材料科學(xué)基礎(chǔ)A習(xí)題-1答案北理工考研基礎(chǔ)復(fù)習(xí)資料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上材料科學(xué)基礎(chǔ)A習(xí)題1、在立方晶系晶胞中畫(huà)出以下晶面和晶向：(102)、(11)、(1)、110、11、10和21。xyz1/2(102)(11)xyz1/31/2xyz(1)11011101/2212/31/32、標(biāo)注圖中所示立方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)。xyz1/2xyzxyz1/21/21/3(211)(111)(121)(323)3、寫(xiě)出六方晶系的110、102晶面族和<20>、<011>晶向族中的各等價(jià)晶面及等價(jià)晶向的具體指數(shù)。4、 在六方晶胞圖中畫(huà)出以下晶面和晶向：(0001)、（010）、（110）、（102）、（012）、0001

2、、010、110、和011。（110）0001011（010）010(0001)5、 標(biāo)注圖中所示的六方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)。（1210）22112（1102）0101106、分別計(jì)算體心立方晶體中（001）、（111）晶面的原子面密度。7、已知金剛石晶胞中（下圖）最近鄰的原子間距為0.1544nm，試求金剛石的點(diǎn)陣常數(shù)a，配位數(shù)CN和致密度K。8、判斷 、（132）、（311）是否屬于同一晶帶？第二章 固體結(jié)構(gòu)1、面心立方、體心立方、密排六方晶格中，哪些是空間點(diǎn)陣，哪些不是空間點(diǎn)陣？答：面心立方、體心立方晶格是空間點(diǎn)陣，密排六方晶格不是空間點(diǎn)陣。2、為什么單晶體具有各向異性，而多晶體一般

3、卻不顯示各向異性？答：在單晶體中，不可能沿所有的晶體學(xué)方向，原子的排列都相同，從而使沿原子排列不同的晶體學(xué)方向，晶體的性質(zhì)不同。一般情況下，在多晶體中，各晶?？臻g取向隨機(jī)分布，沿多晶體不同方向測(cè)出的其性質(zhì)是沿各種晶體學(xué)取向的性質(zhì)的平均值，故多晶體一般卻不顯示各向異性。3、說(shuō)明以下簡(jiǎn)單立方晶格中有幾種宏觀對(duì)稱(chēng)元素？答：簡(jiǎn)單立方晶格中的宏觀對(duì)稱(chēng)元素有：三次和四次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸，反演對(duì)稱(chēng)中心，對(duì)稱(chēng)面。4、在置換固溶體和間隙固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度如何變化，為什么？答：在置換固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度下降，這是因?yàn)殡S著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，

4、晶格的畸變?cè)龃?，為維持溶劑晶格的穩(wěn)定存在，溶劑中可溶入的溶質(zhì)最大固溶度下降；在間隙固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度上升，這是因?yàn)殡S著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶劑晶格的畸變減小，致使溶劑中可溶入的溶質(zhì)最大固溶度上升。5、有序合金的原子排列有何特點(diǎn)？有序合金的形成和結(jié)合鍵能有什么關(guān)系？為什么許多有序合金在高溫下變成無(wú)序？答：有序合金中原子排列的特點(diǎn)是各組元原子按一定的排列規(guī)則和周期性占據(jù)各自的晶格結(jié)點(diǎn)，長(zhǎng)程有序。其形成與組元之間結(jié)合鍵強(qiáng)度的大小有關(guān)，當(dāng)合金組元原子之間的結(jié)合鍵強(qiáng)度高于每個(gè)組元各自的原子之間結(jié)合鍵強(qiáng)度時(shí)，則將形成有序合金。隨溫度升高，原子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，當(dāng)溫度

5、足夠高時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)將使原子脫離原來(lái)的結(jié)點(diǎn)位置，破壞原子的有序排列，則合金的原子由有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序排列。6、有A、B兩種元素形成了合金，該合金較其組元具有熔點(diǎn)高、硬度高的特點(diǎn)，問(wèn)該合金是固溶體還是中間相，為什么？若該合金較其組元硬度高，但熔點(diǎn)低于其一組元，問(wèn)該合金是固溶體還是中間相，為什么？答：該合金是中間相，因?yàn)樗纬傻暮辖鹑埸c(diǎn)高于其組元，說(shuō)明合金的結(jié)合鍵較其組元更強(qiáng)，應(yīng)含有離子鍵或共價(jià)鍵，故其為中間相。若該合金較其組元硬度高，但熔點(diǎn)低于其一組元，說(shuō)明該合金的結(jié)合鍵并未得到增強(qiáng)，其硬度高是固溶強(qiáng)化的結(jié)果，所以合金應(yīng)為固溶體。7、有一種晶體物質(zhì)，其化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化，問(wèn)是否可以由此判斷該

6、物質(zhì)為中間相或固溶體，為什么？答：不能由此判斷該物質(zhì)為中間相或固溶體，因?yàn)楣倘荏w成分可在一定范圍內(nèi)變化，而中間相若形成二次固溶體，其成分也可在一定范圍內(nèi)變化。8、為什么拓?fù)涿芏严嗫梢跃哂泻芨叩呐湮粩?shù)？答：拓?fù)涿芏严嗑w是以半徑大小不同的原子匹配所形成的密堆結(jié)構(gòu)，故可具有很高的配位數(shù)。9、鮑林第三規(guī)則從什么角度反映了離子晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性？答：鮑林第三規(guī)則反映了在離子晶體中，相鄰正離子之間的距離不能太近，否則，因其之間的靜電排斥力將使晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降。10、為什么金屬往往具有較高的密度，而陶瓷卻具有較低的密度？答：金屬以金屬鍵結(jié)合，金屬鍵無(wú)方向性、無(wú)飽和性，使得金屬原子可以實(shí)現(xiàn)密堆排列，因而使

7、得金屬往往具有較高的密度。陶瓷以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，離子鍵結(jié)合的陶瓷中，同號(hào)離子之間具有排斥性，使得離子晶體中離子不能達(dá)到密堆排列；共價(jià)鍵具有飽和性和方向性，使得共價(jià)鍵晶體中的原子也不能實(shí)現(xiàn)密堆排列，故以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合的陶瓷具有較低的密度。11、按照硅氧四面體的不同組合，硅酸鹽的晶體結(jié)構(gòu)可分為哪幾種類(lèi)型？答：分為孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀結(jié)構(gòu)幾種類(lèi)型。12、為什么在鎂橄欖石晶體（Mg2SiO4）中，硅氧四面體是通過(guò)鎂氧八面體而連接？其物理意義為何？答：根據(jù)鮑林第四規(guī)則，在鎂橄欖石晶體（Mg2SiO4）中，具有高電價(jià)、配位數(shù)較低的正離子硅氧四面體趨于不結(jié)合，因此，硅氧四面體通過(guò)鎂橄欖石

8、中的鎂氧八面體而結(jié)合。其物理意義在于高電價(jià)、配位數(shù)較低的硅氧四面體之間的正離子靜電排斥力較強(qiáng)，因此，硅氧四面體直接結(jié)合將導(dǎo)致晶體能量升高。若硅氧四面體通過(guò)具有較低電價(jià)、配位數(shù)較高的正離子鎂氧八面體相連，則將降低正離子配位多面體之間的靜電排斥力，提高晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。13、在ZrO2離子晶體中，若以一個(gè)Ca2+置換一個(gè)Zr4+，則在Ca2+附近將形成一個(gè)什么離子空位，為什么？答：在ZrO2離子晶體中，若以一個(gè)Ca2+置換一個(gè)Zr4+，則在Ca2+附近將形成一個(gè)氧離子空位。這是為了保持晶體局部正、負(fù)電荷的平衡所需。14、為什么高分子材料不能在較高的溫度下使用？答：高分子材料的大分子之間是依靠分子鍵

9、或氫鍵結(jié)合，由于分子鍵或氫鍵結(jié)合力較小，很容易受到高溫的破壞，故高分子材料不能在較高的溫度下使用第三章 晶體缺陷1、為什么說(shuō)點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷，而位錯(cuò)則不是？答：在晶體中形成點(diǎn)缺陷將導(dǎo)致晶格畸變，使內(nèi)能增加U，并導(dǎo)致自由能增加 ，同時(shí)點(diǎn)缺陷形成也可使熵增加S，導(dǎo)致自由能降低。由于在一定點(diǎn)缺陷濃度范圍內(nèi)，熵增S導(dǎo)致的負(fù)的自由能增量可抵消內(nèi)能增量U導(dǎo)致的正的自由能增量，由G=U-TS，U-TS可在點(diǎn)缺陷為某濃度時(shí)達(dá)到平衡，二者共同作用可使晶體自由能在晶體中存在一定濃度的點(diǎn)缺陷時(shí)最低，故點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷。對(duì)于位錯(cuò)而言，其存在也使內(nèi)能和熵增加，但熵增S遠(yuǎn)低于內(nèi)能增量U，熵增S導(dǎo)致的負(fù)的自由能

10、增量不能抵消內(nèi)能增量U導(dǎo)致的正的自由能增量，故位錯(cuò)不是熱力學(xué)平衡缺陷。2、同一金屬中，間隙原子的平衡濃度和空位的平衡濃度哪一個(gè)高？金屬與陶瓷相比，哪一個(gè)中的點(diǎn)缺陷濃度高？為什么？答：由于形成一個(gè)間隙原子所產(chǎn)生的晶格畸變能高于產(chǎn)生一個(gè)空位的畸變能，由點(diǎn)缺陷平衡濃度公式可知，同一金屬中，間隙原子的平衡濃度比空位的平衡濃度高。金屬與陶瓷相比，由于陶瓷為鍵能高于金屬鍵的離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一個(gè)點(diǎn)缺陷所產(chǎn)生的畸變能高于金屬中，同時(shí)，在離子陶瓷晶體中，點(diǎn)缺陷還必須成對(duì)出現(xiàn)，其形成較金屬中更為困難，故陶瓷中的點(diǎn)缺陷濃度低于金屬中。3、為什么在固溶體中，當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差太大時(shí)，不能形

11、成置換固溶體？，而當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差不大時(shí)，不能形成間隙固溶體？答：在固溶體中，當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差太大時(shí)，以小原子置換大原子造成的晶格畸變高于小原子處于大原子構(gòu)成的晶格間隙中時(shí)所造成的晶格畸變，故二者不能形成置換固溶體。而當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差不大時(shí)，若小原子處于大原子晶格的間隙中，造成的晶格畸變比小原子置換大原子造成的晶格畸變更高，故二者不能形成間隙固溶體。4、為什么陶瓷中位錯(cuò)的密度低于金屬中，且陶瓷中位錯(cuò)的滑移系少于金屬中？答：由于由于陶瓷為鍵能高于金屬鍵的離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一條位錯(cuò)所產(chǎn)生的畸變能高于金屬中，另外在離子晶體中，為保持電荷平衡，刃位錯(cuò)還必須以

12、正、負(fù)半離子面同時(shí)出現(xiàn)，增加了形成刃位錯(cuò)的難度，故陶瓷中的位錯(cuò)密度低于金屬中。又由于在離子鍵晶體中，一些位錯(cuò)滑移面和滑移方向因位錯(cuò)沿其的滑移受到靜電排斥力的阻礙，使得其不能成為位錯(cuò)真正的滑移系，在共價(jià)晶體中由于共價(jià)鍵的方向性也限制了晶體中位錯(cuò)可進(jìn)行滑移的晶面和晶向的數(shù)量，故陶瓷中位錯(cuò)的滑移系少于金屬中。5、如圖，在晶體中的同一滑移面上有兩個(gè)柏氏矢量和半徑分別為b1、r1和b2、r2的位錯(cuò)環(huán)，已知r1r2, b1=b2。（1）在圖示切應(yīng)力的作用下，哪一個(gè)位錯(cuò)環(huán)先開(kāi)始滑移。為什么？（2）滑移開(kāi)始后，兩個(gè)位錯(cuò)環(huán)將如何變化？b1b2答：（1）柏氏矢量為b2的位錯(cuò)環(huán)先開(kāi)始滑移，這是因?yàn)閷?duì)于彎曲的位錯(cuò)線(xiàn)，

13、其線(xiàn)張力與外加切應(yīng)力平衡時(shí)有Gb/2r，要使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 應(yīng)大于Gb/2r，因柏氏矢量為b2的位錯(cuò)環(huán)半徑大于柏氏矢量為b1 的位錯(cuò)環(huán)半徑，故使其開(kāi)始滑移的最小外加應(yīng)切力21, 因此，其先開(kāi)始滑移。 （2）兩個(gè)位錯(cuò)環(huán)開(kāi)始滑移后，兩個(gè)位錯(cuò)環(huán)在應(yīng)力作用下將向外擴(kuò)展并接觸，在接觸點(diǎn)處，兩根位錯(cuò)為異號(hào)位錯(cuò)，故其將發(fā)生合并，最后兩個(gè)位錯(cuò)環(huán)合并為一個(gè)大的位錯(cuò)環(huán)。6、為什么位錯(cuò)線(xiàn)總是力圖保持為直線(xiàn)？答：位錯(cuò)導(dǎo)致晶格畸變，從而具有能量，為使其能量最低，位錯(cuò)總是盡量保持最短，故其總是力圖保持為直線(xiàn)。7、回答以下問(wèn)題（1）什么是肖脫基空位與弗蘭克爾空位?（2）一個(gè)位錯(cuò)環(huán)能否各部分都是螺型位錯(cuò)或都是刃型位錯(cuò)？請(qǐng)說(shuō)明之。

14、（3）請(qǐng)指出面心立方晶體中單位位錯(cuò)和不全位錯(cuò)的柏氏矢量?答：（1）當(dāng)脫離其平衡位置的原子、離子遷移至晶界、表面等處消失，則因該原子、離子脫離平衡位置而形成的空位稱(chēng)為肖脫基空位。若原子、離子脫離平衡位置遷移至晶格的間隙中，則因原子、離子脫離平衡位置而形成的空位與處于晶格間隙的原子、離子合稱(chēng)弗蘭克爾空位。（2）一個(gè)位錯(cuò)環(huán)可以各部分都為刃位錯(cuò)，如當(dāng)柏氏矢量垂直于一個(gè)位錯(cuò)環(huán)時(shí)。由于柏氏矢量不可能與位錯(cuò)環(huán)各處都保持平行狀態(tài)，故位錯(cuò)環(huán)不可能各部分都是螺位錯(cuò)。（3）面心立方晶體中單位位錯(cuò)的柏氏矢量為a<110>/2，肖克來(lái)不全位錯(cuò)的柏氏矢量為a<112>/6，弗蘭克不全位錯(cuò)的柏氏矢量

15、為a<111>/3。8、在面心立方晶體中，（111）面上有一根柏氏矢量b1=a/2的位錯(cuò)，另在（001）面上有一根柏氏矢量b2=a/2的位錯(cuò)，在外力作用下，兩位錯(cuò)滑移并在（111）面與（001）面相交處相遇，問(wèn)：（1）兩根位錯(cuò)能否發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)，為什么？寫(xiě)出反應(yīng)形成的新位錯(cuò)柏矢矢量。（2）新位錯(cuò)能否在（111）面上滑移，為什么？答：（1）設(shè)新形成的位錯(cuò)柏氏矢量為b=b1+b2=a/2，由于b2=a2/2b12+b22=a2/2+ a2/2，故過(guò)兩個(gè)位錯(cuò)能發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)。（2）位錯(cuò)反應(yīng)形成的位錯(cuò)柏氏矢量位于（111）面上，故該位錯(cuò)可以在（111）面上滑移。9、肖克萊不全位錯(cuò)和弗蘭克不全位

16、錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式是什么？若溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯(cuò)處發(fā)生平衡偏聚，對(duì)層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小有何影響，為什么？答：肖克萊不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形式是滑移。若溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯(cuò)處發(fā)生平衡偏聚，則將在肖克萊不全位錯(cuò)處形成低能態(tài)的溶質(zhì)原子分布，從而阻礙肖克萊不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。由于層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小來(lái)自于肖克萊不全位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，故溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯(cuò)處平衡偏聚將阻礙層錯(cuò)面的擴(kuò)大或縮小。10、為什么位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)通常只能發(fā)生在高溫下？答：位錯(cuò)的攀移依賴(lài)于原子的擴(kuò)散，而原子的明顯擴(kuò)散通常只能發(fā)生在高溫下，故位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)通常只能發(fā)生在高溫下。11、下圖為兩根處于不同滑移面上的位錯(cuò)線(xiàn)相向運(yùn)動(dòng)。（1）請(qǐng)畫(huà)出兩個(gè)位錯(cuò)線(xiàn)

17、交割后各自的形狀。（2）交割后，哪根位錯(cuò)線(xiàn)的滑移會(huì)變得更加困難，為什么？b1b2位錯(cuò)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向答：（1）兩個(gè)位錯(cuò)線(xiàn)交割后各自的形狀如下：b2b1（2）交割后，柏氏矢量為b2的位錯(cuò)線(xiàn)的滑移會(huì)變得更加困難。這是因?yàn)榻桓詈笤诖宋诲e(cuò)線(xiàn)上形成了一段刃型割階，該割階不在位錯(cuò)原滑移面上，并因此阻礙原位錯(cuò)在其原滑移面上的滑移。12、金屬固溶體的強(qiáng)度與其組元相比有何不同，為什么？答：固溶體的強(qiáng)度高于其組元。因?yàn)樾纬晒倘荏w后，溶質(zhì)原子在位錯(cuò)處會(huì)形成低能態(tài)分布阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高固溶體的強(qiáng)度。13、為什么層錯(cuò)沒(méi)有造成晶格畸變，但卻具有層錯(cuò)能？答：由于層錯(cuò)的形成破壞了晶體原子排列的周期性，故其也導(dǎo)致晶體的能量升高，故層錯(cuò)具有層錯(cuò)能。14、若溶質(zhì)原子在不全位錯(cuò)處發(fā)生平衡偏聚，問(wèn)對(duì)擴(kuò)展位錯(cuò)的交滑移有何影響，為什么？答：溶質(zhì)原子在不全位錯(cuò)處發(fā)生的平衡偏聚將釘扎不全位錯(cuò)阻礙其運(yùn)動(dòng)，從而使擴(kuò)展位錯(cuò)不易發(fā)生束集，導(dǎo)致擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移困難。15、為什么固體表面易吸附氣體分子？溶質(zhì)原子在晶界處的平衡偏析對(duì)晶粒的長(zhǎng)大（晶界的遷移）有何影響，為什么？答：固體表面的原子、離子等具有不飽和結(jié)合鍵，為降低其能量，故其易吸附氣體分子以求降低表面能。溶質(zhì)原子在