简答题
1.空间点阵与晶体点阵有何区别？晶体点阵也称晶体结构，是指原子的具体排列；而空间点阵则是忽略了原子的体积，而把它们抽象为纯几何点。
2.金属的3种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？密排六方结构。
3.原子半径与晶体结构有关。当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化？原子半径发生收缩。这是因为原子要尽量保持自己所占的体积不变或少变，原子所占体积V A＝原子的体积(4/3πr3+间隙体积)，当晶体结构的配位数减小时，即发生间隙体积的增加，若要维持上述方程的平衡，则原子半径必然发生收缩。
4.在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环？不能。因为位错环是通过环内晶体发生滑移、环外晶体不滑移才能形成。
5.计算位错运动受力的表达式为，其中是指什么？外力在滑移面的滑移方向上的分切应力。
6.位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么方向？始终是柏氏矢量方向。
7.位错线上的割阶一般如何形成？位错的交割。
8.界面能最低的界面是什么界面？共格界面。
9. “小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？否，扭转晶界就由交叉的同号螺型位错构成
10.为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固熔体则不能？这是因为形成固熔体时，熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。熔质与熔剂原子尺寸相差越大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，熔解度越小。一般来说，间隙固熔体中熔质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。
综合题
1. 作图表示立方晶体的（123）（0 -1 -2）（421）晶面及[-102][-211][346]晶向。
2. 写出立方晶体中晶向族<100>，<110>，<111>等所包括的等价晶向。
3. 写出立方晶体中晶面族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶面。
4.总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。
5. 在立方晶系中画出以[001]为晶带轴的所有晶面。
6. 面心立方晶体的(100),(110),(111)等晶面的面间距和面密度，并指出面间距最大的面。
7. Ni 的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r =0.1243求Ni 的晶格常数和密度。
8. Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.3147nm，试求Mo的原子半径r。
9. 在Fe中形成1mol 空位的能量为104. 67kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍?
10. 判断下列位错反应能否进行。
1) a/2[10-1]+a/6[-121+→a/3*11-1+ 2) a*100+→a/2*101++a/2*10-1]
3) a/3*112++a/2*111+→a/6*11-1+ 4) a*100+→a/2*111++a/2*1-1-1]
11. 若面心立方晶体中有b=a/2[-101]的单位位错及b=a/6[12-1]的不全位错，此二位错相遇产生位错反应。
1) 问此反应能否进行？为什么？
2) 写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的类型。
12.已知柏氏矢量b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1°及10°，求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论？
13. ①计算fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小(用原子半径尺表示)，并注明间
隙中心坐标。
②指出溶解在γ-Fe中C原子所处的位置，若此位置全部被C原子占据，那么，间在此情况下，γ-Fe能溶解C的质量分数为多少?实际上碳在铁中的最大溶解质量分数是多少?二者在数值上有差异的原因是什么?
14.试从晶体结构的角度，说明间隙固溶体、间隙相及间隙化合物之间的区别。
15.何谓玻璃？从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在?
16.有序合金的原子排列有何特点？这种排列和结合键有什么关系？为什么许多有序合金在高温下变成无序？
17.试分析H、N、C、B在Fe和Fe中形成固熔体的类型、存在位置和固溶度（摩尔分数）。各元素的原子半径如下：H为0.046nm，N为0.071nm，C为0.077nm，B为0.091nm，Fe 为0.124nm，Fe为0.126 nm。
18.试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。
19.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？
20. 试分析单晶体形成的基本条件。
21.铸件组织有何特点？
22.液体金属凝固时都需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热，为什么？
23.欲获得金属玻璃，为什么一般选用液相线很陡，从而有较低共晶温度的二元系？
24.比较说明过冷度、临界过冷度、动态过冷度等概念的区别。
25.分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
26.简述纯金属晶体长大的机制。
27. 指出下列概念的错误之处，并改正。
(1)所谓过冷度，是指结晶时，在冷却曲线上出现平台的温度与熔点之差；而动态过冷度是指结晶过程中，实际液相的温度与熔点之差。
(2)金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减少，因此是一个自发过程。
(3)在任何温度下，液体金属中出现的最大结构起伏都是晶胚。
(4)在任何温度下，液相中出现的最大结构起伏都是核。
(5)所谓临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚的大小。
(6)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，还是可以成核的。
(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测值与用公式ΔT=0.2Tm计算值基本一致。
(8) 某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率N1提高，非均匀形核率N2也提高，故总的形核率为N= N1 +N2。
(9) 若在过冷液体中，外加10 000颗形核剂，则结晶后就可以形成10 000颗晶粒。
(10) 从非均匀形核功的计算公式A非＝A均中可以看出，当润湿角θ＝00时，非均匀形核的形核功最大。
(11) 为了生产一批厚薄悬殊的砂型铸件，且要求均匀的晶粒度，则只要在工艺上采取加形核剂就可以满足。
(12) 非均匀形核总是比均匀形核容易，因为前者是以外加质点为结晶核心，不象后者那样形成界面，而引起自由能的增加。
(13) 在研究某金属细化晶粒工艺时，主要寻找那些熔点低、且与该金属晶格常数相近的形核剂，其形核的催化效能最高。
(14) 纯金属生长时，无论液－固界面呈粗糙型或者是光滑型，其液相原子都是一个一个地沿着固相面的垂直方向连接上去。
(15) 无论温度如何分布，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。
(16)氮化铵和水溶液与纯金属结晶终了时的组织形态一样，前者呈树枝晶，后者也呈树枝晶。
(17) 人们是无法观察到极纯金属的树枝状生长过程，所以关于树枝状的生长形态仅仅是一种推理。
(18) 液体纯金属中加入形核剂，其生长形态总是呈树枝状。
(19) 纯金属结晶时若呈垂直方式长大，其界面时而光滑，时而粗糙，交替生长。
(20) 从宏观上观察，若液－固界面是平直的称为光滑界面结构，若是金属锯齿形的称为粗糙界面结构。
(21) 纯金属结晶时以树枝状形态生长，或以平面状形态生长，与该金属的熔化熵无关。
(22) 金属结晶时，晶体长大所需要的动态过冷度有时还比形核所需要的临界过冷度大。
解析：
1.
2. <100>＝[100]十[010]+[001]，共3个等价晶向。
<110>＝[110]十[-110]+[101]+[-101]+[011]+[0-11]，共6个等价晶向。
<111>＝[111]+[-111]+[1-11]+[11-1]，共4个等价晶向。
3. {100}＝(100)+(010)+(001)， 3个等价面。
{110}＝(110)+(-110)+(101)+ (-101)+(011)+(0-11)，共6个等价面。
{111}＝(111)+(-111)+(1-11)+(11-1)，共4个等价面。
{112}=(112)+(-112)+(1-12)+(11-2)+(121)+(-121)+(1-21)+(12-1)+(211)+(-211)+ (2-11)+(21-1) 共12个等价面。
4.
5.晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系: hu+kv+lw=0;
将晶带轴[001]代人，则 h*0+k*0+l*1=0;当l=0时对任何h,k取值均能满足上式，故晶带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0).
6.在面心立方晶体中，当(hkl)不全为奇数或偶数时，有附加面。
从上面计算结果得知，原子排列最密排的(111)晶面的面间距最大7.
8.
9.
10. (1) 能。几何条件：∑b前＝∑b后；能量条件：∑b前2>∑b后2
(2) 不能。能量条件：∑b前2＝∑b后2，两边能量相等。
(3) 不能。几何条件：∑b前＝a/b[557]，∑b后＝a/b[11-1]，不能满足。
(4) 不能。能量条件：∑b前2< ∑b后2，即反应后能量升高。
11.(1) 能够进行。因为既满足几何条件：∑b前＝∑b后，又满足能量条件：∑b前2>∑b
2
后
(2) b合＝a/3[-111]；该位错为弗兰克不全位错。
12.当θ＝1°，D＝14 nm；θ＝10°，D＝1.4 nm时，即位错之间仅有5～6个原子间距，此时位错密度太大，说明当θ角较大时，该模型已不适用。
13.①fcc八面体间隙半径:
间隙中心坐标为：1/2,1/2,1/2 fcc四面体间隙半径：
间隙中心坐标为：3/4,1/4,3/4
bcc八面体间隙半径：
间隙中心坐标为：1/2,1/2,1 bcc四面体间隙半径：
②γ-Fe为fcc结构，八面体间隙半径较大，所以γ-Fe中的C原子一般处于八面体间隙位置。由于fcc结构中八面体间隙数与原子数相等，若此类位置全部被C原子占据，则γ-Fe中C的原子数分数为50%，质量分数为17. 6%。而实际上C在γ-Fe中最大质且分数为2. 11%，大大小于理论值，这是因为C原子半径为0. 077nm，大于八面体间隙半径(0. 054nm) ,所以碳的溶人会引起γ-Fe晶格畸变，这就妨碍了碳原子进一步的溶人。
14.溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的非金属元素，H,B,C,N,O等。间隙固溶体保持母相(溶剂)的晶体结构，其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示。间隙相和间隙化合物属原子尺寸因素占主导地位的中间相。它们显然也是原子半径较小的非金属元素占据晶格的间隙，然而间隙相、间隙化合物的晶格与组成他们的任一组元晶格都不相同。它们的成分可在一定范围内波动.但组成它们的组元大致都具有一定的原子组成比，可用化学分子式来表示。
当R B/R A<0.59时，通常形成间隙相，其结构为简单晶体结构，具有极高的熔点和硬度;
当R B/R A>0.59时，则形成间隙化合物，其结构为复杂的晶体结构。
15.所谓玻璃，是指具有玻璃化转变温度的非晶态固体。玻璃与其他非晶态的区别就在于有无玻璃化转变温度。玻璃态也指非晶态金属和合，它实际上是一种过冷状态液体金属。
从内部原子排列的特征来看，晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性排列，即存在长程有序，而非晶体中的原子排列却无长程有序的特点。从性能上看，晶体具有固定熔点和各向异性，而非晶体则无固定熔点，且系各向同性。
16.有序固熔体，其中各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵——称为分点阵，整个固熔体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，也叫超点阵或超结构。这种排列和原子之间的结合能(键)有关。结合能愈大，原子愈不容易结合。如果异类原子间结合能小于同类原子间结合
能，即E AB < (E AA十E BB)/2，则熔质原子呈部分有序或完全有序排列。有序化的推动力是混合能参量(εm＝εAB－1/2(E AA+E BB))εm< 0，而有序化的阻力则是组态熵；升温使后者对于自由能的贡献(-TS)增加，达到某个临界温度以后，则紊乱无序的固熔体更为稳定，有序固熔体消失，而变成无序固熔体。
17.α-Fe为体心立方点阵，致密度虽然较小，但是它的间隙数目多且分散，因而间隙半径很小，r四=0.291，R＝0.0361nm；r八＝0.154，R＝0.0191nm。H，N，C，B等元素熔人。
α-Fe中形成间隙固熔体，由于尺寸因素相差很大，所以固熔度(摩尔分数)都很小。
例如N在α-Fe中的固熔度(摩尔分数)在590℃时达到最大值，约为ωN＝0.1×10-2，在室温时降至ωN＝0.001×10-2；C在α-Fe中的固溶度(摩尔分数)在727℃时达最大值，仅为ωC＝0.02l8×10-2，在室温时降至ωC＝0.006×10-2。
所以，可以认为碳原子在室温几乎不熔于α-Fe中，微量碳原子仅偏聚在位错等晶体缺陷附近。假若碳原子熔入α-Fe中时，它的位置多在α-Fe的八面体间隙中心，因为α-Fe中的八面体间隙是不对称的，形为扁八面体，[100]方向上间隙半径r＝0.154R，而在[110]方向上，r ＝0.633R，当碳原子熔入时只引起一个方向上的点阵畸变。硼原子较大，熔人间隙更为困难，有时部分硼原子以置换方式熔人。氢在α-Fe中的固熔度(摩尔分数)也很小，且随温度下降时迅速降低。以上元素在γ-Fe中的固熔度(摩尔分数)较大一些。这是因为γ-Fe具有面心立方点阵，原子堆积致密，间隙数目少，故间隙半径较大：r A＝0.414，R＝0.0522nm；r四＝0.225，R＝0.0284 nm。故上述原子熔入时均处在八面体间隙的中心。如碳在γ-Fe中最大固熔度(质量分数)为ωc＝2.1×10-2；氮在γ-Fe中的最大固熔度(质量分数)约为ωN＝2.8×10-2。
18.分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为?G<0；由单位体积自由能的变化可知，只有?T>0，才有?GB<0。即只有过冷，才能使?G<0。动力学条件为液—固界面前沿液体的温度T
20.形成单晶体的基本条件是使液体金属结晶时只产生一个核心(或只有一个核心能够长大)并长大成单晶体。
21.在铸锭组织中，一般有三层晶区：（1）最外层细晶区。其形成是由于模壁的温度较低，液体的过冷度交大，因此形核率较高。（2）中间为柱状晶区。其形成是由于模壁的温度升高，晶核的成长速率大于晶核的形核率，且沿垂直于模壁风向的散热较为有利。在细晶区中取向有利的晶粒优先生长为柱状。（3）中心为等轴晶区。其形成是由于模壁温度进一步升高，液体过冷度进一步降低，剩余液体的散热方向性已不明显，处于均匀冷却状态；同时，未熔杂质、破断枝晶等易集中于剩余液体中，这些都促使了等轴晶的形成。应该指出，铸锭的组织并不是都具有3层晶区。由于凝固条件的不同，也会形成在铸锭中只有某一种晶区，或只有某两种晶区。
23.
23.金属玻璃是通过超快速冷却的方法，抑制液—固结晶过程，获得性能异常的非晶态结构。玻璃是过冷的液体。这种液体的黏度大，原子迁移性小，因而难于结晶，如高分子材料(硅酸盐、塑料等)在一般的冷却条件下，便可获得玻璃态。金属则不然。由于液态金属的黏度低，冷到液相线以下便迅速结晶，因而需要很大的冷却速度(估计>1010℃／s)才能获得玻璃态。为了在较低的冷速下获得金属玻璃，就应增加液态的稳定性，使其能在较宽的温度范围存在。实验证明，当液相线很陡从而有较低共晶温度时，就能增加液态的稳定性，故选用这样的二元系(如Fe—B，Fe—C，h—P，Fe—Si等)。为了改善性能，可以加入一些其他元素(如Ni，Mo，Cr，Co等)。
24.实际结晶温度与理论结晶温度之间的温度差，称为过冷度(?T＝Tm一Tn)。它是相变热力学条件所要求的，只有AT>0时，才能造成固相的自由能低于液相自由能的条件，液、固相间的自由能差便是结晶的驱动力。过冷液体中，能够形成等于临界晶核半径的晶胚时的过冷度，称为临界过冷度(?T*)。显然，当实际过冷度?T?T*时，才能均匀形核。所以，临界过冷度是形核时所要求的。晶核长大时，要求液—固界面前沿液体中有一定的过冷，才能满足 (dN ／dt)F>(dN／dt)M，这种过冷称为动态过冷度(?T k＝Tm一Ti)，它是晶体长大的必要条件。
25.纯金属生长形态是指晶体宏观长大时界面的形貌。界面形貌取决于界面前沿液体中的温度分布。 (1) 平面状长大：当液体具有正温度梯度时，晶体以平直界面方式推移长大。此时，界面上任何偶然的、小的凸起伸入液体时，都会使其过冷度减小，长大速率降低或停止长大，而被周围部分赶上，因而能保持平直界面的推移。长大中晶体沿平行温度梯度的方向生长，或沿散热的反方向生长，而其他方向的生长则受到抑制。(2) 树枝状长大：当液体具有负温度梯度时，在界面上若形成偶然的凸起伸入前沿液体时，由于前方液体有更大的过冷度，有利于晶体长大和凝固潜热的散失，从而形成枝晶的一次轴。一个枝晶的形成，其潜热使邻近液体温度升高，过冷度降低，因此，类似的枝晶只在相邻一定间距的界面上形成，相互平行分布。在一次枝晶处的温度比枝晶间温度要高，如附图2．7(a)中所示的AA 断面上丁A>丁n，这种负温度梯度使一次轴上又长出二次轴分枝，如附图2.7(b)所示。同样，还会产生多次分枝。枝晶生长的最后阶段，由于凝固潜热放出，使枝晶周围的液体温度升高至熔点以上，液体中出现正温度梯度，此时晶体长大依靠平界面方式推进，直至枝晶间隙全部被填满为止。
26.晶体长大机制是指晶体微观长大方式，它与液—固界面结构有关。具有粗糙界面的物质，因界面上约有50％的原子位置空着，这些空位都可接受原子，故液体原子可以单个进入空位，与晶体相连接，界面沿其法线方向垂直推移，呈连续式长大。具有光滑界面的晶体长大，不是单个原子的附着，而是以均匀形核的方式，在晶体学小平面界面上形成一个原子层厚的二维晶核与原界面间形成台阶，单个原子可以在台阶上填充，使二维晶核侧向长大，在该层填满后，则在新的界面上形成新的二维晶核，继续填满，如此反复进行。若晶体的光滑界面存在有螺型位错的露头，则该界面成为螺旋面，并形成永不消失的台阶，原子附着到台阶上使晶体长大。
27.(1)……在冷却曲线上出现的实际结晶温度与熔点之差……液-固界面前沿液态中的温度与熔点之差。
(2)……使体系自由能减小……
(3)在过冷液体中，液态金属中出现的……
(4)在一定过冷度下……
(5)……就是体系自由能的减少能够补偿2／3表面自由能……
(6)……不能成核，即便是有足够的能量起伏提供，还是不能成核。
(7)测定某纯金属均匀形核时的有效过冷度……
(8)……那么总的形核率N＝N2。
(9)……则结晶后就可以形成数万颗晶粒。
(10)……非均匀形核的形核功最小。
(11)……则只要在工艺上采取对厚处加快冷却(如加冷铁)就可以满足。
(12)……因为前者是以外加质点为基底，形核功小……
(13)……主要寻找那些熔点高，且……
(14)……若液—固界面呈粗糙型，则其液相原子……
(15)只有在负温度梯度条件下，常用纯金属……
(16)……结晶终了时的组织形态不同，前者呈树枝晶(枝间是水)，后者呈一个个(块状)晶粒。
(17)……生长过程，但可以通．过实验方法，如把正在结晶的金属剩余液体倒掉，或者整体淬火等进行观察，所以关于树枝状生长形态不是一种推理。
(18)……其生长形态不会发生改变。
(19)……其界面是粗糙型的。
(20)……平直的称为粗糙界面结构……锯齿形的称为平滑界面结构。
(21)……因还与液—固界面的结构有关，即与该金属的熔化熵有关。
(22)……增加，但因金属的过冷能力小，故不会超过某一极大值……
相图综合题
1.在图4—30所示相图中，请指出：
(1) 水平线上反应的性质；
(2) 各区域的组织组成物；
(3) 分析合金I，II的冷却过程；
(4) 合金工，II室温时组织组成物的相对量表达式。
2.固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定：
①成分为ω(B)=40%的合金首先凝固出来的固体成分;
②若首先凝固出来的固体成分含ω(B)=60%，合金的成分为多少?
③成分为ω(B)=70%写的合金最后凝固的液体成分;
④合金成分为ω(B)=50%，凝固到某温度时液相含有ω(B)=40%，固体含有ω(B)=80%，此时液体和固体各占多少?
3.证明固溶体合金凝固时，因成分过冷而产生的最大过冷度为：
最大过冷度离液—固界面的距离为：
式中m ——液相线斜率；ωCo Cu——合金成分；K ——平衡分配系数；G ——温度梯度；
D ——扩散系数；R ——凝固速率。说明：液体中熔质分布曲线可表示为：
4.指出下列相图中的错误，并加以改正。
5. ①根据图7-8所示的Fe-Fe3C相图，分别求ω(C)=2.11%，ω(C)=30%的二次渗碳体的析出量。
②画出ω(C) =4. 3%的冷却曲线。
6. A1-Cu合金相图如图7-13所示，设分配系数K和液相线斜率均为常数，试求:
① ω(Cu)=1%固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分;
②经过一次区域熔化后在x-5处的固体成分，取熔区宽度L=0.5;
③测得铸件的凝固速率R = 3×10-4 cm/s，温度梯度G= 30℃/cm，扩散系数D= 3×10-5 cm/s时，合金凝固时能保持平面界面的最大含铜量。
7.根据图7-9所示的A1-Si共晶相图，试分析图中(a)，(b)，(c)3个金相组织属什么成分并说
明理由。指出细化此合金铸态组织的途径。
8. 青铜( Cu-Sn)和黄铜C Cu--fin)相图如图7-15(a)，(b)所示:
①叙述Cu-10% Sn合金的不平衡冷却过程，并指出室温时的金相组织。
②比较Cu-10% Sn合金铸件和Cu-30%合金铸件的铸造性能及铸造组织，说明Cu-10% Sn合金铸件中有许多分散砂眼的原因。
③ω(Sn}分别为2%，11%和15%的青铜合金，哪一种可进行压力加工?哪种可利用铸造法来制造机件?
9.如下图所示，已知A，B，C三组元固态完全不互溶，质量分数分别84%A,，10%B，10%C 的O合金在冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60%A，20%B，20%C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50%A，10%B，40%C。
①试计算A%，(A-+-B)%和(A+B+C)%的相对量。
②写出图中I和P合金的室温平衡组织。
10. 根据下图所示，Al-Mg-Mn系富Al一角的投影图，
①写出图中两个四相反应。
②写出图中合金Ⅰ和Ⅱ的凝固过程。
解析：
1.答案：(1)高温区水平线为包晶线，包晶反应：L j+δk→αn
中温区水平线为共晶线，共晶反应：Ld′→αg+βh
(2)各区域组织组成物如图4—30中所示。
(3)I合金的冷却曲线和结晶过程如附图2.9所示。
1～2，均匀的液相L。
2～3匀晶转变，L→δ不断结晶出δ相。
3～3′，发生包品反应L+δ→α。
3′～4，剩余液相继续结晶为α。
4，凝固完成，全部为α。
4～5，为单一α相，无变化。
5～6，发生脱溶转变α→βII。室温下的组织为α+βII。
（4） II合金的冷却曲线和结晶过程如附图2.10所示。
1～2，均匀的液相L。
2～3，结晶出α初，随温度下降α相不断析出，液相不断减少。
3～3′，剩余液相发生共晶转变L→α+β。
3′～4，α→βII，β→αII，室温下的组织为。Α初+（α+β）共+βII
(4)室温时，合金I、II组织组成物的相对量可由杠杆定律求得。
合金I：
合金II：
2. ①在合金成分线与液相线相交点作水平线，此线与固相线交点的合金成分即为首先凝固出来的固体成分:~80%B。
②作60%B垂直线与a固相线相交点的水平线，此线与液相线L相交点的成分即为合金成分:~15%B。
③原理同上:合金成分~20%B。
④利用杠杆定律:
4. 1）任何温度下所作的连接线两端必须分别相交于液相线和固相线，不能相交于单一液相线或单一固相线。
2）A组元的凝固温度恒定，所以液、固相线在A成分处相交于一点。
3）在两元系的三相平衡反应中，三相的成分是惟一的。
4）在两元系只能出现三相平衡反应。
5.
6.根据已知条件，由相图解得：
7. (1) ①共晶组织，因为两相交替生成针状组织，
②过共晶组织，因为初生相为有小刻面块晶形，应为非金属结晶特征，故此过共晶合金的初生相为Si。
③亚共晶组织，因为初生相为树枝晶，应为金属结晶特征，故为亚共晶合金的初生相α(Al)固溶体。
(2)可采用变质剂(钠盐)或增加冷却速率来细化Al-Si合金的铸态组织。
8. ①在不平衡凝固条件下，首先将形成树枝状的α晶体；随着凝固的进行，当液体中溶质富集处达到包晶成分时，将产生包晶转变：L+α→β，从而在枝晶间形成β相;如果冷速不是特别快，可能继续冷却至586℃时发生共析反应：β→α+γ，甚至冷却至520℃时再次发生共析反应：γ→α+δ。
因此铸件的最后组织将是在a的枝晶间分布着β相，或者分布着（α+γ）共析体，也可能为共析体（α+δ）。
②Cu-30%Zn合金的凝固温度范围窄，不容易产生宽的成分过冷区，即以“壳状”方式凝固，液体的流动性好，易补缩，容易获得致密的铸件，铸件组织主要为平行排列的柱状晶。
Cu-10%Zn合金具有宽的凝固温度范围，容易形成宽的成分过冷区，即以“糊状”方式凝固，液体的流动性差，不易补缩，这是使铸件产生分散砂眼的主要原因，铸件的致密性差，铸件组织主要由树枝状柱状晶和中心等轴晶组成。
③Cu-2%Sn合金为单相α组织，塑性好，易于进行压力加工；Cu-11% Sn，Cu-15% Sn 合金的铸态组织中含有硬而质脆的中间相组织，不易塑性变形，适合用于铸造法来制造耐磨机件。
9.
10. 1)在P点发生的反应：L+MnAl3→MnAl4+Mg5Al8
在E1点发生的反应：L→Al+MnAl4+Mg5Al8
2)成分Ⅰ的合金冷却时首先结晶出Al，然后剩余液相成分达到ET点，发生
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) (112) (102) [111] [110] [120] [321] 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。
《材料科学基础》复习提纲 一、（共20分）名词解释（每个名词2分） 简单正交点阵、晶向族、无限固溶体、配位数、交滑移、大角度晶界、上坡（顺）扩散、形核功、回复、滑移系 底心正交点阵、晶面族、有限固溶体、致密度、攀移、小角度晶界、下坡（逆）扩散、形核率、再结晶、孪生 二、（共30分）简要回答下列问题 1、计算面心立方晶体的八面体间隙尺寸。 2、简述固溶体与中间相的区别。 3、已知两个不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2），求出其所属的晶带轴。 4、计算面心立方晶体{111}晶面的面密度。 5、简述刃型位错线方向、柏氏矢量方向、位错运动方向及晶体运动方向之间的关系。 6、简述刃型位错攀移的实质。 7、简述在外力的作用下，螺型位错的可能运动方式。 8、当碳原子和铁原子在相同温度的 -Fe中进行扩散时，为何碳原子的扩散系数大于铁原子的扩散系数？ 9、简述单组元晶体材料凝固的一般过程。 10、如图，已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O 合金在冷却过程中将进行二相共晶反应和三相共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为50% A、10%B、40%C，写出图中I和P合金的室温平衡组织。 1、计算体心立方晶体的八面体间隙尺寸。 2、简述决定组元形成固溶体与中间相的因素。 3、已知二晶向[u1v1w1]和[u2v2 w2]，求出由此二晶向所决定的晶面指数。· 4、计算体心立方晶体{110}晶面的面密度。 5、简述螺型位错线方向、柏氏矢量方向、位错运动方向及晶体运动方向之间的关系。 6、简述刃型位错滑移的实质。 7、简述在外力的作用下，刃型位错的可能运动方式。 8、当碳原子和铁原子在相同温度的a-Fe 中进行扩散时，为何碳原子的扩散系数大于铁原子的扩散系数？ 9、简述纯金属凝固的基本条件。 10、如图，已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合 金在冷却过程中将进行二相共晶反应和三相共晶反应，在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的液相成分(E点)为 %、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。 50% A、10%B、40%C，试计算A 初
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 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
第一章原子结构 一判断题 1.共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 2. 范德华力既无方向性亦无饱和性，氢键有方向性但无饱和性。 3. 绝大多数金属均以金属键方式结合，它的基本特点是电子共有化。 4. 离子键这种结合方式的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。 5. 范德华力包括静电力、诱导力、但不包括色散力。 二、简答题 原子间的结合键对材料性能的影响 第二章晶体结构 一、填空 1.按晶体的对称性和周期性，晶体结构可分为7 空间点阵，14 晶系， 3 晶族。 2.晶胞是能代表晶体结构的最小单，描述晶胞的参数是 a ,b ,c ,α,β,γ。 3. 在立方，菱方，六方系中晶体之单位晶胞其三个轴方向中的两个会有相等的边长。 4. 方向族<111>的方向在铁的(101)平面上，方向族<110>的 方向在铁的(110)平面上。 5. 由hcp(六方最密堆积)到之同素异形的改变将不会产生体积的改变，而由体心最密堆积变成即会产生体积效应。 6. 晶体结构中最基本的结构单元为，在空间点阵中最基本的组元称之为。 7.某晶体属于立方晶系，一晶面截x轴于a/2、y轴于b/3、z轴于c/4，则该晶面的指标为 8. 硅酸盐材料最基本的结构单元是，常见的硅酸盐结构有、、、。 9. 根据离子晶体结构规则－鲍林规则，配位多面体之间尽可能和 连接。
二判断题 1.在所有晶体中只要(hkl)⊥(uvw)二指数必然相等。 2. 若在晶格常数相同的条件下体心立方晶格的致密度,原子半径都最小。 3. 所谓原子间的平衡距离或原子的平衡位置是吸引力与排斥力的合力最小的位置。 4.晶体物质的共同特点是都具有金属键。 5.若在晶格常数相同的条件下体心立方晶格的致密度,原子半径都最小。 6. 在立方晶系中若将三轴系变为四轴系时,(hkIl)之间必存在I=-(h+k)的关系与X1,X2,X3,X4间夹角无关。 7.亚晶界就是小角度晶界,这种晶界全部是由位错堆积而形成的。 8.面心立方与密排六晶体结构其致密度配位数间隙大小都是相同的,密排面上的堆垛顺序也是相同的。 9.柏氏矢量就是滑移矢量。 10.位错可定义为柏氏回路不闭合的一种缺陷,或说:柏氏矢量不为0的缺陷。 11.线缺陷通常指位错,层错和孪晶。 12实际金属中都存在着点缺陷,即使在热力学平衡状态下也是如此。 三选择题 1．经过1/2,1/2,1/2之[102]方向，也经过。 (a) 1,.0,2, (b) 1/2,0,1, (c) –1,0,-2, (d) 0, 0,0, (e) 以上均不是 2. 含有位置0,0,1之(112)平面也包含位置。 (a)1,0,0, (b)0,0,1/2, (c)1,0,1/2。 3.固体中晶体与玻璃体结构的最大区别在于。 （a）均匀性（b）周期性排列（c）各向异性（d）有对称性 4.晶体微观结构所特有的对称元素，除了滑移面外，还有 （a）回转轴（b）对称面（c）螺旋轴（d）回转－反映轴 5.按等径球体密堆积理论，最紧密的堆积形式是。 （a）bcc; （b）fcc; （c）hcp 6.在MgO离子化合物中，最可能取代化合物中Mg2+的正离子(已知各正离子半径 (nm)分别是：（Mg2+）0.066、（Ca2+）0.099、（Li+）0.066、（Fe2+）0.074)是_（c）____。 （a）Ca2+; （b）Li+; （c）Fe2+ 7.下对晶体与非晶体描述正确的是：
《材料科学基础》上半学期容重点 第一章固体材料的结构基础知识 键合类型（离子健、共价健、金属健、分子健力、混合健）及其特点；键合的本质及其与材料性能的关系，重点说明离子晶体的结合能的概念； 晶体的特性（5个）； 晶体的结构特征（空间格子构造）、晶体的分类； 晶体的晶向和晶面指数（米勒指数）的确定和表示、十四种布拉维格子； 第二章晶体结构与缺陷 晶体化学基本原理：离子半径、球体最紧密堆积原理、配位数及配位多面体； 典型金属晶体结构； 离子晶体结构，鲍林规则（第一、第二）；书上表2－3下的一段话；共价健晶体结构的特点；三个键的异同点（举例）； 晶体结构缺陷的定义及其分类，晶体结构缺陷与材料性能之间的关系（举例）； 第三章材料的相结构及相图 相的定义 相结构 合金的概念：
固溶体 置换固溶体 （１）晶体结构 无限互溶的必要条件—晶体结构相同 比较铁（体心立方，面心立方）与其它合金元素互溶情况（表３－１的说明） （２）原子尺寸：原子半径差及晶格畸变； （３）电负性定义：电负性与溶解度关系、元素的电负性及其规律；（４）原子价：电子浓度与溶解度关系、电子浓度与原子价关系；间隙固溶体 （一）间隙固溶体定义 （二）形成间隙固溶体的原子尺寸因素 （三）间隙固溶体的点阵畸变性 中间相 中间相的定义 中间相的基本类型： 正常价化合物：正常价化合物、正常价化合物表示方法 电子化合物：电子化合物、电子化合物种类 原子尺寸因素有关的化合物：间隙相、间隙化合物 二元系相图： 杠杆规则的作用和应用； 匀晶型二元系、共晶（析）型二元系的共晶（析）反应、包晶（析）
型二元系的包晶（析）反应、有晶型转变的二元系相图的特征、异同点； 三元相图： 三元相图成分表示方法； 了解三元相图中的直线法则、杠杆定律、重心定律的定义； 第四章材料的相变 相变的基本概念：相变定义、相变的分类（按结构和热力学以及相变方式分类）； 按结构分类：重构型相变和位移型相变的异同点； 马氏体型相变：马氏体相变定义和类型、马氏体相变的晶体学特点，金属、瓷中常见的马氏体相变（举例）（可以用许教授提的一个非常好的问题――金属、瓷马氏体相变性能的不同――作为题目） 有序-无序相变的定义 玻璃态转变：玻璃态转变、玻璃态转变温度、玻璃态转变点及其黏度按热力学分类：一级相变定义、特点，属于一级相变的相变；二级相变定义、特点，属于二级相变的相变； 按相变方式分类：形核长大型相变、连续型相变（spinodal相变）按原子迁动特征分类：扩散型相变、无扩散型相变
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
简答题 1?空间点阵与晶体点阵有何区别？晶体点阵也称晶体结构，是指原子的具体排列；而空间点阵则是忽略了原子的体积，而把它们抽象为纯几何点。 2?金属的3种常见晶体结构中，不能作为一种空间点阵的是哪种结构？密排六方结构。 3?原子半径与晶体结构有关。当晶体结构的配位数降低时原子半径如何变化？原子半径发生 收缩。这是因为原子要尽量保持自己所占的体积不变或少变，原子所占体积2人=原子的体积(4/3 n3r间隙体积)，当晶体结构的配位数减小时，即发生间隙体积的增加，若要维持上述方程的平衡，则原子半径必然发生收缩。 4?在晶体中插入柱状半原子面时能否形成位错环？不能。因为位错环是通过环内晶体发生滑 移、环外晶体不滑移才能形成。 5?计算位错运动受力的表达式为，其中是指什么？外力在滑移面的滑移方向上的分切应力。6?位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向 应是什么方向？始终是柏氏矢量方向。 7. 位错线上的割阶一般如何形成？位错的交割。 8?界面能最低的界面是什么界面？共格界面。 9?小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这种说法对吗？否，扭转晶界就由交叉的 同号螺型位错构成 10.为什么只有置换固熔体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固熔体则不能？这是因为形成固熔体时，熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。熔质与熔剂原子尺寸相差越大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，熔解度越小。一般来说，间隙固熔体中熔质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有 限熔解。 综合题 1. 作图表示立方晶体的(123) ( 0 -1 -2) (421)晶面及卜102]卜211][346]晶向。 2. 写出立方晶体中晶向族<100>, <110>, <111>等所包括的等价晶向。 3. 写出立方晶体中晶面族{100}, {110}, {111}, {112}等所包括的等价晶面。 4. 总结3种典型的晶体结构的晶体学特征。 5. 在立方晶系中画出以[001]为晶带轴的所有晶面。 6. 面心立方晶体的(100),(110),(111)等晶面的面间距和面密度，并指出面间距最大的面。 7. Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r =0.1243求Ni的晶格常数和密度。 8. Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.3147nm，试求Mo的原子半径r。 9. 在Fe中形成1mol空位的能量为104. 67kJ,试计算从20C升温至850C时空位数目增加多少倍？ 10. 判断下列位错反应能否进行。 1) a/2[10-1]+a/6卜121]宀a/3[11-1] 2) a[100]宀a/2[101]+a/2[10-1] 3) a/3[112]+a/2[111] 宀a/6{1]1 4) a[100] a/2[111]+a/2[1-1-1] 11. 若面心立方晶体中有b=a/2[-101]的单位位错及b=a/6[12-1]的不全位错，此二位错相遇 产生位错反应。 1) 问此反应能否进行？为什么？ 2) 写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的类型。 12. 已知柏氏矢量b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1及10°求晶界上位错之间的距 离。从计算结果可得到什么结论？ 13. ①计算fee和bee晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小(用原子半径尺表示)，并注明间
单项选择题: 第1章原子结构与键合 1.高分子材料中的C-H化学键属于。 (A)氢键(B)离子键(C)共价键 2.属于物理键的就是。 (A)共价键(B)范德华力(C)离子键 3.化学键中通过共用电子对形成的就是。 (A)共价键(B)离子键(C)金属键 第2章固体结构 4.以下不具有多晶型性的金属就是。 (A)铜(B)锰(C)铁 5.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中,形变时各向异性行为最显著的就是。 (A)fcc (B)bcc (C)hcp 6.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素就是。 (A)氮(B)碳(C)硼 7.面心立方晶体的孪晶面就是。 (A){112} (B){110} (C){111} 8.以下属于正常价化合物的就是。 (A)Mg2Pb (B)Cu5Sn (C)Fe3C 第3章晶体缺陷 9.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)肖特基缺陷(B)弗仑克尔缺陷(C)线缺陷 10.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为。 (A)肖脱基缺陷(B)Frank缺陷(C)堆垛层错 11.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系就是？ (A)垂直(B)平行(C)交叉 12.能进行攀移的位错必然就是。 (A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错 13.以下材料中既存在晶界、又存在相界的就是 (A)孪晶铜(B)中碳钢(C)亚共晶铝硅合金 14.大角度晶界具有____________个自由度。 (A)3 (B)4 (C)5 第4章固体中原子及分子的运动 15.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随变化。 (A)距离(B)时间(C)温度 16.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 17.固体中原子与分子迁移运动的各种机制中,得到实验充分验证的就是 (A)间隙机制(B)空位机制(C)交换机制 18.原子扩散的驱动力就是。(4、2非授课内容) (A)组元的浓度梯度(B)组元的化学势梯度(C)温度梯度 19.A与A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应,测得界面向A试样方向移动,则。 (A)A组元的扩散速率大于B组元 (B)B组元的扩散速率大于A组元 (C)A、B两组元的扩散速率相同 20.下述有关自扩散的描述中正确的为。
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 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 名词解释 1. 空间点阵：是表示晶体结构中质点周期性重复规律得几何图形. 2. 同素异构：是指某些元素在t和p变化时，晶体结构发生变化得特征. 3. 固溶体：当一种组分（溶剂）内溶解了其他组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体，其晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种相就称固溶体。 4. 电子浓度：固溶体中价电子数目e 与原子数目之比。 5. 间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂间隙形成的固溶体 6. 晶胞: 能完全反映晶格特征得最小几何单元 7. 清洁表面：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应得表面，这种表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。 8. 润湿：是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。 9. 表面改性：是利用固体表面的吸附特性，通过各种表面处理来改变固体表面得结构和性质以适应各种预期要求。 10. 晶界：凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触面称为晶界。 11. 相平衡：一个多相系统中，在一定条件下，当每一相的生成速度与它的消失速度相等时，宏观上没有任何物质在相间传递，系统中每一个相的数量均不随时间而变化，这时系统便达到了相平衡。 12. 临界晶胚半径rk ：新相可以长大而不消失的最小晶胚半径. 13．枝晶偏析: 固溶体非平衡凝固时不同时刻结晶的固相成分不同导致树枝晶内成分不均匀的现象（或树枝晶晶轴含高熔点组元较多，晶枝间低熔点组元较多的现象）. 14. 扩散：由构成物质的微粒得热运动而产生得物质迁移现象。扩散的宏观表现为物质的定向输送。 15. 反应扩散: 在扩散中由于成分的变化，通过化学反应而伴随着新相的形成（或称有相变发生）的扩散过程称为“反应扩散”，也称为“相变扩散。 16. 泰曼温度：反应开始温度远低于反应物熔点或系统低共熔温度，通常相当于一种反应物开始呈现显著扩散作用的温度，此温度称为泰曼温度或烧结温度。 18. 相变：随自由能变化而发生的相的结构变化。 19. 什么是相律：表示材料系统相平衡得热力学表达式，具体表示系统自由能、组元数和相数之间得关系。 20. 二次再结晶：指少数巨大晶粒在细晶消耗时成核长大得过程，又称晶粒异常长大和晶粒不连续生长。 21. 均匀成核:组成一定，熔体均匀一相，在结晶温度下析晶，发生在整个熔体内部，析出物质组成与熔体一致。 22. 固溶强化：溶质原子加入到溶剂原子中形成固溶体，固溶体在 23. 相：化学成分相同，晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。 24. 过冷度: 实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的差。 25. 固态相变：固态物质在温度、压力、电场等改变时，从一种组织结构转变成另一种组织结构。 26. 稳定分相：分相线和液相线相交（分相区在液相线上）, 分相后两相均为热力学的稳定相。 27. 马氏体相变：一个晶体在外加应力的作用下通过晶体的一个分立体积的剪切作用以极迅速的速率而进行的相变。 28. 无扩散型固态相变：在相变过程中并不要求长程扩散,只需要原子作一些微量 《材料科学基础》复习题 第1章原子结构与结合键 一、选择题 1、具有明显的方向性和饱和性。 A、金属键 B、共价键 C、离子键 2、以下各种结合键中，结合键能最大的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 3、以下各种结合键中，结合键能最小的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 4、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中，是不正确的。 A、具有同类型结合键的材料，结合键能越高，熔点也越高。 B、具有离子键和共价键的材料，塑性较差。 C、随着温度升高，金属中的正离子和原子本身振动的幅度加大，导电率和导热率 都会增加。 二、填空题 1、构成陶瓷化合物的两种元素的电负性差值越大，则化合物中离子键结合的比例。 2、通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子的。 3、材料的结合键决定其弹性模量的高低，氧化物陶瓷材料以键为主，结合键故其弹性模量；金属材料以键为主，结合键故其弹性模量；高分子材料的分子链上是键，分子链之间是键，故其弹性模量。 第2章晶体结构（原子的规则排列） 一、名词解释 1、点阵 2、晶胞 3、配位数 4、同素异晶转变 5、组元 6、固溶体 7、置换固溶体 8、间隙固溶体 9、金属间化合物 10、间隙相 二、选择题 1、体心立方晶胞中四面体间隙的r B/r A和致密度分别为 A 0.414，0.68 B 0.225，0.68 C 0.291，0.68 2、晶体中配位数和致密度之间的关系是。 A、配位数越大，致密度越大 B、配位数越小，致密度越大 C、两者之间无直接关系 3、面心立方晶体结构的原子最密排晶向族为。 A <100> B、<111> C、<110> 4、立方晶系中，与晶面(011)垂直的晶向是。 A [011] B [100] C [101] 5、立方晶体中（110）和（211）面同属于晶带。 A [101] B[100] C [111] 6、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种，它们的晶胞中原子数分别为： A、4；2；6 B、6；2；4 D、2；4；6 6、室温下，纯铁的晶体结构为晶格。 A、简单立方 B、体心立立 C、面心立方 7、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是。 A、两组元的晶体结构相同 B、两组元的原子半径相同 C、两组元电负性相同 8. 若A、B两组元形成电子化合物，但是该化合物中A组元所占的质量分数超过了60%，则该相晶体结构。 A. 与A相同 B. 与B相同 C. 与A、B都不相同 9. CsCl是有序体心立方结构，它属于。 A 体心立方点阵 B 面心立方点阵 C 简单立方点阵 三、填空题 1、面心立方结构的晶格常数为a，单位晶胞原子数为、原子半径为 a ，配位数为，致密度为。 2、体心立方结构的晶格常数为a，原子半径为 a ，配位数为，致密度为。 3、下图中表示的晶向指数是，晶面指数是。 4、绝大多数金属的晶体结构都属于、和三种典型的紧密结构。 5、面心立方晶体的一个最密排面是，该面上的三个最密排方向分别为、、。 6、合金中的基本相结构有和两类 7、间隙相和间隙化合物主要受组元的因素控制。 8、 NaCl晶胞中Cl-离子作最紧密堆积，Na＋填充面体空隙的100%，以（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，正负离子配位数为_____，配位多面体之间共______连 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 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--------------------。 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。水泥生产中材料科学基础试题库
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