材料科學(xué)基礎(chǔ)課后習(xí)題答案

《材料科學(xué)根底》課后習(xí)題答案第一章材料結(jié)構(gòu)的根本知識(shí)4.簡(jiǎn)述一次鍵和二次鍵區(qū)別答：根據(jù)結(jié)合力的強(qiáng)弱可把結(jié)合鍵分成一次鍵和二次鍵兩大類。其中一次鍵的結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。一次鍵的三種結(jié)合方式都是依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或共享以形成穩(wěn)定的電子殼層，從而使原子間相互結(jié)合起來(lái)。二次鍵的結(jié)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(dǎo)或永久電偶相互作用而產(chǎn)生的一種副鍵。6.為什么金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價(jià)鍵固體為高？答：材料的密度與結(jié)合鍵類型有關(guān)。一般金屬鍵結(jié)合的固體材料的高密度有兩個(gè)原因：〔1〕金屬元素有較高的相對(duì)原子質(zhì)量；〔2〕金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，因此金屬原子總是趨于密集排列。相反，對(duì)于離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合的材料，原子排列不可能很致密。共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，相鄰原子的個(gè)數(shù)要受到共價(jià)鍵數(shù)目的限制；離子鍵結(jié)合時(shí)，那么要滿足正、負(fù)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(jià)鍵結(jié)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(shuō)明顯微組織的含義以及顯微組織對(duì)性能的影響。答：?jiǎn)蜗嘟M織，顧名思義是具有單一相的組織。即所有晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)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(duì)材料性能有重要的影響，細(xì)化晶?？梢悦黠@地提高材料的強(qiáng)度，改善材料的塑性和韌性。單相組織中，根據(jù)各方向生長(zhǎng)條件的不同，會(huì)生成等軸晶和柱狀晶。等軸晶的材料各方向上性能接近，而柱狀晶那么在各個(gè)方向上表現(xiàn)出性能的差異。對(duì)于兩相組織，如果兩個(gè)相的晶粒尺度相當(dāng)，兩者均勻地交替分布，此時(shí)合金的力學(xué)性能取決于兩個(gè)相或者兩種相或兩種組織組成物的相對(duì)量及各自的性能。如果兩個(gè)相的晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，其中尺寸較細(xì)的相以球狀、點(diǎn)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(nèi)。如果彌散相的硬度明顯高于基體相，那么將顯著提高材料的強(qiáng)度，同時(shí)降低材料的塑韌性。10.說(shuō)明結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件與動(dòng)力學(xué)條件的意義，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。答：同一種材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)或平衡太結(jié)構(gòu)，而能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)那么稱為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。所謂的熱力學(xué)條件是指結(jié)構(gòu)形成時(shí)必須沿著能量降低的方向進(jìn)行，或者說(shuō)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個(gè)推動(dòng)力，過(guò)程才能自發(fā)進(jìn)行。熱力學(xué)條件只預(yù)言了過(guò)程的可能性，至于過(guò)程是否真正實(shí)現(xiàn)，還需要考慮動(dòng)力學(xué)條件，即反響速度。動(dòng)力學(xué)條件的實(shí)質(zhì)是考慮阻力。材料最終得到什么結(jié)構(gòu)取決于何者起支配作用。如果熱力學(xué)推動(dòng)力起支配作用，那么阻力并不大，材料最終得到穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。從原那么上講，亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)有可能向穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，以到達(dá)能量的最低狀態(tài)，但這一轉(zhuǎn)變必須在原子有足夠活動(dòng)能力的前提下才能夠?qū)崿F(xiàn)，而常溫下的這種轉(zhuǎn)變很難進(jìn)行，因此亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)仍可以保持相對(duì)穩(wěn)定。第二章材料中的晶體結(jié)構(gòu)1.答復(fù)以下問(wèn)題：〔1〕在立方晶系的晶胞內(nèi)畫(huà)出具有以下密勒指數(shù)的晶面和晶向：〔001〕與[210]，〔111〕與[11]，〔10〕與[111]，〔32〕與[123]，〔2〕與[236]〔2〕在立方晶系的一個(gè)晶胞中畫(huà)出〔111〕和〔112〕晶面，并寫(xiě)出兩晶面交線的晶向指數(shù)。解：〔1〕〔2〕首先求〔111〕和〔112〕的交線。由式〔2-7〕，即由得所以，〔110〕和〔112〕兩晶面交線的晶向指數(shù)為[110]或者[110]。如以下圖所示。6.用米勒指數(shù)表示體心立方、面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)中的原子密排面和原子密排方向，并分別計(jì)算這些晶面和晶向上的原子密度。8.答復(fù)以下問(wèn)題：〔1〕通過(guò)計(jì)算判斷〔10〕、〔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(gè)屬于該晶帶的晶面的密勒指數(shù)。17.簡(jiǎn)述離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)那么。答：離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)那么［鮑林(LPauling)離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)那么］〔1〕負(fù)離子配位多面體規(guī)那么在離子晶體中，正離子的周圍形成一個(gè)負(fù)離子配位多面體，正負(fù)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)那么取決于正負(fù)離子的半徑比?！?〕電價(jià)規(guī)那么在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)負(fù)離子的電價(jià)Z－等于或接近等于與之鄰接的各正離子靜電強(qiáng)度S的總和：式中Si為第i種正離子靜電鍵強(qiáng)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)那么，也稱電價(jià)規(guī)那么。〔3〕負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)那么在分析離子晶體中負(fù)離子多面體相互間的連接方式時(shí)，電價(jià)規(guī)那么只能指出共用同一個(gè)頂點(diǎn)的多面體數(shù)，而沒(méi)有指出兩個(gè)多面體間所共用的頂點(diǎn)數(shù)。鮑林第三規(guī)那么指出：“在一配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于電價(jià)高，配位數(shù)低的正離子來(lái)說(shuō)，這個(gè)效應(yīng)尤為顯著。”18．解釋以下名詞的概念空間點(diǎn)陣晶向指數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度晶胞晶格晶體結(jié)構(gòu)晶格間距晶系晶帶答：空間點(diǎn)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(duì)稱排列，如果我們用點(diǎn)來(lái)代表組成晶體的粒子，這些點(diǎn)的空間排列就稱為空間點(diǎn)陣。晶向指數(shù)：表示晶體中點(diǎn)陣方向的指數(shù)，由晶向上陣點(diǎn)的坐標(biāo)決定。點(diǎn)陣常數(shù)：晶胞的棱邊長(zhǎng)度稱為點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。晶胞：構(gòu)成晶格的最根本的單元稱為晶胞。晶格：用一系列相互平行的直線將陣點(diǎn)連接起來(lái)形成空間格架即為晶格。晶體結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)。晶格間距：指相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。晶系：晶體學(xué)中，根據(jù)晶胞棱邊長(zhǎng)度之間的關(guān)系和晶軸之間的夾角情況對(duì)晶體進(jìn)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(jié)構(gòu)何謂單體、聚合物和鏈節(jié)?它們相互之間有什么關(guān)系?請(qǐng)寫(xiě)出以下高分子鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)式：①聚乙烯；②聚氯乙烯；③聚丙烯；④聚苯乙烯；⑤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。是能起聚合反響或縮聚反響等而成高分子化合物的簡(jiǎn)單化合物。是合成聚合物所用的-低分子的原料?！?〕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(jiǎn)單低分子化合物聚合而成的相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物?！?〕組成大分子鏈的特定的結(jié)構(gòu)單元叫做鏈節(jié)?！?〕聚乙烯：nCH2=CH2聚氯乙烯：［-CH2—CHCl-］n聚丙烯：聚苯乙烯：聚四氟乙烯：-[-CF2-CF2-]-n加聚反響和縮聚反響有何不同?答：〔1〕加聚反響即加成聚合反響，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(jià)鍵相連大分子的反響就是加聚反響。加聚反響包括引發(fā)、生長(zhǎng)和終止三個(gè)階段，反響的一端和引發(fā)劑的自由基結(jié)合，而在另一端的單體分子以鏈節(jié)的形式一個(gè)個(gè)加合而形成長(zhǎng)鏈，這是一種連鎖反響，反響時(shí)不產(chǎn)生副產(chǎn)品；〔2〕縮聚反響，是一類有機(jī)化學(xué)反響，是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的單體，相互反響生成高分子化合物，同時(shí)產(chǎn)生有簡(jiǎn)單分子〔如H2O、HX、醇等〕的化學(xué)反響?？s聚反響無(wú)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(zhǎng)鏈，這是一種多級(jí)聚合反響，反響時(shí)有副產(chǎn)品。說(shuō)明官能度與聚合物結(jié)構(gòu)形態(tài)的關(guān)系。要由線型聚合物得到網(wǎng)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(jié)構(gòu)，具有雙官能的單體，只能形成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而生成熱塑性塑料；如果單體是三官能的，在互相連接時(shí)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而生成熱固性塑料。聚合物的分子結(jié)構(gòu)對(duì)主鏈的柔順性有什么影響?答：主鏈結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物的柔順性有顯著的影響。例如，由于Si-O-Si鍵角大，Si-O的鍵長(zhǎng)大，內(nèi)旋轉(zhuǎn)比擬容易，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(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以主鏈中含有芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)的高分子鏈的柔順性較差，具有耐高溫的特點(diǎn)。側(cè)基極性的強(qiáng)弱對(duì)高分子鏈的柔順性影響很大。側(cè)基的極性愈弱其相互間的作用力愈大，單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)困難，因而鏈的柔順性差。鏈的長(zhǎng)短對(duì)柔順性也有影響，假設(shè)鏈很短，內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單鏈數(shù)目很少，分子的構(gòu)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=10-18J〕，將純Cu加熱至850℃后激冷至室溫〔20答：850℃：20℃：所以3．空位對(duì)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(xué)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(dǎo)時(shí)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(cuò)線OS和O’S’，其中位錯(cuò)的臺(tái)階垂直于〔111〕，它們的柏氏矢量如圖中箭頭所示?！?〕判斷位錯(cuò)線上各段位錯(cuò)的類型。〔2〕有一切應(yīng)力施加于滑移面，且與柏氏矢量平行時(shí)，兩條位錯(cuò)線的滑移特征有何差異？答：〔1〕在兩根位錯(cuò)線上12,34為刃位錯(cuò)，其余為螺位錯(cuò)?！?〕OS上的各段位錯(cuò)都可在該滑移面內(nèi)滑移，O’S’上的12，34位錯(cuò)不能運(yùn)動(dòng)，其余各段都可在該滑移面內(nèi)滑移。10.判斷以下位錯(cuò)反響能否進(jìn)行：〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕答：〔1〕√〔2〕×〔3〕×〔4〕×11.假設(shè)面心立方晶體中的全位錯(cuò)以及的不全位錯(cuò)，此兩位錯(cuò)相遇發(fā)生位錯(cuò)反響，試問(wèn)：〔1〕此反響能否進(jìn)行？為什么？〔2〕寫(xiě)出合成位錯(cuò)的柏氏矢量，并說(shuō)明合成位錯(cuò)的性質(zhì)。答：〔1〕此反響能夠進(jìn)行。因?yàn)槠浞衔诲e(cuò)反響的幾何條件和能量條件。位錯(cuò)反響時(shí)為：注意如果寫(xiě)成時(shí)顯然不合題意，此反響是不能進(jìn)行的?！?〕合成位錯(cuò)的柏氏矢量是，是不全位錯(cuò)。19．外表為什么具有吸附作用？物理吸附和化學(xué)吸附的主要起源于什么？舉例說(shuō)明現(xiàn)實(shí)生活中的吸附粒子？答：〔1〕吸附是指外來(lái)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外表吸附可以不同程度上抵消外表原子的不平衡力場(chǎng)，使作用力的分布趨于對(duì)稱，于是就降低了外表能，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(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的?！?〕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(wú)選擇性；化學(xué)吸附那么源自于剩余的不飽和鍵力，化學(xué)吸附有選擇性。第5章1按不同特點(diǎn)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(zhì)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(wú)限固溶體；按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布情況，可以分為無(wú)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(jié)構(gòu)因素、電負(fù)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)以下中間相各屬什么類型？指出其結(jié)果特點(diǎn)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(jié)構(gòu)；間隙化合物是指當(dāng)溶質(zhì)原子以間隙方式進(jìn)入晶格，對(duì)溶劑晶格造成一定程度的畸變，畸變能增高至一定容限時(shí)，原來(lái)的結(jié)構(gòu)變不穩(wěn)定，會(huì)重新組合形成新的結(jié)構(gòu)形式，即形成新相。(2)MnS正常價(jià)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(jié)構(gòu)，鋼鐵中的常見(jiàn)強(qiáng)化相Mg2Si正常價(jià)化合物，具有離子鍵特征，是鋁合金中常見(jiàn)的強(qiáng)化相SiC正常價(jià)化合物，具有共價(jià)鍵特征，常用作復(fù)合材料的增強(qiáng)粒子Cu31Zn8電子化合物，復(fù)雜立方，具有金屬鍵特征Fe4N間隙化合物，面心立方，強(qiáng)化相WC間隙化合物，簡(jiǎn)單立方，強(qiáng)化相Cr23C6間隙化合物，復(fù)雜立方，強(qiáng)化相6.9.相組成：組織組成：10.13.L——>A+B；L——>B+C；L——>C+A；第6章1.，要使才能凝固，因此需要過(guò)冷度在熔點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的界面能降低，自由能也降低是自發(fā)反響在該過(guò)程中，，即液固界面能小于氣固界面能，那么固態(tài)金屬傾向于熔化形成液固界面。4.1)較慢凝固時(shí)，近似于平衡凝固，這樣(CS)i相應(yīng)于相圖上的固相線，(CL)i相應(yīng)于相圖上的液相線，那么ke->K0。較快凝固時(shí)，近似于非平衡凝固，由于速度快，來(lái)不及擴(kuò)散，可看做液相成分與開(kāi)始時(shí)變化不大，那么(CL)b≈CL0，由于質(zhì)量守恒定律，有(Cs)b≈CL0，所以ke->1。5.1)平衡凝固，ke=K0由于相圖中液相線和固相線斜率不變，可知對(duì)任意溫度，K0不變，(CL)b=60%，(CS)i=30%，K0=XS/XL=0.3/0/6=0.5Ke=0.52)試樣在2/3L處出現(xiàn)共晶體。3)500℃時(shí)，液相完全轉(zhuǎn)化為共晶體，共晶體的百分?jǐn)?shù)為：5)有可能觀察到共晶體，非平衡凝固形成偽共晶。10.普通鑄造通過(guò)鑄件外表散熱，散熱方向比擬復(fù)雜，冷卻速度比擬慢，凝固組織以等軸晶為