材料科学基础作业2-答案

1、 简述菲克第一定律和菲克第二定律的含义，并写出表达式，表明字母的物理含义。

2、在900℃对一批钢齿轮成功渗碳需要10个小时，此温度下铁为FCC 晶体。

如果渗碳炉在900℃运行1个小时需要耗费1000元，在1000℃运行1小时需要耗费1500元，若将渗碳温度提高到1000℃完成同样渗碳效果，是否可以提高其经济效益？(已知碳在奥氏体铁中的扩散激活能为137.52 KJ/mole )3、在870℃比在930℃渗碳淬火变形小又可以得到较细的晶粒，若已知碳在奥氏体铁中的扩散常数为2.0×10－5m 2/s,扩散激活能为140×103J/mol,请计算：（a ）870℃时碳在奥氏体铁中的扩散系数；（4分）（b ）将渗层加深一倍需要多少时间？（4分）（c ）若规定0.3％C 为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？（气体常数R ＝8.314J/mol ）（4分）4、含碳量0.85%的碳钢在某一温度下经1小时脱碳后表面的碳浓度降为0，已知该温度下碳的扩散系数D=1.1×10-7 m2/s（1）求碳的浓度分布。

（2）如要表面碳浓度为0.8%，则表面应该车去多少深度？5、在纯铜圆柱体一个顶端电镀一层薄的放射性同位素铜。

在高温退火20h 后，对铜棒逐层求铜的自扩散系数。

6、纯Cr 和纯Fe 组成扩散偶,一个小时后界面移动了15.2μm 。

当界面处Cr 的摩尔分数 x(Cr)=0.478时,有 =126/cm,(l 为扩散距离)，互扩散系数为1.43*10E-9 cm2/s 求: Cr 和Fe 的本征扩散系数7请简述扩散的微观机制有哪些？哪种方式比较容易进行？8、对于某间隙固溶体系，在500℃时间隙原子的迁移速率为5*108次/秒，在800℃时迁移速率为8*1010次/秒，计算此过程的激活能Q 。

9影响晶体固体中原子扩散的主要因素有哪些？并加以简单说明10、在MgO 中引入高价的W6+，将产生什么离子空位？比较MgO 和掺W6+的MgO 的抗氧化性哪个好些？11、设某离子晶体的点阵常数为5*10-8 cm ，振动频率为1012赫兹，位能U=0.5eV ，求在室温下的离子迁移率。

第三章作业
1、镍（Ni）在0.1大气压的氧气中氧化，测得其重量增量（ g）如下表：
（1）推导出合适的反应方程式；（2）计算反应活化能。

第一题：解：
以反应时间为横坐标，反应增重的二次方为纵坐标，作上图。

（1）由上图可知，反应产物质量的平方和反应时间成正比，又由于可以将该反应视作镍与氧气在镍片表面发生反应，则反应产物质量与反应物的厚度成正比，因而该反应符合抛物线型速度方程，x2=kt。

T=550K，x2=101.3t
T=600K，x2=333.3t
T=650K，x2=1097.1t
T=700K，x2=2641.9t
（2）反应速率常数K=Aexp(-Q/RT)，则对等式两侧取对数，可得lnK=c-Q/RT，由此可得lnK和1/T成正比，斜率为-Q/R。

由图可知斜率-Q/R=-0.001。

2、要合成镁铝尖晶石，可供选择原料为MgCO
3、Mg(OH)2、MgO、Al2O3⋅3H2O、γ-Al2O3、α-Al2O3。

从提高反应速率角度出发，应选择什么原料？
第二题：解：
可以通过选择高活性的反应物来提高反应速率，采用热分解和脱水反应，可以获得具有较大比表面积和晶格缺陷的初生态或无定型物质，使反应物反应活性提高。

那么就应该选择MgCO3或Mg(OH)2，和Al2O3·3H2O。

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。

材料科学基础课后作业及答案(分章节)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：XNa=,XF= 根据鲍林公式可得NaF中离子键比例为：[1?e共价键比例为：%=% 2、同理，CaO中离子键比例为：[1?e共价键比例为：%=% 12?(?)412?(?)4]?100%?% ]?100%? % 23、ZnS中离子键比例为：ZnS 中离子键含量?[1?e?1/4(?)]?100%?% 共价键比例为：%=% 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晶面族各包括多少晶面？写出它们的密勒指数。

[1101]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]、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。

武汉理工大学《材料科学基础》考试试卷第二套试卷一、填空题（共20分，每个空1分）1、材料按其化学作用或基本组成可分为（）、（）、高分子材料、复合材料四大类。

2、晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体（）和（）的重复单元。

3、热缺陷形成的一般规律是：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成（）缺陷；当晶体中剩余空隙较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生（）缺陷。

4、根据外来组元在基质晶体中所处的位置不同，可分为（）固溶体和间隙型固溶体：按照外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为（）固溶体和有限固溶体。

5、硅酸盐熔体中，随着Na2O含量的增加，熔体中聚合物的聚合度（），熔体的粘度（）。

6、当熔体冷却速度很快时，（）增加很快，质点来不及进行有规则排列，晶核形成和晶体长大难以实现，从而形成了（）。

7、粉体在制备过程中，由于反复地破碎，所以不断形成新的表面，而表面例子的极化变形和重排，使表面晶格（），有序性（）。

8、非稳态扩散的特征是空间仟意一点的（）随时间变化，（）随位置变化。

9、动力学上描述成核生长相变，通常以（）、（）、总结晶速率等来描述。

10、温度是影响固相反应的重要外部条件。

一般随温度升高，质点热运动动能（），反应能力和扩散能力（）。

二、判断题（共10分，每个题1分）1、（）位错的滑移模型解释了晶体的实际切变应力与晶体的理论切变强度相差悬殊的内在原因。

2、（）空位扩散机制适用于置换型固溶体的扩散，3、（）一般来说在均匀晶体中引入杂质，都将使扩算系数增加4、（）-般来说，扩散粒子性质与扩散成指性质间差异越大，扩散系数也越大。

5、（）成核生长相变中晶体的生长速*与界面结构和原子迁移密切相关，当析出晶体和熔体组成相同时，晶体长大由扩散控制。

6、（）对于许多物理或化学步骤综合而成的在相反应中，反应速度由反应速度最快的步骤控制。

7、（）在烧结过程中，发生的初次再结晶使大鼎粒长大而小晶粒消失，气孔进入晶粒内部不易排出，烧结速度降低甚至停止。

材料科学基础A第二章习题及答案2.3 等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积的空隙有四面体空隙和八面体空隙。

一个球周围有8个四面体空隙和6个八面体空隙。

2.4 n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答：n个等径球作最紧密堆积时可形成四面体空隙数为(n×8)/4=2n个，八面体空隙数为(n×6)/6=n个。

不等径球堆积时，较大的球体作等径球的紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。

其中稍小的球体填充在四面体空隙，稍大的球体填充在八面体空隙。

2.7 解释下列概念：（1）晶系：晶胞参数相同的一类空间点阵。

（2）晶胞：从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。

（3）晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数，即3条边棱的长度a、b、c和3条边棱的夹角α、β、γ。

（4）空间点阵：把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。

（5）米勒指数（晶面指数）：结晶学中常用（hkl）来表示一组平行晶面的取向，其数值是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。

（6）离子晶体的晶格能：1mol离子晶体中的正负离子由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放的能量。

（7）原子半径：从原子核中心到核外电子的几率分布趋向于零的位置间的距离。

（8）离子半径：以晶体中相邻的正负离子中心之间的距离作为正负离子的半径之和。

（9）配位数：在晶体结构中，该原子或离子的周围，与它相接相邻结合的原子个数或所有异号离子的个数。

（10）离子极化：离子在外电场作用下，改变其形状和大小的现象（或在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形的现象）。

（11）同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。

武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论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。

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？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数、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、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；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：与[210]，与[112]，与[111]，与[236]，与[111]，与[121]，，，，[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。