材料科學基礎課后習題答案剖析

1、材料科學基礎課后習題答案第一章材料結構的基本知識4.簡述一次鍵和二次鍵區(qū)別答：根據(jù)結合力的強弱可把結合鍵分成一次鍵和二次鍵兩大類。其中一次鍵的結合力較強，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。一次鍵的三種結合方式都是依靠外殼層電子轉移或共享以形成穩(wěn)定的電子殼層，從而使原子間相互結合起來。二次鍵的結合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。二次鍵是一種在原子和分子之間，由誘導或永久電偶相互作用而產生的一種副鍵。6.為什么金屬鍵結合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體為高？答：材料的密度與結合鍵類型有關。一般金屬鍵結合的固體材料的高密度有兩個原因：（1）金屬元素有較高的相對原子質量；（2）金屬鍵的結合方式沒有方向性

2、，因此金屬原子總是趨于密集排列。相反，對于離子鍵或共價鍵結合的材料，原子排列不可能很致密。共價鍵結合時，相鄰原子的個數(shù)要受到共價鍵數(shù)目的限制；離子鍵結合時，則要滿足正、負離子間電荷平衡的要求，它們的相鄰原子數(shù)都不如金屬多，因此離子鍵或共價鍵結合的材料密度較低。9.什么是單相組織？什么是兩相組織？以它們?yōu)槔f明顯微組織的含義以及顯微組織對性能的影響。答：單相組織，顧名思義是具有單一相的組織。即所有晶粒的化學組成相同，晶體結構也相同。兩相組織是指具有兩相的組織單相組織特征的主要有晶粒尺寸及形狀。晶粒尺寸對材料性能有重要的影響，細化晶?？梢悦黠@地提高材料的強度，改善材料的塑性和韌性。單相組織中，根據(jù)

3、各方向生長條件的不同，會生成等軸晶和柱狀晶。等軸晶的材料各方向上性能接近，而柱狀晶則在各個方向上表現(xiàn)出性能的差異。對于兩相組織，如果兩個相的晶粒尺度相當，兩者均勻地交替分布，此時合金的力學性能取決于兩個相或者兩種相或兩種組織組成物的相對量及各自的性能。如果兩個相的晶粒尺度相差甚遠，其中尺寸較細的相以球狀、點狀、片狀或針狀等形態(tài)彌散地分布于另一相晶粒的基體內。如果彌散相的硬度明顯高于基體相，則將顯著提高材料的強度，同時降低材料的塑韌性。10.說明結構轉變的熱力學條件與動力學條件的意義，說明穩(wěn)態(tài)結構和亞穩(wěn)態(tài)結構之間的關系。答：同一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

4、或平衡太結構，而能量相對較高的結構則稱為亞穩(wěn)態(tài)結構。所謂的熱力學條件是指結構形成時必須沿著能量降低的方向進行，或者說結構轉變必須存在一個推動力，過程才能自發(fā)進行。熱力學條件只預言了過程的可能性，至于過程是否真正實現(xiàn)，還需要考慮動力學條件，即反應速度。動力學條件的實質是考慮阻力。材料最終得到什么結構取決于何者起支配作用。如果熱力學推動力起支配作用，則阻力并不大，材料最終得到穩(wěn)態(tài)結構。從原則上講，亞穩(wěn)態(tài)結構有可能向穩(wěn)態(tài)結構轉變，以達到能量的最低狀態(tài)，但這一轉變必須在原子有足夠活動能力的前提下才能夠實現(xiàn)，而常溫下的這種轉變很難進行，因此亞穩(wěn)態(tài)結構仍可以保持相對穩(wěn)定。第二章材料中的晶體結構1. 回答下

5、列問題：（1）在立方晶系的晶胞內畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶向：21132（001）與210，（111）與11，（10）與111，（32）與123，（2）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)。解：（1）112-7），2）首先求（111）和（112）的交線。由式即u=kl-kl=1?21?11221v=lh-lh=1?12?11221w=hk-12hk21=1?11?1kllhhkii：ii:iikllhhk得所以，（110）和（112）兩晶面交線的晶向指數(shù)為110或者110。如下圖所示。6.用米勒指數(shù)表示體心立方、面心立方和密排六方結

6、構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。晶格類型密排面密排方向訊建'工打bcc）(|()<|1>面心立方（fee）汕<1JO>SftA方(hep)AAJSifii底山i討角線體心立方晶格面心立方晶格晶面指數(shù)晶面原子排列示童團晶面原子密度（，原子藪,面積）晶面原子排列示意團晶面，原子密度（原子數(shù)/面積）100(笏叫.1才蘆(1叫“2110$na叫r(/To(111體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方晶格面心立方晶格晶向指數(shù)晶向原子排列示意圖晶向原子密度（原子數(shù)/長度）晶向原子排列示意圖晶向原子密度（原子數(shù)/長度）&l

7、t;100>24-1aaS=iaa<110>2X|1厶a2中I"2aa<111>出衛(wèi)3aa24-p-g辰a體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度8.回答下列問題：（1）通過計算判斷（110）、（132）、（311）晶面是否屬于同一晶帶？（2）求（211）和（110）晶面的晶帶軸，并列出五個屬于該晶帶的晶面的密勒指數(shù)。解答提示:（I）首先求任兩面的交線,即求晶面（h曲）和（h2k2h/的求晶帶軸“叱俎li町U*1)*w處*21«hh?t1Aj為1u=k【2k?I、v=/?2"21、M7=hk?-h?k再判斷該晶帶軸是否與另一血垂

8、真，即是占滿足必+必+戒=0。（2）采用以上公式求得后，任寫5個，注意h,k,l必須最小整數(shù)化.17.簡述離子晶體的結構規(guī)則。答：離子晶體的結構規(guī)則】鮑林（LPauling）離子晶體的結構規(guī)則（1）負離子配位多面體規(guī)則在離子晶體中，正離子的周圍形成一個負離子配位多面體，正負離子間的平衡距離取決于離子半徑之和，而正離子的配位數(shù)則取決于正負離子的半徑比。2）電價規(guī)則ii在一個穩(wěn)定的離子晶體結構中，每個負離子的電價ZJ等于或接近等于與之鄰接的各正離子靜電強度S的總和:Z=邋S=-ii式中Si為第i種正離子靜電鍵強度，Z+為正離子的電荷，n為其配位數(shù)。這就是鮑林第二規(guī)則，也稱電價規(guī)則。（3）負離子多面

9、體共用頂、棱和面的規(guī)則在分析離子晶體中負離子多面體相互間的連接方式時，電價規(guī)則只能指出共用同一個頂點的多面體數(shù)，而沒有指出兩個多面體間所共用的頂點數(shù)。鮑林第三規(guī)則指出：“在一配位結構中，共用棱特別是共用面的存在，會降低這個結構的穩(wěn)定性。對于電價高，配位數(shù)低的正離子來說，這個效應尤為顯著?！?8解釋下列名詞的概念空間點陣晶向指數(shù)點陣常數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度晶胞晶格晶體結構晶格間距晶系晶帶答：空間點陣：組成晶體的粒子（原子、離子或分子）在三維空間中形成有規(guī)律的某種對稱排列，如果我們用點來代表組成晶體的粒子，這些點的空間排列就稱為空間點陣。晶向指數(shù)：表示晶體中點陣方向的指數(shù)，由晶向上陣點的坐標決定。

10、點陣常數(shù)：晶胞的棱邊長度稱為點陣常數(shù)。原子半徑：元素的晶體中原子間距之半，即為原子半徑。配位數(shù)：晶體結構中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度：晶體結構中原子體積占總體積的百分數(shù)。晶胞：構成晶格的最基本的單元稱為晶胞。晶格：用一系列相互平行的直線將陣點連接起來形成空間格架即為晶格。晶體結構：晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體的排列方式稱為晶體結構。晶格間距：指相鄰兩個平行晶面之間的距離。晶系：晶體學中，根據(jù)晶胞棱邊長度之間的關系和晶軸之間的夾角情況對晶體進行分類，可以將晶體分為七大晶系。晶帶：相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合稱為晶帶。第三章高分子材料的結構1.何謂單體、聚合

11、物和鏈節(jié)?它們相互之間有什么關系?請寫出以下高分子鏈節(jié)的結構式：聚乙烯；聚氯乙烯；聚丙烯;聚苯乙烯；聚四氟乙烯。答：（1）單體是能與同種或他種分子聚合的小分子的統(tǒng)稱。是能起聚合反應或縮聚反應等而成高分子化合物的簡單化合物。是合成聚合物所用的-低分子的原料。（2）高分子化合物又稱聚合物或高聚物，它是指由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子質量很大的化合物。聚四氟乙烯:（3）組成大分子鏈的特定的結構單元叫做鏈節(jié)。CH3fCH-CH2n（4）聚乙烯：nCH2=CH2聚氯乙烯：-CH2CHC1-n聚丙烯：聚苯乙烯:-CF2-CF2-n2. 加聚反應和縮聚反應有何不同?答：（1）加聚反應即加成聚

12、合反應，凡含有不飽和鍵（雙鍵、叁鍵、共軛雙鍵）的化合物或環(huán)狀低分子化合物，在催化劑、引發(fā)劑或輻射等外加條件作用下，同種單體間相互加成形成新的共價鍵相連大分子的反應就是加聚反應。加聚反應包括引發(fā)、生長和終止三個階段，反應的一端和引發(fā)劑的自由基結合，而在另一端的單體分子以鏈節(jié)的形式一個個加合而形成長鏈，這是一種連鎖反應，反應時不產生副產品；（2）縮聚反應，是一類有機化學反應，是具有兩個或兩個以上官能團的單體，相互反應生成高分子化合物，同時產生有簡單分子（如H20、HX、醇等）的化學反應。縮聚反應無需引發(fā)劑，鏈的兩端都是活性的，先形成許多小的鏈段，然后再有小鏈段組成長鏈，這是一種多級聚合反應，反應時

13、有副產品。3. 說明官能度與聚合物結構形態(tài)的關系。要由線型聚合物得到網狀聚合物，單體必須具有什么特征?答：（1）單體分子的官能度能夠決定高分子的結構，具有雙官能的單體，只能形成鏈狀結構，從而生成熱塑性塑料；如果單體是三官能的，在互相連接時形成三維網狀結構，從而生成熱固性塑料。4. 聚合物的分子結構對主鏈的柔順性有什么影響?答：主鏈結構對聚合物的柔順性有顯著的影響。例如，由于Si-0-Si鍵角大，Si-O的鍵長大，內旋轉比較容易，因此聚二甲基硅氧烷的柔性非常好，是一種很好的合成橡膠。芳雜環(huán)因不能內旋轉，所以主鏈中含有芳雜環(huán)結構的高分子鏈的柔順性較差，具有耐高溫的特點。側基極性的強弱對高分子鏈的柔

14、順性影響很大。側基的極性愈弱其相互間的作用力愈大，單鍵的內旋轉困難，因而鏈的柔順性差。鏈的長短對柔順性也有影響，若鏈很短，內旋轉的單鏈數(shù)目很少，分子的構象數(shù)很少，必然出現(xiàn)剛性。第四章晶體缺陷1.純Cu的空位形成能為1.5aJ/atom，(1aJ=10-lj8，將純Cu加熱至850°C后激冷至室溫(20°C)，若高溫下得空位全部保留，試求過飽和空位濃度與室溫平衡空位濃度的比值。答：850C：C1=Aexp(-DEV/kT1)：C=Aexp(-DE/kT)：2V2CDE1所以苕=eXPk#(T2211.5'10-18?(11.38'10-23293)=exp27

15、4=5.6133.空位對材料行為的主要影響是什么？答：空位可以造成材料物理性能與力學性能的改變，引起電阻的增加，晶體中存在的空位破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導時的散射增加，從而增加電阻，此外，空位的存在還使晶體的密度下降，體積膨脹。7在圖4-54所示的面心立方晶體的(111)滑移面上有兩條彎折的位錯線OS和O'S',其中位錯的臺階垂直于(111，它們的柏氏矢量如圖中箭頭所示。(1) 判斷位錯線上各段位錯的類型。(2) 有一切應力施加于滑移面，且與柏氏矢量平行時，兩條位錯線的滑移特征有何差異？答：(1)在兩根位錯線上12,34為刃位錯，其余為螺位錯。(2)OS上的各段位錯都

16、可在該滑移面內滑移，O'S'上的12,34位錯不能運動，其余各段都可在該滑移面內滑移。10.判斷下列位錯反應能否進行：1)aaa2101+6121?31112)aaa100?101101223)3112+6111?21114)a100?a111a11122答：(1)7(2)x(3)x(4)x11.若面心立方晶體中b=2101的全位錯以及b=6121的不全位錯，此兩位錯相遇發(fā)生位錯反應，試問:1) 此反應能否進行？為什么？2) 寫出合成位錯的柏氏矢量，并說明合成位錯的性質。答：(1)此反應能夠進行。因為其符合位錯反應的幾何條件和能量條件。位錯反應時為：3111一a-101+-12

17、1?26aaa時顯然不合題意，此反應是不能進行的。注意如果寫成2101?61213212(2)合成位錯的柏氏矢量是3111，是不全位錯。19表面為什么具有吸附作用？物理吸附和化學吸附的主要起源于什么？舉例說明現(xiàn)實生活中的吸附粒子？答：(1)吸附是指外來的原子或分子氣體在界面上富集的現(xiàn)象。氣體分子或原子分子咋表面吸附可以不同程度上抵消表面原子的不平衡力場，使作用力的分布趨于對稱，于是就降低了表面能，使體系處于較低的能量狀態(tài)，體系更為穩(wěn)定，所以吸附過程是自發(fā)進行的。(2)物理吸附源自于范德華耳斯力作用而相互吸引，物理吸附無選擇性；化學吸附則源自于剩余的不飽和鍵力，化學吸附有選擇性。第5章1按不同特

18、點分類，固溶體可分為哪幾種類型？影響置換固溶體固溶度的因素有哪些？答：按溶質原子在溶劑晶格中所占位置，可以分為置換固溶體和間隙固溶體；按固溶度的大小，固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體；按溶質原子與溶劑原子的相對分布情況，可以分為無序固溶體和有序固溶體。影響固溶體固溶度的因素有：尺寸因素、晶體結構因素、電負性差因素和電子濃度因素。3(1)間隙化合物與間隙固溶體有何根本區(qū)別？(2)下列中間相各屬什么類型？指出其結果特點及主要控制因素MnS、Fe3C、Mg2Si、SiC、Cu31Zn8、Fe4N、WC、Cr23C6答：(1)間隙固溶體仍保持著溶劑原子的金屬結構；間隙化合物是指當溶質原子以間隙方式

19、進入晶格，對溶劑晶格造成一定程度的畸變，畸變能增高至一定容限時，原來的結構變不穩(wěn)定，會重新組合形成新的結構形式，即形成新相。(2)MnS正常價化合物，鋼鐵中的有害夾雜物，F(xiàn)e3C間隙化合物，正交晶系結構，鋼鐵中的常見強化相Mg2Si正常價化合物，具有離子鍵特征，是鋁合金中常見的強化相SiC正常價化合物，具有共價鍵特征，常用作復合材料的增強粒子Cu31Zn8電子化合物，復雜立方，具有金屬鍵特征Fe4N間隙化合物，面心立方，強化相WC間隙化合物，簡單立方，強化相Cr23C6間隙化合物，復雜立方，強化相700PilXIa+l：i=50%巧I二=73丄強=40%心-JTjlaoo9.2235yFe3C

20、相組成：w=aAy100%"33%0.2-0.0218w一100%=2.67%Fe3C6.69-0.0218組織組成：w=P：OO727-OoZ81OO%=23.8%w=1-23.8%=76.2%F10.共晶轉變后的組織為g+L初d4.3-3.0g%=?100%59.36%初4.3-2.11L%=100%-59.36%=40.64%dL'=L=40.64%dd2.11-0.77FeC%=?100%22.6%3ii最大6.69-0.77FeC%（由g中析出）=g%?22.6%3II初初=59.36%?22.6%13.41%P%=g%-FeC%=59.36%-13.41%=45.

21、95%初3I相組成物：a+FeC3a%=6.69-3.0?100%55.17%6.69FeC%=100%-55.17%=44.83%313.L>A+B；L>B+C；L>C+A；第6章1.DGV=LmDTDG<0'Tm，要使DGV<0才能凝固，因此需要過冷度在熔點時，系統(tǒng)的界面能降低，自由能也降低是自發(fā)反應在該過程中，gSL<gSV，即液固界面能小于氣固界面能，則固態(tài)金屬傾向于熔化形成液固界面4.1)較慢凝固時，近似于平衡凝固，這樣(CS)i相應于相圖上的固相線，(CL)i相應于相圖上的液相線，則ke->K0。較快凝固時，近似于非平衡凝固，由于速度快，來不及擴散，可看做液相成分與開始時變化不大，則(CL)bCL0，由于質量守恒定律，有(Cs)bCL0，所以ke->1。5.1)平衡凝固，ke=K0由于相