东南大学材料科学基础习题讲解

第一章材料的结构一、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化.二、填空题1、材料的键合方式有四类，分别是（），( )，（）,（）.2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成( ）。

3、我们把原子在物质内部呈( ）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（）,（ )，（ ).4、三种常见的金属晶格分别为（）,( ）和（）.5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（ ),原子半径与晶格常数的关系为( )，配位数是（）,致密度是( ）,密排晶向为（）,密排晶面为（ )，晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（ )，具有体心立方晶格的常见金属有（）。

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

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

8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和( ）。

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

10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。

11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是( ），( ），( ），( )。

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

13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），( )，( ）.14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（ )，（），（ )，( ）.15、Fe3C的铁、碳原子比为（)，碳的重量百分数为（），它是( ）的主要强化相。

习题21、立方点阵单胞轴长为a，给出简单立方、体心立方、面心立方这三种点阵的每一个阵点的最近邻、次近邻的点数，求出最近邻、次近邻的距离。

2、某正交晶系单胞中，在如下位置有单原子存在：①(0, 1/2, 0)，(1/2, 0, 1/2)两种位置都是同类原子；②([1/2, 0,0])，(0, 1/2, 1/2)上是A 原子，(0, 0, 1/2)，(1/2, 1/2, 0)是B 原子。

问上两种晶胞各属于哪一种布喇菲点阵？3、Fig.1 shows a unit cell of a hypothetical metal. (a) To which crystal system does this unit cell belong? (b) What would this crystal structure be called? (c) Calculate the density of the material, given that its atomic weight is 141 g/mol.Fig.1 Fig. 24、The unit cell for uranium has orthorhombic symmetry, with a, b, and c lattice parameters of 0.286, 0.587 and 0.495 nm, respectively. If its density, atomic weight, and atomic radius are 19.05 g/cm3, 238.03 g/mol, and 0.1385 nm, respectively, compute the atomic packing factor.5、Three different crystallographic planes for a unit cell of a hypothetical metal are shown in Fig.2. The circles represent atoms. (a) To what crystal system does the unit cell belong? (b) What would this crystal structure be called? (c) If the density of this metal is 18.91 g/cm3, determine its atomic weight.1、立方点阵单胞轴长为a，给出简单立方、体心立方、面心立方这三种点阵的每一个阵点的最近邻、次近邻的点数，求出最近邻、次近邻的距离。

东南大学材料科学基础习题4+答案习题41、纯金属晶体中主要的点缺陷是什么，试述其产生的可能途径？2、由600℃至300℃时，锗晶体中的平衡空位浓度下降了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。

3、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?4、面心立方晶体中有[011]位错，其方向为[211]，分解成Shockly不全位错，写出该反应的反应式，并说明该反应成立的理由。

5、简单立方晶体(100)面有1个b=[0?10]的刃位错， (a)在(001)面有1个b=[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？ (b)在(001)面有1个b=[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？1、纯金属晶体中主要的点缺陷是什么，试述其产生的可能途径？2、由600℃至300℃时，锗晶体中的平衡空位浓度下降了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。

3、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?4、面心立方晶体中有[011]位错，其方向为[211]，分解成Shockly不全位错，写出该反应的反应式，并说明该反应成立的理由。

5、简单立方晶体(100)面有1个b=[0?10]的刃位错 (a)在(001)面有1个b=[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？ (b)在(001)面有1个b=[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？1、纯金属晶体中主要的点缺陷是什么，试述其产生的可能途径？2、由600℃至300℃时，锗晶体中的平衡空位浓度下降了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。

3、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?4、面心立方晶体中有[011]位错，其方向为[211]，分解成Shockly不全位错，写出该反应的反应式，并说明该反应成立的理由。

5、简单立方晶体(100)面有1个b=[0?10]的刃位错 (a)在(001)面有1个b=[010]的刃位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？ (b)在(001)面有1个b=[100]的螺位错和它相截，相截后2个位错产生扭折还是割阶？1、纯金属晶体中主要的点缺陷是什么，试述其产生的可能途径？2、由600℃至300℃时，锗晶体中的平衡空位浓度下降了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。

《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。

塑性变形再结晶 习题一、试分析金属塑性变形行为对下列材料与零件的重要意义：1、冲压钢板；2、汽车板簧；3、铆钉；4、高压蒸汽管道法兰盘的紧固螺栓。

二、单滑移、复滑移及交滑移的滑移带形貌有什么特征？试结合图解说明。

三、若平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的纯铁的屈服强度分别为112.7MPa 和196MPa ，则平均晶粒直径为0.0196mm 的纯铁的屈服强度为多少？ 四、面心立方晶体的)111(和)111(面各有几个密排方向？共可组成几个滑移系？这些滑移系能否有数个共同发生作用的情况？若有，是复滑移还是交滑移？五、有一铝单晶体细圆棒，其轴线与晶体的[001]晶向一致，若沿棒的轴向施以拉应力，在多大拉应力下晶体开始发生塑性变形？六、体心立方晶体可能的滑移面是{110}、{112}及{123}，若滑移方向为]111[，具体的滑移系是哪些?七、通常强化金属材料的方法有哪些？试述它们强化金属的微观机理，并指出其共同点。

八、厚度为40mm 厚的铝板，轧制成一侧为20mm 另一侧仍保持为40mm 的楔形板，经再结 晶退火后，画出从20mm 的一侧到40mm 一侧的截面的组织示意图。

并说明。

九、对某变形铝合金的研究发现，当其组织中存在大量尺寸较大（约1μm ）和尺寸较小（约50nm ）的两类第二相颗粒情况下，经适当的塑性变形和再结晶处理后，能获得最小的晶粒尺寸，试述此过程中上述两类颗粒的作用机理。

一、试分析金属塑性变形行为对下列材料与零件的重要意义：1、冲压钢板；2、汽车板簧；3、铆钉；4、高压蒸汽管道法兰盘的紧固螺栓。

答：1、塑性变形成型；2、不允许塑变；3、塑性变形卡住；4、不塑变、安全二、单滑移、复滑移及交滑移的滑移带形貌有什么特征？试结合图解说明。

答：1、单滑移－一系列平行滑移带；2、复滑移－交叉的平行滑移带；3、交滑移－平行滑移带上出现小折线段。

三、若平均晶粒直径为1mm 和0.0625mm 的纯铁的屈服强度分别为112.7MPa 和196MPa ，则平均晶粒直径为0.0196mm 的纯铁的屈服强度为多少？答：根据210-+=kd s σσ，可得所求屈服强度为283.4MPa四、面心立方晶体的)111(和)111(面各有几个密排方向？共可组成几个滑移系？这些滑移系能否有数个共同发生作用的情况？若有，是复滑移还是交滑移？答：各有三个密排方向：]110[、]101[、]110[及]011[、]101[、]011[，共构成六个滑移系。

《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。

1.根据所示的三元相图综合投影图，用热分析曲线表示图中成分为M和N的材料在平衡冷却过程中发生的组织转变。

2.已知A-B-C三种元素在液态无限互溶，而在固态有限互溶，三元系在固态只含a、（3、Y三个相。

A、B、C的熔点分别为900°C、1200°C和1000°Co系统在下列温度和成分处有恒温反应：温度°CL aA B C A B C1100 35 651000 70 30 50 50950 45 20 35 50 40 10 800 50 50 80 20温度°CP YA B C A B C1100 93 7 55 45 1000 10 90950 12 80 8 10 45 45 800 30 70各相的溶解度为:固溶体溶解度945°C 室温a 50%A-40%B-10%C 60%A-35%B-5%C p 12%A-80%B-8%C 3%A・95%B-2%C Y 10%A-45%B-45%C 5%A・40%B・55%C组成三元相图的三个二元系的相在室温下溶解度为请根据上述条件解决以下问题：（1）画出系统的综合投影图；（2）说明每个恒温反应的类型；（3）画出成分为30%A.55%B.15%C的合金凝固过程的热分析曲线，并计算该合金在945°C时各相的相对百分数；（4）画出成分为20%A-35%B-45%C合金凝固过程的热分析曲线。

组成三元相图的三个二元系的相在室温下溶解度为请根据上述条件解决以下问题：（1）画出系统的综合投影图；（2）说明每个恒温反应的类型；（3）画出成分为30%A.55%B.15%C的合金凝固过程的热分析曲线，并计算该合金在945°C时各相的相对百分数；（4）画出成分为20%A-35%B-45%C合金凝固过程的热分析曲线。

绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。

6、描述不同材料常用的加工方法。

7、叙述金属材料的类型及其分类依据。

8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？晶体结构1、解释下列概念晶系、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、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。

3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。

6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。

7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。

MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。

8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有34.01％)，为什么它也很稳定?9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。