質(zhì)， 故處 于周期表的同一空格內(nèi)。3. 描述氫鍵的本質(zhì)，什么情況下容易形成氫鍵？ 答：氫鍵本質(zhì)上與范德華鍵一樣， 是靠分子間的偶極吸引力結(jié)合在一起。 它是氫原子同時與 兩個電負性很強、原子半徑較小的原子(或原子團)之間的結(jié)合所形成的物理鍵。 當(dāng)氫原子 與一個電負性很強的原子(或原子團) X 結(jié)合成分子時，氫原子的

4、一個電子轉(zhuǎn)移至該原子殼 層上；分子的氫變成一個裸露的質(zhì)子， 對另外一個電負性較大的原子 Y 表現(xiàn)出較強的吸引力， 與 Y 之間形成氫鍵。4. 為什么金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高？ 答：一是金屬原子質(zhì)量大；二是金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，原子趨于緊密排列，得到簡 單的原子排列形態(tài)。離子鍵和共價鍵結(jié)合的原子，相鄰原子的個數(shù)受到共價鍵數(shù)目的限制， 離子鍵結(jié)合還要滿足正、負離子間電荷的平衡，原子不可能緊密堆積，而且存在孔洞缺陷， 故金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高。5. 應(yīng)用公式計算 MO2-離子對的結(jié)合鍵能，以及每摩爾MgO晶體的結(jié)合鍵能。假設(shè)離子半徑為 r Mg

5、2=0.065nm; r O2-=0.140nm; n=7。答：吸引排斥 _在平衡時，F(xiàn)吸引=F排斥故，解得 晶體的結(jié)合鍵能：合 一-轉(zhuǎn)換為每摩爾MgO晶體的結(jié)合鍵能:6. 原子序數(shù)為12的Mg有三種同位素：78.70%的Mg原子由12個中子，10.13%的Mg原子 由13個中子，11.17%的Mg原子由14個中子，試計算 Mg的原子量。答：7. 試計算原子N殼層內(nèi)的最大電子數(shù)。若 K,L,M和N殼層中所有能級都被填滿，試確定該 原子的原子數(shù)。答：N殼層內(nèi)最大電子數(shù)：1s 22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s2 該原子的原子數(shù)是 708.試寫出Al原子

6、13個電子的每個電子的全部量子數(shù)。答：nlmm10020021021121-1300310-9.材料的三級和四級結(jié)構(gòu)可以通過加工工藝來改變，那么材料的二級結(jié)構(gòu)可以改變嗎？為什么？答：原子的結(jié)合鍵是材料的二級結(jié)構(gòu)。對于單一的材料來說，其價鍵結(jié)構(gòu)是不可以通過加工工藝來改變的。但是實際工程應(yīng)用中，通過一定的加工工藝來改變材料的二級結(jié)構(gòu)，比如金剛石具有共價鍵，石墨具有共價鍵和物理鍵，而石墨等碳質(zhì)原料和某些金屬在高溫高壓下可 以反應(yīng)生成金剛石，即一定程度上改變了材料的二級結(jié)構(gòu)。第三章固體材料的晶體學(xué)基礎(chǔ)1. 回答下列問題：（1）在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶向：（001）與210，（

7、111 ）與 ， 與111， 與123， 與236。（2）在立方晶系的一個晶胞中畫出（111）和（112）晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。（3）在立方晶系的一個晶胞中畫出同時位于（101），（011），（112）晶面上的晶向。答：作圖略。（2）兩晶面交線的晶向指數(shù)為或。2.有一正交點陣的a-b, c-a/2。某晶面在三個晶軸上的截距分別為6個，2個，4個原子間距，求該晶面的密勒指數(shù)。答：（263）3. 寫出六方晶系的晶面族中所有晶面的密勒指數(shù)，在六方晶胞中畫出晶向和晶面，并確定晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù)。答：晶面族中所有晶面的密勒指數(shù)為：? ? ? ? ? ? ? ? ?作圖略，（）晶面與

8、六方晶胞交線的晶向指數(shù)為：? ? ? ， ?4. 根據(jù)剛性球模型回答下列問題：（1）以點陣常數(shù)為單位，計算體心立方、面心立方和密排六方晶體中的原子半徑及四面體 和八面體的間隙半徑。（2）計算體心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子數(shù)、致密度和配位數(shù)。答：體心立方面心立方密排六方原子半徑aaa四面體間隙aaa八面體間隙-a-a-a原子數(shù)246致密度0.680.740.74配位數(shù)812125. 用密勒指數(shù)表示出體心立方、面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)中的原子密排面和原子密排方向, 并分別計算這些晶面和晶向上的原子密度。體心立方面心立方密排六方原子密排面1101110001晶面的原子密度一 -原子密排方向晶

9、向的原子密度- 6. 求下列晶面的晶面間距，并指出晶面間距最大的晶面。(1) 已知室溫下a-Fe的點陣常數(shù)為0.286nm,分別求出(100)、(110)、(123)的晶面間 距。(2) 已知916C時丫 -Fe的點陣常數(shù)為0.365nm,分別求出(100)、(111 )、(112)的晶面 間距。(3) 已知室溫下 Mg的點陣常數(shù)為a=0.321 nm,c=0.521 nm，分別求出、的晶面間距。答：(1)其中，晶面間距最大的晶面為(100)(2)其中，晶面間距最大的晶面為(110)(3)其中，晶面間距最大的晶面為7. 已知Na+和Cl-的半徑分別為0.097nm和0.181 nm,請計算Na

10、CI中鈉離子中心到：（1）最近鄰離子中心間的距離；（2 ）最近鄰正離子中心間的距離；（3）第二個最近的氯離子中心間的距離；（4）第三個最近的氯離子中心間的距離；（5）它最近的等同位置間的距離。答： r=r +r-=0.278nm （2） r= 一（3）r=-（4） r= 一（5） r= 一8. 根據(jù)NaCI的晶體結(jié)構(gòu)及 Na+和 Cl-的原子量，計算氯化鈉的密度。答：一=9. 示意畫出金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞，說明其中包含有幾個原子，并寫出各個原子的坐標。答：作圖略，其中包含原子數(shù)：-頂點坐標：（000），（ 100），（ 010），（ 001），（ 110），（ 101），（ 011），（ 111

11、）（選填一個即可）面心坐標：-，-， 一， 一-，-一，（）（選填三個即可）晶胞內(nèi)坐標：（）,（）,（）,（）10. 何謂單體、聚合物和鏈節(jié)？它們相互之間有什么關(guān)系？請寫出以下高分子鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)式： 聚乙烯；聚氯乙烯；聚丙烯；聚苯乙烯；聚四氟乙烯。答：單體是合成聚合物的起始原料，是化合物獨立存在的基本單元，是單個分子存在的穩(wěn)定狀態(tài)。聚合物是由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物。鏈節(jié)是組成大分子鏈的特定結(jié)構(gòu)單元。聚乙烯：-CH2-CH2- n；聚氯乙烯：-CHCI-CH T n；聚丙烯：-CHCH3-CH2- n； 聚苯乙烯：-CHAr-CH2- n；聚四氟乙烯：-CF2

12、-CF2-n第四章固體材料的晶體缺陷1.純Cu的空位形成能為1.5aJ/atom , (1aJ=10-18J),將純 Cu加熱至850C后激冷至室溫（20C）,若高溫下的空位全部保留,試求過飽和空位濃度與室溫平衡空位濃度的比值。答:2. 空位對材料行為的主要影響是什么？答：首先，材料中原子（或分子）的擴散機制與空位的運動有關(guān)。其次，空位可以造成材料 物理性能與力學(xué)性能的改變，如密度降低，體積膨脹，電阻增加，強度提高，脆性也更明顯， 晶體咼溫下發(fā)生蠕變等。3. 某晶體中有一條柏氏矢量為a001的位錯線，位錯線的一端露頭于晶體表面，另一端與兩條位錯線相連接，其中一條柏氏矢量為，求另一條位錯線的柏氏

13、矢量。答：a0014. 如附圖a所示，試求某一晶格參數(shù)為2.5A的立方金屬刃型位錯的burgers矢量的Miller指數(shù)及其長度。答：柏氏矢量垂直于（220），故其Miller指數(shù)為110附圖 b）5.如附圖b所示，寫出在FCC金屬的滑移方向的晶向指數(shù)。答:第五章固體材料的凝固與結(jié)晶1. 液體金屬在凝固時必須過冷，而加熱使其融化卻毋需過熱，即一旦加熱到熔點就立即熔化，為什么？答：液體金屬在凝固時必須克服表面能，形核時自由能變化大于零，故需要過冷。固態(tài)金屬在熔化時，液相與氣相接觸，當(dāng)有少量液體金屬在固相表面形成時，就會很快覆蓋在整個表面（因為液體金屬總是潤濕同一種固體金屬）。表面能變化決定過程能

14、否自發(fā)進行。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在熔化過程中，表面自由能的變化小于零，即不存在表面能障礙，也就不必過熱。2. 金屬凝固時的形核率常桉下式做簡化計算，即均均試計算液體Cu在過冷度為180K、200K和220K時的均勻形核率。并將計算結(jié)果與書圖6-4b比較。（已知原子） 答:代入數(shù)據(jù)得，180K 時 N 均=7.50； 200K 時 N 均=7.89； 220K 時 N 均=13.36與圖6-4b相比，結(jié)果吻合，表明只有過冷度達到一定程度，使凝固溫度接近有效成核溫度 時，形核率才會急劇增加。3. 試解釋凝固與結(jié)晶、晶胚與形核的相互關(guān)系。答:凝固是指物質(zhì)從液態(tài)冷卻成固態(tài)的一種轉(zhuǎn)變過程，可以形成晶態(tài)或非晶態(tài)

15、。 若冷卻后成為晶體，這種凝固成為結(jié)晶。根據(jù)熱力學(xué)判斷，在過冷液態(tài)金屬中，短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)尺寸越大，就越穩(wěn)定，只有尺寸較大的短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，才能成為晶核。晶胚即是過冷液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列尺寸較大的原子有序排列部分。一定溫度下，最大晶胚有一個極限值rmax；而液態(tài)金屬的過冷度越大，實際可能出現(xiàn)的最大晶胚尺寸也越大。當(dāng)液態(tài)金屬中形成的晶胚尺寸大于或等于一定臨界尺寸時，成為晶核，其有兩種形成方式：均勻成核（依靠液態(tài)金屬本身能量的變化獲得驅(qū) 動力并由晶胚直接成核的過程）和非均勻成核（晶胚是依附在其他物質(zhì)表面上形核的過程）。4. 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件是什么？答：過冷度是金屬結(jié)晶的熱力學(xué)

16、條件；結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是結(jié)構(gòu)條件。5. 哪些因素會影響金屬結(jié)晶時的非均勻形核率？答：過冷度，固體雜質(zhì)及其表面形貌，物理性能如液相宏觀流動，外加電磁場，受機械作用 等。第六章材料的擴散與遷移1. 把P原子擴散到單晶硅中的摻雜工藝是制備n型半導(dǎo)體的常用方法。若將原來的每107個Si原子中含有一個 P原子的1mm厚的硅片，通過擴散摻雜處理后表面達到每107 Si原子中含有400個P原子，試分別按：（a）原子百分數(shù)/cm, （b） 原子數(shù)/cmlcm的表示方法計 算濃度梯度。硅的晶格常數(shù)為5.4307A0。答：（a）（b）硅的晶胞體積為：單位晶胞中有8個Si原子，則107Si所占體積為：一 個2試說

17、明影響擴散的因素。答：溫度，原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)，固溶體類型和濃度，晶體缺陷，第三組元。3試利用公式 D=a 2 Pr,解釋各因素對擴散的影響。答：D與a 2, P , r成正比。其中，a為最鄰近的間隙原子距離，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；P為躍遷幾率，p-,跟溫度，畸變能等有關(guān)；r為躍遷頻率，r-,與溫度、晶體結(jié)構(gòu)、畸變能、擴散機制等因素有關(guān)。4. 自擴散與空位擴散有何關(guān)系？為什么自擴散系數(shù)公式要比空位擴散系數(shù)Dv小得多？（Dv=D/nv, nv為空位的平衡濃度）答：對于純金屬或間隙固溶體合金， 原子都處于正常的晶格結(jié)點位置。 若晶格結(jié)點某處的原 子空缺時，相鄰原子可能躍遷到此空缺位置， 之后又留下新的空

18、位，原子的這種擴散方式叫 空位擴散。當(dāng)晶體內(nèi)完全是同類原子時， 原子在純材料中的擴散為自擴散。 自擴散是空位擴 散的一種特殊形式。對于置換固溶體合金和純金屬，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸和化學(xué)性質(zhì)不同，與空位交換位置的幾率也不同，D=Dexp （-Q/RT）,自擴散的擴散激活能要比空位擴散的擴散激活能大?？瘴粩U散系數(shù) Dv=D/nv,由于空位平衡濃度 nv遠小于1, Dv比D大得多。第七章熱力學(xué)與相圖1.分析共晶反應(yīng)，包晶反應(yīng)和共析反應(yīng)的異同點。答：（1）不同點：共晶反應(yīng)是一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結(jié)晶形成另外一種 固相的反應(yīng)過程；包晶反應(yīng)是一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外

19、一種固相的反應(yīng)過程；共析反應(yīng)是由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相的反應(yīng)過程。（2）相同點：均是在恒溫下發(fā)生，處于三相平衡的狀態(tài)。2. 試分析圖7-6中合金IV的結(jié)晶過程（wsn=70%，計算室溫下組元成分的含量及顯微組織。答：結(jié)晶過程為勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出，冷卻過程如下圖所示， 室溫下組元成分：aii + 供（a + B）共晶室溫下組元成分的含量：叫、廠|.）共晶0.972-0.700.975-0.619100%77.2%0.975-0.021-0.02100%= 22.2%0.700.619m - 0.975-0.6190.58%o.70

20、-。619 1175 100%0.975-0.6191-0.023. 鉍（熔點為271.5 C）和銻（熔點為630.7 C）在液態(tài)和固態(tài)時均能彼此無限互溶，灑=50%的合金在520時開始結(jié)晶處成分為 wsb=87%勺固相。=80%的合金在400C時開始結(jié)晶出 成分為wsb=64%的固相。根據(jù)上述條件，（1）繪出Bi-Sb相圖，并標出各線和各相區(qū)的名稱。（2）從相圖上確定含銻量為 WSb=40%合金的開始結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度，并求出它在400C 時的平衡相成分及相對量。址7匚（2 ）根據(jù)相圖，含銻量為 40%合金開始結(jié)晶溫度大約為490 C,終了溫度為350 C,液相含量54.5%，固相含量45.5%。4. （ 1）應(yīng)用相律時需考慮哪些限制條件？（2）試指出圖5-115中的錯誤之處，并用相律