材料科学基础习题集(新)

1第一部分：习题集《材料科学基础》复习思考题第一章：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2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。三、作图表示出立方晶系（123）、（0）、（421）等晶面和[02]、[11]、[346]等晶向。四、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。五、某晶体的原子位于正方晶格的结点上，其晶格常数a=b，。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。六、体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。七、已知面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（100）、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。3八、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。九、证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。十、试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R,四面体间隙半径r=0.225R;体心立方晶格的八面体间隙半径;100晶向的r=0.154R,110晶向的r=0.633R;四面体间隙半径r=0.291R,(R为原子半径)。十一、a）设有一钢球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。b）经x射线测定，在912℃时，γ-Fe的晶格常数为0.3633nm,α-Fe的晶格常数为0.2892nm,当由γ-Fe转变为α-Fe时,试求其体积膨胀,并与a)相比较,说明其差别的原因.。十二、已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm,分别求1cm3中铁和铜的原子数。十三、Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243nm，试求1cm3中Ni的原子数。十四、.Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.31468nm，试求Mo的原子半径r。十五、Cu具有面心立方结构，其原子半径为r=0.1278nm，试求Cu的密度（Cu的相对原子量为63.5）十六、试计算体心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密排晶面和最密排晶向。（提示：晶面的原子密度为单位面积上的原子数，晶向的原子密度为单位长度上的原子数）。十七、试计算面心立方晶格{100}、{110}、{111}等晶面的原子密度和〈100〉、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密排晶面和最密排晶向。十八、求金刚石结构中通过（0，0，0）和（3/4，3/4，1/3）两碳原子4的晶向指数，及与该晶向垂直的晶面指数。十九、求（121）与（100）决定的晶带轴与（001）和（111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。二十、计算立方系[321]与[120]及（111）与111之间的夹角。二十一、.a)算出fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小，用原子半径R表示，并注明间隙中心坐标；b)写出溶解在γ-Fe中C原子所处位置，若此类位置全部被C原子占据，那么问在此情况下，γ-Fe能溶解多少重量百分比的C？而实际上碳在铁中的最大溶解度是多少？两者在数值上有差异的原因是什么？二十二、为什么-Fe的溶碳能力远大于-Fe的溶碳能力？二十三、Na+和Cl-的离子半径分别为0.097nm，0.181nm，NaCl具有面心立方点阵，试求其配位数、晶格常数及致密度。二十四、渗碳体(Fe3C)是一种间隙化合物，它具有正交点阵结构，其点阵常数a=0.4514nm，b=0.508nm，c=0.6734nm，其密度ρ=7.66g/cm3，试求每单位晶胞中Fe原子与C原子的数目？二十五、试计算金刚石结构的致密度。5第二章：晶体缺陷一.解释以下基本概念肖脱基空位、弗仑克尔空位、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、共格界面、非共格界面、内吸附.二、填空题1、按照几何尺寸分类，晶体中存在三种缺陷，分别是（），（），（）。2、晶体中点缺陷主要表现形式有（），（）和（）。3、位错有两种基本类型，分别是（），（）。4、刃型位错的柏氏矢量与位错线（），螺型位错的柏氏矢量与位错线（）。5、柏氏矢量代表晶体滑移的（）和（），也表示位错线周围（）总量的大小。6、位错的运动有两种，分别是（）和（），刃型位错的柏氏矢量与其垂直的位错线所构成的平面称为（），对于一条刃型位错而言，该面是唯一的，故不可能产生（）运动。7、体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的单位位错的柏氏矢量分别可表示成（）、（）和（）。8、面心立方晶体中有两种重要的不全位错，柏氏矢量分别为（），（）。9、晶体的面缺陷主要包括（），（），（），（）。10、具有不同结构的两相之间的界面称为（），该界面有三种，分别是（），（）和（）。三.在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍？四、指出下图各段位错的性质,并说明刃型位错部分的多半原子面.6五、如右图,某晶体的滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环,并受到一均匀切应力τ.(1)分析该位错环各段位错的结构类型.(2)求各段位错线所受的力的大小及方向.(3)在τ的作用下,该位错环将如何运动?(4)在τ的作用下,若使此位错环在晶体中稳定不动,其半径应为多少?六、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错b=a/2[110]，在（111）面上分解为两个肖克莱不完全位错，请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出：七、已知单位位错a/2[101]能与肖克莱不完全位错a/6[121]相结合形成弗兰克不全位错，试说明：（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。（2）判断此位错反应能否进行？7（3）这个位错为什么称固定位错？八、判定下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量图。九、试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为b=a/2[110]的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到（111），（111），（111）面中的某个面上继续运动？为什么？十、已知柏氏矢量的大小为b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差θ=1°和10°，求晶界上位错之间的距离。从计算结果可得到什么结论？十一、根据晶粒的位向差及其特点，晶界有那些类型？有何特点属性？8第三章：纯金属的凝固一、解释以下基本概念结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、变质处理、光滑界面、粗糙界面、树枝晶、柱状晶、等轴晶、单晶、非晶、微晶、准晶、多晶体。二、填空题1、金属结晶一般发生在理论结晶温度以下，这种现象称为（），理论结晶温度与实际结晶温度的差值叫做（），冷却速度越大，则（）越大。2、金属结晶过程是一个不断（）和（）的过程，直至液体耗尽为止。若由一个晶核长成的晶体叫做（），多个晶核长成的晶体叫做（）。3、要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要有（），过冷度（），液固两相自由能差值（），驱动力（），临界晶核半径（），临界晶核形核功（），形核率（），结晶后（）越细小。4、在过冷液体中，会出现许多尺寸不同的原子小集团称为（），只有当原子小集团的半径大于（）时，才可作为晶核而长大。5、在形核时，系统总自由能变化是（）降低和（）增加的代数和，前者是形核的（），后者是形核的（）。6、均匀形核时，临界晶核形核功与过冷度的关系可表达成（），它表明当形成临界尺寸晶核时，体积自由能补偿表面能的（），尚有（）表面能没有得到补偿，需依靠（）。7、非均匀形核时，其形核功大小与润湿角有关，当=00时，ΔG非=（），当=900时，ΔG非=（），当=1800时，ΔG非=（）。说明润湿角越小，对形核越（）。8、晶核长大与液固界面结构有关，一般粗糙界面以（）方式长9大，而光滑界面以（）方式长大。9、为获得细晶粒，在金属结晶时通常采用（），（）和（）等方法。10、金属铸锭一般由三个晶区组成，表面为（），中间为（），心部为（）。11、非均匀形核时临界球冠半径与均匀形核临界晶核半径（），但非均匀形核的晶核体积比均匀形核时（），当过冷度相同时，形核率（），结晶后晶粒（）。12、金属结晶时形核方式有（）和（），在实际铸造生产中常已（）方式形核。三、a）设为球形晶核，试证明均匀形核时，形成临界晶粒的ΔGK与其体积VK之间的关系式为。b）当非均匀形核形成球冠形晶核时，其ΔGK与V之间的关系如何？四、如果临界晶核是边长为aK的正方体，试求出其ΔGK与aK的关系。为什么形成立方体晶核的ΔGK比球形晶核要大？五、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？六、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。七、在其它条件相同时，试比较下列铸造条件下金属晶粒尺寸大小，并说明为什么？1、砂型铸造与金属型铸造2、铸薄壁件与铸厚壁件3、高温浇注与低温浇注八、说明晶体成长形状与温度梯度的关系，分析在负温度梯度下，金属结晶出树枝晶的过程。10九、简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。十、为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施？为了得到发达的等轴晶区应该采取什么措施？其基本原理如何？十一、考虑在一个大气压下液态铝的凝固，对于不同程度的过冷度，即：ΔT=1，10，100和200℃，计算：(a)临界晶核尺寸；(b)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔGv；(c)从液态转变到固态时，临界尺寸r*处的自由能的变化ΔGv。(铝的熔点Tm=993K，单位体积熔化热ΔHf=1.836×109J/m3，固液界面自由能γsc=93J/m2，原子体积V0=1.66×10-29m3。)十二、已知液态纯镍在1.1013