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

22hkl ++=

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

363.546108.910A M V N a 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,/ 1.633a r c a ==，有6个原子 bcc

：24,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%bcc 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 2423

7.8347.610 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()r r A

A Cs A Cl r r N ρ+-+=

+?

332324132.935.453

4.308(/)

] 6.02310

10

g c m -

+=

=???

33333

3444(1.67 1.81)

3330.6832()2(1.67 1.81)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/cm 3)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

=d

=

故

0.3566()

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() 2.1349108.31293C 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

510210

C -==??。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

()1

sin 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 ,cos2cos 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()2

2 3.14162103

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;

1211211111()()[111]266263333

a

b b a b

c a b c +=-++-+=+-=

能量条件：22222

()263

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 ），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

999

Gb 40100.21080()10010Mpa τ--???==?=L

4在铝试样中，测得晶粒内部位错密度为5×109

/cm 2，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2×10-10

m ，试求亚晶界上的位错间距和亚晶的平均尺寸。

10

102102310()0.0872sin 2

b

b

D m θθ--?=≈==?

正六边形面积2S =

，总边长为6a 。 单位面积中亚晶粒数目n=1/S

1311151062

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：

sin100

sin130

sin130

βα

βα

αα

γγγ=

=

020

sin1300.766

0.310.241(/)sin1000.985

J m βα

ααγγ=?=?=

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

41

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=

00

100%F

A A A -?， 25%=

1100%hw w hw -?， 43h =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-=

=- 0.9l n 10.5%T h

h ε==- ③(21)100%;e L L ε-=

= 2l n 69.3%T L

L ε== ④(0.51)50%;e h h ε-=

=- 0.5l n 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：||||cos cos ||||a b

a b a b a b θθ??=??=

=

? (111)[101]滑移系

：cos λ=（负号不影响切应力大小，故取正号

）

cos φ=

=cos cos 28.577()Mpa τσλφ=

= (111)[110]

滑移系：cos 0, cos 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 ？

1

2

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

012

01120

0441(

)85%4

d d A A d A A A d d π

π

π-

-?==

=-= 故

12356 2.324(

)2.324

0.9(

)0.9

0.348(

)

d m m d m m d m m =?==?==?= 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？

21

11()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 。

①13319

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 -=?

材料科学基础试题

材料科学基础试题库 一填空： 1 固体中的结合键分为离子键，共价键和金属键3种化学键以及分子键、氢键等物理键。2 3 复合材料通常由基体、增强体以及它们之间形成的界面组成。 4 么宏观上完全相同，要么呈连续变化而没有突变现象。 5 扩散是固体中质量传输的唯一途径。 6 一、判断题： 1. 匀晶合金在不平衡凝固时成分会发生偏析.。（T） 2. 刃型位错有正负之分，他们之间有本质区别。（F） 3. 珠光体是奥氏体和渗碳体的片层状混合物。（F） 4. 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。（F） 5. 陶瓷材料的金属元素和非金属元素主要通过共价键连接。（F） 6. 单相组织一般具有良好的延展性，而共晶合金则具有良好的铸造性能。（T） 7. 扩散是固体中质量传输的唯一途径。（T） 8. 在实际系统中，纯金属的凝固是非均匀形核。（T） 9. 在空位机制中，原子的扩散可以看作是空位的移动。（T） 10. 晶体长大微观界面为粗糙时，宏观表现为光滑界面。（T） 11. 热膨胀的本质是原子半径的胀大。（F） 12. 二元合金中不可能有四相共存。(F ) 13. 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（F） 14. 复合材料通常由基体、增强体以及它们之间形成的界面组成。(T )

15. 匀晶系是指二组元在液态、固态能完全互溶的系统。（T） 16. 枝晶偏析不可以通过退火的方法消除。（F） 17. 莱氏体和珠光体都是混合物。（T） 18. 把一根导线反复的缠绕后其电阻将会增加。（T） 19. 陶瓷的抗拉强度通常是抗压强度的5-10倍。（F） 20. 先共析渗碳体是间隙固溶体，其性质硬而脆。（F） 21. 在实际系统中，纯金属的凝固是均匀形核。（F） 22. Fick第一定律表示通过某一截面的扩散流量与垂直这个截面方向上浓度梯度成正比，其方向与浓度降落方向一致。（T） 23. 临界形核尺寸与其形状有密切关系。（F） 24. 高分子化合物的大分子由链节构成，链节的重复次数称为聚合度。（T） 25. 缩聚反应就是大分子变成小分子的反应，不一定有副产物。( F) 26. 将薄板在冲压之前进行一道微量冷轧工序，可以消除吕德斯带。（T） 27. 热塑性聚合物应力与应变呈线性关系主要是由链段运动引起。（F） 28. 晶体滑移的滑移是通过位错的运动来实现的。（T） 29．热膨胀的本质是原子间距离的增大。（T） 30．陶瓷的抗压强度通常比抗拉强度高。（T） 31．两相之间的自由能差值是发生相变的驱动力。（T） 选择题： 1．属于<100>晶向族的晶向是（ABC） （A）[010] （B）[010] （C）[001] （D）[110] 2．体心立方结构每个晶胞有（B）个原子。

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。

材料科学基础习题及参考答案复习过程

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。

北京科技大学材料科学基础真题大全

1999年招收攻读硕士学位研究生入学考试试题 考试科目: 金属学 适用专业: 科学技术史冶金物理化学钢铁冶金有色金属材料加工工程 说明:统考生做1~10题,单考生做1~7题和11~13题。 1、名词解释10分) (1)点阵畸变(2)组成过冷 (3)再结晶温度 (4)滑移和孪生(5)惯习现象 2、说明面心立方、体心立方、密排六方(c/a≥1.633)三种晶体结构形成的最密排面,最密排方向和致密度。(10分) 3、在形变过程中,位错增殖的机理是什么?(10分) 4、简述低碳钢热加工后形成带状组织的原因,以及相变时增大冷却度速度可避免带状组织产生的原因。(10分) 5、简要描述含碳量0.25%的钢从液态缓慢冷却至室温的相变过程(包括相变转换和成分转换)。(10分) 6、选答题(二选一,10分) (1)铸锭中区域偏析有哪几种?试分析其原因,并提出消除区域偏析的措施。 (2)固溶体结晶的一般特点是什么?简要描述固溶体非平衡态结晶时产生显微偏析的原因,说明消除显微偏析的方法。 7、简述金属或合金冷塑性变形后,其结构、组织和性能的变化。(10分) 8、简述经冷变形的金属或合金在退火时其显微组织,储存能和性能的变化规律。(10分) 9、选答题(二选一,10分) (1)为了提高Al-4.5%Cu合金的综合力学性能,采用了如下热处理工艺制度,在熔盐浴中505℃保温30分钟后,在水中淬火,然后在190℃下保温24小时,试分析其原因以及整个过程中显微组织的变化过程。 (2)什么叫固溶体的脱溶?说明连续脱溶和不连续脱溶在脱溶过程中母相成分变化的特点。 10、简述固溶强化,形变强化,细晶强化和弥散强化的强化机理。(10分) 11、简述影响再结晶晶粒大小的因素有哪些?并说明其影响的基本规律。(10分) 12、画出铁碳相图,并写出其中包晶反应,共晶反应和共析反应的反应式。(10分) 13、选做题(二选一,10分) (1)如果其他条件相同,试比较下列铸造条件下,铸件中晶粒大小,并分析原因。 a.水冷模浇铸和砂模浇铸 b.低过热度浇铸和高过热浇铸 c.电磁搅拌和无电磁搅拌 d.加入,不加入Al-Ti-B铅合金。 (2)什么叫形变织构?什么叫再结晶织构?简要说明形变织构,再结晶织构的形成机理。 2000年招收攻读硕士学位研究生入学考试试题 考试科目: 金属学 适用专业: 材料加工工程科学技术史 说明:统考生答1-10题,单考生答1-7题和11-13题。 1.名词解释(10分) 1相界面2相律3过渡相④菲克第一定律⑤退火织构 2.什么是固溶体?在单相合金中,影响合金元素的固溶度的因素有哪些?固溶体与组成固溶体

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

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--------------------。

材料科学基础试题及答案考研专用

一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。

三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，

材料科学基础课后习题

1.作图表示立方晶体的晶面及晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向 等。 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.镁的原子堆积密度和所有hcp金属一样，为。试求镁单位晶胞的 体积。已知Mg的密度，相对原子质量为，原子半径r=。 5.当CN=6时离子半径为，试问： 1)当CN=4时，其半径为多少？ 2)当CN=8时，其半径为多少？ 6.试问：在铜（fcc,a=）的<100>方向及铁(bcc,a=的<100>方向,原 子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上1中各有多少个原子。 8.石英的密度为。试问： 1)1中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2)当硅与氧的半径分别为与时，其堆积密度为多少（假设原子是 球形的）？

9.在800℃时个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移 动，而在900℃时个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原 子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空 位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。 若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b∥AB。 1)有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台 阶应为4个b,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后， 滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD平行于晶体的上、下底面。 晶体中有一条位错线段在滑移面上并平行AB，段与滑移面垂直。位错的柏氏矢量b与平行而与垂直。试问： 1)欲使段位错在ABCD滑移面上运动而不动，应对晶体施加 怎样的应力？ 2)在上述应力作用下位错线如何运动？晶体外形如何变化？ 13.设面心立方晶体中的为滑移面，位错滑移后的滑移矢量为 。 1)在晶胞中画出柏氏矢量b的方向并计算出其大小。 2)在晶胞中画出引起该滑移的刃型位错和螺型位错的位错线方 向，并写出此二位错线的晶向指数。

《材料科学基础》课后答案章

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： (1)以点阵常数为单位，计算体心立方、面心立方和密排六方晶体中的原子半径及四面体和八面体的间隙半径。 (2）计算体心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子数、致密度和配位数。 6．用密勒指数表示出体心立方、面心立方和密排六方结构中的原子密排面和原子密排方向，并分别计算这些晶面和晶向上的原子密度。 解：1、体心立方

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

材料科学基础经典习题及答案

第一章 材料科学基础 1.作图表示立方晶体的()()()421,210,123晶面及[][ ][]346,112,021晶向。 2.在六方晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。 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.镁的原子堆积密度和所有hcp 金属一样，为0.74。试求镁单位晶胞的体积。已知Mg 的密度3 Mg/m 74.1=mg ρ，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161nm 。 5.当CN=6时+Na 离子半径为0.097nm ，试问： 1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？ 6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>方向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>方向,原子的线密度为多少？ 7.镍为面心立方结构，其原子半径为nm 1246.0=Ni r 。试确定在镍的 （100），（110）及（111）平面上12mm 中各有多少个原子。 8. 石英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。试问： 1) 13 m 中有多少个硅原子（与氧原子）？ 2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原子是球形的）？ 9.在800℃时1010个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动， 而在900℃时910个原子中则只有一个原子，试求其激活能（J/原子）。 10.若将一块铁加热至850℃，然后快速冷却到20℃。试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成一摩尔空位所需要的能量为104600J ）。 11.设图1-18所示的立方晶体的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。若该滑移面上有一正方形位错环，如果位错环的各段分别与滑移面各边平行，其柏氏矢量b ∥AB 。 1) 有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b ,试问这种看法是否正确？为什么？ 2)指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。 12.设图1-19所示立方晶体中的滑移面ABCD 平行于晶体的上、下底面。晶体中有一条位错线de fed ,段在滑移面上并平行AB ，ef 段与滑移面垂直。位错的柏氏矢量b 与de 平行而与ef 垂直。试问：1) 欲使de 段位错在ABCD 滑移面上运动而ef 不动，应对晶体施加怎样的应

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

材料科学基础试题库

一、单项选择题(请在每小题的4个备选答案中，选出一个最佳答案， 共10小题；每小题2分，共20分) 1、材料按照使用性能，可分为结构材料和 。 A. 高分子材料； B. 功能材料； C. 金属材料； D. 复合材料。 2、在下列结合键中，不属于一次键的是： A. 离子键； B. 金属键； C. 氢键； D. 共价键。 3、材料的许多性能均与结合键有关，如大多数金属均具有较高的密度是由于： A. 金属元素具有较高的相对原子质量； B. 金属键具有方向性； C. 金属键没有方向性； D.A 和C 。 3、下述晶面指数中，不属于同一晶面族的是： A. (110)； B. (101)； C. (011- ）；D. (100)。 4、 面心立方晶体中，一个晶胞中的原子数目为： A. 2； B. 4； C. 6； D. 14。 5、 体心立方结构晶体的配位数是： A. 8； B.12； C. 4； D. 16。 6、面心立方结构晶体的原子密排面是： A. {111}； B. {110}； C. (100)； D. [111]。 7、立方晶体中（110）和（211）面同属于 晶带 A. [110]； B. [100]； C. [211]； D. [--111]。 6、体心立方结构中原子的最密排晶向族是： A. <100>； B. [111]； C. <111>； D. (111)。 6、如果某一晶体中若干晶面属于某一晶带，则： A. 这些晶面必定是同族晶面； B. 这些晶面必定相互平行； C. 这些晶面上原子排列相同； D. 这些晶面之间的交线相互平行。 7、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; C. 4, 4, 6; D. 2, 4, 6 7、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. 弗兰克缺陷； C. 线缺陷； D. 面缺陷 7、两平行螺旋位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力：