武漢理工大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)課后習(xí)題答案_第二版_張聯(lián)盟

1、作業(yè)答案 晶體學(xué) 2、解:(1) h:k:l=1/2:1/3:1/6=3:2:1, 該晶面的米勒指數(shù) 為(321); (2) (321) 5、 解：MgO 為 NaCI 型，02-做密堆積，Mg2+填充空隙。 02- =0.140nm ,Mg2+=0.072nm， z=4， 晶胞中質(zhì)點(diǎn)體積： (4/3 Xn r 02-3+4/3 X ng2+ 3) X, a=2(r+rj，晶胞體積=a3，堆積系數(shù)= 晶胞中 MgO 體積/晶胞體積=68.5% ,密度=晶胞中 MgO 質(zhì)量 /晶胞體積=3.49g/cm3。 6、 解：體心：原子數(shù) 2,配位數(shù) 8,堆積密度 55.5%; 面心：原子數(shù) 4,配位數(shù)

2、 6,堆積密度 74.04%; 六方：原子數(shù) 6,配位數(shù) 6,堆積密度 74.04%。 7、解：u=z1z2e2NoA/roX1-1/n)/4 n, e=1.602 X0-19 , 薩8.854 X0-12, N0=6.022 X023, NaCl: z1=1 , z2=1, A=1.748 , nNa+=7 , nCl-=9 , n=8 , r0=2.81910-10m , u NaCI=752KJ/mol ; MgO : z1=2 , z2=2 , A=1.748 , nO2-=7 , nMg2+= , n=7 , r0=2.1010m , UMgO =392KJ/mol UMgO UNa

3、ci，二 MgO 的熔點(diǎn)咼。 9、解：設(shè)球半徑為 a,則球的體積為 4/3 冗求的 z=4 , 則球的總體積(晶胞)4X4/3 na立方體晶胞體積：( a)3=16 a3 ,空間利用率 =球所占體積/空間體積=74.1%,空隙率 =1- 74.1%=25.9% 10、解：p =m/V 晶=1.74g/cm3 , V=1.37X10-22 11、解：Si4+ 4; K+ 12; Al3+ 6; Mg2+ 6。 13、解：MgS 中 a=5.20?，陰離子相互接觸，a=2 r-, rS2-=1.84?;CaS 中 a=5.67?,陰-陽離子相互接觸，a=2(r+門, rCa 2+=0.95? ;

4、CaO 中 a=4.80?, a=2(r+r_),. . ro2-=1.40?； MgO 中 a=4.20?, a=2(r+r_)，Mg2+=0.70?。 14、 解：LiF 為 NaCl 型結(jié)構(gòu)，z=4, V=a3, p =m/V=2.6g/cm3, a=4.05?,根據(jù)離子半徑 a1=2(r+r-)=4.14?, a0.301? , A O2-不能互相接觸； (2) 體對角線 =”a=4(r+r-), a=4.665?; (3) p =m/V=1.963g/cnf. A 17、解:%2+與匕2+不同，心2+ %2+，使 CaO 結(jié)構(gòu)較 MgO 疏松，H2O 易于進(jìn)入，所以活潑。 18.0(

5、 W x 0(10() )* 19. 解：Cdk晶體，Cd*； CN=ST匸與三個在同一邊的C(n目連；E； CN=3, =1= |z |， pCN T電價飽和 CaTiO5 晶鬲 Ca; CN=L2i Ti 4； CN=& CTIOTxCah CN=6, VII. TOT 尸電價飽和. 20。 (2)四面體空隙數(shù)/O2-數(shù)=2:1，八面體空隙數(shù)/O2- 數(shù)=1:1 ; (3) (a)CN=4 ,z+/4 8=2,z+=1 ,Na2O,Li2O;(b)CN=6 , z+/6 =2, z+=2, FeO, MnO ; (c) CN=4 , z+/4 =2, z+=4, ZnS, SiC;

6、 (d)CN=6 , z+/6 =2, z+=4, MnO2。 21、解：島狀；架狀；單鏈；層狀(復(fù)網(wǎng)) ；組群(雙四 面體)。 22、 解： (1)有兩種配位多面體， SQ4 ， MgOe ， 同層的 MgO6八面體共棱，如 59MgO6和 49MgO 6共棱 75O2-和 27O2-，不同層的MgO 6八面體共頂，如 1MgO 6】和 51MgO 日 共頂是 22O2-，同層的MgO6與SiO4共頂，如 TMgO 6和 7SiO4共頂 22O2-，不同層的MgO 6】與SiO共棱，TMgO心 和 43SiO 4共 28O2-和 28O2-； 曠與3個M譏和1個肛0配位，=2= z_ I,飽

7、和；(3)z=4j Ca oF. 0(100) JO 0(100). (3)z=4； (4) Si4+占四面體空隙=1/8 , Mg2+占八面體空隙=1/2。 23、 解：透閃石雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的 Si-O 鍵要比鏈 5 的 Ca-O、 Mg-O 鍵強(qiáng)很多，所以很容易沿鏈間結(jié)合力較弱處劈裂成為 纖維狀；滑石復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個 SiO4 層和中間的 水鎂石層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠教弱的分之間作 用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成 片狀。 24、 解：石墨中同層 C 原子進(jìn)行 SP2 雜化，形成大 n鍵， 每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層 中運(yùn)動，

8、可以導(dǎo)電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟。 25、 解：(1) Al3+ 可與 O2-形成AIO45-; Al3+與 Si4+ 處于第二 周期，性質(zhì)類似，易于進(jìn)入硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中與 Si4+發(fā)生同 晶取代，由于鮑林規(guī)則，只能部分取代； (2) Al3+置換 Si4+ 是部分取代，AI3+取代 Si4+時，結(jié)構(gòu)單元AlSiO 4ASiO 5，失 去了電中性，有過剩的負(fù)電荷，為了保持電中性，將有一些 半徑較大而電荷較低的陽離子如 K+、Ca2+、Ba2+進(jìn)入結(jié)構(gòu)中； (3)設(shè) AI3+置換了一半的 Si4+，貝U O2-與一個 Si4+ 一個 AI3+ 相連，陽離子靜電鍵強(qiáng)度=3/4 X1+4/

9、4 X1=7/4 , O2-電荷數(shù)為-2 , 二者相差為 1/4，若取代超過一半， 二者相差必然 1/4，造成 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 1、 解：鈉原子空位；鈉離子空位，帶一個單位負(fù)電荷； 氯離子空位，帶一個單位正電荷；最鄰近的 Nh空位、 Cl-空位形成的締合中心；Ca占據(jù) K.位置，帶一個單 位正電荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Cd*處于晶格 間隙位置。 2、 解：(1) NaCI 一，NaCa + Cl CI + Vc (2) CaCb 聞 CaNa + 2CI CI + V Na (3) O Ma + V Cl (4) AgAg Vg + Ag i 3、 解：設(shè)有缺陷的MgC晶胞

10、的晶胞分子數(shù)為x,晶胞 體積V=(4.20) 3, x= p VN0/M=3.96,單位晶胞的肖脫基 缺陷數(shù)=4-x=0.04。 4、 解： (a)根據(jù)熱缺陷濃度公式n/N=exp(-E/2RT), E=6eV=& 1.602 X 10-19=9.612 X 10-19J, T=298k: n/N=1.92X 1051, T=1873k: n/N=8.0 X 109 ； (b)在MgC中加入百萬分之一的 A4Q, 2A5g + VM/ + 3OO,TAL2Q= 10-6，二雜質(zhì)缺 陷=3 X 10-6/2=1.5 X 10-6，二比較可知，雜質(zhì)缺陷占優(yōu)。 5、 解：n/N=exp(-E

11、/2RT) , R=8.314, T=1000k: n/N=6.4 X 103 ； T=1500k: n/N=3.5 X 102。 6、 解：FeQ = 、2F&e + 3OO + VF。 2y Fe3+2yFe2+1-3y 0， 尹-屯 1 TCL W.旳 T 冋.1/2, 3=0. 0436 X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe 0.9565O l-y 0.0435 VFe= .22 x 10-2 7、解：Zn(g) Zni + e , Zn(g) + 1/202 = ZnO, Zni + e + 1/2O2 ZnO , ZnO=e , PQ Zni J p 1 IO(

12、g)OO + VFe + 2h k=OO W h /PO2l/2=4OO W 3/ PQ1/2 , V Fe x PO-1/6 PQ V Fe p 8解：刃位錯：位錯線垂直于位錯線垂直于位錯運(yùn) 動方向；螺位錯：位錯線平行于-位錯線平行于位錯 運(yùn)動方向。 10、 解：排斥，張應(yīng)力重疊，壓應(yīng)力重疊。 11、 解：晶界對位錯運(yùn)動起阻礙作用。 12、 解：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于無 序的狀態(tài)，而位錯之間的距離可能只有一、兩個原子 的大小，不適用于大角度晶界。 13、解：(1)原子或離子尺寸的影響， r30%艮難或不能形成固溶體；亠 愈 大，固溶度愈??；（2）晶體結(jié)構(gòu)類型的影響，只有兩 種結(jié)

13、構(gòu)相同和 rOk 8VM + Vx MIMMi + VM MX MX 只受溫度控制 固 溶 體 , , , 無見有見置從郵 攙 雜 溶 解 大 小， 電負(fù) 性， 電 價， 結(jié)構(gòu) 無：受溫度控制 有：攙雜量 固 溶度受溫度控 制 攙雜量固溶度 受固溶度控制 非 化 學(xué) 計 量 化 缺間間缺 日 od 日 od 環(huán) 境 中 氣 憤 性 Fei-x O UG+x Zn1+xC TiO2_x h 文 PC-1/6 Ci * P(C 1/6 Zni * PC-1/6 VO Al 0.148 Mg852 O.074 質(zhì) 和 壓 力 變 化 17、解：設(shè) A4Q、MgO總重量為 100g,則 ALO18g,

14、 MgO82g 102 溶入 MgC中 ALsQ的 mol 數(shù)：A4Q mol%=02+82M0 =0.08=8%, MgOnol%=1-8%=92%H溶體組成：8%ALO, 92%MgO 固溶體組成式：Al 0.16 Mg.92 Qi6 (a) AgAbg + 2OO + Oi X 2x x 固溶體化學(xué)式： Al 2xMg-2xO+x 將化學(xué)式與組成式一一對應(yīng)，求出待定參數(shù) x，由于 O-的量不同，將O-的量化為1 Al 0.16/1.16 Mg.92/1.16 O一 Al 2x/1+x Mg-2x/1+x O x=0.074，化學(xué)式*P (b) AgJ2A扁 + 3OO + OM/ x 2

15、x 18、解：Fei-xS中存在Fe空位，VFe非化學(xué)計 量，存在i P型半導(dǎo)體；FeS-x中金屬離子過剩，存 在S空位，存在e，N型半導(dǎo)體；因Fe-xS、FeS-x 分屬不同類型半導(dǎo)體，通過實(shí)驗(yàn)確定其半導(dǎo)體性質(zhì)即 可。 19、解：(1)晶體中間隙位置是有限的，容納雜 質(zhì)質(zhì)點(diǎn)能力w 10% ( 2)間隙式固溶體的生成，一般 都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，使晶格變得 不穩(wěn)定而離解；置換固溶體形成是同號離子交換位置， 不會對接產(chǎn)生影響，所以可形成連續(xù)固溶體。嚴(yán). r .4 *0.+ 40.S52MHS +4 Al 2xMg-3xO ； Al 0.16/1.16 Mg.92/1.16 O x=

16、 0.08 n? d理 想 Al 0.138 Mg.793。 =0.97 20、解: Ta W r大-r小/ r 大 =4.2%15% 電負(fù)性差 =2.222=0 結(jié)構(gòu)類型：面心立方 形成有限固溶 體 C( Ni r大-r 小/ r 大 =0.4%15% 電負(fù)性差： 1.8-1.6=0.2 當(dāng) Tv427C, Co Zn 結(jié)構(gòu)類型相同 可形成連續(xù)固 溶體 Ti Ta r大-r 小/ r 大 =2.12%883C, Ti Ta 結(jié)構(gòu)類型相同 21、解：（a） vr 大-r 小/ r 大=10% y=0. 15/1.85 1.85 1 85 間隙式固溶體化學(xué)式Ca0 .3 X 2/1.85 Zr

17、1.7/1.85 Q 晶胞質(zhì)量 ,0.13H.S5 “ ，1.7/1 35 4 x - 井 + 4x - w=y _ 1 _ 1 a 1 6 022X1032厶 - S1.25(g； d間；=6.014g/cm3,由此可判斷生成的是置換型固溶 = 體。 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1. 1 、解： 石英晶體 石英熔體 Ns2O?2SiQ 結(jié) 構(gòu) SiO4按共 頂方式對稱有 規(guī)律有序排列， 遠(yuǎn)程有序 基本結(jié)構(gòu)單 元SiO 4呈 架狀結(jié)構(gòu)， 遠(yuǎn)程無序 基本結(jié)構(gòu)單 兀Si 6。8呈 六節(jié)環(huán)或八節(jié) 環(huán)， 遠(yuǎn)程無序 性 質(zhì) 固體無流動 性，熔點(diǎn)高，硬 度大，導(dǎo)電性 差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 化學(xué)穩(wěn)定性好 有流動性， n大，

18、電導(dǎo)率 大，表面張力大 有流動性，n 較石英熔體小， 電導(dǎo)率大，表面 張力大 2、解：根據(jù) In n =A+B/T727C 時，n =1O8P01156C 時，n =104P0 A=-5.32 , B=13324,當(dāng) n =107P0寸， 則 t=80C。 3、解：Na2O-SiO2系統(tǒng)中，SiO?含量增加，n增 大,。減??；因?yàn)镾iO?含量增加，聚合離子團(tuán)尺寸增 大，遷移阻力增大，n 增大，e/r減小，相互作用力減 小，減小；RO-SQ2系統(tǒng)中，Si。?含量增加，n增大， c減?。灰?yàn)闊oSiO2時RO-O2系統(tǒng)n很低，表面張力 大；加入SiO?，系統(tǒng)中出現(xiàn)聚合離子團(tuán)，SiO?增加， 聚合離子

19、團(tuán)尺寸增大，數(shù)目增大，n增大，減小。 4、解：玻璃的介穩(wěn)性：熔體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａн^程中，是 快速冷卻，使玻璃在低溫下保留了高溫時的結(jié)構(gòu)狀態(tài)， 玻璃態(tài)是能量的介穩(wěn)態(tài)，有自發(fā)放熱而轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的 趨勢；玻璃無固定熔點(diǎn)：熔體的結(jié)晶過程中，系統(tǒng)必 有多個相出現(xiàn)，有固定熔點(diǎn)；熔體向玻璃體轉(zhuǎn)變時， 其過程是漸變的，無多個相出現(xiàn)，無固定的熔點(diǎn)，只 有一個轉(zhuǎn)化溫度范圍。 5. 化成 mol 百分?jǐn)?shù)，8Na,O-14CaO-78SiO; p 8 + 14+Sx2 o沁 全部氧離子 L 7S 全部網(wǎng)絡(luò)形成離子數(shù) 平均非橋氧數(shù)：滬2R-n平均橋氧數(shù)：y=2z-2R,非橋氧百分含量=- x + y / 2 6、 解：在熔體結(jié)

20、構(gòu)中，不 O/Si比值對應(yīng)看一定 的聚集負(fù)離子團(tuán)結(jié)構(gòu)，如當(dāng)O/Si比值為2時，熔體中 含有大小不等的歪扭的SiO?n聚集團(tuán)（即石英玻璃熔 體）;隨看O/Si比值的增加，硅氧負(fù)離子集團(tuán)不斷變 小，當(dāng)O/Si比值增至4時，硅-氧負(fù)離子集團(tuán)全部拆 散成為分立狀的SQ44-,這就很難形成玻璃。 7、解：網(wǎng)絡(luò)變體 Na2O CaO K2O BaO 中間體 Al 2O3 網(wǎng)絡(luò)形成體 SiO2 B2O3 P2O5 9、解：微晶學(xué)說： 玻璃結(jié)構(gòu)是一種不連續(xù)的原子 集合體,即無數(shù) “晶子 ”分散在無定形介質(zhì)中； “晶子” 的化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量取決于玻璃的化學(xué)組成,可以是獨(dú) 立原子團(tuán)或一定組成的化合物和固溶體等微晶多

21、相 體,與該玻璃物系的相平衡有關(guān)； “晶子”不同于一般 微晶,而是帶有晶格極度變形的微小有序區(qū)域, 在“晶 子”中心質(zhì)點(diǎn)排列較有規(guī)律, 愈遠(yuǎn)離中心則變形程度愈 大；從“晶子”部分到無定形部分的過渡是逐步完成的, 兩者之間無明顯界限。無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說：玻璃的結(jié)構(gòu) 與相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)相似,同樣形成連續(xù)的三維空間網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)。但玻璃的網(wǎng)絡(luò)與晶體的網(wǎng)絡(luò)不同,玻璃的網(wǎng) 絡(luò)是不規(guī)則的、非周期性的,因此玻璃的內(nèi)能比晶體 的內(nèi)能要大。由于玻璃的強(qiáng)度與晶體的強(qiáng)度屬于同一 個數(shù)量級,玻璃的內(nèi)能與相應(yīng)晶體的內(nèi)能相差并不多, 因此它們的結(jié)構(gòu)單元 （四面體或三角體） 應(yīng)是相同的, 不同之處在與排列的周期性。微晶學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃

22、結(jié) 構(gòu)的不均勻性、不連續(xù)性及有序性等方面特征,成功 地解釋了玻璃折射率在加熱過程中的突變現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò) 學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃中離子與多面體相互間排列的均勻 性、連續(xù)性及無序性等方面結(jié)構(gòu)特征。 10、解：當(dāng)數(shù)量不多的堿金屬氧化物同 B2O3 一 起熔融時，堿金屬所提供的氧不像熔融 SiO2 玻璃中作 為非橋氧出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中， 而是使硼氧三角體轉(zhuǎn)變?yōu)橛?橋氧組成的硼氧四面體， 致使 B2O3 玻璃從原來兩度 空間的層狀結(jié)構(gòu)部分轉(zhuǎn)變?yōu)槿瓤臻g的架狀結(jié)構(gòu)，從 而加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使 玻璃的各種物理性能變好。 這與相同條件下的硅酸鹽玻璃相比，其性能隨堿金屬 或堿土金屬加入量的變 化規(guī)律相反，所以稱之為硼反 ?，F(xiàn)象。

23、 表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1 、解：表面張力：垂直作用在單位長度線段上的表 面緊縮力或?qū)⑽矬w表面增大一個單位所需作的功； (T 力 / 總長度 N/m 表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增 加物系表面積須對物質(zhì)所做的非體積功稱為表面能； J/m2 =N/m 液體：不能承受剪應(yīng)力，外力所做的功表現(xiàn)為表 面積的擴(kuò)展，因?yàn)楸砻鎻埩εc表面能數(shù)量是相同的； 固體：能承受剪切應(yīng)力，外力的作用表現(xiàn)為表面 積的增加和部分的塑性形變， 表面張力與表面能不等。 2、解：同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同， 液體分子可自由移動，總是通過形成球形表面來降低 其表面能；固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動，只 能通過表面質(zhì)

24、點(diǎn)的極化、變形、重排來降低系統(tǒng)的表 面能，固體表面處于高能量狀態(tài)（由于表面力的存在）。 3、解：吸附：固體表面力場與被吸附分子發(fā)生 的力場相互作用的結(jié)果，發(fā)生在固體表面上，分物理 吸附和化學(xué)吸附； 粘附： 指兩個發(fā)生接觸的表面之間的吸引， 發(fā)生 在固液界面上；銅絲放在空氣中，其表面層被吸附膜 （氧化膜）所覆蓋，焊錫焊接銅絲時，只是將吸附膜 粘在一起，錫與吸附膜粘附的粘附功小，鋰刀除去表 面層露出真正銅絲表面（去掉氧化膜），錫與銅相似材 料粘附很牢固。 4、 解：1J=107爾格（erg），1 卡=4.1868J, 設(shè)方鎂石為正方體邊長為a ,V=a3，S表=6a2， 比表面積S表N= 6a2/

25、 a3 =6/a，1cm方鎂石顆粒粉碎為 1卩m顆粒時，比表面積 增加為:104倍，增加的表面能 為： 表面能曾加的比表面積 =0.06 卡/g。 5、 解：結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶體相互接觸，其接 觸界面稱晶界。若相鄰晶粒的原子彼此無作用，那么, 每單位面積晶界能將等于兩晶粒表面能之和，晶界結(jié) 構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。但實(shí)際上，兩個相鄰晶粒 的表面層上的原子間存在相互作用，且很強(qiáng)(兩者都 力圖使晶界上質(zhì)點(diǎn)排列符合于自己的取向，所以晶界 上原子形成某種過渡的排列方式，與晶格內(nèi)卻不同， 晶界上原子排列疏松，處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，晶界上原 子比晶界內(nèi)部相同原子有較高的能量)，這種作用部分 抵消了表面質(zhì)點(diǎn)

26、的剩余的鍵力。 7、解：設(shè)水膜厚度為h，水密度1g/cm3, 1個粒 度1卩的顆粒水膜重量為610-4)2休XI, 1g石英可粉 碎為N個1卩的粉末，石英密度2.65g/cm3 , N-(10-4)3 265=1 N=3.77 X1011, N 個卩微粒水的量為 1.02-1=0.02g -7 =8.83 X 10 m h= =8.83 nm。 8、解：丫 sg = Y lg cos 0 + Y ls 1729 =-0.8097 cos 0 = 900- 2300 3* =144 90，不能潤濕。 : 9、解：丫 lg =500erg/cm 2 ，求氧化物表面張力 Y sg , Y sg =

27、Y ig cos45 + Y is , 2x 丫 is cos45 = Y ss Y ss=1000dyn/cm=102 N/cm=1N/m=1J/ni =103erg/cm2 2 7、解：不穩(wěn)定擴(kuò)散恒定源半無限擴(kuò)散 1?3 75 (2) Y ss=2cos x 900=848.5erg/cm 擴(kuò)散 2、解：擴(kuò)散的基本推動力是化學(xué)位梯度，只不過在一般情況下以濃度梯度的方式表現(xiàn)出 來；擴(kuò)散是從高化學(xué)位處流向低化學(xué)位處， 最終系統(tǒng)各處的化學(xué)位相等。如果低濃度處化學(xué) 勢高，則可進(jìn)行負(fù)擴(kuò)散，如玻璃的分相過程。 3、解：看成一維穩(wěn)定擴(kuò)散，根據(jù)菲克第一定律 - CT=2. 5乂10，個/cm, x_x：=

28、2mjn! .Tx=60 個/60S nm X Xi 擴(kuò)散系數(shù)宏觀表達(dá)式 D=D oexp(-Q/RT) -14 Do=O.34 10 m2/s Q=4.5kcal/mol=4.5 103X4.1868J/mol=1.85 10J/mol R=8.314J/mol?K , T=300+273=573K -14 -14 -17 2 D=0.34 10 exp(-3.88)=0.34 10 X 0.02=6.8 10 m/s - - F cc- - -2.94 X 10 個/in D 17 6 23 Cx=2.5 10 /10- =2.5 10 19 23 C2=CX-2.94 10=2.5 10

29、 j=D * D=3 X 10 nt /SJ dxliftjii 10 m* aS. 65 X 10 JH? 4、解： 20個 Fe的晶胞體積： 20a3 m3 , 30 個 Fe 的晶胞體積：30am3 1 _ 1 濃度差： - 5、解：根據(jù)恒定源擴(kuò)散深度 - 、 扎二k JDQ, 監(jiān)二k, x；=x；- 已知 x不變， - J=1-O2X1Q1?個A J=1.Q2 1Q19 個 /S?m2 1 個晶胞面積 a2, n=JxX5QXa2=82 個 要得到兩倍厚度的滲碳4h。 6、解：不穩(wěn)定擴(kuò)散中恒定源擴(kuò)散問題 y/Dt 2 7、解：不穩(wěn)定擴(kuò)散恒定源半無限擴(kuò)散 D1t 仁 D2t2 已知 D1

30、 , D2 , t1，則可求 t2=480s c = i -c；erfc( - - )要使相變自按進(jìn)行-G 10 cm2/s 15 代入上式可求 Q=48875J, D0=3.39 0- cm2/s (2)略。 10 10、解：晶界擴(kuò)散 Dgb=2.002 0- exp(-19100/T) 體擴(kuò)散 DV=1.00 0-4exp(-38200/T) T 增大，exp(-19100/T)減小，Dgb減小，DV減小； T 減小，exp(-19100/T)增大，Dgb增大，DV增大； 計算有 T=1455.6K Dgb= DV T1455.6K 時，DgbDv，高溫時，體積擴(kuò)散占優(yōu)； T DV，低溫時

31、，晶界擴(kuò)散占優(yōu)。 11、解:T=800+273=1073K 時 -7 2 D =0.0079exp(-83600/RT)=6.77 10 Cm /s -8 2 D f=0.21exp(-141284/RT)=2.1 10 XCm /s Da D B 擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)對擴(kuò)散有很大影響，結(jié)構(gòu)疏松，擴(kuò)散阻力小而擴(kuò)散系數(shù)大，體心較面心 疏松；a-Fe 體心立方，BFe 面心立方。 13 解：離子晶體一般為陰離子作密堆積，陽離子填充在四面體或八面體空隙中。所以陽 離子較易擴(kuò)散。如果陰離子進(jìn)行擴(kuò)散，則要改變晶體堆積方式，阻力大。從而就會拆散離子 晶體的結(jié)構(gòu)骨架。 14 解：固體表面質(zhì)點(diǎn)在表面力作用下，導(dǎo)致表面

32、質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排并引起原來的 晶格畸變，表面結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部， 并使表面處于較高的能量狀態(tài)。 晶體的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列有周 期性，每個質(zhì)點(diǎn)力場是對稱的，質(zhì)點(diǎn)在表面遷移所需活化能較晶體內(nèi)部小， 則相應(yīng)的擴(kuò)散系 數(shù)大。 同理，晶界上質(zhì)點(diǎn)排列方式不同于內(nèi)部，排列混亂，存在著空位、位錯等缺陷，使之處于應(yīng) 力畸變狀態(tài)，具有較高能量，質(zhì)點(diǎn)在晶界遷移所需的活化能較晶內(nèi)小，擴(kuò)散系數(shù)大。 但晶界上質(zhì)點(diǎn)與晶體內(nèi)部相比， 由于晶界上質(zhì)點(diǎn)受兩個晶粒作用達(dá)到平衡態(tài)， 處于某種 過渡的排列方式，其能量較晶體表面質(zhì)點(diǎn)低，質(zhì)點(diǎn)遷移阻力較大因而 D 晶界D 表面。 相變 2. 解：特征： 母相與馬氏體之間不改變結(jié)晶學(xué)方位關(guān)系(新

33、相總是沿一定的 結(jié) 晶學(xué)面形成，新相與母相之間有嚴(yán)格的取向關(guān)系) 相變時不發(fā)生擴(kuò)散，是一種無擴(kuò)散相變，馬氏體在化學(xué)組成上 與母體完全相同要使相變自按進(jìn)行-G 0 則 轉(zhuǎn)變速度極快 馬氏體相變過程需要成核取動力，有開始溫度和終了溫度。 區(qū)別： 成核-生長過程中存在擴(kuò)散相變，母相與晶相組成可相同可不同, 轉(zhuǎn)變速度較慢，無明顯的開始和終了溫度。 3 .解： AG=AH-TAS AH 平衡溫度兀時- Z 2S = 0 曲= T 耳時，* =H- rS = H-r = AH 4.解: 運(yùn)二學(xué)% “ 口代入 BIACJ r 兀 則 AG： = 野口 “?。?- A iz -rr AG： A k TT. -

34、TV 即求 m 的扱值 當(dāng) r = 時口口 =o 此時cO匚且工0即號有極大佰 .當(dāng) 7 = HI J e pl- SG. RT）匚有極大值 r z 5解： 由熱力學(xué)= _H - T AS 平衢時 丄二二H -兀丄宕=e T m相變平衡溫度；AH相變熱 溫度T時，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài), AH TT AT - T =AH - = AH 人 人 人31H： AG=AH-TAS 0 對方熱過程如結(jié)晶，凝聚 4H0 ,T0,必須過冷 對吸熱過程如蒸發(fā)，熔融 4H0則 T0,必須過熱 6 .解： 同，與界面，缺陷無關(guān) 在異相界面上進(jìn)行，如容器壁，氣泡界面或附著 于外加物（雜質(zhì)或晶核劑） 嚴(yán)=晶核劑降低丁因

35、此F *下降 AGr 農(nóng) 7解： j 皿二叱竺2 士 A c -如=二氏 11 - COS611 平衡時；電=71V cos-;/v: 則 cos 6 12 - cos0(1 -cos I* 8. 解:均勻成核 在均勻介質(zhì)中進(jìn)行，在整體介質(zhì)中的核化可能性相 非均勻成核 將代入式并令 維）=0則R cR 3 y - IT Gy 晶核懷積晶胞體積莊 3 二晶胸亍數(shù) 3 9. 解： T=10C(TC -iGrlOCealii- T二900f AGT -?0C-曰 cm- 10. = A Gj + AG- = A 7r +6口亠;蘆站 =0 則 3o:AG. -12/ =0 ca 4 XA_1 AGr

36、. -當(dāng)形成體積相同的核時 / = * 3 J 立方借我面積I討)湃形14 口 貝+ -.AGAG；- 12 解：r 相同時 T IT2T3 AGr 宀 p SHT = - 16石；匸 31 AG ）： G1A G2A r =5CCer2 cm- (b)整個反應(yīng)過程中速度最慢的一步控制產(chǎn)物生成 D 小的 13 解:斯賓納多分解，是由于組成起伏引起的熱力學(xué)上的不穩(wěn)定 性產(chǎn)生的，又稱不穩(wěn)定分解 兩種相變機(jī)理的主要差別 成核-生長機(jī)理 斯賓納多機(jī)理 1、溫度不變時，第二相組成不隨時間而改變 、組成發(fā)生連續(xù)的變化，直至達(dá)到平衡為止 2、成核相與基質(zhì)之間的界面始終是清除的 2、界面起初是很散亂的，最后才

37、明顯起來 一 1 3、平衡相的尺寸和位置存在著混亂傾向 3、相的尺寸和分布有一疋的規(guī)律性 4、第二相分離成孤立的球形顆粒 4、第二相分離成有高度連續(xù)性的非球形顆粒 5、分相所需時間長，動力學(xué)障礙大 5、分相所需時間極短，動力學(xué)障礙小 n 14 解：登山擴(kuò)散-負(fù)擴(kuò)散，爬坡擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是增大濃度梯 度。 15.解：在后期是無法區(qū)分的。但觀察整個相變過程的變化情況 可以區(qū)分。 對于成核-生長機(jī)理的相變，在相分離早期，由于新相核的產(chǎn)生必 須達(dá)到臨界尺寸，因此在形態(tài)上就看不到同相之間的連接性， 新相傾向于以球形 析出。在相分離早期，系統(tǒng)出現(xiàn)孤立的分立顆粒。在中期，顆粒產(chǎn)生聚結(jié)，在后 期，可能呈現(xiàn)高度

38、的連續(xù)性。 斯賓納多分解可由微小的成分波動產(chǎn)生，在相變初期不必形成明 顯的新相界面，系統(tǒng)中各組分之間逆濃度梯度方向進(jìn)行登山擴(kuò)散， 促進(jìn)了組成的 波動。因此，其分解產(chǎn)物組織沒有固定的周期性，但存在著高度的連續(xù)性。 這樣，就可以用小角度 x-ray 散射方法研究相變組織，用場離子顯微鏡加原子探 針技術(shù)研究早期斯賓納多分解及有序化。還可以用電子顯微鏡對等溫下相生長隨 時間變化進(jìn)行觀察。 固相反應(yīng) 1. 解：(a)1 反應(yīng)物是半徑為 R0 的等徑球粒 B,x 為產(chǎn)物層厚度。 2. 反應(yīng)物 A 是擴(kuò)散相，即 A 總是包圍著 B 的顆粒, 且 A，B 同產(chǎn)物 C 是完全接觸的，反應(yīng)自球表面向中心進(jìn)行 3.

39、 A 在產(chǎn)物層中的濃度梯度是線性的，且擴(kuò)散截 面積一定 控制產(chǎn)物生成，即 DMg2 小，Mg2 擴(kuò)散慢，整個反應(yīng)由 Mg2+勺擴(kuò)散慢，整個反應(yīng) 由 Mg2+勺擴(kuò)散控制。 2 .解：(1)將重量增量平方對 t 做圖，呈拋物線關(guān)系，則符合 X2=kt 門)速度常數(shù) t = cexp B RT J 険呈 ts 繪 T 3. 解: =kr k - c exp 匕 代入 T=1400C G=10% t=1h Q=50kcal/mol 求得 k 及 c c=3.35 x 10-7 代入楊德方程 T=1500C t=1h 4h 求出 G=0.0999 0.1930 5 解：根據(jù)表 9-1 (P324P325

40、 部分重要的固相反應(yīng)動力學(xué)方程 及圖 9-18 各種類型反應(yīng)中 G-t/t0.5 曲線 分析 G50% G-t 小于線性規(guī)律，是由擴(kuò)散控制的反應(yīng)， G=kt . J Cr=kt 將 T1 =451C，T2=493C G1=G G=10G 代入求得 Q 6. 解： (1) 由楊篙方程!二心 已知 t=1h，G=0.15 求 G=100% t=? (2)影響擴(kuò)散的因素：減小粒度 采用活性反應(yīng)物，如 Al2O3?3H2O 適當(dāng)加壓等等 8 .解：選擇 MgCO 或 Mg(OH)2 及 Al2O3?3H2O 較好。 其活性較高。 這些原料在反應(yīng)中進(jìn)行熱分解和脫水，獲得具有較大比表面和 晶格缺陷的初生態(tài)

41、或無定形物質(zhì)從而提高了反應(yīng)活性，加劇了固相反應(yīng)的進(jìn)行 燒結(jié) 1. 解: 燒結(jié)的推動力從廣義上講是化學(xué)位移梯度 , 具體的是系統(tǒng)的表面能 主要以流動傳質(zhì) ,擴(kuò)散傳質(zhì),氣象傳質(zhì),溶解 - 沉淀方式推動物質(zhì)遷移。 其中：固相燒結(jié)中傳質(zhì)機(jī)理： (1) 流動傳質(zhì) (2) 擴(kuò)散傳質(zhì) (2) 氣相傳質(zhì) 液相燒結(jié)中的傳質(zhì)機(jī)理 (1) 流動傳質(zhì) (2) 溶解- 沉淀 2. 解：燒結(jié)過程是經(jīng)過成型的固體粉狀顆粒在加熱到低于熔點(diǎn)溫度的溫度下 產(chǎn)生顆粒粘結(jié)；通過物質(zhì)傳遞 , 使成型題逐漸變成具有一定幾何形狀和性能的整 體的過程。 燒結(jié)初期：顆粒僅發(fā)生重排和鍵和 , 顆粒和空隙形狀變化很小 , 頸部相對變 化 x/r0

42、.3 , 線收縮率小于 0.06 。 燒結(jié)中期:(1) 燒結(jié)中期,頸部進(jìn)一步擴(kuò)大 ,顆粒變形較大 ,氣孔由不規(guī)則 的形狀逐漸變成由三個顆粒包圍的 , 近似圓柱形的氣孔 ,且氣孔是聯(lián)通的。 (2) 晶界開始移動 , 顆粒正常長大。與氣孔接觸的顆粒表面為空 位源, 質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散以體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散為主而擴(kuò)散到氣孔表面 , 空位返鄉(xiāng)擴(kuò)散而 消失。 (3) 坯體氣孔率降為 5%左右, 收縮達(dá) 90%。 燒結(jié)末期： (1) 進(jìn)入燒結(jié)末期 , 氣孔封閉 , 相互孤立 , 理想情況為四個顆粒 包圍, 近似球狀。 (2) 晶粒明顯長大 , 只有擴(kuò)散機(jī)理是重要的 , 質(zhì)點(diǎn)通過晶界擴(kuò) 散和體積擴(kuò)散 , 進(jìn)入晶界間近似球狀的氣孔中。 (3) 收縮率達(dá) 90100%, 密度達(dá)理論值的 95% 以上。 3. 解： a,d 能使燒結(jié)體強(qiáng)度增大 , 而不會產(chǎn)生肧體宏觀上的收縮。應(yīng)為這兩 種物質(zhì)傳遞僅涉及肧體表面形狀的變化 , 而并沒有涉及到肧體內(nèi)部氣孔體積的變 化。這樣 ,陪體表面顆粒間接觸面積增大 ,粘附力增加 ,從而使燒結(jié)體強(qiáng)度增大 , 但不產(chǎn)生肧體宏觀上的收縮。 4. 解：粉料立方體 1mm=1-04cm 1cm3 壓塊中有 1/ (10-4) 3=1012個顆粒 最初表面能=6* (10-4) 2*1000erg/cm 3*1012 個/