材料科学基础习题及参考答案

材料科学基础参考答案

材料科学基础第一次作业

1.举例说明各种结合键的特点。

⑴金属键：电子共有化，无饱和性，无方向性，趋于形成低能量的密堆结构，金属受力变形时不会破坏金属键，良好的延展性，一般具有良好的导电和导热性。

⑵离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，以离子为结合单元，无方向性，无饱和性，正负离子静电引力强，熔点和硬度均较高。常温时良好的绝缘性，高温熔融状态时，呈现离子导电性。

⑶共价键：有方向性和饱和性，原子共用电子对，配位数比较小，结合牢固，具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，导电能力差。

⑷范德瓦耳斯力：无方向性，无饱和性，包括静电力、诱导力和色散力。结合较弱。

⑸氢键：极性分子键，存在于HF，H2O，NF3有方向性和饱和性，键能介于化学键和范德瓦尔斯力之间。

2.在立方晶体系的晶胞图中画出以下晶面和晶向：（1 0 2）、（1 1 -2）、（-2 1 -3），[1 1 0],[1 1 -1],[1 -2 0]和[-3 2 1]。

(213)

3. 写出六方晶系的{1 1 -20}，{1 0 -1 2}晶面族和<2 -1 -1 0>,<-1 0 1 1>晶向族中各等价晶面及等价晶向的具体指数。

{1120}的等价晶面：(1120)(2110)(1210)(1120)(2110)(1210)

{1012}的等价晶面：(1012)(1102)(0112)(1012)(1102)(0112) (1012)(1102)(0112)(1012)(1102)(0112)

2110

<>的等价晶向：[2110][1210][1120][2110][1210][1120]

1011<>的等价晶向：

[1011][1101][0111][0111][1101][1011][1011][1101][0111][0111][1101][1011]

4立方点阵的某一晶面（hkl ）的面间距为M /，其中M 为一正整数，为

晶格常数。该晶面的面法线与a ，b ，c 轴的夹角分别为119.0、43.3和60.9度。请据此确定晶面指数。 h:k:l=cos α:cos β:cos γ

l

k h d

a

2

22hk l

++=

5. Cu 具有FCC 结构，其密度为8.9g/cm 3，相对原子质量为63.546，求铜的原子半径。

333

3233

63.546108.9106.0210(4/2)A M V N a R ρ--?====???? => R=0.128nm 。

6. 写出溶解在γ-Fe 中碳原子所处的位置，若此类位置全部被碳原子占据，那么试问在这种情况下，γ-Fe 能溶解多少重量百分数的碳？而实际上在γ-Fe 中最大的溶解度是多少？两者在数值上有差异的原因是什么？

固溶于γ-Fe 中的碳原子均处于八面体间隙中，且γ-Fe 中的八面体间隙有4个，与一个晶胞中Fe 原子个数相等，所以： C wt%=12/(12+56)×100%=17.6% 实际上C 在γ-Fe 中的最大溶解度为2.11%

两者数值上有较大差异，是因为此固溶体中，碳原子尺寸比间隙尺寸大，会 引起点阵晶格畸变，畸变能升高，限制了碳原子的进一步溶解。

7. a ）经x 射线衍射测定，在20℃时α－Ti 的点阵常数a ＝0.295nm ，c=0.468nm ，在882.5℃时α－Ti 转变为γ－Ti ，其点阵常数a ＝0.331nm. 按晶体的刚球模型，若球的直径不变，当Ti 从室温的hcp 转变为高温的bcc 时，计算其体积膨胀多少？

b ）计算从α－Ti 转变为γ－Ti 时，其实际体积膨胀为多少？与a ）相比，说明其差别原因。

a ）hcp ：112,/8/3 1.633a r c a ===，有6个原子 bcc ：234,a r =有两个原子，得

21a a = ，所以

322111%100%8.87%a a c V -?== 方法二：直接用致密度算：k

k

k

V

V

V

V 1

1

2

%-

=

?=8.87%

b

）实际上，3

1%1)100% 2.82%64

bcc hcp a V ?=-?= 差别原因：实际上c/a ≠1.633,即hcp 结构时不符合钢球模型，实际的原子间隙

比钢球模型大，因此实际α-Ti 转变为γ-Ti 后，相对膨胀的百分比会变小。 8. 已知 Cd, In, Sn, Sb 等元素的原子直径分别为0.304nm, 0.314nm, 0.316nm, 0.322nm, 而Ag 为0.288nm ，它们在Ag 中的固溶度（摩尔分数）极限为: x Cd =42%, x In =20%, x Sn =12 %, x Sb =7 %, 。试分析其固溶度（摩尔分数）极限差别的原因，并计算 它们在固溶度（摩尔分数）极限时的电子浓度。 ⑴固溶度极限差别原因：当原子尺寸因素较为有利时，在某些一价金属为基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小，实际上是由电子浓度所决定。Cd 、In 、Sn 、Sb 的原子价分别为+2,+3,+4,+5。

⑵电子浓度：100

)100(Bx

x A a e +-=，A,B 分别为溶剂和溶质的原子价，x 为溶质的原子

数分数。

:/12 1.42Cd Cd Cd e a x x =-+= :/13 1.40In In In e a x x =-+= :/14 1.36Sn Sn Sn e a x x =-+= :/15 1.28Sb Sb Sb e a x x =-+=

材料科学基础第二次作业

1．解释下列术语：合金、组元、相、固溶体、金属间化合物、超结构、负电性和电子浓度。

合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其它方法组合而成，并具有金属特性的物质。

组元：组成合金的基本的、独立的物质。

相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其它组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型；

金属间化合物：金属与金属或与类金属元素之间形成的化合物

超结构：对某些成分接近于一定原子比的无序固溶体中，当它从高温缓冷到某一临界温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生有序化过程，形成有序固溶体。长程有序的固溶体在其X射线衍射图上会产生外加的衍射线，这称为超结构。所以有序固溶体通常称为超结构或超点阵。

负电性：元素的原子在化合物中吸引电子的能力

电子浓度：合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/a。

2. 含w(Mn)为12.3% （重量百分比）、w(C)为1.34%的奥氏体钢，点阵常数为0.3624 nm，密度为7.83 g/cm3，C、Fe、Mn的相对原子质量分别为12.01、55.85、54.94，试判断此固溶体的类型。

判断固溶体的类型，可以用该固溶体合金晶胞内实际原子数（n）与纯溶剂

晶胞内原子数的（n0）的比值作为判据，有下式

01 1 1

n n

>

?

?

=?

?<

?

间隙式

置换式

缺位式

先计算该奥氏体钢的平均分子量：

100

53.1412.3 1.3486.36

54.9412.0155.85

M ==++

晶胞的体积

73243(0.362410)47.610()v cm --=?=?

故 24237.8347.610 6.02310 4.2553.14

A

VN n M ρ-????=

=

对于γ-Fe （奥氏体），n 0=4，故n/n 0>1,即此固溶体必含有间隙原子。因为C 原子半径比Fe ，Mn 原子半径小得多，故易处于间隙位置，形成C 在Fe 中 的间隙固溶体。

设C 处于Fe 间隙位置形成的间隙固溶体的晶胞中平均原子数为n 1，由 于固溶体中C 的原子分数

1.34

12.01x 5.9%12.3 1.3486.36

54.9412.0155.85

c =

=++

且

114 5.9

100100

c x n n -== 故可得 n 1=4.25

由于n 1/n=1,所以Mn 在合金中应为置换式固溶。

综上所述，可以判断此固溶体为C-间隙，Mn-置换式固溶体。

3.Cu-Zn 和Cu-Sn 组成固溶体最多可溶入多少原子数分数的Zn 和Sn ？若Cu 晶体中固溶入Zn 的原子数分数为10%，最多还能溶入多少原子数分数的Sn ？ Cu 基固溶体的极限电子浓度为1.36。

11

11(100)21.3636100x x x -+=→=，Cu-Zn 固溶体最多可溶入36%Zn ；

22

21(100)41.3612100

x x x -+=

→=，Cu-Sn 固溶体最多可溶入12%Sn ；

若Cu 已溶入10%Zn 后，还可溶入的Sn 最大的原子数分数为

33

31(10010)21041.368.67100

x x x --+?+=

→=，最多尚能溶入8.67%Sn 。

4,铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm,试问a)在氯化铯内离子在<100>或<111>方向是否相接触？b)每个单位晶胞内有几个离子？c)各离子的配位数是多少？d) ρ和K？

a)CsCl型结构系离子晶体结构中最简单的一种，属立方晶系；简单立方点阵，

Pm3m空间群，离子半径之比为0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图所示。

从图中可知，在<100>方向不接触，在<111>方向接触。

b)每个晶胞有1个Cs+和1个Cl-。

c)配位数均为8。

d)

3

()()

2()

3

r r

Cs Cl

A

A Cs A Cl

r r

N

ρ

+-

+

=

+

?

3

32324

132.935.453

4.308(/)

2(1.67 1.81)

[] 6.0231010

3

g cm

-

+

==

?+

???

3333

3

3

444

(1.67 1.81)

3330.683

2()2(1.67 1.81)

[

[

3

3

Cs Cl

Cs Cl

r r

K

r r

πππ

+-

+-

++

===

+?+

5. 金刚石是最典型的共价键晶体，其键长为0.1544 nm，试计算金刚石结构的致密度, 当它转换成石墨结构(密度为2.25 g/cm3)时，求其体积改变百分数？Ⅰ.金刚石的晶体结构属于复杂的fcc结构，每个C原子有4个等距离的最邻近原子，符合8-N规则。而最近邻原子距离即相当于键长，根据金刚石的晶体结构可知，

键长=3a

d=

故0.3566()

3

a nm

==

3333440.154488()3320.34(0.3566)

r K a ππ??=== Ⅱ.金刚石的每个晶胞中含有8个碳原子。 金刚石的密度

3

723

812 3.503(/)(0.35710) 6.02310

g cm ρ-?=

=??? 对于1克碳，当它为金刚石结构时其体积 311

0.285()3.503

V cm =

= 当它为石墨结构时其体积

321

0.444()2.25

V cm =

=

材料科学基础第三次作业参考答案

1． Pt 的晶体结构为fcc ，其晶格常数为0.39231nm ，密度为21.45g/cm 3，试计算空位所占的格子之比例 设空位所占的格子比例为x ，

3

4(1)r

A

x A a N ρ?-=

8323

21.45(3.92310) 6.0231010.046%4195.09

x -????=-=?

2、在铁中形成1mol 空位的能量为104.675KJ ，试计算从20℃升温之850℃时空位数目增加多少倍？

exp(

)Q

C A RT

-=，取A=1 05850104675

1exp() 1.3449108.311123C C --=?=??

01920104675

1exp() 2.1349108.31293

C C --=?=??

005138501920 1.344910 6.2310()2.134910

C C

C C --?==??倍 3 钨在20℃时每1023个晶胞中有一个空位，从20℃升至1020℃，点阵常数膨胀了(4X10-4)%，而密度下降了0.012%，求钨的空位 形成能及形成熵。 exp

exp()v v S E

C k kT

=-；而W 的晶体结构为bcc ，每个晶胞含有2个W 原子， 故242023

1

510210C -==??。由于升温时晶体总质量不变，即 (1)(10.00012)1V V ?+?-= 0.012%V V ?≈

而晶体从T 1上升至T 2时，体积的膨胀是由点阵原子间距增大和空位浓度增高共同引起的，对边长为L 的立方体，从T1升至T2的总的体积变化率

33030()3

V L L L L

V L L

?+?-?== 由点阵常数增大引起的体积变化率

3303

0()3V a a a a

V a a

?+?-?== 若T 1时空位浓度与T 2 时相比可忽略不计，则T2时的平衡空位浓度 003()a v a V V L a

C V V L a

????=

-=- 故 C 1020=(0.012—3×4×10-4)%=1×10-4

因此， 244510exp exp()293110exp exp()

1293v v v v S E k k S E k k --?=-?=-?????

解得

{

41.45()

3.310()

v v E eV S eV -==?

4如图所示的两个螺型位错，一个含有扭折，另一个含有割阶。图上所示的箭头方向为位错线的正方向，扭折部分和割阶部分都为刃型位错.

I. 若图示滑移面为fcc 的（111）面，

问这两根位错线段中（指割阶和扭折），哪一根比较容易通过他们自身滑移而去除？为什么？

II. 解释含有割阶的螺型位错在移动时怎么样形成空位的。

Ⅰ. 由于扭折处于原位错所在滑移面上，在线张力的作用下可通过它们自身的滑移而去除。割阶则不然，它与原位错处于不同的面上，fcc 的易滑移面为（111），割阶的存在对原位错的运动必定产生阻力，故也难以通过原位错的滑动来去除。 Ⅱ. 1’2’和3’4’段均为刃型位错，并且在1’2’的左侧多一排原子面，在3’4’的右侧多一排原子面，若随着位错线0’5’的运动，割阶1’2’向左运动或割阶3’4’向右运动，则沿着这两段割阶所扫过的面积会产生厚度为一个原子层的空位群。 1.

0’

5 如图所示，在相距为h 的滑移面上有两个相互平行的同号刃型位错A 、B 。试求出位错B 滑移通过位错A 上面所需的切应力表 达式。 两平行位错间相互作用力中，f x 项为使其沿滑移面上运动的力

2

22222()1sin 42(1)()8(1)x yx yx

f b Gb x x y Gb v x y v h

ττθππ=-=?=?-+-

（直角坐标系与圆柱坐标系换算：cos cos ,;sin h x r y h θ

θθ

==

= 三角函数：2

222sin

cos 1,sin 22sin cos ,cos 2cos sin θθθθθθθθ+===-）

121

sin 48(1)x Gb b f v h

θπ=

?-

求出f x 的零点和极值点（第一象限）：

θ=0，Sin4θ=0 ， f x =0 两位错间互不受力，处于力的平衡状态； θ=π/8，Sin4θ=1，f x →max 同号位错最大斥力，其值为12

8(1)

x Gb b f v π=

-

θ=π/4，Sin4θ=0，f x =0 两位错间互不受力，处于力的平衡状态； θ=3π/8，Sin4θ=1，f x →max 同号位错最大引力，其值为12

8(1)

x Gb b f v π=-

若不考虑其它阻力，（以两正负位错为例）有如下结论：

要做相向运动，0<θ<π/4时，需要加切应力：12

8(1)Gb b v h

τπ>

-

对位错B 方向为 。

π/4<θ<π/2时，不须加切应力；

要做反向运动，0<θ<π/4时，不须加切应力； π/4<θ<π/2时，需要加切应力：12

8(1)Gb b v h τπ>

-，

对位错B 方向为 。

6 已知金晶体的G=27GPa ，且晶体上有一直刃型位错b=0.2888nm ，试绘出此位错所产生的最大分剪应力与距离的关系图，并计算当距离为2μm 时的最大分剪应力。

刃位错的应力场中有两个切应力

222

22()2(1)()

xy yx

Gb x x y v x y ττπ-==?-+ 当

222

1

()x y +一定时，y=0时，τxy 最大，所以最大的分切应力在滑移面上，

其值随着与位错距离的增大而减小，即（τxy ）max =1

2(1)Gb v x

π?-， 如图所示。

若x=2um ，则

99

6

27100.2888100.93()22 3.1416210

3

xy MPa τ--???==????

τxy

材料科学基础I第四次作业参考答案

1如图所示，某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环，受到一均匀剪切应力τ的作用，

A.分析各段位错线所受力的大小并确定其方向

B.在τ的作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最大半径为多大？

A.令逆时针方向为位错环线的正方向，则A点为正刃位错，B点为负刃位错，D点为

右螺旋位错，C点为左螺旋位错，位错环上其它各点均为混合位错。

各段位错线所受的力均为f=τb，方向垂直于位错线并指向滑移面的未滑移区。

B.在外力τ和位错线的线张力T作用下，位错环最后在晶体中稳定不动，此时τ=Gb/2r c，

故r c=Gb/2τ。

2试分析在fcc中，下列位错反应能否进行？并指出其中3个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

位错反应几何条件;

12

11211111

()()[111]

266263333

a

b b a b

c a b c

+=-++-+=+-=

能量条件：

222

22

2|2()

26263

a a a a a

+=+>

因此，[101][121][111]

263

a a a

+→位错反应能进行。

对照汤普森四面体，此位错反应相当于

CA + αC →αA

（全位错）（肖克利）（弗兰克）

新位错[111]

3

a

的位错线为(111)和（111）的交线位于（001）面上，且系纯刃型位错。

由于（001）面系fcc非秘排面，故不能运动，系固定位错。

3 试描述位错增值的双交滑移机制。如果进行双交滑移的那段螺型位错长度为100nm，而位错的伯氏矢量为0.2nm，试求实现位错增值所必须的剪切力（G=40GPa）？

如图所示，有一螺型位错在（111）面上滑移（a），于某处受阻不能继续滑移，此位错的一部分就离开（111）面而沿（111）面进行交滑移，同时产生刃型位错段AC和BD（b），然后CD又通过交滑移回到和原来滑移面平行的另一（111）面上；由于AC和BD这两段刃位错不在主滑移面上，而且A，B，C，D点又被钉扎住，不能移动，因此A，B，C，D 可以起到F-R源结点的作用。在应力作用下，位错线CD可以不断地在滑移面上增殖（c），

b B

C

D

A

τ

τ

有时在第二个（111）面上扩展出来的位错圈又可以通过双交滑移转移到第三个（111）面上进行增殖，所以上述过程可以使位错数目迅速增加，这就是位错增殖的双交滑移机制。

若L=CD=100nm ，b=0.2nm，G=40Gpa，则实现位错增殖所需要的切应力

99

9

Gb40100.210

80()

10010

Mpa

τ

-

-

???

==

?

=

L

4在铝试样中，测得晶粒内部位错密度为5×109/cm2，假定位错全部集中在亚晶界上，每个

亚晶粒的界面均为正六边形。亚晶间倾斜角为5°，若位错全部为刃型位错，b=，伯氏矢量的大小等于2×10-10m，试求亚晶界上的位错间距和亚晶的平均尺寸。

10

10

210

2310()

0.087

2sin

2

b b

D m

θθ

-

-

?

=≈==?

正六边形面积2

3

3

2

S a

=，总边长为6a。

单位面积中亚晶粒数目n=1/S

13

111

5106

2

a

S D

ρ=?=???

求得a=1×10-5（m）

5. 设有两个相晶粒与一个β相晶粒相交于一个公共晶棱，并形成三叉晶界，已知β相所张得两面角为100°，界面能为0.31Jm-2，试求相与β相的界面能。

如图所示，当平衡时：

000

sin100sin130sin130

βαβα

αα

γγ

γ

==

2

sin1300.766

0.310.241(/)

sin1000.985

J m

βααα

γγ

=?=?=

6若由于嵌入一额外的(111)面,使得α-Fe内产生一个倾斜10的小角度晶界,试求错排间的平均距离。

α-Fe晶体的晶格常数

0.2866()

a nm

===

111

0.08273()

d nm

===

111

sin

d

l

θ=

故111

0.08273

4.740()

sin sin1

d

l nm

θ

===

γβα

γβα

β

第五次作业参考答案

1、有一Cu-30%Zn 黄铜板冷轧25%后厚度变为1cm ，接着再将此板厚度减小到0.6cm ，试求总变形度，并推测冷轧后性能的变化

冷变形度=

00100%F A A A -?， 25%=1100%hw w hw -?， 4

3

h =cm 总变形度=4

0.63100%55%43

w w w -?=

冷轧后黄铜板强度和硬度提高，而塑性、韧性降低，这就是加工硬化现象。 2、确定下列情况下的工程应变和真实应变，说明何者更加能反映真实的变形特征？

a ）由L 伸长至1.1L ；b) 由h 压缩至0.9h; c) 由L 拉伸至2L ; d) 由h 压缩成0.5h

①(1.11)10%;e L L ε-=

= 1.1ln 9.5%T L

L ε== ②(0.91)10%;e h h ε-==- 0.9ln 10.5%T h h ε==-

③(21)100%;e L L ε-== 2ln 69.3%T L L ε==

④(0.51)50%;e h h ε-==- 0.5ln 69.3%T h h

ε==-

从上得知T e εε≠，变形量越大，T ε和e ε之间的差值越大。比较③和④，将长度L 的均匀试样伸长1倍与压缩其长度的1/2，二者真实应变量的绝对值相等，而工程应变量的绝对值却

不相等，所以用真实应变更能反映真实的变形特性。 3．有一70MPa 应力作用在fcc 晶体的[001]方向上，求作用在和

滑移

系上的分切应力。

矢量数性积：112233222222123123

||||cos cos ||||a b

a b a b a b a a a b b b θθ??=??=

=

?++?++(111)[101]滑移系：cos 122

λ=?（负号不影响切应力大小，故取正号）

cos 133

φ=?

70

=cos cos 28.577()23

Mpa τσλφ=

=? (111)[110]滑移系：011

cos =

0, cos =12133

λφ==??

=cos cos 0τσλφ=

4 已知平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的-Fe 的屈服强度分别为112.7MPa 和196MPa ，

问平均晶粒直径为0.0196的纯铁的屈服强度为多少 ？

12

0s kd

σσ-

=+

{

31/2

031/20112.7(110)196(0.062510)k k σσ----=+?=+?解得

{

084.936()

0.878

Mpa k σ==

故 σs =84.935+0.878（0.0196×10-3）-1/2=283.255（Mpa ）

5现有一铝丝必须最终加工至铝材，但是为保证产品质量，此铝材的冷加工量不能超过85%，如何制定合理的加工工艺？

冷加工量=

22

01201120

0441()85%4

d d A A d A A A d d π

π

π-

-?===-=

故 12310.856 2.324()

0.15 2.3240.9()0.150.90.348()

d mm d mm d mm =-==

=== 因此，可先将6mm φ的铝丝冷拔至 2.324mm φ，接着进行再结晶退火，以消除加工硬化，然后冷拔至0.9mm φ，在进行再结晶退火，最终冷拔至0.5mm φ即可。

6铁的回复激活能为88.9KJ/mol ，如果将经冷变形的铁在400℃下进行回复，使其残留加工硬化为60%需要160min ，问在450℃下回复处理至同样的效果需要多少时间？

211

1

()1

2

Q R T T t e t --=， 21

121180.911()()8.31723673

160

59(min)Q R T T t t e

e

----===

第六次作业参考答案

1、简述一次再结晶与二次再结晶的驱动力，并如何区分冷、热加工？动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？

1. 一次再结晶的驱动力是基体的弹性畸变能，而二次再结晶的驱动力是来自界面能的降低。再结晶温度是区分冷、热加工的分界线。动态再结晶后的组织结构虽然也是等轴晶粒，但晶界呈锯齿状，晶粒内还包含着被位错缠结所分割的亚晶粒，这与静态再结晶后所产生的位错密度很低的晶粒不同，故同样晶粒大小的动态再结晶组织的强度和硬度要比静态再结晶的高。动态再结晶后的晶粒大小与流变应力成正比。此外，应变速率越低，形变温度越高，则动态再结晶后的晶粒越大，而且越完整。

2 工业纯铝在室温下经大变形量轧制成带材后，测得室温力学性能为冷加工态的性能。查表得知，工业纯铝的再结晶温度T 再=150℃，但是若将工业纯铝薄带加热至100℃，保温16d 后冷却室温再测其强度，发现强度明显降低，请解释其原因。

查表所得工业纯铝的再结晶温度T 再=150℃是指在1h 退火完成再结晶的温度。实际上，除了退火温度外，保温时间也对再结晶过程产生影响。对经大冷变形后的金属材料，即使在T

公式121

1

()1

2

Q R T T t e t --=，求得T2，将其与100℃比较，即可得知是否发生再结晶。

3形变后的材料经过恒温退火，再结晶结束后继续保温以使晶粒长大。当退火30分钟时测得晶粒的直径为23μm ，对应的屈服强度为112MPa ；退火60分钟测得的屈服强度为103MPa ；求退火90分钟材料的屈服强度。（设完成再结晶所需要的时间及再结晶结束的晶粒尺寸可忽略不计）

据晶粒直径与退火时间关系：d 2=kt 得 k=17.6

所以退火时间为60分钟时d=32.5um ，退火时间为90分钟时d=39.8um 根据Hall-Petch 公式：σ=σ0+kd -1/2得 k=272，σ0=55.3 所以退火90分钟时σ=98.4MPa

4 Ge 在室温时，估计（A ） 电荷载流子的数目 ；（B ）从价带激发到导带的电子分数（已知Ge 的电阻率ρ=43Ω·cm ，能带隙=0.67eV ，电子迁移率

=3900cm 2/V·s ，空穴迁移率

=1900 cm 2/V·s 。

①133

19

0.023 2.510(/)()

(1.610)(39001900)

n p n cm q σ

μμ-=

=

=?+?+个电子 即Ge 在室温时有2.5×1013个电子/cm 3和2.5×1013个空穴/cm 3参与电荷传导。

②Ge 的晶格类型为金刚石型，其点阵常数为5.6575×10-8

cm 。故其价带上：

总电子数=

2383

84

1.7710(5.657510)

-?=?? 激发的分数=13

10232.510 1.41101.7710

-?=?? 5假设当电场作用于Cu 片上时，Cu 原子中的电子相对于核子的平均位移为1×10-8。试计算电子极化强度？

Cu 的原子序数为29，所以每个Cu 原子中有29个电子。Cu 的点阵常数为3.6151。因此，

303103

429

2.4610(/)(

3.615110)

Z m -?=

=??个电子 0

30

19

8

10

(2.4610)(1.610)(10)(10

/)P Zqd A m A ---==???

723.9410/C m -=?

材料科学基础期末考试历届考试试题复习资料

四川理工学院试卷（2009至2010学年第1学期） 课程名称：材料科学基础 命题教师：罗宏 适用班级：2007级材料科学与工程及高分子材料专业 考试（考查） 年 月 日 共 页 1、 满分100分。要求卷面整洁、字迹工整、无错别字。 2、 考生必须将姓名、班级、学号完整、准确、清楚地填写在试卷规定的地方，否 则视为废卷。 3、 考生必须在签到单上签到，若出现遗漏，后果自负。 4、 如有答题纸，答案请全部写在答题纸上，否则不给分；考完请将试卷和答题卷 分别一同交回，否则不给分。 试题答案及评分标准 得分 评阅教师 一、判断题：（10分，每题1分，正确的记错误的记“％” 1?因为晶体的排列是长程有序的，所以其物理性质是各向同性。 （％ 2. 刃型位错线与滑移方向垂直。（话 3. 莱氏体是奥氏体和渗碳体的片层状混合物。（X ） 4?异类原子占据空位称为置换原子，不会引起晶格畸变。 （X 5. 电子化合物以金属键为主故有明显的金属特性。 （话 6. 冷拉后的钢条的硬度会增加。（话 7. 匀晶系是指二组元在液态、固态能完全互溶的系统。 （话 题号 -一- -二二 三 四 五 六 七 八 总分 评阅（统分”教师 得分 :题 * 冷 =要 密;

8.根据菲克定律，扩散驱动力是浓度梯度，因此扩散总是向浓度低的方向进行。（X

9. 细晶强化本质是晶粒越细，晶界越多，位错的塞积越严重，材料的强度也就 越高。（V ） 10. 体心立方的金属的致密度为 0.68。（V ） 、单一选择题：（10分，每空1分） (B) L+B — C+B （C ） L —A+B （D ） A+B^L 7. 对于冷变形小 的金属，再结晶核心形成的形核方式一般是（ A ） （A ） 凸出形核亚 （ B ）晶直接形核长大形核 （B ） 亚晶合并形核 （D ）其他方式 8. 用圆形钢饼加工齿轮，下述哪种方法更为理想？ （ C ） （A ）由钢板切出圆饼（B ）由合适的圆钢棒切下圆饼 （C ） 由较细的钢棒热镦成饼 （D ）铸造成形的圆饼 1. 体心立方结构每个晶胞有（B ） 个原子。 2. 3. (A) 3 ( B) 2 (C) 6 固溶体的不平衡凝固可能造成 （A ）晶内偏析 （C ）集中缩孔 属于＜100＞晶向族的晶向是（ (A) [011] (B) [110] (D) 1 (B) (D) (C) 晶间偏析 缩松 [001] (D) [101] 4.以下哪个工艺不是原子扩散理论的具体应用 （A ）渗氮 （B ）渗碳 （C ）硅晶片掺杂 （） （D ）提拉单晶5.影响铸锭性能主要晶粒区是（C ） （A ）表面细晶粒区 （B ）中心等轴（C ）柱状晶粒区 三个区影 响相同 6 ?属于包晶反应的是（A ） （ L 表示液相, A 、B 表示固相） (A) L+A — B

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%？

材料科学基础试题库

《材料科学基础》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分） 2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐

蚀如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近 5、什么是交滑移为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类固溶体在材料中有何意义 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在 8、应变硬化在生产中有何意义作为一种强化方法，它有什么局限性 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的如何消除 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点 14、临界晶核的物理意义是什么形成临界晶核的充分条件是什么 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行若不在γ-Fe相区进行会有什么结果 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理 19、位错密度有哪几种表征方式 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征（12分） 23、加工硬化的原因（6分） 24、柏氏矢量的意义（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数，（011）晶面间距是多少（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么（9分） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么（9分） 30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分） 31、某晶体的原子位于四方点阵的节点上，点阵的a=b，c=a/2，有一晶面在x，y，z轴的截距分别为6个原子间距、2个原子间距和4个原子间距，求该晶面的

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。

材料科学基础期末试题

材料科学基础考题 I卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷答： 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的a相依附于初生a相生长，将共晶体中另一相B推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶体。 成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分） 1. 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错（A ）分解为a/2[111]+a/2[l11]. （A）不能（B）能（C）可能 2. 原子扩散的驱动力是：（B ） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度 3?凝固的热力学条件为：（D ） （A）形核率（B）系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4?在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（A） （A）氧离子空位（B）钛离子空位（C）阳离子空位 5?在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两 组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6?有效分配系数k e表示液相的混合程度，其值范围是（B ） （A）1vk e

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》期末考试试卷及参考答案,2019年6月

第1页（共11页） ########2018-2019学年第二学期 ########专业####级《材料科学基础》期末考试试卷 （后附参考答案及评分标准） 考试时间：120分钟 考试日期：2019年6月 题 号 一 二 三 四 五 六 总 分 得 分 评卷人 复查人 一、单项选择题（请将正确答案填入表中相应题号处，本题13小题，每小题2分，共26分） 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 题号 11 12 13 答案 1. 在形核-生长机制的液-固相变过程中，其形核过程有非均匀形核和均匀形核之分，其形核势垒有如下关系（ ）。 A. 非均匀形核势垒 ≤ 均匀形核势垒 B. 非均匀形核势垒 ≥ 均匀形核势垒 C. 非均匀形核势垒 = 均匀形核势垒 D. 视具体情况而定，以上都有可能 2. 按热力学方法分类，相变可以分为一级相变和二级相变，一级相变是在相变时两相自由焓相等，其一阶偏导数不相等，因此一级相变（ ）。 A. 有相变潜热改变，无体积改变 B. 有相变潜热改变，并伴随有体积改变 C. 无相变潜热改变，但伴随有体积改变 D. 无相变潜热改变，无体积改变 得分 专业 年级 姓名 学号 装订线

3. 以下不是材料变形的是（）。 A. 弹性变形 B. 塑性变形 C. 粘性变形 D. 刚性变形 4. 在固溶度限度以内，固溶体是几相？（） A. 2 B. 3 C. 1 D. 4 5. 下列不属于点缺陷的主要类型是（）。 A. 肖特基缺陷 B. 弗伦克尔缺陷 C. 螺位错 D. 色心 6. 由熔融态向玻璃态转变的过程是（）的过程。 A. 可逆与突变 B. 不可逆与渐变 C. 可逆与渐变 D. 不可逆与突变 7. 下列说法错误的是（）。 A. 晶界上原子与晶体内部的原子是不同的 B. 晶界上原子的堆积较晶体内部疏松 C. 晶界是原子、空位快速扩散的主要通道 D. 晶界易受腐蚀 8. 表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生，微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要，微裂纹长度，断裂强度。（） A. 越长；越低 B. 越长；越高 C. 越短；越低 D. 越长；不变 9. 下列说法正确的是（）。 A. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度上升 B. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度下降 C. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度上升 D. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度下降 10. 下列材料中最难形成非晶态结构的是（）。 A. 陶瓷 B. 金属 C. 玻璃 D. 聚合物 第2页（共11页）

(完整版)材料科学基础考题1

材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷 二、选择题（每题2分，共20分） 1．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2]111[. (A) 不能(B) 能(C) 可能 2．原子扩散的驱动力是：( ) (A) 组元的浓度梯度(B) 组元的化学势梯度(C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（） （A）形核率(B)系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（） (A) 氧离子空位(B) 钛离子空位(C)阳离子空位 5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1

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材料科学基础试题库 材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中________ 。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于________ 。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平衡水平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无______ 。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是_____ 。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为_______ 。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为________ 。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的 c/a 为_____ 。 A、1.6 B、2 XV (2/3) C、“ (2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是_________ o(其中Ko是平衡分配系数)

A、 1

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

材料科学基础期末考试

期末总复习 一、名词解释 空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。 配位数：直接与中心原子连接的配体的原子数目或基团数目。 对称：物体经过一系列操作后，空间性质复原；这种操作称为对称操作。 超结构：长程有序固溶体的通称 固溶体：一种元素进入到另一种元素的晶格结构形成的结晶，其结构一般保持和母相一致。 致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能； 小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界； 晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 肖脱基空位：脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位。 弗兰克耳空位：晶体中原子进入空隙形而形成的一对由空位和间隙原子组成的缺陷。 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。 柏氏矢量：用来表征晶体中位错区中原子的畸变程度和畸变方向的物理量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。 过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠金属本身的能量起伏获得成核驱动力的形核过程。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 形核功：形成临界晶核时，由外界提供的用于补偿表面自由能和体积自由能差值的能量。 马氏体转变：是一种无扩散型相变，通过切变方式由一种晶体结构转变另一种结构，转变过程中，表面有浮凸，新旧相之间保持严格的位向关系。或者：由奥氏体向马氏体转变的

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

材料科学基础期末试题

几种强化加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。 强化机制：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。 细晶强化：是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。 弥散强化：又称时效强化。是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。包括切过机制和绕过机制。（2 分） 复相强化：由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。（2 分） 固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。。包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。 几种概念 1、滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 2、交滑移：螺型位错在两个相交的滑移面上运动，螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转动到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。 3、屈服现象：低碳钢在上屈服点开始塑性变形，当应力达到上屈服点之后开始应力降落，在下屈服点发生连续变形而应力并不升高，即出现水平台（吕德斯带）原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成，位错的增殖。 4、应变时效：低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点，但是在变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时间加热，在进行拉伸试验，则屈服点又重复出现，且屈服应力提高。 5、形变织构：随塑性变形量增加，变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。滑移和孪晶的区别 滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组合。 扩散驱动力：化学位梯度是扩散的根本驱动力。 一、填空题（20 分，每空格1 分） 1. 相律是在完全平衡状态下，系统的相数、组元数和温度压力之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式：f=C-P+2 2. 二元系相图是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。 3?晶体的空间点阵分属于7大晶系，其中正方晶系点阵常数的特点为a=b M c,a = B =Y =90°，请列举除立方和正方晶系外其他任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交（任选三种）。 4. 合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三部分。 5．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过滑移的方式进行的。此外还有孪生和扭

材料科学基础试题

第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 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 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。

材料科学基础试题库答案 (1)

Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编 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。 0026.离子晶体生成Schttky缺陷时，正离子空位和负离子空位是同时成对产生的，同时伴随_________的增加。0027.多种聚合物同时并存而不是一种独存这就是熔体结构_________的实质。在熔体组成不变时，各级聚合物的数量还与温度有关，温度升高，低聚物浓度增加。 0028.系统中每一个能单独分离出来并_________的化学均匀物质，称为物种或组元，即组份。例如，对于食盐的水溶液来说，NaCl与H2O都是组元。而Na+、Cl－、H+、OH－等离子却不能算是组元，因为它们都不能作为独立的物质存在。 0029.在弯曲表面效应中，附加压力ΔP总是指向曲面的_________，当曲面为凸面时，ΔP为正值。 0030.矿化剂在硅酸盐工业中使用普遍，其作用机理各异，例在硅砖中加入1-3％[Fe2O3＋Ca2(OH)2]做矿化剂，能使大部分a-石英不断溶解同时不断析出a-磷石英，从而促进a-石英向磷石英的转化。水泥生产中