材料科学基础复习题66497教学内容
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复习思考题第一章材料中的晶体结构(1)要求学生课后复习并巩固晶体的性质以及原子间相互作用力与原子之间距离的关系方面的教学内容(2)说明为何十四种布拉菲点阵中底心四方点阵和面心四方点阵?(3)画出面心立方晶体中(111)面上的[112]晶向。
(4)何谓晶带定律?判断(110)、(132)和(311)晶面是否属于同一晶带。
(5)分别计算晶格常数为a的面心和体心立方晶体{110}晶面的面间距(6)分别画出面心立方、体心立方、密排六方晶胞,并分别计算面心立方、体心立方、密排六方晶体的致密度。
(7)分别计算面心立方晶体{111}晶面和体心立方晶体{110}晶面原子面密度。
(8)何谓金属的多晶型性?(9).分别计算面心立方和体心立方结构中八面体和四面体间隙的大小。
(10)何谓间隙固溶体?何谓置换固溶体?(11)M g2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、Cu3Al、Cu5Si、Cu5Zn8、CuZn3、Au5Zn8化合物中,哪些属于正常价化合物?哪些属于电子浓度化合物?(12)F e4N、Cr2N、VC、TiH2、Fe3C、Cr7C3、Cr23C6化合物中,哪些属于间隙相?哪些属于间隙化合物?(13)指出间隙相和间隙化合物之间的主要区别。
第2章晶体缺陷(1)按空间几何特征,晶体缺陷共分为几种类型?列举出每种类型晶体缺陷的具体实例。
(2)何谓点缺陷的热力学平衡性?(3)指出刃型位错与螺型位错在结构方面的不同之处。
(4)一个环形位错能否各部分均为刃型位错或螺型位错?为什么?(5)面心立方晶体中(111)晶面上的[]10121=b螺型位错在滑移过程中受阻时,将通过交滑移转移到哪一个{111}晶面上继续滑移?为什么?※(6)何谓位错的滑移与攀移?其实质各是什么?※(7)何谓位错交割?(8)分析柏氏矢量互相垂直的两个刃型位错的交割过程。
第3章固体中的扩散(1)扩散第二定律表达式的推导过程(2)针对实际渗碳问题,根据已知条件计算达到一定渗层深度所需要的时间或计算经过一定渗碳时间后所达到的渗层深度。
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。
第三章作业答案1.说明面心立方结构的潜在滑移系有12个,体心立方结构的潜在滑移系有48个。
解:面心立方晶体的滑移系是{111} < 1-10> , (111}有四个,每个{111}面上有三个〈110〉方向,所以共有12个潜在滑移系。
体心立方晶体的滑移系是(110} <- 111 > , {211} <- 111 >以及{312} < -111 >o{110}面共有6个,每个{110}面上有两个<-111 >方向,这种滑移系共有12个潜在滑移系; {211}面有12个,每个“211”面上有1个〈111〉方向,这种滑移系共有12个潜在滑移系;{312}面共有24个,每个{312}面上有1个<-111 >方向,这种滑移系共有潜在滑移系24个, 这样,体心立方晶体的潜在滑移系共有48个。
2.一个位错环能否各部分都是螺位错?能否各部分都是刃位错?为什么?解:螺位错的柏氏矢量与位错线平行,而一个位错只有一个柏氏矢量,一个位错环不可能与一个方向处处平行,所以一个位错环不能各部分都是螺位错。
刃位错的柏氏矢量与位错线垂直,如果柏氏矢量垂直位错环所在的平面,则位错环处处都是刃位错。
这种位错的滑移面是位错环与柏氏矢量方向组成的棱柱面,这种位错又称棱柱位错。
3.纯铁的空位形成能为105kJ/mol.将纯铁加热到850°C后激冷至室温(20°C),假设高温下的空位能全部保留,试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
解:G,=4exp(-g)850 °C (1123K)后激穆室温可以认为全部空位保留下来Exp(31.87)4.写出距位错中心为R1范围内的位错弹性应变能。
如果弹性应变能为R1范围的一倍,则所涉及的距位错中心距离R2为多大?解:距位错中心为&范围内的位错弹性应变能为E = 竺瓦马。
4忒Ab如果弹性应变能为&范围的一倍,则所涉及的距位错中心距离R2为2 竺= 也4.K Ab A TT K Ab即R,=¥2 Ab5.简单立方晶体(100)面有一个b=[001]的螺位错。
材料科学基础考前重点复习题1. Mn 的同素异构体有一为立方结构,其晶格常数α为0.632nm ,密度ρ为26.7g/cm 3,原子半径r 等于0.122nm ,问Mn 晶胞中有几个原子,其致密度为多少?答案解析:习题册 P9 2-22.2. 如图1所示,设有两个α相晶粒与一个β相晶粒相交于一公共晶棱,并形成三叉晶界,已知β相所张的两面角为80℃,界面能ααγ为0.60Jm -2, 试求α相与β相的界面能αβγ。
图1答案解析:习题册 P17 3-42.3. 有两种激活能分别为1Q =53.7kJ/mol 和2Q =201kJ/mol 的扩散反应,观察在温度从25℃升高到800℃时对这两种扩散的影响,并对结果进行评述。
答案解析:习题册 P21 4-8.4. 论述强化金属材料的方法、特点和机理。
答:(1)结晶强化。
通过控制结晶条件,在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织,提高金属材料的性能。
包括细化晶粒,提高金属材料纯度。
(2)形变强化。
金属材料在塑性变形后位错运动的阻力增加,冷加工塑性变形提高其强度。
(3)固溶强化。
通过合金化(加入合金元素)组成固溶体,使金属材料强化。
(4)相变强化。
合金化的金属材料,通过热处理等手段发生固态相变,获得需要的组织结构,使金属材料强化。
(5)晶界强化。
晶界部位自由能较高,存在着大量缺陷和空穴。
低温时,晶界阻碍位错运动,晶界强度高于晶粒本身;高温时,沿晶界扩散速度比晶内扩散速度快,晶界强度显著降低。
强化晶界可强化金属材料。
5. 什么是回复,请简述金属材料冷变形后回复的机制。
试举例说明回复的作用。
答:(1)回复是冷变形金属在低温加热时,其显微组织无可见变化,但物理性能、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。
(2)回复机制:低温回复主要与点缺陷迁移有关,冷变形时产生大量的点缺陷,空穴与间隙原子。
温度较高时,中温回复会发生位错运动和重新分布。
位错滑移,异号位错相遇而抵消,位错缠结重新排列,位错密度降低。
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2.56A,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)=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0.02464nm3;fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。
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》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。
材料学基础复习大纲(含答案完整版)注:P42等为页码,*P184等为不确定页码,页码标注可能有错,请自己改正。
一、名词解释固溶体P42以某一组员为溶剂,在其晶体点阵中溶入其他组元原子(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。
伪共晶P271在非平衡凝固条件下,由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。
加工硬化P192金属材料经冷加工变形后,强度(硬度)显著提高,而塑性则很快下降,即产生加工硬化现象。
反应扩散P156当某种元素通过扩散,自金属表面向内部渗透时,若该扩散元素的含量超过超过基体金属的溶解度,则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相(也可能是另一种固溶体),这种通过扩散形成新相的现象称为反应扩散。
晶胞P20能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元间隙固溶体P42溶质原子占据溶剂晶格中的间隙位置而形成的固溶体。
临界晶核 P231晶胚体系自由能最大值所对应的晶核(只有半径大于r的晶胚才能稳定存在并且长大,半径为r的晶核称为临界晶核)枝晶偏析P267如果结晶过程冷却速度较快,液体和固体成分来不及均匀,除晶粒细小外,固体中的成分会出现不均匀,树枝晶中成分也不均匀,产生晶内偏析(也称枝晶偏析)离异共晶P272有共晶反应的合金中,如果成分离共晶点较远,由于初晶相数量较多,共晶相数量很少,共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大,另外一个相单独分布于晶界处,使得共晶组织的特征消失,这种两相分离的共晶称为离异共晶。
临界分切应力P174把滑移系开始滑动所需要的最小分切应力称为临界分切应力回复P196经塑性形变的金属或合金在室温或不太高的温度下退火时,金属或合金的显微组织几乎没有变化,然而性能却有程度不同的改变,使之趋近于塑性形变之前的数值,这一现象称为回复。
二.简答题说明柏氏矢量的确定方法,如何利用柏氏矢量和位错线判断位错类型?P911)人为假定位错线方向,一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向2)用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向,使位错线的正向与右螺旋的正向一致3)将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较在实际晶体中作一柏氏回路,在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路,自路线终点向起点的矢量,即“柏氏矢量”。
材料科学基础复习资料材料科学基础是各个工程领域的基本学科,是各个领域的基础。
材料科学基础涵盖了材料的结构、物理与化学性质、制备工艺等方面内容,是材料科学领域学习过程中必须掌握的知识。
因此,为帮助有需要的人顺利复习材料科学基础知识,本文整理了一些相关的复习资料。
一、材料基础知识1. 基本的物理性质:包括化学成分、密度、电导率、热导率等基本参数,通常在每种材料的材料数据表中都可查到。
2. 结构相关:晶体结构:晶体结构指材料中原子、离子、分子排布的类型和规律,常用的晶体结构有:立方晶系、四方晶系、六方晶系、等轴晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系等。
非晶态:非晶态作为一种新兴的材料类型,其分子呈无序排列,在某些情况下可能拥有更好的性能。
3. 材料特性:热膨胀系数:在温度变化时,材料线膨胀的速度大小,通常用公式ΔL/L0 = αΔT 表示,其中α为热膨胀系数。
韧性:材料在受到剪切力或拉伸力时的弹性变形程度,是一种考量材料性能的指标,通常可以通过材料变形曲线进行查看。
4. 金属与合金相关:金属材料通常具有良好的导电、导热等特性,同时在高温、高压等环境下具有较强的稳定性。
合金则通常是由多个金属或者非金属元素组成的混合物,其性质与材料组分、配比等有关。
二、材料治理、工艺及应用1. 材料的处理:常用材料的处理包括固化、焊接、框架处理、表面处理以及高压工艺等,其中固化的过程包括了煅烧、烧结等过程。
2. 材料配方:通常材料的配方根据材料的成分、目的等进行确定,其中分子键长、键能以及分子排列等指标都可能用来确定最终配方。
3. 材料的加工工序:通常材料加工工序包括切削、钣金、打压成形等过程,每个工序都会影响材料的性质和特性。
三、材料的主要分类1. 材料的物理分类:主要涉及到材料的形态、密度以及各种物理性质,通常有固体、液体、气体以及等离子体等分类方式。
2. 材料的化学分类:不同的元素应用于不同的方案分类,这种分类通常依据材料的化学成分。
材料科学基础复习题及答案(1)⼀、填空题1.铸锭的宏观组织是由表层细晶区、柱状晶区、中⼼等轴晶区三个区组成。
2. 每个⾯⼼⽴⽅晶胞中的原⼦数为 4 ,其配位数为12 。
3a, 配3.晶格常数为a的体⼼⽴⽅晶胞, 其原⼦数为 2 , 原⼦半径为4/位数为 8 ,致密度为 0.68 。
4. 根据参数相互关系,可将全部点阵归属于7 种晶系,14 种布拉维点阵。
5. 刃型位错的柏⽒⽮量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏⽒⽮量与位错线互相平⾏。
螺型位错的位错线平⾏于滑移⽅向,位错线的运动⽅向垂直于位错线。
6. 扩散的驱动⼒是__化学势梯度____。
分别以D L、D S和D B表⽰晶内、表⾯和界⾯的扩散系数,则三者⼤⼩的⼀般规律是D L7. 在过冷液体中,晶胚尺⼨⼩于临界尺⼨时不能⾃发长⼤。
8. 均匀形核既需要结构起伏,⼜需要能量起伏。
9. 蠕变是指在某温度下恒定应⼒下所发⽣的缓慢⽽连续的塑性流变现象。
10. 再结晶形核机制包括晶界⼸出和亚晶形核两种,其中亚晶形核机制⼜分为亚晶合并和亚晶迁移两种。
11. 纯⾦属结晶时,固液界⾯按微观结构分为光滑界⾯和粗糙界⾯。
12.纯⾦属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度,这种现象称为过冷,理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。
13.合⾦中的基本相结构,有固溶体和⾦属化合物两类,其中前者具有较⾼的综合机械性能,适宜做基体相;后者具有较⾼的熔点和硬度,适宜做强化相。
14. 刃型位错的割阶部分仍为刃型位错,扭折部分则为螺型位错;螺形位错中的扭折和割阶部分均属于刃型位错。
15. 再结晶的驱动⼒是变形⾦属经回复后未被释放的储存能。
16. 为了使材料获得超塑性,通常应满⾜三个条件:具有等轴细⼩两相组织、在(0.5~0.65)Tm 温度范围内和在10-2~10-4 s-1 应变率范围内进⾏。
17. ⾮稳态扩散可⽤菲克第⼀定律结合质量守恒条件推导出的菲克第⼆定律描述。
18. 间隙相和间隙化合物主要受组元的原⼦尺⼨因素控制。
材料科学基础复习提纲复习资料(修订版)修正部分错别字,增删部分重点内容(红字标出)材料科学基础Ⅰ(贵清部分)第⼀章晶体学基础1.1晶⾯指数、晶向指数(不包含四指数问题)的标定及晶⾯间距、晶向长度的计算(公式P40~P41)1.2晶体结构和空间点阵的区别?答:晶体结构是晶体中各原⼦的分布,种类丰富多样,⽽空间点阵是原⼦分布规律的代表点,由这些抽象出来的阵点构成,只有14种结构。
1.3 晶胞选择的条件?答:晶胞的选择要尽量满⾜以下三个条件:1)能反映点阵的周期性;2)能反映点阵的对称性;3)晶胞的体积最⼩。
1.4结构胞和原胞的联系和区别?答:结构胞和原胞必须都能反映点阵的周期性,结构胞是在保证对称性的前提下选取体积尽量⼩的晶胞;原胞是保证晶胞体积最⼩,⽽不⼀定反映对称性。
1.5 周期的概念?答:⽆论从哪个⽅向看去,总是相隔⼀定的距离就出现相同的原⼦或者原⼦集团,这个距离就是周期。
1.6 常见晶体结构中的重要间隙?答:FCC晶体中⼋⾯体间隙4个,四⾯体间隙8个;BCC晶体中⼋⾯体间隙6个,四⾯体间隙12个;HCP晶体中⼋⾯体间隙6个,四⾯体间隙12个。
1.7 常见晶体结构的堆垛⽅式?答:BCC和HCP晶体的堆垛⽅式是ABABAB……;FCC晶体的堆垛⽅式是ABCABC……。
1.8 晶带⽅程的表达式?答:hu+kv+lw=0。
第⼆章固体材料的结构2.1 什么是合⾦、组元、合⾦相、组织以及组元、合⾦相、组织之间的关系?答:合⾦:由⾦属和其他⼀种或⼏种元素通过化学键合⽽形成的材料;组元:组成合⾦的每种元素称为组元;合⾦相:具有相同的成分、结构和性能的部分称为合⾦相或简称相;组织:在⼀定外界条件下,⼀定成分的合⾦可以由若⼲不同的相组成,这些相的总体便称为组织。
关系:合⾦相由组元构成,⽽组织⼜由合⾦相组成,单⼀元素即可以称之为组元⼜可以称之为相⼜也可以称之为组织。
2.2 固溶体和化合物的区别?答:固溶体的溶质和溶剂占据⼀个共同的布拉菲点阵,且此点阵类型和溶剂的点阵类型相同,固溶体有⼀定的成分范围,组元含量在⼀定范围内可以变化⽽点阵类型不变,由于成分可变,固溶体不能⽤⼀个化学式表达;化合物是由两种或多种组元按⼀定⽐例构成⼀个新的点阵,它既不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵,化合物通常可以⽤⼀个化学式表达,⾦属与⾦属形成的化合物往往有⼀定的成分范围,但⽐固溶体范围⼩得多。
材料科学基础2复习题及部分参考答案一、名词解释1、再结晶:指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时,通过新晶粒的形核及长大,以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。
2、交滑移:在晶体中,出现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。
3、冷拉:在常温条件下,以超过原来屈服点强度的拉应力,强行拉伸聚合物,使其产生塑性变形以达到提高其屈服点强度和节约材料为目的。
(《笔记》聚合物拉伸时出现的细颈伸展过程。
)4、位错:指晶体材料的一种内部微观缺陷,即原子的局部不规则排列(晶体学缺陷)。
(《书》晶体中某处一列或者若干列原子发生了有规律的错排现象)5、柯氏气团:金属内部存在的大量位错线,在刃型位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子(大小不同吸附的位置有差别),形成所谓的“柯氏气团”。
(《书》溶质原子与位错弹性交互作用的结果,使溶质原子趋于聚集在位错周围,以减小畸变,降低体系的能量,使体系更加稳定。
)6、位错密度:单位体积晶体中所含的位错线的总长度或晶体中穿过单位截面面积的位错线数目。
7、二次再结晶:晶粒的不均匀长大就好像在再结晶后均匀、细小的等轴晶粒中又重新发生了再结晶。
8、滑移的临界分切应力:滑移系开动所需要的最小分切应力。
(《书》晶体开始滑移时,滑移方向上的分切应力。
)9、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,又称冷作硬化。
(《书》随塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增加的现象。
)10、热加工:金属铸造、热扎、锻造、焊接和金属热处理等工艺的总称。
(《书》使金属在再结晶温度以上发生加工变形的工艺。
)11、柏氏矢量:是描述位错实质的重要物理量。
反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。
(《书》揭示位错本质并描述位错行为的矢量。
)反映由位错引起的点阵畸变大小的物理量。
12、多滑移:晶体的滑移在两组或者更多的滑移面(系)上同时进行或者交替进行。
13、堆垛层错:晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误,从而导致的沿该层间平面(称为层错面)两侧附近原子的错排的一种面缺陷。
材料科学基础习题集第1章原子结构与键合概念与名词:分子,原子;主量子数n,轨道角动量量子数l,磁量子数m,自旋角动量量子数s;能量最低原理,Pauli不相容原理,Hund规则;元素,元素周期表,周期,族;结合键,金属键,离子键,共价键,范德华力,氢键;第2章固体结构概念与名词:晶体,非晶体;晶体结构,空间点阵,阵点,晶胞, 7 个晶系, 14 种布拉菲点阵;宏观对称元素,微观对称元素,点群,空间群;极射投影,极点,吴氏网,标准投影;晶向指数,晶面指数,晶向族,晶面族,晶带轴,共价面,晶面间距;面心立方,体心立方,密排立方,多晶型性,同素异构体;点阵常数,晶胞原子数,配位数,致密度,四面体间隙,八面体间隙;合金,相,固溶体,中间相,短程有序参数a ,长程有序参数 S ;置换固溶体,间隙固溶体,有限固溶体,无限固溶体,无序固溶体,有序固溶体;正常价化合物,电子化合物,电子浓度,间隙相,间隙化合物,拓扑密堆相;离子晶体, NaCl 型结构,闪锌矿型结构,纤锌矿型结构,硅酸盐 [SiO 4 ] 4- 四面体;共价晶体,金刚石结构;聚集态结构,球晶,缨状微束模型,折叠链模型,伸直链模型;玻璃,玻璃化转变温度[ U V W ] 与 [ u v t w ] 之间的互换关系:晶带定律:立方晶系晶面间距计算公式:六方晶系晶面间距计算公式:电子浓度计算公式:1.假定有一个晶向BC ,通过坐标原点O 作直线与BC 平行,在直线上任取一点P ,P 点在三个坐标轴上的坐标分别为Xa=a/2,Yb=b/2,Zc=c,求晶相BC 的晶相指数,并画出晶向BC 。
2.已知一个晶向在四轴上坐标分别为OX=a ,OY=-1/2b ,OU=-1/2d ,OZ=0;求该晶向的晶向指数,并画出该晶向。
3. 四方晶系,a=b 、c=1/2a ,一个晶面在X 、Y 、Z 轴上的截距分别为2a,3b,6c,求该晶面的晶面指数,并用图表示。
4. 在四轴定向的六方晶体中,一个晶面在四个结晶轴上截距分别为∞、b 、-d 、∞,求该晶面的晶面指数,并画出该晶面。
高校材料科学基础复习题及答案姓名:班级:学号:得分:一、单项选择题:(每一道题1分)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.属于物理键的是。
(A)共价键(B)范德华力(C)氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
(A)共价键(B)离子键(C)金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。
(A)100% (B)68% (C)74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。
(A)100% (B)68% (C)74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。
(A)100% (B)68% (C)74%7.以下不具有多晶型性的金属是。
(A)铜(B)锰(C)铁8.面心立方晶体的孪晶面是。
(A){112} (B){110} (C){111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中,形变时各向异性行为最显著的是。
(A)fcc (B)bcc (C)hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式?(A)复合强化(B)弥散强化(C)固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
(A)氮(B)碳(C)硼12.以下属于正常价化合物的是。
(A)Mg2Pb (B)Cu5Sn (C)Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系?(A)垂直(B)平行(C)交叉14.能进行攀移的位错必然是。
(A)刃型位错(B)螺型位错(C)混合位错15.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16.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17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是(A)孪晶铜(B)中碳钢(C)亚共晶铝硅合金18.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19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征,即浓度不随变化。
材料科学基础教程及习题目录第1章原子结构与键合 (1)1.1 原子结构 (1)1.2 原子间的键合 (2)1.3 高分子链 (3)本章重点复习 (4)第2章固体结构 (6)2.1 晶体学基础 (6)2.2 金属的晶体结构 (7)2.3 合金相结构 (9)2.4 离子晶体结构 (12)2.5 共价晶体结构 (14)2.6 聚合物的晶体结构 (14)2.7 非晶态结构 (16)本章重点复习 (17)第3章晶体缺陷 (20)3.1 点缺陷 (20)3.2 位错 (21)3.3 表面及界面 (23)本章重点复习 (27)第4章固体中原子及分子的运动 (30)4.1 表象理论 (30)4.2 扩散的热力学分析 (31)4.3 扩散的原子理论 (31)4.4 扩散激活能 (33)4.5 无规则行走与扩散距离 (33)本章重点复习 (33)第5章材料的形变和再结晶 (36)5.1 弹性和粘弹性 (36)5.2 晶体的塑性变形 (38)5.3 回复和再结晶 (44)5.4 高聚物的塑性变形 (48)本章重点复习 (48)第6章单组元相图及纯晶体凝固 (51)6.1 单元系相变的热力学及相平衡 (52)6.2 纯晶体的凝固 (53)本章重点复习 (54)第7章二元系相图及合金的凝固 (57)7.1 相图的表示和测定方法 (57)7.2 相图热力学的基本要点 (58)7.3 二元相图分析 (59)7.4 二元合金的凝固理论 (61)7.5 高分子合金概述 (63)本章重点复习 (65)第8章三元相图 (70)8.1 三元相图基础 (71)8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 (74)8.3 固态有限互溶的三元共晶相图 (77)8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 (78) 8.5 包共晶型三元系相图 (79)8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 (79)8.7 形成稳定化合物的三元系相图 (80)8.8 三元相图举例 (81)8.9 三元相图小结 (83)本章重点复习 (85)第9章材料的亚稳态 (88)9.1纳米晶材料 (88)9.2 准晶态 (91)9.3 非晶态材料 (92)9.4 固态相变形成的亚稳相 (94)本章重点复习 (95)各章例题、习题以及解答 (97)第1章原子结构与键合 (97)第2章固体结构 (102)第3章晶体缺陷 (111)第4章固体中原子及分子的运动 (120)第5章材料的形变和再结晶 (128)第6章单组元相图及纯晶体凝固 (137)第7章二元系相图及合金的凝固 (141)第8章三元相图 (151)第9章材料的亚稳态 (159)第1章原子结构与键合材料是国民经济的物质基础。
一名词解释1、致密度:表示晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值,是衡量原子排列紧密程度的参数,致密度越大,晶体中原子排列越紧密,晶体结构越致密。
2、相:合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构、成分基本相同、并有明确界面与其他部分相分开的均匀组成部分。
3、固溶体:指以合金某一组元为溶剂,在其晶格中溶入其他组元原子(溶质)后所形成的一种合金相,其特征是仍保持溶剂晶格类型,结点上或间隙中含有其他组元原子。
4、离异共晶:成分点靠近共晶转变线两端的亚共晶和过共晶合金,结晶后组织中初晶量多,共晶体数量少,而且共晶体中与初晶相同的一相与初晶结合在一起,将共晶体中另一相推至晶界,造成的共晶体两相分离的非平衡组织。
5、平衡分配系数:固溶体合金在结晶过程中具有选分结晶的特点。
因此在一定温度下平衡时,固相成分与液相成分之比称为平衡分配系数。
该参数反映了溶质在固液两相中的分配系数及溶质对合金熔点的影响程度。
6、反应扩散:在固态扩散的过程中,如果渗入元素在金属中溶解度有限,随着扩散原子增多,当渗入原子的浓度超过饱和溶解度时则形成不同于原相的固液体或中间相,从而使金属表层分为出现新相和不出现新相的两层,这种通过扩散而形成新相的过程称为反应扩散。
7、固溶强化:当形成固溶体后,溶剂晶格中因溶有溶质原子而产生晶格畸变,溶质原子的应力场会与位错产生交互作用而阻碍位错运动,增大了位错运动的阻力,使得临界分切应力远比纯金属打,滑移系开动比纯金属困难,使材料的塑性变形抗力提高,硬度、强度上升,而塑性、韧性下降的现象称为固溶强化。
8、退火:将金属及其合金加热至相变温度以上,保温一段时间,然后以较为缓慢的速度冷却,以获得近于平衡组织的热处理工艺称为退火。
9、淬透性:是钢在淬火时能获得马氏体组织的倾向(即钢被淬透的能力)10、柏氏矢量:用来描述位错引起晶格畸变的物理量。
该矢量的模是位错的强度,表示晶格总畸变的大小,其方向表示晶格点畸变的方向。
一般情况下,该矢量越大,晶体畸变的程度越大。
11、成分过冷:固溶体合金凝固时,由于液相中溶质的分布发生变化,合金熔点也发生变化,即使实际温度分布不变,固液界面前沿的过冷度也会发生变化。
所以固溶体合金的过冷度是由变化着的合金的熔点与实际温度分布两个方面的因素共同决定的。
这种因液相成分变化而形成的过冷称为成分过冷。
12、配位数:是反映原子排列紧密程度的物理量之一,指晶格中任一原子周围与其最近邻且等距离的原子数目。
一般配位数越大,晶体排列结构越致密。
13、临界分切应力:晶体中的某个滑移系是否发生滑移,决定于力在滑移面内沿滑移方向上的分切应力,它是使滑移系开动的最小分切应力。
材料的临界分切应力取决于材料的本身性质,但和温度以及材料的纯度等也有关系。
14、中间相:指合金组元间相互作用,当超过固溶体的固溶极限时可形成晶格结构和特性完全不同于任一组元的具有金属特性的新相。
由于在相图中往往处于中间部位,因此又称为中间相。
15、枝晶偏析:是材料的一种微观偏析,即固溶体在非平衡冷却条件下,匀晶转变后新得的固溶体晶粒内部的成分是不均匀的,先结晶的内核含较多的高熔点的组元原子,后结晶的外缘含较多的低熔点的组元原子,而通常固溶体晶体以树枝晶方式长大,这样,枝干含高熔点组元较多,枝间含低熔点组元原子多,造成同一晶粒内部成分的不均匀现象。
16、 动态再结晶:在金属塑性变形过程中发生的再结晶,即形变硬化与再结晶软化同时进行的过程。
这样可以不断形成位错密度很低的新晶粒,得到的组织细小,综合力学性能好。
二填空1、典型金属的晶体结构有(fcc )(bcc )和(hcp ),其配位数相应为(12)(8)和(12)。
2、置换固溶体的溶解度与原子尺寸因素、(电负性)、电子浓度因素和(晶体结构)有关。
3、当过冷液体中出现一个晶胚时,总的自由能变化△G 可写为(23r 4r 34G ππσ+=∆),当d △G/dr=0时,所得的r 值称为(临界晶核半径)其大小决定于(过冷度)和(比表面能),r*变小意味着形核数目(增多)。
4、根据相律三元系最大平衡相数为(4)此时自由度为(零)在相图上表现为(平面)5、位错在滑移面上的运动称为(滑移),作垂直滑移面的运动称为(攀移)螺旋位错不能进行(攀移)6、面心立方金属的滑移面是({111}),滑移方向是(<110>)可组成(12)个滑移系。
7、扩散第一定律适用于稳态扩散,其数学表达式可写成(J=-Ddc/dx )。
扩散通量的单位是(1/cm 2·s ),符号为(负号)表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。
8、溶质原子半径与溶剂原子半径相近的可形成(置换)固溶体,两者半径相差较大时是(间隙)固溶体,铁素体是一种(间隙)固溶体。
9、奥氏体形核时不仅需要(结构)起伏、(能量)起伏,此外还需要(成分)起伏。
10、晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面,按照长大速度由慢到快其长大方式依次为(二维晶核长大)(晶体缺陷长大)和(垂直长大)11、马氏体是碳在(a-Fe )中的过饱和固溶体,淬火钢中马氏体的金相形态有两种,它们是(板条马氏体)和(针状马氏体)。
12、位错的两种基本类型为(刃型位错)和(螺型位错),其中刃型位错的位错的位错线方向与柏氏矢量的关系为(垂直)。
13、马氏体型不锈钢的典型钢号是(1Cr13),奥氏体不锈钢的典型钢号是(1Cr18Ni9Ti ),铁素体不锈钢是(1Cr17)。
14、上坡扩散室指扩散原子从(低浓度)向(高浓度)的扩散,产生上坡扩散的原因是合金系中存在着(化学为梯度)。
15、在均匀形核时,设晶核的形状为边长是a 的立方体,则临界晶核边长为(vG 423∆-σ),临界形核功为(vG 3223∆σ)(已知δΔGv) 16、多晶体塑性变形的特点是(不等时)性、(协调)性和(不均匀)性。
17、多晶体中的晶界有大角与小角晶界之分,通常大角与小角晶界的鉴定角度是(10),其角度的含义是(相邻晶粒的位向差)。
对于小晶界按其特征又划分为(扭转)(倾侧)和(重合)等多种类型。
18、根据相律,三元系最大平衡相数为(4),此时自由度(0),在相图上表现为(水平面)。
19、扩散第一定律只适合于(稳态)条件,第一定律所表达的基本含义是:在(0dtdc =)的条件下,制药浓度梯度存在就会有扩散发生,而且扩散通量与浓度梯度成(正比)变化。
扩散流动方向是由(高)浓度向(低)浓度。
20、固溶体合金结晶过程中遵循形核和核长大规律,但它不同于纯金属的是形核时还额外需要(成分)起伏,它也是在(变温)过程中进行的,同时在结晶过程中海始终伴随着(异质原子/溶质原子)的扩散。
21、晶体长大方式与(界面结构)有关,而晶体长大形态与(界面结构)有关,同时也与界面前沿的(温度梯度)分布有关。
22、单晶体在发生塑性变形时,常见的方式有(滑移)、(孪生)和(扭折)。
23、动态回复与动态再结晶是指在高温下进行形变,即变形过程中(形变硬化与软化)同时进行。
24、冷变形后,再结晶后晶粒度大小的控制与(冷变形度)、原始晶粒尺寸、(再结晶温度)和杂质等有关。
25、晶体在外力作用下内部运动着的位错会产生交截现象,即产生割阶与就这,其长度与相交截位错的(柏氏矢量的模)相同,而如果割阶的滑移与主位错线的滑移不一致,主位错线会拖拽割阶产生攀移运动,从而产生(割阶硬化)。
26、(11)金属塑性变形过程中发生孪生后,孪晶面两边的晶体位向呈现(对称关系),并且晶体是(均匀)切变的。
27、(13)冷塑变金属低温回复时,主要是(点缺陷的消失),高温回复时,主要是发生(多边形化)。
28、(15)动态回复与动态再结晶是指在变形过程中(软化与形变硬化)同时进行三判断1、层错是由于晶体点阵中局部存在多余的半原子面的结果。
2、位错属于晶体缺陷,又属于线缺陷。
√3、通常晶体中原子的扩散激活能愈高,其扩散系数愈大,扩散速度愉快。
4、具有不同晶体点阵的材料具有不同的滑移系,因此其可形变的倾向也不同。
√5、位错密度愈高,相应位错的柏氏矢量愈大。
6、包晶转变是指液相与一个固相相互作用,包覆原有固相形成的另一个新固相的转变。
非平衡结晶时指在实际冷却条件下,合金以较大速度冷却,偏离平衡条件的结晶,在非平衡条件下匀晶转变后新得的固溶体内部的成分是不均匀的。
√7、金属凝固时通过固相形核和核长大两个过程进行的,在晶核长大过程中一般纯金属(如Fe、Ni、Cu、Au等)的固液界面均保持光滑状态。
√8、含碳量低于Fe-C相图中S点成分的钢,无论在何种成分及何种条件下均不可能获得完全的珠光体组织。
9、晶体由于在不同方向上原子规则排列的紧密程度不同,导致原子间距和原子间的结合力不同,因而在不同方向上具有不同的性能。
所以大多数金属及合金亦都表现出具有各向异性的特征。
四选择1、钢种的奥氏体:⑴可表示为溶有碳原子的γ-固溶体。
⑵可表示为溶有碳原子a-固溶体。
⑶无论在室温还是高温下均具有良好的可塑性。
⑷又有铁磁性。
⑸具有顺磁性。
1352、铁碳合金平衡相图:⑴含有包晶转变。
⑵含有共晶转变。
⑶含有匀晶转变。
⑷含有包共晶转变。
⑸含有固溶体的脱溶析出转变。
12353、金属断裂的断口特征:⑴脆性断裂的一种断口形式是穿晶解理。
⑵解理断口主要表现为河流状花样。
⑶依河流的走向可判断微区裂纹的扩展方向,即河流的汇集方向为裂纹的扩展方向。
⑷有的材料齐韧性断裂的断口则呈现为舌形花样。
⑸韧性断裂主要表现为沿晶韧窝断口形式。
2354、固态扩散:⑴钢种铁原子的扩散属于异扩散,在不存在化学梯度时,则与浓度梯度有关。
⑵钢种合金元素的扩散属于异扩散,在不存在化学梯度时,则与浓度梯度有关。
⑶扩散第一定律只适合于稳态扩散条件,因此用其不能处理钢在渗碳过程中碳的扩散系数的准确测定。
⑷上坡扩散仅与扩散元素的化学梯度相关,而与浓度梯度无关。
⑸位错的增值是通过原子扩散运动实现的。
145五简答1、结晶、重结晶和再结晶三者在概念上有何区别?解答:结晶—金属由液态转变为固态的过程称为凝固,由于固态金属是晶体故又把凝固称为结晶。
重结晶—指在固态状态下,物质由一种结构转变成另一种结构,这是一种固态相变过程。
再结晶—将冷压力加工以后的金属加热到一定温度后,在变形的组织中重新产生新的无畸变的等轴晶粒、性能恢复到冷压力加工前的软化状态的过程。
在此过程中,仍然属于固态过程。
三者的区别于联系:结晶、重结晶发生相变过程,再结晶没有;结晶、重结晶和再结晶都是形核与长大的过程。
发生结晶与重结晶的驱动力为反应相与生成相的自由能差,再结晶为储存能。
再结晶后强度、硬度下降而塑韧性提高,而重结晶则属于同素异构转变。
2、何谓成分过冷?成分过冷对晶体生长形态有何影响?解答:固溶体合金凝固时,由于液相中溶质的分布发生变化,合金熔点也发生变化,即使实际温度分布不变,固液界面前沿的过冷度也会发生变化。