材料科學基礎學習知識課后復習解答

1、第一章1. 簡述一次鍵與二次鍵各包括哪些結合鍵？這些結合鍵各自特點如何？ 答：一次鍵 結合力較強，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。 二次鍵結合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。 離子鍵：由于正、負離子間的庫侖靜電引力而形成。特點：1正負離子相間排列，正負電荷數(shù)相等； 2鍵能最高，結合力很大； 共價鍵：是由于相鄰原子共用其外部價電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結構而 形成。特 點：結合力很大，硬度高、強度大、熔點高，延展性和導電性都很差， 具有很好的絕緣性 能。 金屬鍵：奉獻出價電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子間產生靜電 作用而結 合的方式。特點：它沒有飽和性和方向性；具有良好的塑性；良好的導 電性

2、、導熱性、正 的電阻溫度系數(shù)。 范德瓦耳斯鍵：一個分子的正電荷部位和另一個分子的負電荷部位間的微弱 靜電吸引 力將兩個分子結合在一起的方式。也稱為分子鍵。特點：鍵合較弱，易 斷裂，可在很大程 度上改變材料的性能；低熔點、高塑性。2. 比擬金屬材料、陶瓷材料、高分子材料在結合鍵上的差異。答：金屬材料：簡單金屬指元素周期表上主族元素的結合鍵完全為金屬鍵，過渡族金屬的結合鍵為金屬鍵和共價鍵的混合，但以金屬鍵為主。陶瓷材料：陶瓷材料是一種或多種金屬同一種非金屬通常為氧相結合的化合物，其而大分主要結合方式為離子鍵，也有一定成分的共價鍵。高分子材料：高分子材料中，大分子內的原子之間結合方式為共價鍵，子與大

3、分子之間的結合方式為分子鍵和氫鍵。復合材料：復合材料是由二種或者二種以上的材料組合而成的物質，因而其結合鍵非常復雜，不能一概而論。3. 晶體與非晶體的區(qū)別？穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結構的區(qū)別？晶體與非晶體區(qū)別：答：性質上，晶體有整齊規(guī)那么的幾何外形；2晶體有固定的熔點，在熔化過程中 , 溫度始終保持不變；晶體有各向異性的特點。結構上，晶體原子排列有序，非晶體排列長程無序。穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結構的區(qū)別同種材料在不同條件下可以得到不同的結構， 其中能量最低的結構稱為穩(wěn)態(tài)結構 而能量 相對較高的結構稱為亞穩(wěn)態(tài)結構。第二章1. 布拉菲將晶體結構共分為哪幾大晶系？試畫出面心立方、體心四方、簡單六 方與簡單三 斜這四種布拉

4、菲點陣的晶胞，并寫出其棱邊長度與夾角關系？答：分為七大晶系：立方晶系、四方晶系、菱方晶系、六方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系。簡單三斜:,a = b丸,a= 3= 丫=體心四方:簡單六方:a= 3= 90 ° 丫 120；010 ,2. 畫出立方晶系中以下晶面和晶向：(010) , (011) , (231)解如圖1 -2冷)所示.AHEM(OAOyAAHF為為"11兒如圖1 -3tb)所兀KLF為(23D.F/J 為(321),0八為:01門。如圖 1 -3(c)所示 J7H 為010 ,GD 為ill '如圖I3所示為為231.3. 針對體心立方BCC晶胞：

5、1寫出BCC晶體中的配位數(shù)CN、原子數(shù)體和八BCC晶 胞N、原子半徑r與點陣常數(shù)a的關系式；2在晶胞圖上畫出任一個四面面體間隙的位置，并指出該四面體間隙和八面體間隙的中心位置。3寫出中四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量。答：1配位數(shù)CN=8致密度K=0.68，原子數(shù)N=2，r=3 1/2 a/44.針爛中CC和體間隙位于六面體的面中心，(3)四面休間隙*芒?厚底障K 2 16博右丸方聊(4中的1切沖 此JI佯間*苗KltH問m1/4 處。<3 AdriftQ四血璋兩聯(lián)(1) 分別在晶胞圖上畫出任一個四面休和八面休間隙的位置(2) 指出該四面休間隙和八面休間隙的中心位置。(3 )寫出每種晶胞中四

6、面休間隙和八面休間隙的數(shù)量。答: P49 圖 2-15，圖 2-16S 2-1S面七立方皓構中的阿原 和同障耐孔為鳩禮験1/4體間隙的。NaCI 金圖 2-25、簡單六 FCC圖中八面體間隙位于晶胞中心，四面體間隙位于晶胞體對角線上靠結點1/4處BCC圖中八面體間隙位于六面體的面中心，四面體間隙位于面平分線處 FCC四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量分別為8,4 ； BCC四面體間隙和八面數(shù)量分別為12,65. 畫出下述物質的一個晶胞，并指出5種物質的晶體結構所屬的布拉菲點陣類型剛石閃鋅礦纖鋅礦 CsCl答：NaCI、CsCl、閃鋅礦、纖鋅礦：課本 P59圖2-23(a)，(b)，(c)，(d)金剛

7、石NaCI、CsCl、閃鋅礦、纖鋅礦、金剛石點陣為：面心立方、簡單立方、面心立 方 方、面心立方點陣6. 簡述離子晶體的結構規(guī)那么。第三章1. 根據(jù)鏈節(jié)中主鏈化學組成的不同，高分子鏈可以分為碳鏈高分子、雜鏈高分子和元素有機高分子。2. 二元共聚物單體的連接方式包括無規(guī)共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚。3. 高分子鏈的結構形態(tài)包括 線型、支化、梳形、星形、交聯(lián)和體 。4. 高分子鏈的構象是由于 C-C單鍵內旋轉 引起的原子在空間據(jù)不同位置所 構成的分子鏈 的各種形象。5. 影響高分子鏈柔順性的主要因素有主鏈結構和側基性質。6. 按照高分子幾何排列的特點，固體聚合物的聚集態(tài)結構分為晶態(tài)結構和非晶

8、態(tài)結構 兩種。7. 高分子材料的玻璃化溫度 Tg指的是：當一塊玻璃冷卻到熔點溫度以下時，在 某一溫度范圍內它仍是塑性的？卻到某個溫度時，發(fā)生玻璃硬化，該溫度稱之為玻璃化溫度 。8. 熱固性塑料和熱塑性塑料的區(qū)別：熱塑件塑料由于具有線型結構，因而具有較好的彈性和組件、易于加工成型和可反復使用等特性；熱固性塑料不能進行塑性加工和反復使用。第四章1.某晶體在500 C時，每1010個原子中可以形成有1個空位，請問該晶體的空位形成能是多少？該晶體的常數(shù)A=0.0539，玻爾茲曼常數(shù)k=1.381 X 10 -23 J/K恥xp(-鈴KI上.=k.1 111 =A二一卩 38A10Ay(500+273)

9、ln 100.0539=1.068xl0_=S 17.8八 1.9 xlO_1?J3 ?位錯具有較高的能量，因此它是不穩(wěn)定的，可能會發(fā)生位錯反響。請判斷下列位錯反應能否進行：1126111111反響后詐12：訓門評11 ：，與反響前一致，滿足幾何條件幾何條件:能量條件:反響前b22 2 2 2 (:1 12 22 )2a _2(.12622 2 3a12 ( 1)2 )243a反響刖.2. a 2.2*2 2反響后 b (一 ：. 111)2此反響不滿足能量條件，只滿足幾何條件，故不能進行。4?試比擬肖脫基缺陷與弗蘭克爾缺陷的異同?答：相同：都是點缺陷，都會形成空位。不同：弗蘭克爾缺陷：原子離

10、開平衡位置進入間隙，形成等量的空位和間隙原子。跑到晶體外表 或晶界位置肖脫基缺陷：由于熱運動，晶體中陽離子及陰離子脫離平衡位置， 上，只形成空位不形成間隙原子。構成新的晶面書本P107A41位錯的灣移特征也銷線運動方歳葩津用稱方向滑瑤面牛數(shù)1于愷甬疑H 1 岱錨紅號位箱線卓一定対度于位錯線本身 丄丁宦備線本自 丄于桓諾線本身與*-H與&技致6.畫圖并表達變形過程中位錯增殖的機制書本P341 F-R源7. 試列舉金屬的四種典型強化機制？這四種機制對材料韌性會產生什么影響？答：1細晶強化，固溶強化，加工硬化，第二相強化。2細晶強化可以提高韌性；第二相強化有時能提高，有時降低；其他強化不能提

11、高。第五章1.以下圖所示為經(jīng)簡化了的鐵碳合金相圖：1請在圖中空白區(qū)域標出各相區(qū)的相寫在圓括號內；2寫出A、G S、P、C、E點各自代表的意義過程；分析wc并根據(jù)計算結果3寫出GS線、ES線、PSK線代表的含義；4分析wc二0.77 % 虛線的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的結晶二4.30 % 虛線的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的結晶過程。5計算45鋼含碳量0.45%與T10鋼含碳量1%的相組成物的相對量?說明它們機械性能的差異。答: (1)(2) 課本 P1785-7 Fe Fe.C相匪中各主菱點的溫度，含碳丘査義點的說跚I53K0純戟堪旦B14冊6 5鞏包品反宦昭液壓音金的族度C114R4

12、.30%共品慮山牝Fe£D1聊譽聯(lián)體熔亡f計HflUE11輛礁止丫 Fc中的Jft大腎解度卜114A札別需味侔a4120ft-Fe-*/ Fe同秦異的轉住氛A JII1曲0. 01%貞布齊Fe中的載大辭儒度J1伽山17烯包點 *LB+fe+r*yjKT2?13&40耐索昇憎轉餐點APP7270- 0215A羈在匚民中的最大解解度S?2T0 7吹其析直，丫的Cq箜就0. 0CCS%誦It F中的幫岸度(3) 課本 P179(4) wc= 0.77 %:結晶過程：十7 -2*吟無變化"亠 72rc%計 1 5jg 】? + FFjC (?+ FCiC) Wc= 4.30

13、%114S4C ,*Ld仃汕+F創(chuàng)C駐LdF+Fe+F “ C “TAFeACj1-727A- *Ad (P-FFe3C j *KFe 3Cm)r i尸(5) 45鋼的相組成物為F和Fe3C其相對量為：Qf = (6.69-0.45) / (6.69-0.0218 )x 100% =93.6%CFe3C = 1-93.3% = 6.4%T10鋼的相組成物為F和Fe3C其相對量為：Qf = (6.69-1.0) / (6.69-0.0218 )x 100% =85.3%CFe3C = 1-85.1% = 14.7%計算結果說明由于45鋼中的F含量比T10鋼高，因此，45鋼的塑性、韌性比T10鋼高

14、;由于T10鋼中的F63C含量比45鋼高，因此，T10鋼的硬度比45鋼高。第六章1. 畫圖并指出典型鑄錠如鋼水在砂模中的組織，并指出其形成原因？要獲得成分、性能、均勻的鑄錠往往要擴大什么區(qū)？ 答:鑄錠的典型組織特點為表層為細晶區(qū)，中心為等軸晶區(qū)，這兩個晶區(qū)之間為柱狀晶區(qū)fi-26鑄杞三牛晶區(qū)示意圖1-iBf晶區(qū)2栓找鈕區(qū)3 中心零爭踴何形成的原因為，外表散熱最快，過冷度最大，所以晶粒細??；心部各個方向上熱量散失速度根本相同，故為等軸晶粒；在這兩個晶區(qū)之間，熱量沿垂直于鑄模壁的方向散失最快，所以晶粒為柱狀晶粒晶粒在熱量散失最快的方向上長得最快。擴大心部等軸晶區(qū)。N 和長大2?根據(jù)凝固理論，試討論

15、在凝固過程中細化晶粒的根本途徑有哪些？答：根據(jù)凝固理論可知，在凝固過程中決定晶粒度的因素有形核率 速度(G),且N/G越大，晶粒愈細小。因此我們可以從以下幾點著手：(1) 增加過冷度： TT-N/G T-晶粒愈細小，可以采用降低鑄造溫度的方 法增加過冷度。(2) 提高冷卻速度：冷卻速度 TT-N/G T -晶粒愈細小。可以采用用 金屬型鑄造代替砂 型的方法提高冷卻速度。(3) 變質處理：變質處理是在液態(tài)金屬結晶前，參加一些細小高熔點的物質，促使非自發(fā)形核的方法。如鋼中參加Ti、V Al，這種方法易實現(xiàn)、效果 明顯、最常用。(4) 振動，攪拌方法：破碎作用 提高形核率。2?假設某純金屬液體按均勻

16、形核方式結晶，晶胚呈半徑為r 的圓球形。晶胚的單位面積外表能為c,液固兩相單位體積的吉布斯自由能差為Gv。試問：該形核過程的驅動力和阻力分別是什么？ 臨界形核半徑 r* 的表達式 臨界形核功 Gv*的表達式答：(1)驅動力：體積自由能差；阻力：新增外表能(2) M=驅動力(體積自由能差)+阻力(新增外表能)八一 Gv + Gs=v* AGv + c*A32=(4/3) nr3 Gv + 4 冗 r2 c兩端對 r 求導，有 AG =-4 nr2ZGv+8 n c令厶 =0 有 r*=-2 c/ AGv第七章1. 簡述固態(tài)相變的一般特點。答：( 1 )相變阻力大。相變阻力多出了應變能一項且擴散困

17、難。( 2 ) 新相晶核與母相之間存在一定的晶體學位向關系。沿應變能最小的方向和 界面能最低的界面開展。( 3) 慣習現(xiàn)象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。( 4 ) 母相晶體缺陷促進相變。缺陷處晶格畸變、自由能高，促進形核及相變。( 5 ) 易出現(xiàn)過渡相。因為固態(tài)相變阻力大，直接轉變困難一協(xié)調性中間產物( 渡相) 02. 常用的熱處理工藝有哪些 ？ 試列舉出四種常用熱處理工藝在機械制造中的目 答：常見的熱處理工藝有正火，退火，固溶，時效，淬火，回火，退火，滲碳， 質，球化，釬焊等。 正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點 AC3 或 ACM 以上的適當溫度保持一定時間 中冷卻，得到珠光體類組織

18、的熱處理工藝。 退火：將亞共析鋼工件加熱至 AC3 以上 20F0 度，保溫一段時間后，隨爐緩 埋在砂中或石灰中冷卻)至 500 度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝 固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。的或作用。滲氮，調后在空氣慢冷卻(或體中，然其性能 時效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時， 隨時間而變化的現(xiàn)象。 固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能， 消除應力與軟化，以便繼續(xù)加工成型。 時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化， 提高強 度

19、。 淬火：將鋼奧氏體化后以適當?shù)睦鋮s速度冷卻， 使工件在橫截面內全部或一定 的范圍 內發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結構轉變的熱處理工藝。 回火：將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點 Aci 以下的適當溫度保持一定時間，隨 后用符合 要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。 鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。 習慣上碳氮共 滲又稱 為氰化，以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲即氣體軟氮化應用 較為廣泛。中溫 氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。第八章1 . 冷加工金屬的微觀組織見以下圖，隨

20、溫度升高 在某一溫度下保溫足夠長時間 會發(fā)生 從圖 ad 的變化，試從微觀組織 包括驅動力和過程 和宏觀性能兩個方面，依次對上述變化加以解釋a)討繳勺1. 圖a所對應的為加工組織，其特點為(1) 存在變形儲能和內應力，大量非平衡點缺陷。(2) 拉長的晶粒和晶界。(3) 變形織構。(4) 高強度，高硬度，較低的延展性。2. 圖b所對應的為回復過程，其特點為：(1) 回復的驅動力為變形儲能。(2) 回復過程中變形引起的宏觀(一類)內應力全部消除，微觀二類應力大局部消除。(3) 回復過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長的晶粒；但空位濃度下 降至平衡濃度，電阻率下降，晶體密度增加；同一滑移面異號位錯

21、相互抵消造成 位錯密度略有下降。(4) 高溫回復階段刃型位錯通過滑移、攀移運動發(fā)生多邊形過程，造成加工硬化現(xiàn)象保存，強度、硬度略有下降，塑性稍有提高。3. 圖c所對應的為再結晶過程，其特點為：(1)變形儲能全部釋放，點陣畸變(三類內應力)消除。(2)組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。的復雜位(3) 伴隨再結晶過程原子的重新排列，位錯密度大大降低，變形過程所產生錯交互作用消失，加工硬化現(xiàn)象消失。(4) 力學性能發(fā)生急劇變化，強度、硬度急劇降低 ?塑性提高，恢復至變形 前狀態(tài)。4 ?圖 d 所對應的為晶粒長大過程，其特點為： 晶粒長大的驅動力是界面能的降低。(2) 晶粒長大是大晶粒吞并小晶粒的過程。引起一些性能變化，如強度、塑性、韌性下降。(4) 伴隨晶粒長大，還發(fā)生其他結構上的變化，如再結晶結構等。2. 將經(jīng)過大冷變形量 ( 70%以上)的純銅長棒一端浸入冰水中， 另外一端加熱 至 900攝