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材料科学基础习题集(新)

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第一部分:习题集

《材料科学基础》复习思考题

第一章:材料的结构

一、解释以下基本概念

空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化。

二、填空题

1、材料的键合方式有四类,分别是(),(),(),()。

2、金属原子的特点是最外层电子数(),且与原子核引力(),因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成()。

3、我们把原子在物质内部呈()排列的固体物质称为晶体,晶体物质具有以下三个特点,分别是(),(),()。

4、三种常见的金属晶格分别为(),()和()。

5、体心立方晶格中,晶胞原子数为(),原子半径与晶格常数的关系为(),配位数是(),致密度是(),密排晶向为(),密排晶面为(),晶胞中八面体间隙个数为(),四面体间隙个数为(),具有体心立方晶格的常见金属有()。

6、面心立方晶格中,晶胞原子数为(),原子半径与晶格常数的关系为(),配位数是(),致密度是(),密排晶向为(),密排晶面为(),晶胞中八面体间隙个数为(),四面体间隙个数为(),具有面心立方晶格的常见金属有()。

7、密排六方晶格中,晶胞原子数为(),原子半径与晶格常数的关系为(),配位数是(),致密度是(),密排晶向为(),密排晶面为(),具有密排六方晶格的常见金

属有()。

8、合金的相结构分为两大类,分别是()和()。

9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为()和(),按照固溶度分为()和(),按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为()和()。

10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有()、

()、

()、()。

11、金属化合物(中间相)分为以下四类,分别是(),(),(),()。

12、金属化合物(中间相)的性能特点是:熔点()、硬度()、脆性(),因此在合金中不作为()相,而是少量存在起到第二相()作用。

13、CuZn、Cu

5Zn

8

、Cu

3

Sn的电子浓度分别为(),(),

()。

14、如果用M表示金属,用X表示非金属,间隙相的分子式可以写成如下四种形式,分别是(),(),(),()。

15、Fe

3

C的铁、碳原子比为(),碳的重量百分数为(),它是()的主要强化相。

三、作图表示出立方晶系(123)、(0)、(421)等晶面和[02]、

[11]、[346]等晶向。

四、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体,试作图画出该八面体,

并注明各晶面的晶面指数。

五、某晶体的原子位于正方晶格的结点上,其晶格常数a=b,

。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距,求该晶面的晶面指数。

六、体心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(110)、(111)晶面的面间距大小,并指出面间距最大的晶面。

七、已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出(100)、(110)、(111)晶面的面间距大小,并指出面间距最大的晶面。

八、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞,并求出它的晶格常数。

九、证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=。

十、试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=,四面体间隙半径r=;体心立方晶格的八面体间隙半径;<100>晶向的r=,<110>晶向的r=;四面体间隙半径r=, (R为原子半径)。

十一、 a)设有一钢球模型,球的直径不变,当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时,试计算其体积膨胀。

b)经x射线测定,在912℃时,γ-Fe的晶格常数为, α-Fe的晶格常数为,当由γ-Fe转变为α-Fe时,试求其体积膨胀,并与a)相比较,说明其差别的原因.。

十二、已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为和,分别求1cm3中铁和铜的原子数。

十三、Ni的晶体结构为面心立方结构,其原子半径为r=,试求1cm3中Ni的原子数。

十四、.Mo的晶体结构为体心立方结构,其晶格常数a=,试求Mo的原子半径r。

十五、Cu具有面心立方结构,其原子半径为r=,试求Cu的密度(Cu 的相对原子量为)

十六、试计算体心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度,并指出其最密排晶面和最密排晶向。(提示:晶面的原子密度为单位面积上的原子数,晶向的原子密度为单位长度上的原子数)。

十七、试计算面心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度,并指出其最密排晶面和最密排晶向。

十八、求金刚石结构中通过(0,0,0)和(3/4,3/4,1/3)两碳原子的晶向指数,及与该晶向垂直的晶面指数。

十九、求(121)与(100)决定的晶带轴与(001)和(111)所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。

二十、计算立方系[321]与[120]及(111)与??

? ??-111之间的夹角。 二十一、.a)算出fcc 和bcc 晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小,用原子半径R 表示,并注明间隙中心坐标;

b)写出溶解在γ-Fe 中C 原子所处位置,若此类位置全部被C 原子占据,那么问在此情况下,γ-Fe 能溶解多少重量百分比的C 而实际上碳在铁中的最大溶解度是多少两者在数值上有差异的原因是什么

二十二、为什么?-Fe 的溶碳能力远大于?-Fe 的溶碳能力?

二十三、Na +和Cl -的离子半径分别为,,NaCl 具有面心立方点阵,试求其配位数、晶格常数及致密度。

二十四、渗碳体(Fe 3C)是一种间隙化合物,它具有正交点阵结构,其

点阵常数a=,b=,c=,其密度ρ=cm3,试求每单位晶胞中Fe 原子与C 原子的数目?

二十五、试计算金刚石结构的致密度。

第二章:晶体缺陷

一.解释以下基本概念

肖脱基空位、弗仑克尔空位、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、共格界面、非共格界面、内吸附.

二、填空题

1、按照几何尺寸分类,晶体中存在三种缺陷,分别是(),(),()。

2、晶体中点缺陷主要表现形式有(),()和()。

3、位错有两种基本类型,分别是(),()。

4、刃型位错的柏氏矢量与位错线(),螺型位错的柏氏矢量与位错线()。

5、柏氏矢量代表晶体滑移的()和(),也表示位错线周围()总量的大小。

6、位错的运动有两种,分别是()和(),刃型位错的柏氏矢量与其垂直的位错线所构成的平面称为(),对于一条刃型位错而言,该面是唯一的,故不可能产生()运动。

7、体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的单位位错的柏氏矢量分别可表示成()、()和()。

8、面心立方晶体中有两种重要的不全位错,柏氏矢量分别为(),()。

9、晶体的面缺陷主要包括(),(),(),()。

10、具有不同结构的两相之间的界面称为(),该界面有三种,分别是(),()和()。

三.在Fe中形成1mol空位的能量为,试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍

四、指出下图各段位错的性质,并说明刃型位错部分的多半原子面.

五、如右图,某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环,并受到一均匀切应力τ.

(1)分析该位错环各段位错的结构类型.

(2)求各段位错线所受的力的大小及方向.

(3)在τ的作用下,该位错环将如何运动

(4)在τ的作用下,若使此位错环在晶体中

稳定不动,其半径应为多少

六、面心立方晶体中,在(111)面上的单

位位错b=a/2[-

110],在(111)面上分解为两个肖克莱不完全位错,

请写出该位错反应,并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出:

七、已知单位位错a/2[-

101]能与肖克莱不完全位错a/6[12

-

1]相结合

形成弗兰克不全位错,试说明:

(1)新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。(2)判断此位错反应能否进行

(3)这个位错为什么称固定位错

八、判定下列位错反应能否进行若能进行,试在晶胞上作出矢量图。

九、试分析在(111)面上运动的柏氏矢量为b=a/2[-

110]的螺型位错

受阻时,能否通过交滑移转移到(1-

11),(11

-

1),(

-

111)面中的

某个面上继续运动为什么

十、已知柏氏矢量的大小为b=,如果对称倾侧晶界的取向差

θ=1°和10°,求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论

十一、根据晶粒的位向差及其特点,晶界有那些类型有何特点属性

第三章:纯金属的凝固

一、解释以下基本概念

结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、变质处理、光滑界面、粗糙界面、树枝晶、柱状晶、等轴晶、单晶、非晶、微晶、准晶、多晶体。

二、填空题

1、金属结晶一般发生在理论结晶温度以下,这种现象称为(),理论结晶温度与实际结晶温度的差值叫做(),冷却速度越大,则()越大。

2、金属结晶过程是一个不断()和()的过程,直至液体耗尽为止。若由一个晶核长成的晶体叫做(),多个晶核长成的晶体叫做()。

3、要获得结晶过程所必须的驱动力,一定要有(),过冷度(),液固两相自由能差值(),驱动力(),临界晶核半径(),临界晶核形核功(),形核率(),结晶后()越细小。

4、在过冷液体中,会出现许多尺寸不同的原子小集团称为(),只有当原子小集团的半径大于()时,才可作为晶核而长大。

5、在形核时,系统总自由能变化是()降低和()增加的代数和,前者是形核的(),后者是形核的()。

6、均匀形核时,临界晶核形核功与过冷度的关系可表达成(),它表明当形成临界尺寸晶核时,体积自由能补偿表面能的(),尚有()表面能没有得到补偿,需依靠()。

7、非均匀形核时,其形核功大小与润湿角?有关,当?=00时,ΔG

=

(),当?=900时,ΔG

非=(),当?=1800时,ΔG

=()。

说明润湿角?越小,对形核越()。

8、晶核长大与液固界面结构有关,一般粗糙界面以()方式长大,而光滑界面以()方式长大。

9、为获得细晶粒,在金属结晶时通常采用(),()和

()等方法。

10、金属铸锭一般由三个晶区组成,表面为(),中间为(),心部为()。

11、非均匀形核时临界球冠半径与均匀形核临界晶核半径(),但非均匀形核的晶核体积比均匀形核时(),当过冷度相同时,形核率(),结晶后晶粒()。

12、金属结晶时形核方式有()和(),在实际铸造生产中常已()方式形核。

与三、 a)设为球形晶核,试证明均匀形核时,形成临界晶粒的ΔG

K 之间的关系式为。

其体积V

K

与V之间的关系如何b)当非均匀形核形成球冠形晶核时,其ΔG

K

四、如果临界晶核是边长为a K的正方体,试求出其ΔG K与a K的关系。为什么形成立方体晶核的ΔG

比球形晶核要大

K

五、为什么金属结晶时一定要有过冷度影响过冷度的因素是什么固态金属熔化时是否会出现过热为什么

六、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点,说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。

七、在其它条件相同时,试比较下列铸造条件下金属晶粒尺寸大小,并说明为什么

1、砂型铸造与金属型铸造

2、铸薄壁件与铸厚壁件

3、高温浇注与低温浇注

八、说明晶体成长形状与温度梯度的关系,分析在负温度梯度下,金属结晶出树枝晶的过程。

九、简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

十、为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施为了得到发达的等轴晶区应该采取什么措施其基本原理如何

十一、考虑在一个大气压下液态铝的凝固,对于不同程度的过冷度,即:ΔT=1,10,100和200℃,计算:

(a)临界晶核尺寸;

(b)从液态转变到固态时,单位体积的自由能变化ΔGv;

(c)从液态转变到固态时,临界尺寸r*处的自由能的变化ΔGv。

(铝的熔点T

m =993K,单位体积熔化热ΔH

f

=×109J/m3,固液界面自由能

γ

sc =93J/m2,原子体积V

=×10-29m3。)

十二、已知液态纯镍在×105Pa(1个大气压),过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm,纯镍的熔点为1726K,熔化热

ΔH

m =18075J/mol,摩尔体积V

x

=mol,计算纯镍的液-固界面能和临界

形核功。

十三、指出下列各题错误之处,并改正之。

(1)所谓临界晶核,就是体系自由能的减少完全补偿表面能增加时的晶胚大小。

(2)在液态金属中,凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核,但是只要有足够的能量起伏提供形核功,还是可以形核。

(3)无论温度分布如何,常用纯金属都是以树枝状方式生长。

十四、何谓非晶态金属简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同

第四章:二元相图

一、解释以下基本概念

组元、相、化学位、成分过冷、平衡分配系数、自由度、相律、同素异晶转变、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、熔晶转变、偏晶转变、合晶转变、组织、伪共晶、离异共晶、枝晶偏析、比重偏析、正偏析、反偏析、区域偏析、区域提纯、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体。

二、填空题

1、相律是表示平衡条件下,系统的自由度数、()数和()之间的关系,根据相律可知二元系最大的平衡相数是()。

2、在二元合金相图中,根据相律,两个单相区必然交于()点,两个单相区之间必然存在一个()相区,三相平衡时,系统的自由度等于(),说明转变()和三个相的()都是恒定的。

3、二元合金相图杠杆定律只适用于()区,当二元系处于两相平衡时,可根据杠杆定律确定两平衡相的()和计算两平衡相的()。

4、固溶体合金在结晶时也遵循形核长大规律,形核时也需要()起伏、()起伏,还需()起伏。

5、同纯金属相比,固溶体合金结晶的特点是()结晶,其结晶常发生在一定的()区间内,始终进行着溶质原子和溶剂原子的()过程。

6、枝晶偏析的大小与液相线与固相线间的()有关,与溶质原子的()有关,与结晶时的()有关。

7、固溶体合金在凝固时会产生成分过冷,成分过冷区的大小与结晶速度R有关,与界面前沿实际温度分布G有关,与溶质浓度C

大小有关,

( )越容易产生成分过冷。

一般G( ),R( ),C

8、固溶体合金在正的温度梯度下,因成分过冷区的大小不同,晶体形态可能出现(),()和()。

9、发生共晶反应时,因三相平衡,f=( ),此时这一转变是在()温度下进行,三个平衡相的成分均()。

10、固溶体合金因选择结晶会产生()偏析,亚共晶合金或过共晶合金因先析出相与液相间密度不同,会产生()偏析,前者可通过()退火消除,后者可通过依靠凝固过程中()防止或减轻。

11、合金的铸造性能取决于液相线与固相线之间(),其值越小,铸造性能(),二元系具有()成分的合金铸造性能最好。

12、在二元系中,由一相分解为二相的三相平衡转变有(),(),()和()。

13、在二元系中,由二相转变为一相的三相平衡转变有(),()和()。

14、原合金成分不是共晶成分,经快速冷却形成的全部共晶组织,称为()。

15、铁素体是碳溶入()中的()固溶体,奥氏体是碳溶入()中的()固溶体,渗碳体是()。

16、奥氏体在1148℃时最大溶碳量可达(),在727℃时奥氏体的溶碳量为()。

17、珠光体是()反应的产物,它是由()和()组成的机械混合物。

18、工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢的含碳量分别为(),(),(),()。

19、亚共析钢、共析钢、过共析钢在室温下的平衡组织分别是(),(),()。

C相图中HJB线、ECF线、PSK线分别称为(),20、在Fe-Fe

3

()和()。

22、根据含碳量和组织特点,可将铁碳合金分为三大类,分别是

( ),( )和( )。

23、根据Fe-Fe 3C 相图计算的一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体

最大可能含量分别为( ),( )和( )。

24、变态莱氏体是( )和( )的机械混合物,由于含有大量的渗碳体,所以塑性( ),脆性( ),但是( )好。

25、钢中的硫是有害元素,易造成钢的( )性,这是因为FeS 能与( )形成低熔点的( )之故。

26、在平衡冷却后,随含碳量的增加,钢的硬度( ),塑性和韧性( )。

三、在正温度梯度下,为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长,而固溶体合金却能呈树枝状成长

四、何为合金平衡相图,相图能给出任一条件下合金的显微组织吗

五、有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni 合金铸件,其中一个铸件的含镍量ωNi =90%,另一铸件ωNi =50%,铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸

件的偏析严重为什么找出消除偏析的措施。

六、何为成分过冷成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响

七、共晶点和共晶线有什么关系共晶组织一般是什么形态如何形成

八、铋(熔点为℃)和锑(熔点为℃)在液态和固态时均能彼此无限互溶,ωBi =50%的合金在520℃时开始凝固出成分为ωSb =87%的固相。ω

Bi =80%的合金在400℃时开始凝固处成分为ωSb =64%的固相。根据上述

条件,要求:

(1)绘出Bi-Sb 相图,并标出各线和各相区的名称。

(2)从相图上确定含锑量为ωSb =40%合金开始结晶和结晶终了温度,

并求出它在400℃是的平衡相成分及其含量。

九、根据下列实验数据绘出概略二元共晶相图,组元A 的熔点为1000℃,组元B 的熔点为700℃;ωB =25%的合金在500℃结晶完毕,

并由3173%的先共晶相α与3226%的

(α+β)共晶体组成;ωB =50%的合金在500℃结晶完毕后则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成,而此合金中的α相总量为50%。

十、组元A 的熔点为1000℃,组元B 的熔点为700℃,

在800℃时存在包晶反应;α(ωB =5%)+L(ωB =50%)

β(ωB =30%); 在600℃时存在共晶反应:L(ωB =80%)

β(ωB =60%)+γ(ωB =95%);

在400℃时发生共析反应:β(ωB =50%)

α(ωB =2%)+γ(ωB =97%)。根据这些数据画出A —B 二元相图。

十一、在C-D 二元系中,D 组元比C 组元有较高的熔点, C 在D 中没有固溶度。该合金系存在下述恒温反应:

(1)

(2)

(3)%)70(%)45600=?+=D C

D w D w γβ(

(4)

根据上述数据,绘出概略的C —D 二元相图。

十二、已知A 组元(熔点600℃)与B 组元(熔点500℃)在液态无限

互溶,固态时A在B中的最大固溶度(质量分数)为ω

A

=30%,室温时

为ω

A =10%。但B在固态和室温时均不溶于A。在300℃时,含ω

B

=40%

的液态合金发生共晶反应。试绘出A—B合金相图;试计算ω

A

=20%、

ω

A =45%、ω

A

=80%的合金在室温下组织组成物和相组成物的相对重量。

十三、假定需要用ω

Zn =30%的Cu-Zn合金和ω

Sn

=10%的Cu-Sn合金制造

尺寸、形状形同的铸件,参照Cu-Zn和Cu-Sn二元相图,回答下述问题:

(1)哪种合金的流动性好

(2)哪种合金形成缩松的倾向大

(3)哪种合金的热裂倾向大

(4)哪种合金的偏析倾向大

十四、默画出Fe—Fe

3

C相图,标注各点、线的名称、温度和成分,并标注各个区域的组织。

十五、分析含碳量为%、%、%的碳钢从液态冷却到室温的结晶过程,用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织,并分别计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。

十六、分析含碳量为%和%的白口铸铁的平衡结晶过程,计算室温下的相组成物及组织组成物的含量。

十七、计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。

十八、说明含碳量对碳钢的组织和性能的影响。

十九、为了区分两种弄混的碳钢,工作人员分别截取了A、B两块试样,加热至800℃保温后以极其缓慢的速度冷却到室温,观察金相组织,结果如下:

A试样的先共析铁素体面积为%,珠光体的面积为%;

B试样的二次渗碳体的面积为%,珠光体的面积为%;

设铁素体和渗碳体的密度相同,铁素体的含碳量为零,试求A、B两种

碳钢的含碳量。

二十、指出下列相图中的错误,并加以改正。

二十一、Mg-Ni系的一个共晶反应为

507℃ L.%Ni) α(纯镁)+Mg

2

Ni.%Ni)

设C

1为亚共晶合金,C

2

为过共晶合金,这两种合金中的先共晶相的重

量分数相等,但C

1合金中的α总量为C

2

合金中的α总量的倍,试计算

C 1和C

2

的成分。

二十二、铁碳相图有哪些应用,又有哪些局限性。

第六章:固体材料的变形与断裂

一、解释以下基本概念

弹性变形、塑性变形、滑移、孪生、滑移带、滑移系、多滑移、交滑移、取向因子、软位向、硬位向、临界分切应力、加工硬化、形变织构、纤维组织、丝织构、板织构、细晶强化、弥散强化、断裂、脆性断裂、韧性断裂、解理断裂、穿晶断裂、沿晶断裂

二、填空题

1、金属塑性变形的方式有两种,分别是()和()。

2、体心立方晶体的滑移面是(),滑移方向是(),共有()个滑移系。

3、面心立方晶体的滑移面是(),滑移方向是(),共有()个滑移系。

4、密排六方晶体的滑移面是(),滑移方向是(),共有()个滑移系。

5、临界分切应力的表达式是(),该式表明滑移系的分切应力大小与()有关,分切应力越大,越容易()。

6、单晶体塑性变形时,把Φ=900或者λ=900的取向称为(),把取向因子为0。5时对应的取向称为(),若取向因子大,则屈服强度()。

7、晶体发生滑移时会引起晶面的转动,拉伸时滑移面力求转向与力轴()方向,使原来有利取向滑移系变得愈来愈不利,称之为()。

8、对滑移系少的()金属,在受到切应力作用下易产生孪生变形,体心立方金属在()时才发生孪生变形。

9、金属经过塑性变形之后,其晶粒外形会沿受力方向(),当变形量很大时各晶粒(),呈现()称为纤维组织。

10、多晶体塑性变形时,由于形变受到()阻碍和相邻的取向不同的()约束,形变抗力比单晶体大,其屈服强度与晶粒直径关系为(),称为霍尔配奇公式。

11、金属经过塑性变形之后,不但晶粒外形有所变化,晶粒内部的位错密度(),形成胞状结构,随变形量增大,胞块数量(),尺寸()。

12、在常温下,金属的晶粒尺寸愈小,其强度(),塑性和韧性()。

13、塑性变形量越大,金属的强度(),塑性和韧性(),这种现象称为()。

14、金属冷塑性变形时,由于晶体转动,使金属晶体中原为任意取向

的各晶粒逐渐调整为取向彼此趋于一致,称之为()。有两种形式的形变织构,分别是()和()。

15、金属经过塑性变形之后,会产生残余内应力,有三种内应力,分别是()、()和()。

三、密排六方金属镁能否产生交滑移滑移方向如何

四、试用多晶体塑性变形理论解释室温下金属的晶粒越细强度越

高塑性越好的现象。

五、铜单晶其外表面平行于(001),若施加拉应力、力轴方向为[001],测得τc=m2,求多大应力下材料屈服

六、Fe单晶拉力轴沿[110]方向,试问哪组滑移系首先开动若τc=,需多大应力材料屈服

七、已知纯铝τc=m2,问:

(1)使(-

111)面产生[101]方向的滑移,则在[001]方向上

应该施加多大的力

(2)使(-

111)面产生[110]方向的滑移呢

八、体心立方的铁在(011)滑移面上,有一个b

1=a/2[1

-

11]的单位

位错,在(0-

11)面上,有一个b2=a/2[

-

111]的单位位错,若在

切应力作用下,它们向着滑移面的交线处运动并发生反应,试

求新生位错的柏氏矢量,位错线方向;并说明该位错为什么是

固定位错。

九、有一70MPa应力作用在fcc晶体的[001]方向上,求作用在(111)

和(111)滑移系上的分切应力。

十、锌单晶体试样截面积A=,经拉伸试验测得的有关数据如下表:屈服载荷

(N)

620252184148174273525Φ角(0)8372.56248.530.517.65

λ角(0)25.52638466374.882.5

(1)根据以上数据求出临界分切应力并填入上表

(2)求出屈服载荷下的取向因子,作出取向因子和屈服应力的关系曲

线,说明取向因子对屈服应力的影响。

十一、画出铜晶体的一个晶胞,在晶胞上指出:

(1)发生滑移的一个晶面;

(2)在这一晶面上发生滑移的一个方向;

(3)滑移面上的原子密度与{100}等其它晶面相比有何差别;

(4)沿滑移方向的原子间距与其它方向相比有何差别。

十二、已知平均晶粒直径为1mm和的?-Fe的屈服强度分别为和196MPa,问平均晶粒直径为的纯铁的屈服强度为多少

十三、.Al单晶制成拉伸试棒(其截面积为9mm2)进行室温拉伸,拉伸轴与[001]交成°,与[011]交成°,与[111]交成°,开始屈

服时载荷为,试确定主滑移系的分切应力。

十四、Mg单晶体的试样拉伸时,三个滑移方向与拉伸轴分别交成38°、45°、85°,而基面(滑移面)法线与拉伸轴交成60°。

如果在拉应力为时开始观察到塑性变形,则Mg的临界分切应力

为多少

十五、试述金属经塑性变形后组织结构与力学性能之间的关系,阐述加工硬化在机械零部件生产和服役过程中的重要意义。

十六、试述固溶强化的机制。

十七、试述弥散硬化合金的强化机制。

第七章:回复与再结晶

一、解释以下基本概念

回复、再结晶、多边形化、二次再结晶、冷加工、热加工、动态回复、动态再结晶

二、填空题

1、冷变形金属经重新加热时,根据其组织和性能的变化,大体可分为()、()和()三个阶段。

2、低温回复主要涉及(),中温回复主要涉及(),高温回复主要涉及()。

3、再结晶过程也是一个()与()的过程,但是与重结晶

材料科学基础课后作业及答案(分章节)

第一章 8.计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例 (1)NaF (2)CaO (3)ZnS 解:1、查表得:X Na =0.93,X F =3.98 根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为:21 (0.93 3.98)4 [1]100%90.2%e ---?= 共价键比例为:1-90.2%=9.8% 2、同理,CaO 中离子键比例为:21 (1.00 3.44)4 [1]100%77.4%e ---?= 共价键比例为:1-77.4%=22.6% 3、ZnS 中离子键比例为:2 1/4(2.581.65)[1]100%19.44%ZnS e --=-?=中离子键含量 共价键比例为:1-19.44%=80.56% 10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义.说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答:结构转变的热力学条件决定转变是否可行,是结构转变的推动力,是转变的必要条件;动力学条件决定转变速度的大小,反映转变过程中阻力的大小。 稳态结构与亚稳态结构之间的关系:两种状态都是物质存在的状态,材料得到的结构是稳态或亚稳态,取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件),阻力小时得到稳态结构,阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低,热力学上最稳定,亚稳态结构能量高,热力学上不稳定,但向稳定结构转变速度慢,能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下,亚稳态结构向稳态结构转变。 第二章 1.回答下列问题: (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向: (001)与[210],(111)与[112],(110)与 [111],(132)与[123],(322)与[236] (2)在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和 (112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 (3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于(101). (011)和(112)晶面上的[111]晶向。 解:1、 2.有一正交点阵的 a=b, c=a/2。某晶面在三个晶轴上的截距分别为 6个、2个和4个原子间距,求该晶面的密勒指数。 3.立方晶系的 {111}, 1110}, {123)晶面族各包括多少晶面?写出它们的密勒指数。 4.写出六方晶系的{1012}晶面族中所有晶面的密勒指数,在六方晶胞中画出[1120]、 [1101]晶向和(1012)晶面,并确定(1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 5.根据刚性球模型回答下列问题:

材料科学基础习题及答案

习题课

一、判断正误 正确的在括号内画“√”,错误的画“×” 1、金属中典型的空间点阵有体心立方、面心立方和密排六方三种。 2、位错滑移时,作用在位错线上的力F的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。 3、只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶,间隙固溶体则不能。 4、金属结晶时,原子从液相无序排列到固相有序排列,使体系熵值减小,因此是一个自发过程。 5、固溶体凝固形核的必要条件同样是ΔG<0、结构起伏和能量起伏。 6三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。 7物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。 8塑性变形时,滑移面总是晶体的密排面,滑移方向也总是密排方向。 9.晶格常数是晶胞中两相邻原子的中心距。 10.具有软取向的滑移系比较容易滑移,是因为外力在在该滑移系具有较大的分切应力值。11.面心立方金属的滑移面是{110}滑移方向是〈111〉。 12.固溶强化的主要原因之一是溶质原子被吸附在位错附近,降低了位错的易动性。13.经热加工后的金属性能比铸态的好。 14.过共析钢的室温组织是铁素体和二次渗碳体。 15.固溶体合金结晶的过程中,结晶出的固相成份和液相成份不同,故必然产生晶内偏析。16.塑性变形后的金属经回复退火可使其性能恢复到变形前的水平。 17.非匀质形核时液体内部已有的固态质点即是非均匀形核的晶核。 18.目前工业生产中一切强化金属材料的方法都是旨在增大位错运动的阻力。 19、铁素体是α-Fe中的间隙固溶体,强度、硬度不高,塑性、韧性很好。 20、体心立方晶格和面心立方晶格的金属都有12个滑移系,在相同条件下,它们的塑性也相同。 21、珠光体是铁与碳的化合物,所以强度、硬度比铁素体高而塑性比铁素体差。 22、金属结晶时,晶粒大小与过冷度有很大的关系。过冷度大,晶粒越细。 23、固溶体合金平衡结晶时,结晶出的固相成分总是和剩余液相不同,但结晶后固溶体成分是均匀的。 24、面心立方的致密度为0.74,体心立方的致密度为0.68,因此碳在γ-Fe(面心立方)中的溶解度比在α-Fe(体心立方)的小。 25、实际金属总是在过冷的情况下结晶的,但同一金属结晶时的过冷度为一个恒定值,它与冷却速度无关。 26、金属的临界分切应力是由金属本身决定的,与外力无关。 27、一根曲折的位错线不可能是纯位错。 28、适当的再结晶退火,可以获得细小的均匀的晶粒,因此可以利用再结晶退火使得铸锭的组织细化。 29、冷变形后的金属在再结晶以上温度加热时将依次发生回复、再结晶、二次再结晶和晶粒长大的过程。 30、临界变形程度是指金属在临界分切应力下发生变形的程度。 31、无限固溶体一定是置换固溶体。 32、金属在冷变形后可形成带状组织。 33、金属铅在室温下进行塑性成型属于冷加工,金属钨在1000℃下进行塑性变形属于热加工。

材料科学基础作业

Fundamentals of Materials Science 1. Determine the Miller indices for the planes shown in the following unit cell: A:(2 1 -1) B:(0 2 -1) 2. Show that the atomic packing factor for HCP is 0.74. Solution: This problem calls for a demonstration that the APF for HCP is 0.74. Again, the APF is just the total sphere-unit cell volume ratio. For HCP, there are the equivalent of six spheres per unit cell, and thus Now, the unit cell volume is just the product of the base area times the cell height, c. This base area is just three times the area of the parallelepiped ACDE shown below.

The area of ACDE is just the length of CD times the height BC. But CD is just a or 2R, and 3. For both FCC and BCC crystal structures, the Burgers vector b may be expressed as

材料科学基础

?晶粒度:用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的平均面积或平均直径表示。?钢的标准晶粒度:分为8级。一级最粗,八级最细。 第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用

?晶粒大小对性能的影响:晶粒越细,强度、硬度塑性、韧性越高。?晶粒度控制方法:控制形核率N 、长大速度Vg 单位体积中晶粒数:单位面积中晶粒数: 增加过冷度,提高N/Vg ,细化晶粒。 添加形核剂,提高形核率N ,细化晶粒。 振动、搅拌,细化晶粒。 第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用4/39.0???? ??=g v V N Z 2 /11.1???? ??=g s V N Z

(3)3§3.6.2 单晶体的制备 ?单晶体:只有一个晶 粒构成的晶体。 ?制备原理:提高纯度、 减慢结晶速度,保证 一个晶核形成并长大。 ?制备方法:尖端成核 法、垂直提拉法。第六节凝固理论的 应 用

(4)3§3.6.3 定向凝固技术 ?定向凝固:铸件按一定方向由一端开始,逐步向另 一端结晶。 ?制备方法:快速逐步凝固法第六节凝 固 理 论 的 应 用关键是创造单向散热的冷却条件。

(5)3§3.6.4 非晶态金属?非晶态金属(金属玻璃):快速冷却使金属保留液态时的原子排列。强度高,韧性大,耐腐蚀,导磁性强第六 节凝 固 理 论 的 应 用?形成条件:快冷至Tg 温度(玻璃化温度)以下。△Tg=Tm-Tg 越小,越易获得非晶态。在熔点到结晶温度区间加快冷却速度(超过106K/S)。?制备方法:离心急冷法、轧制急冷法

(6)3§3.6.5 微晶合金?微晶合金(纳晶合金):晶粒尺寸达微米(μm)或纳 米(nm)级的超细晶粒合金。?制备方法:急冷凝固技术 ?特点:高强度、高硬度、良好韧性,高耐磨性、耐蚀性,抗辐射稳定性。第 六 节凝 固理论的 应 用

材料科学基础作业解答

第一章 1.简述一次键与二次键各包括哪些结合键这些结合键各自特点如何 答:一次键——结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。 ①离子键:由于正、负离子间的库仑(静电)引力而形成。特点:1)正负离子相间排列,正负电荷数相等;2)键能最高,结合力很大; ②共价键:是由于相邻原子共用其外部价电子,形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点:结合力很大,硬度高、强度大、熔点高,延展性和导电性都很差,具有很好的绝缘性能。 ③金属键:贡献出价电子的原子成为正离子,与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点:它没有饱和性和方向性;具有良好的塑性;良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。 ④范德瓦耳斯键:一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点:键合较弱,易断裂,可在很大程度上改变材料的性能;低熔点、高塑性。 2.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。 答:①金属材料:简单金属(指元素周期表上主族元素)的结合键完全为金属键,过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合,但以金属键为主。 ②陶瓷材料:陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属(通常为氧)相结合的化合物,其主要结合方式为离子键,也有一定成分的共价键。 ③高分子材料:高分子材料中,大分子内的原子之间结合方式为共价键,而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料:复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质,因而其结合键非常复杂,不能一概而论。 3. 晶体与非晶体的区别稳态与亚稳态结构的区别 晶体与非晶体区别: 答:性质上,(1)晶体有整齐规则的几何外形;(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变;(3)晶体有各向异性的特点。

材料科学基础习题

查看文本 习题 一、名词解释 金属键; 结构起伏; 固溶体; 枝晶偏析; 奥氏体; 加工硬化; 离异共晶; 成分过冷; 热加工; 反应扩散 二、画图 1在简单立方晶胞中绘出()、(210)晶面及[、[210]晶向。 2结合Fe-Fe3C相图,分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后,试棒的成分-距离曲线示意图。 3如下图所示,将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。 4画出简单立方晶体中(100)面上柏氏矢量为[010]的刃型位错与(001)面上柏氏矢量为[010]的刃型位错交割前后的示意图。 5画图说明成分过冷的形成。 三、Fe-Fe3C相图分析 1用组织组成物填写相图。 2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。 3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。 四、简答题 1已知某铁碳合金,其组成相为铁素体和渗碳体,铁素体占82%,试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。 2什么是单滑移、多滑移、交滑移?三者的滑移线各有什么特征,如何解释?。 3设原子为刚球,在原子直径不变的情况下,试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。 4间隙固溶体与间隙化合物有何异同? 5可否说扩散定律实际上只有一个?为什么? 五、论述题 τC 结合右图所示的τC(晶体强度)—ρ位错密度 关系曲线,分析强化金属材料的方法及其机制。 晶须 冷塑变 六、拓展题 1 画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。 2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形? 3 固态相变为何易于在晶体缺陷处形核? 4 画出面心立方晶体中(225)晶面上的原子排列图。 综合题一:材料的结构 1 谈谈你对材料学科和材料科学的认识。 2 金属键与其它结合键有何不同,如何解释金属的某些特性? 3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4 晶向指数和晶面指数的标定有何不同?其中有何须注意的问题? 5 画出三种典型晶胞结构示意图,其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么? 6 碳原子易进入a-铁,还是b-铁,如何解释? 7 研究晶体缺陷有何意义? 8 点缺陷主要有几种?为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷?

材料科学基础 铁碳相图补充作业题答案

铁碳相图补充作业题答案 1. 铁碳合金按Fe —Fe 3C 相图成分区域分成七类,分别是什么? 2. 分析以上七种成分合金平衡结晶过程与最终组织,并计算: (1) 工业纯铁中三次渗碳体的最大含量。 分析:在工业纯铁中,随C 含量的增加,三次渗碳体的含量也越多,当C%=0.0218% (即P 点成分的工业纯铁中)时,Fe 3C Ⅲ量达到最大值。 W Fe3C Ⅲ=008 .069.6008,00218. 0--×100%=0.33% (2) 共析钢中,α和Fe 3C 的相对含量。(Fe 3C Ⅲ量很少,一般忽略不计) W α=%100218 .069.677.069.6?--=%10069.677.069.6?-=88% W Fe3C =1-88%=12% (3)45钢(含C :0.45%)中,组织组成物和相组成物的相对含量。 分析:45钢组织组成物为:铁素体(先共析)+ 珠光体 相组成物为:铁素体(α)+ 渗碳体(Fe 3C ) 由于Fe 3C Ⅲ量很少,可以忽略不计,只考虑727℃共析转变完成之后即可。 组织组成物:?? ???=-==?==?=----%57%431Wp %57%100%43%1000218.077.00218.045.00218.077.045.077.0或αWp W 相组成物: ?????=-==?==?=----% 7%931W %7%100%93%100C 3Fe 0218.69.60218.045.030218.069.645.069.6或αo C Fe W W 注:共析钢中,室温组织为α+ P W C %↑, W P ↑,可近似根据亚共析钢的平衡组织来估算钢的含C 量。 W P =%100%1008.077.0218.077.0028.0?==?--C C C ∴ 钢的含C 量 C=0.8W P (忽略α、P 密度的差别)W P :珠光体所占的面积百分比。 (4)T10钢(1%C )中,Fe3C Ⅱ和珠光体的相对量 W Fe3C Ⅱ=%100 77.069.677.00.1?--=4% W P =1—4%=96% 注:在过共析钢中,W C ↑, Fe3C Ⅱ↑ 当 W C =2.11% Fe 3C Ⅱ达到最大值 W Fe3C Ⅱ最大=%6.22%100 77.069,677.011.2=?-- (5)共晶白口铸铁中,Fe 3C 共晶与γ共在共晶温度下的相对量。共析温度下P 与Fe 3C 的相对量。 ?????=-==?=--%48%521W %52%100C 3Fe 11.269.63.469.6共共γW

材料科学基础习题与答案

- 第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么 6. 已知Cu 的原子直径为A ,求Cu 的晶格常数,并计算1mm 3Cu 的原子数。 ( 7. 已知Al 相对原子质量Ar (Al )=,原子半径γ=,求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积,在912℃时是;fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由 bcc 转变为fcc 时,其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面(152)和(034)属六方晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反之,求(3121)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个八面体各个表面的晶面指数,各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面,请分别画出。

材料科学基础试题及答案

第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度 为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,把原子视为刚性球时,原子的半径r 与 点阵常数a 的关系是 ;bcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,致密度 为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系 是 ;hcp 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 , 致密度为 ,配位数是 ,,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ,其结构原子体积是 ,每个晶胞中八面体间隙数 为 ,四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912e 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构,配位数 , 致密度降低 ,晶体体积 ,原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出)(211晶面和]211[晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平面上的 方向。在hcp 晶胞的(0001)面上标出)(0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的(100)平面上,1mm 2有多少原子?已知铅为fcc 面心立方结构,其原子半径 R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1) 随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度 ,塑性 ,导电性 ,形成间 隙固溶体时,固溶体的点阵常数 。 2) 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是(1) ;(2) ; (3) ;(4) 和环境因素。 3) 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4) 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为 和 。 5) 无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ,塑 性 ,导电性 。 6)间隙固溶体是 ,间隙化合物 是 。 二、 问答 1、 分析氢,氮,碳,硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶体的类型,进入点阵中的位置和固 溶度大小。已知元素的原子半径如下:氢:0.046nm ,氮:0.071nm ,碳:0.077nm ,硼: 0.091nm ,a-Fe :0.124nm ,g-Fe :0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空

材料科学基础习题与答案

第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么 6. 已知Cu的原子直径为A,求Cu的晶格常数,并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar(Al)=,原子半径γ=,求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积,在912℃时是;fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由bcc转变为fcc时,其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何

10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面(152)和(034)属六方晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反之,求(3121)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个八面体各个表面的晶面指数,各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面,请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120],[1101]晶向和(1012)晶面,并确定(1012)晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于(101),(011)和(112)晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃,有W C为%的碳溶于fcc铁的固溶体,求100个单位晶胞中有多少个碳原子(已知:Ar(Fe)=,Ar(C)=) 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=,α-Fe在略低于912℃时a=,求:(1)上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R;(2)γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率;(3)设γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化,求此转变时的体积变

材料科学基础A习题答案第5章

材料科学基础A习题 第五章材料的变形与再结晶 1、某金属轴类零件在使用过程中发生了过量的弹性变形,为减小该零件的弹性变形,拟采取以下措施: (1)增加该零件的轴径。 (2)通过热处理提高其屈服强度。 (3)用弹性模量更大的金属制作该零件。 问哪一种措施可解决该问题,为什么? 答:增加该零件的轴径,或用弹性模量更大的金属制作该零件。产生过量的弹性变形是因为该金属轴的刚度太低,增加该零件的轴径可减小其承受的应力,故可减小其弹性变形;用弹性模量更大的金属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能力,也可减小其弹性变形。 2、有铜、铝、铁三种金属,现无法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量,但关于这几种金属的其他各种数据可以查阅到。请通过查阅这几种金属的其他数据确定铜、铝、铁三种金属弹性模量大小的顺序(从大到小排列),并说明其理由。 答:金属的弹性模量主要取决于其原子间作用力,而熔点高低反映了原子间作用力的大小,因而可通过查阅这些金属的熔点高低来间接确定其弹性模量的大小。据熔点高低顺序,此几种金属的弹性模量从大到小依次为铁、铜、铝。 3、下图为两种合金A、B各自的交变加载-卸载应力应变 曲线(分别为实线和虚线),试问那一种合金作为减振材 料更为合适,为什么? 答:B合金作为减振材料更为合适。因为其应变滞 后于应力的变化更为明显,交变加载-卸载应力应变回线 包含的面积更大,即其对振动能的衰减更大。 4、对比晶体发生塑性变形时可以发生交滑移和不可以发生交滑移,哪一种情形下更易塑性变形,为什么? 答:发生交滑移时更易塑性变形。因为发生交滑移可使位错绕过障碍继续滑移,故更易塑性变形。 5、当一种单晶体分别以单滑移和多系滑移发生塑性变形时,其应力应变曲线如下图,问A、B中哪一条曲线为多系滑移变形曲线,为什么? 答:A曲线为多系滑移变形曲线。这是因为多滑移可导致不同滑移面上的位错相遇, 通过位错反应 力 应变

材料科学基础习题与答案

第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点,并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因? 2. 从结构、性能等面描述晶体与非晶体的区别。 3. 谓理想晶体?谓单晶、多晶、晶粒及亚晶?为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性?谓空间点阵、晶体结构及晶胞?晶胞有哪些重要的特征参数? 4. 比较三种典型晶体结构的特征。(Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属种晶体结构?描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。)谓配位数?谓致密度?金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等面比较有异同? 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。谓间隙固溶体?它与间隙相、间隙化合物之间有区别?(以金属为基的)固溶体与中间相的主要差异(如结构、键性、性能)是什么? 6. 已知Cu 的原子直径为2.56A ,求Cu 的晶格常数,并计算1mm 3 Cu 的原子数。 7. 已知Al 相对原子质量Ar (Al )=26.97,原子半径γ=0.143nm ,求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积,在912℃时是0.02464nm 3;fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm 3。当铁由bcc 转变为fcc 时,其密度改变的百分比为多少? 9. 谓金属化合物?常见金属化合物有几类?影响它们形成和结构的主要因素是什么?其性能如? 10. 在面心立晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立晶胞中画出(012)和(123)晶面。 11. 设晶面()和(034)属六晶系的正交坐标表述,试给出其四轴坐标的表示。反之,求(3121)及(2112)的正交坐标的表示。(练习),上题中均改为相应晶向指数,求相互转换后结果。 12.在一个立晶胞中确定6个表面面心位置的坐标,6个面心构成一个正八面体,指出这个

材料科学基础知识点总结

金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容:面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,八面体、四面体间隙个数;晶向指数、晶面指数的标定;柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容:密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径,密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞:在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元,用来分析原子排列的规律性,这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键:失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来,这种结合方式称为金属键。 位错:晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性: ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型;②柏氏矢量的守恒性,即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关;③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直;螺型平行;混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性: ①晶界的能量较高,具有自发长大和使界面平直化,以减少晶界总面积的趋势;②原子在晶界上的扩散速度高于晶内,熔点较低;③相变时新相优先在晶界出形核;④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚;⑤晶界易于腐蚀和氧化;⑥常温下晶界可以阻止位错的运动,提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容:均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系;细化晶粒的方法,铸锭三晶区的形成机制。 基本内容:结晶过程、阻力、动力,过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷;结晶的热力学条件和结构条件,非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏:液态金属中,时聚时散,起伏不定,不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理:在浇铸前往液态金属中加入形核剂,促使形成大量的非均匀晶核,以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系:液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看,

材料科学基础课后习题答案第二章

第2章习题 2-1 a )试证明均匀形核时,形成临界晶粒的△ G K 与其临界晶核体积 V K 之间的关系式为 2 G V ; b )当非均匀形核形成球冠形晶核时,其△ 所以 所以 2-2如果临界晶核是边长为 a 的正方体,试求出其厶G K 与a 的关系。为什么形成立方体晶核 的厶G K 比球形晶核要大? 解:形核时的吉布斯自由能变化为 a )证明因为临界晶核半径 r K 临界晶核形成功 G K 16 故临界晶核的体积 V K 4 r ; G V )2 2 G K G V b )当非均匀形核形成球冠形晶核时, 非 r K 2 SL G V 临界晶核形成功 3 3( G ;7(2 3cos 3 cos 故临界晶核的体积 V K 3(r 非)3(2 3 3cos 3 cos V K G V 1 ( 3 卸2 3 3cos cos )G V 3 3(書 (2 3cos cos 3 ) G K % G K 与V K 之间的关系如何? G K

G V G v A a3G v 6a2 3 得临界晶核边长a K G V

临界形核功 将两式相比较 可见形成球形晶核得临界形核功仅为形成立方形晶核的 1/2。 2-3为什么金属结晶时一定要有过冷度?影响过冷度的因素是什么?固态金属熔化时是否 会出现过热?为什么? 答:金属结晶时要有过冷度是相变热力学条件所需求的, 只有△ T>0时,才能造成固相的自 由能低于液相的自由能的条件,液固相间的自由能差便是结晶的驱动力。 金属结晶需在一定的过冷度下进行,是因为结晶时表面能增加造成阻力。固态金属熔 化时是否会出现过热现象,需要看熔化时表面能的变化。如果熔化前后表面能是降低的, 则 不需要过热;反之,则可能出现过热。 如果熔化时,液相与气相接触,当有少量液体金属在固体表面形成时,就会很快覆盖 在整个固体表面(因为液态金属总是润湿其同种固体金属 )。熔化时表面自由能的变化为: G 表面 G 终态 G 始态 A( GL SL SG ) 式中G 始态表示金属熔化前的表面自由能; G 终态表示当在少量液体金属在固体金属表面形成 时的表面自由能;A 表示液态金属润湿固态金属表面的面积;b GL 、CSL 、CSG 分别表示气液相 比表面能、固液相比表面能、固气相比表面能。因为液态金属总是润湿其同种固体金属,根 据润湿时表面张力之间的关系式可写出:b SG 》6GL + (SL 。这说明在熔化时,表面自由能的变 化厶G 表w o ,即不存在表面能障碍,也就不必过热。实际金属多属于这种情况。如果固体 16 3 3( G v )2 1 32 3 6 2 (G v )2 b K t K 4 G V )3 G V 6( 4 G v )2 64 3 96 3 32 r K 2 ~G ?, 球形核胚的临界形核功 (G v )2 (G v )2 (G v )2 G b K 2 G v )3 16 3( G v )2

【考研】材料科学基础试题库答案

Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编

东华理工大学材料科学与工程系 一、填空题 0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____,当烧结分别进行四种传质时,颈部增长x/r与时间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。 0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ,含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。 0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是_____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。 0004.晶体有两种理想形态,分别是_____和_____。 0005.晶体是指内部质点排列的固体。 0006.以NaCl晶胞中(001)面心的一个球(Cl-离子)为例,属于这个球的八面体空隙数为,所以属于这个球的四面体空隙数为。 0007.与非晶体比较晶体具有自限性、、、、和稳定性。 0008.一个立方晶系晶胞中,一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a,其晶面的晶面指数是。 0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性,当真实接触角θ时,粗糙度越大,表面接触角,就越容易湿润;当θ,则粗糙度,越不利于湿润。 0010.硼酸盐玻璃中,随着Na2O(R2O)含量的增加,桥氧数,热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时,桥氧又开始,热膨胀系数重新上升,这种反常现象就是硼反常现象。 0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种,CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为。 0012.固体质点扩散的推动力是________。 0013.本征扩散是指__________,其扩散系数D=_________,其扩散活化能由________和_________ 组成。0014.析晶过程分两个阶段,先______后______。 0015.晶体产生Frankel缺陷时,晶体体积_________,晶体密度_________;而有Schtty缺陷时,晶体体积_________,晶体密度_________。一般说离子晶体中正、负离子半径相差不大时,_________是主要的;两种离子半径相差大时,_________是主要的。 0016.少量CaCl2在KCl中形成固溶体后,实测密度值随Ca2+离子数/K+离子数比值增加而减少,由此可判断其缺陷反应式为_________。 0017.Tg是_________,它与玻璃形成过程的冷却速率有关,同组分熔体快冷时Tg比慢冷时_________ ,淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度_________,热膨胀系数_________。 0018.同温度下,组成分别为:(1) 0.2Na2O-0.8SiO2 ;(2) 0.1Na2O-0.1CaO-0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO-0.8SiO2 的三种熔体,其粘度大小的顺序为_________。 0019.三T图中三个T代表_________, _________,和_________。 0020.粘滞活化能越_________ ,粘度越_________ 。硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于_________ 。 0021.0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体,若保持Na2O含量不变,用CaO置换部分SiO2后,电导_________。0022.在Na2O-SiO2熔体中加入Al2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度_________。 0023.组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数为_________。 0024.在等大球体的最紧密堆积中,六方最紧密堆积与六方格子相对应,立方最紧密堆积与_______ 相对应。0025.在硅酸盐晶体中,硅氧四面体之间如果相连,只能是_________方式相连。

(完整版)材料科学基础练习题

练习题 第三章晶体结构,习题与解答 3-1 名词解释 (a)萤石型和反萤石型 (b)类质同晶和同质多晶 (c)二八面体型与三八面体型 (d)同晶取代与阳离子交换 (e)尖晶石与反尖晶石 答:(a)萤石型:CaF2型结构中,Ca2+按面心立方紧密排列,F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型:阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反,即碱金属离子占据F-的位置,O2-占据Ca2+的位置。 (b)类质同象:物质结晶时,其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有,共同组成均匀的、呈单一相的晶体,不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶:同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 (c)二八面体型:在层状硅酸盐矿物中,若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型:在层状硅酸盐矿物中,若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 (d)同晶取代:杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换:在粘土矿物中,当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时,一些电价低、半径大的阳离子(如K+、Na+等)将进入晶体结构来平衡多余的负电荷,它们与晶体的结合不很牢固,在一定条件下可以被其它阳离子交换。 (e)正尖晶石:在AB2O4尖晶石型晶体结构中,若A2+分布在四 面体空隙、而B3+分布于八面体空隙,称为正尖晶石; 反尖晶石:若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空 隙另一半分布于八面体空隙,通式为B(AB)O4,称为反尖晶石。 3-2 (a)在氧离子面心立方密堆积的晶胞中,画出适合氧离子位置 的间隙类型及位置,八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干?四 面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干? (b)在氧离子面心立方密堆积结构中,对于获得稳定结构各需何 种价离子,其中: (1)所有八面体间隙位置均填满; (2)所有四面体间隙位置均填满; (3)填满一半八面体间隙位置; (4)填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解:(a)参见2-5题解答。1:1和2:1 (b)对于氧离子紧密堆积的晶体,获得稳定的结构所需电价离子 及实例如下: (1)填满所有的八面体空隙,2价阳离子,MgO; (2)填满所有的四面体空隙,1价阳离子,Li2O; (3)填满一半的八面体空隙,4价阳离子,TiO2; (4)填满一半的四面体空隙,2价阳离子,ZnO。 3-3 MgO晶体结构,Mg2+半径为0.072nm,O2-半径为0.140nm,计算MgO晶体中离子堆积系数(球状离子所占据晶胞的体积分数);计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%?

材料科学基础课后习题答案

《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答:根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层,从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间,由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高? 答:材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因:(1)金属元素有较高的相对原子质量;(2)金属键的结合方式没有方向性,因此金属原子总是趋于密集排列。相反,对于离子键或共价键结合的材料,原子排列不可能很致密。共价键结合时,相邻原子的个数要受到共价键数目的限制;离子键结合时,则要满足正、负离子间电荷平衡的要求,它们的相邻原子数都不如金属多,因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织?什么是两相组织?以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答:单相组织,顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同,晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响,细化晶粒可以明显地提高材料的强度,改善材料的塑性和韧性。单相组织中,根据各方向生长条件的不同,会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近,而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织,如果两个相的晶粒尺度相当,两者均匀地交替分布,此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远,其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相,则将显著提高材料的强度,同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义,说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答:同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构,其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构,而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行,或者说结构转变必须存在一个推动力,过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性,至于过程是否真正实现,还需要考虑动力学条件,即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用,则阻力并不大,材料最终得到稳态结构。从原则上讲,亚稳态结构有可能向稳态结构转变,以达到能量的最低状态,但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现,而常温下的这种转变很难进行,因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题: (1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向: 32)与[236] (001)与[210],(111)与[112],(110)与[111],(132)与[123],(2 (2)在立方晶系的一个晶胞中画出(111)和(112)晶面,并写出两晶面交线的晶向指数。 解:(1)

材料科学基础习题及答案

《材料科学基础》习题及答案 第一章 结晶学基础 第二章 晶体结构与晶体中的缺陷 1 名词解释:配位数与配位体,同质多晶、类质同晶与多晶转变,位移性转变与重建性转变,晶体场理论与配位场理论。 晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数(晶面指数)、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 答:配位数:晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。 配位体:晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 同质多晶:同一化学组成在不同外界条件下(温度、压力、pH 值等),结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。 多晶转变:当外界条件改变到一定程度时,各种变体之间发生结构转变,从一种变体转变成为另一种变体的现象。 位移性转变:不打开任何键,也不改变原子最邻近的配位数,仅仅使结构发生畸变,原子从原来位置发生少许位移,使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。 重建性转变:破坏原有原子间化学键,改变原子最邻近配位数,使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。 晶体场理论:认为在晶体结构中,中心阳离子与配位体之间是离子键,不存在电子轨道的重迭,并将配位体作为点电荷来处理的理论。 配位场理论:除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外,还考虑了共价成键的效应的理论 图2-1 MgO 晶体中不同晶面的氧离子排布示意图 2 面排列密度的定义为:在平面上球体所占的面积分数。 (a )画出MgO (NaCl 型)晶体(111)、(110)和(100)晶面上的原子排布图; (b )计算这三个晶面的面排列密度。 解:MgO 晶体中O2-做紧密堆积,Mg2+填充在八面体空隙中。 (a )(111)、(110)和(100)晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。 (b )在面心立方紧密堆积的单位晶胞中,r a 220= (111)面:面排列密度= ()[] 907.032/2/2/34/222==?ππr r

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