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)資料教學(xué)內(nèi)容

1、精品資料材料科學(xué)基礎(chǔ)A習(xí)題1、在立方晶系晶胞中畫出以下晶面和晶向:（102）、（112）、110、11 i、120和 321。2、標(biāo)注圖中所小立方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)3、寫出六方品系的11 20、10晶面族和、晶向族中的各等價晶面及等價晶 向的具體指數(shù)。4、在六方晶胞圖中畫出以下晶面和晶向：（0001）、（010）、（2110）、（10i2）、（1012） 0001、 i010、1 210.和0i11。精品資料5、標(biāo)注圖中所示的六方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)。111011106、分別計算體心立方晶體中（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0.15

2、44nm,試求金剛石的點(diǎn)陣常數(shù)a,配位數(shù)CNffi致密度K。8、判斷（110）、（132）、（311）是否屬于同一品帶?精品資料精品資料第二章固體結(jié)構(gòu)1、面心立方、體心立方、密排六方品格中，哪些是空間點(diǎn)陣，哪些不是空間點(diǎn)陣？答：面心立方、體心立方品格是空間點(diǎn)陣，密排六方品格不是空間點(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，各晶粒空間取向隨機(jī)分布, 沿多晶體不同方向測出的其性質(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

3、性。3、說明以下簡單立方品格中有幾種宏觀對稱元素？答：簡單立方品格中的宏觀對稱元素有：三次和四次旋轉(zhuǎn)對稱軸，反演對稱中心，對稱 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，品格的畸變增大，為維持溶劑品格的穩(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，溶劑品格的畸變減小，致使 溶劑中可溶入的溶質(zhì)最大固溶度上升。5、有序合金

4、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)各自的品 格結(jié)點(diǎn)，長程有序。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)度高于每個組元各自的原子之間結(jié)合鍵強(qiáng)度時，則將形成有序合金。隨溫度升高，原子 的熱運(yùn)動增強(qiáng)，當(dāng)溫度足夠高時，熱運(yùn)動將使原子脫離原來的結(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序排列。精品資料精品資料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)，問該合金是 固溶體還是中間相，為什么？若該合金較其組

5、元硬度高，但熔點(diǎn)低于其一組元，問該合金是 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)，具化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化，問是否可以由此判斷該物質(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?/p>

6、相晶體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，金屬鍵無方向性、無飽和性，使得金屬原子可以實(shí)現(xiàn)密堆排列， 因而使得金屬往往具有較高的密度。陶瓷以離子鍵或共價鍵結(jié)合，離子鍵結(jié)合的陶瓷中，同 號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；共價鍵具有飽和性和方向 性，使得共價鍵晶體中的原子也不能實(shí)現(xiàn)密堆排列，故

7、以離子鍵或共價鍵結(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)可分為哪幾種類型？答：分為孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀結(jié)構(gòu)幾種類型。12、為什么在鎂橄欖石晶體（MgSiO4）中，硅氧四面體是通過鎂氧八面體而連接？具物理 意義為何？答：根據(jù)鮑林第四規(guī)則，在鎂橄欖石晶體（MgSiO4）中，具有高電價、配位數(shù)較低的 正離子硅氧四面體趨于不結(jié)合，因此，硅氧四面體通過鎂橄欖石中的鎂氧八面體而結(jié)合。其 精品資料精品資料物理意義在于高電價、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。若硅氧四面體通過具有較低電價、配位數(shù)較高的

8、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ZrQ離子晶體中，若以一個CaT置換一個Zr4+,則在CeT附近將形成一個什么離子空位， 為什么？答：在ZrQ離子晶體中，若以一個CsT置換一個Zr4+,則在CeT附近將形成一個氧離子空 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、為什么說點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷，而位錯則不是？答：在晶體中形成點(diǎn)缺陷將導(dǎo)

9、致品格畸變，使內(nèi)能增加U,并導(dǎo)致自由能增加,同時點(diǎn)缺陷形成也可使嫡增加 S,導(dǎo)致自由能降低。由于在一定點(diǎn)缺陷濃度范圍內(nèi)，嫡增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-TAS, AU-T S可在點(diǎn)缺陷為某濃度時達(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)缺陷時最低，故點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷。對于位錯而言，其存在也使內(nèi)能和嫡增加， 但嫡增 S遠(yuǎn)低于內(nèi)能增量 U,嫡增 S導(dǎo)致的負(fù)的自由能增量不能抵消內(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高？金屬與陶瓷相比，哪一個 中的點(diǎn)缺

10、陷濃度高？為什么？答：由于形成一個間隙原子所產(chǎn)生的品格畸變能高于產(chǎn)生一個空位的畸變能，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鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一個點(diǎn)缺陷所 產(chǎn)生的畸變能高于金屬中，同時，在離子陶瓷晶體中，點(diǎn)缺陷還必須成對出現(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，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，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，以小原子置換大原子造成的品格 畸

11、變高于小原子處于大原子構(gòu)成的品格間隙中時所造成的品格畸變，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，若小原子處于大原子品格的間隙中，造成的晶 精品資料精品資料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、為什么陶瓷中位錯的密度低于金屬中，且陶瓷中位錯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鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一條 位錯所產(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，刃位錯還必須以正、 負(fù)半離子面同時出現(xiàn)，增加了形成刃位錯的難度，故陶瓷中的位錯密度低于金屬中。又由于 在離子鍵晶體中，一些位錯滑移面和滑移方

12、向因位錯沿其的滑移受到靜電排斥力的阻礙，使 得其不能成為位錯真正的滑移系，在共價晶體中由于共價鍵的方向性也限制了晶體中位錯可 進(jìn)行滑移的晶面和晶向的數(shù)量，故陶瓷中位錯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柏氏矢量和半徑分別為bi、ri和b2、2的位錯環(huán),已知 ri12, bi=b20(1)在圖示切應(yīng)力的作用下，哪一個位錯環(huán)先開始滑移。為什么？(2)滑移開始后，兩個位錯環(huán)將如何變化？答：(1)柏氏矢量為b2的位錯環(huán)先開始滑移，這是因?yàn)閷τ趶澢奈诲e線，其線張力與 外加切應(yīng)力 ”衡時有p=Gb72要使位錯運(yùn)動，應(yīng)大于Gb/2r,因柏氏矢量為b2的位錯環(huán) 半徑大于柏氏矢量為bi的

13、位錯環(huán)半徑，故使其開始滑移的最小外加應(yīng)切力度 1,因此，其先開始滑移。(2)兩個位錯環(huán)開始滑移后，兩個位錯環(huán)在應(yīng)力作用下將向外擴(kuò)展并接觸，在接觸點(diǎn)處，兩 根位錯為異號位錯，故其將發(fā)生合并，最后兩個位錯環(huán)合并為一個大的位錯環(huán)。6、為什么位錯線總是力圖保持為直線？答：位錯導(dǎo)致晶格畸變，從而具有能量，為使其能量最低，位錯總是盡量保持最短，故 其總是力圖保持為直線。7、回答以下問題(D什么是肖脫基空位與弗蘭克爾空位 ？(2) 一個位錯環(huán)能否各部分都是螺型位錯或都是刃型位錯？請說明之。(3)請指出面心立方晶體中單位位錯和不全位錯的柏氏矢量？答：(i)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，

14、則因該原子、離 精品資料精品資料子脫離平衡位置而形成的空位稱為肖脫基空位。若原子、離子脫離平衡位置遷移至品格的問 隙中，則因原子、離子脫離平衡位置而形成的空位與處于品格間隙的原子、離子合稱弗蘭克 爾空位。（2） 一個位錯環(huán)可以各部分都為刃位錯，如當(dāng)柏氏矢量垂直于一個位錯環(huán)時。由于柏氏矢量 不可能與位錯環(huán)各處都保持平行狀態(tài)，故位錯環(huán)不可能各部分都是螺位錯。（3）面心立方晶體中單位位錯的柏氏矢量為a/2,肖克來不全位錯的柏氏矢量為a/6,弗蘭克不全位錯的柏氏矢量為 a/3。8、在面心立方晶體中，（111）面上有一根柏氏矢量b1=a10，/2的位錯，另在（001）面上 有一根柏氏矢量b2=a 110

15、 /2的位錯，在外力作用下，兩位錯滑移并在（111）面與（001） 面相交處相遇，問：（1）兩根位錯能否發(fā)生位錯反應(yīng)，為什么？寫出反應(yīng)形成的新位錯柏矢矢量。（2）新位錯能否在（111）面上滑移，為什么？答：（1）設(shè)新形成的位錯柏氏矢量為 b=b1+b2=a 011/2 ,由于 b2=a2/2 b12+b22=a2/2+ a2/2 , 故過兩個位錯能發(fā)生位錯反應(yīng)。（2）位錯反應(yīng)形成的位錯柏氏矢量位于（111）面上，故該位錯可以在（111）面上滑移。9、肖克萊不全位錯和弗蘭克不全位錯的運(yùn)動形式是什么？若溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處發(fā) 生平衡偏聚，對層錯面的擴(kuò)大或縮小有何影響，為什么？答：肖克萊不全位

16、錯的運(yùn)動形式是滑移。 若溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處發(fā)生平衡偏聚， 則將在肖克萊不全位錯處形成低能態(tài)的溶質(zhì)原子分布，從而阻礙肖克萊不全位錯的運(yùn)動。由 于層錯面的擴(kuò)大或縮小來自于肖克萊不全位錯的滑移運(yùn)動，故溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處 平衡偏聚將阻礙層錯面的擴(kuò)大或縮小。10、為什么位錯的攀移運(yùn)動通常只能發(fā)生在高溫下？答：位錯的攀移依賴于原子的擴(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 的攀移運(yùn)動通常只能發(fā)生在高溫下。11、下圖為兩根處于不同滑移面上的位錯線相向運(yùn)動。（1）請畫出兩個位錯線交割后各自的形狀。（2）交割后，哪根位錯線的滑移會變得更加困難，為什么？精品資料答：(1)兩個位錯線交割后

17、各自的形狀如下:bb2、bi(2)交割后，柏氏矢量為8的位錯線的滑移會變得更加困難。 這是因?yàn)榻桓詈笤诖宋诲e線上 形成了一段刃型割階，該割階不在位錯原滑移面上，并因此阻礙原位錯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)原子在位錯處會形成低能態(tài)分 布阻礙位錯的運(yùn)動，從而提高固溶體的強(qiáng)度。13、為什么層錯沒有造成晶格畸變，但卻具有層錯能？答：由于層錯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 錯具有層錯能。14、若溶質(zhì)原子在不全位錯處發(fā)生平衡偏聚，問對擴(kuò)展位錯的交滑移有何影響，為什么?精品資料精品資料答：溶質(zhì)原子在不全位錯處發(fā)生的平衡偏聚將釘扎不全位錯阻礙其運(yùn)動，從而使擴(kuò)展位 錯不易發(fā)生束集，導(dǎo)致擴(kuò)展位錯交滑移困難。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晶粒的長大（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)原子在晶界處