材料科学与基础习题

《材料科学与工程基础》习题和思考题及答案第二章2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布（用方框图表示）。

2-2.的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的原子量。

2-3.试计算N壳层内的最大电子数。

若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子的原子序数是多少？2-4.计算O壳层内的最大电子数。

并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子的原子序数。

2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简单说明理由。

2-6.按照杂化轨道理论，说明下列的键合形式：（1）CO2的分子键合（2）甲烷CH4的分子键合（3）乙烯C2H4的分子键合（4）水H2O的分子键合（5）苯环的分子键合（6）羰基中C、O间的原子键合2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些？2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性的关系？2-9.0℃时，水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？2-10.当CN=6时，K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量？(b)每mm3的金有多少个原子？(c)根据金的密度，某颗含有1021个原子的金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(r Au=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比？2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边的边长是0.478nm，则CaO的密度是多少？2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子，但是为何不适用于分子？2-14.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r Na+=0.097，r Cl-=0.181）；（C）由计算结果，可以引出什么结论？2-15.铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。

材料科学基础习题参考答案 第一章材料结构的基本知识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--(0.93-3.98)2根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：[1-e 4 ]x 100% = 90.2%共价键比例为：1-90.2%=9.8%--(1.00-3.44 )2(2) 同理，CaO 中离子键比例为：[1-e 4 ]x 100% = 77.4%共价键比例为：1-77.4%=22.6%(3) ZnS 中离子键比例为：Z“S 中离子键含量=[1 -£-1/4'2-58-165)2]x 100% = 19.44% 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，取决于转变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。

1.第二章九材料中的騒須勾)与［2廊1)与［112］, (110)与［111］, (132)与［123］, (322)与［236］指数。

题: 系的 (21 在立方晶系的一个晶胞虫画出(111丄和丄112、日面.才晶系的画出同M1)、■'朋两晶面交钱亠 1]晶向。

112) d2. 有一正交点阵的a=b, c=a/2o 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。

《材料科学基础》复习题第1章原子结构与结合键一、判断题：4、金属键具有明显的方向性和饱和性。

（ F）5、共价键具有明显的方向性和饱和性。

（ T）6、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是两组元的电负性相同。

两组元的晶体结构相同（ F）7、工程材料的强度与结合键有一定的关系，结合键能越高的材料，通常其弹性模量、强度和熔点越低。

（F）8、晶体中配位数和致密度之间的关系是配位数越大，致密度越小。

（F ）二、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D、化学键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D、化学键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D、化学键5、已知铝元素的电负性为1.61，氧元素的电负性为3.44，则Al2O3中离子键结合的比例为。

A、28%B、45%C、57%D、68%6、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中，是不正确的。

P54A、结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，材料的弹性模量越大。

B、具有同类型结合键的材料，结合键能越高，熔点也越高。

C、具有离子键和共价键的材料，塑性较差。

D、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。

（应该是自由电子的定向运动加剧）7、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是。

A、两组元的电子浓度相同B、两组元的晶体结构相同C、两组元的原子半径相同D、两组元电负性相同11、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、配位数越大，致密度越小D、两者之间无直接关系三、填空题：2、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越大。

3、体心立方结构的晶格常数为a，单位晶胞原子数为 2 、原子半径为a ，配位数为 8 。

4、面心立方结构的晶格常数为a ，原子半径为 a ，配位数为 12 。

材料科学基础试卷一、选择题1. 在以下选项中，哪个是材料科学研究的基本目标？A. 提高材料的性能和寿命B. 制定新的材料标准C. 推动材料的商业化应用D. 减少材料的生产成本2. 下列哪个属于材料科学的主要研究内容？A. 材料的机械性能B. 材料的表面处理技术C. 材料的市场价值评估D. 材料的生产工艺3. 晶体结构的表征常用的方法是什么？A. 透射电子显微镜（TEM）B. 扫描电子显微镜（SEM）C. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）D. X射线衍射（XRD）4. 以下哪项不是观察材料中晶体缺陷的常用方法？A. 透射电子显微镜（TEM）B. 扫描电子显微镜（SEM）C. 热重分析仪（TGA）D. X射线衍射（XRD）5. 玻璃是一种无序非晶体，其特点是什么？A. 有定型的几何结构B. 具有较高的强度和硬度C. 没有明确的熔点D. 可通过加热重新晶化二、简答题1. 请简述材料科学的定义和研究对象。

材料科学是研究材料的组成、结构、性能和制备工艺等方面的学科。

它的研究对象包括金属、陶瓷、聚合物、复合材料等各种材料的性质和行为。

2. 简要介绍一下晶体和非晶体的区别。

晶体具有有序的、周期性的原子结构，其原子排列呈现规则的几何形态。

非晶体则没有明确的周期性结构，其原子排列无序。

3. 请简述材料的力学性能和热学性能分别指的是什么。

材料的力学性能指材料在外力作用下的表现，包括强度、硬度、韧性等。

热学性能指材料在温度变化下的行为，包括热膨胀系数、热导率等。

4. 请列举一种主要的材料表面处理技术，并简述其原理。

一种主要的材料表面处理技术是阳极氧化。

其原理是将金属材料作为阳极，通过在电解液中施加电流，使得金属表面产生氧化反应形成氧化膜，从而提高材料的耐腐蚀性和表面硬度。

5. 简述材料的疲劳破坏机理。

材料的疲劳破坏是在交变载荷作用下产生的、逐渐发展的、具有累积性的破坏。

其机理是在应力作用下，材料内部会逐渐形成裂纹，裂纹扩展到一定程度后导致材料断裂。

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。

（A）距离（B）时间（C）温度20.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。

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。

《材料科学基础A-Ⅰ》一、填空题1.晶体中产生刃型位错的位错线与柏氏矢量，螺型位错的位错线与柏氏矢量。

2.常见晶体结构中属于密堆结构的为_和_。

3.晶体长大过程中，当固液界面为粗糙结构时，晶体长大方式为，当界面为光滑结构时，长大方式为。

4.铁碳合金平衡凝固过程中发生共晶转变的方程式为，转变的产物称为组织。

5.典型铸锭组织通常由三个区域组成，分别为细晶区、和。

二、选择题1.体心立方结构的单位晶胞中原子数是（）。

A. 4 个B. 2 个C. 5 个2.晶体中点缺陷浓度的增加，将会导致电阻（）。

A. 降低B. 增加C. 不变3.立方晶体的ABCD 滑移面上有一正方形位错环（如图1 所示，顺时针为正方向），指出CD 段位错线的类型是（）A. 正刃型B. 负刃型C. 右螺型D. 左螺型4.在一块晶体中有一根刃型位错P 和一根相同长度的螺型位错Q，比较两者能量有( )图 1A E p>E QB E p<E QC E p=E Q5.下列元素固溶进α-Fe 中形成置换固溶体并且能无限互溶的是（）：A．C，金刚石型结构 B. Al，面心立方结构 C. Zr，密排六方结构 D. V，体心立方结构。

6.晶体结晶过程中产生的动态过冷度是指（）A. 理论结晶温度与实际结晶温度之差B. 液固界面前沿液体中产生的过冷C. 液态金属中形核率骤然增加时过冷7.下列关于非均匀形核说法不正确的是（）A.润湿角等于0 时，非均匀形核的形核功越大；B.非均匀形核时需要的过冷度远低于均匀形核；C.非均匀形核的形核率会出现下降的部分8.在二元相图中，L+ →β的反应叫（）A. 共晶B. 共析C. 包晶D. 熔晶9.固溶体合金非平衡凝固时产生枝晶偏析，可以采取（）措施消除A. 快速冷却B. 均匀化退火C. 机械搅拌10.今有三个形状、尺寸相同的铜镍合金铸件，铸造后自然冷却，成分过冷倾向最大的是（）A. Cu-30%NiB. Cu-50%NiC. Cu-80%Ni11.在平衡凝固条件下，图2 中成分位于C 点的合金室温下组织组成为（）A. （α+β）共晶B. α初+（α+β）共晶C. β初（α+β）共晶图212.上图2 中容易产生离异共晶的合金为（）13.上图2 中的合金在铸造过程中流动性最好的合金为（）14.下列铁碳合金中硬度最高的是（）A. Fe-0.45%CB. Fe-0.78%CC. Fe-1.2%C15.铁碳合金相图中从奥氏体中开始析出铁素体的转变曲线又称为（）A.A1线B. A3线C. A cm线三、判断题1.晶界的界面能均随位向差的增大而增加。

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，O2-半径为，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％)，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，测得它的密度为克/厘米3，求它的晶胞体积。

材料科学与基础习题集1 含12.3wt% Mn、1.34wt%C的奥氏体钢，其点阵常数为0.3624nm，密度为7.83g/cm3，已知C、Fe、Mn的原子量分别为12，55.84，54.92，试计算此奥氏体钢晶胞内的实际原子数，并分析C、Mn在此奥氏体钢的固溶方式。

2 分别计算面心立方、体心立方、简单立方结构中（100）、（110）、（111）面上的原子密度和面间距，并归纳原子密度与面间距间的定性关系，获得不同结构的密排面。

3当Fe从fcc结构转变为bcc结构时，a)按晶体的钢球模型，若球的直径不变，计算其体积膨胀多少？b)经x射线衍射测定在912℃时，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm, 计算从γ-Fe转变为α-Fe时，其体积膨胀为多少？与a)相比，说明导致差别的原因。

4已知元素的原子半径如下：碳--0.077nm，α-Fe--0.124nm，γ-Fe--0.126nm。

回答以下问题：⑴定性分析碳在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。

⑵渗碳的目的是进一步提高钢制品表面的性能，请根据已有知识分析渗碳的理想温度范围。

5 Zn原子的摩尔分数为3%的Cu-Zn合金是固溶体，铜的原子半径为0.128nm，Zn的原子半径为0.133nm。

假设点阵常数随Zn原子加入呈线性变化，求此合金的密度。

6 CsI晶体具有体心立方结构，且Cs在（000）位置，I在(1/2 1/2 1/2)位置，若Cs和I的原子（离子）半径分别为0.172nm和0.227nm，求它的致密度。

7 CuZn具有体心立方结构，其Zn与Cu原子之比为46∶54，在450℃时若有90%的(1/2 1/2 1/2)位置被铜原子占据，问有多少百分数的(0 0 0)位置被铜原子占据?（注意：CuZn属固溶体？化合物？）8 根据表1中的原子半径数据，定性分析以表中各元素为合金元素与铜形成的合金在屈服强度上有什么差异。

第一章习题1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。

试求铬的相对原子质量。

6.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。

7.锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。

试从原子结构角度来确定锡的价电子数。

8.铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？9.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性强弱。

10.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？11.图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。

12.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？13.S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。

试解释S这种行为的原因。

14.A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示：这里x A和x B分别为A和B元素的电负性值。

已知Ti、O、In和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。

15.Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a)1mm3中存在多少原子？b)1g中含有多少原子？16.尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃)高？17. 高分子链结构分为近程结构和远程结构。