《材料科学基础》作业答案

材料科学基础任课教师：付华FundamentalsofMaterialScience作业题答案绪论•1、材料科学主要研究的核心问题是结构和性能的关系。•材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子结构，第二个水平是原子排列方式，第三个水平是显微组织。•2.根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料两大类。•根据原子之间的键合特点，材料分为金属、陶瓷(无机非金属）、高分子和复合材料四大类。第一章材料的原子结构•1.金属材料中原子结合以金属键为主，•陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键结合键为主，聚合物材料以共价键和氢键和范德华键为主。第二章材料的结构•一、填空题•1、晶体是基元（原子团）以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列的固体。•2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体原子排布长程有序，而非晶体是长程无序短程有序。•3、晶胞是晶体结构中的最小单位。•4、根据晶体的对称性，晶系有3大晶族，7大晶系，14种布拉菲Bravais点阵，32种点群，230种空间群。•5、金属常见的晶格类型有体心立方、面心立方、密排六方。•6、fcc晶体的最密排方向为110，最密排面为{111}，最密排面的堆垛顺序为ABCABCABCABC……。•7、fcc晶体的致密度为0.74，配位数为12，原子在（111）面上的原子配位数为6。•8、bcc晶体的最密排方向为111，最密排面为{110}，致密度为0.68，配位数为8。•9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。•10、CsCl型结构属于简单立方格子，NaCl型结构属于面心立方格子，CaF2型结构属于面心立方格子。•11、MgO晶体具有NaCl型结构，其对称型是3L44L36L29PC，晶族是高级晶族，晶系是立方晶系，晶体的键型是离子键。•12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是硅氧四面体[SiO4]。•13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的晶体结构类型分别为组群状，链状，层状，和架状。•14、表征晶体中晶向和晶面的方法有解析法和图示法。（晶体投影图）二、分析计算•1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。1:2:361:31:21所以晶面指数为（321）（2）截距倒数为：3，2，1；晶面指数为（321）2\P89，2－4：OXYZP89，2－4：思考！！｛111｝上的特征晶向（111）与110112的关系3、写出立方晶系中晶面族｛100｝、｛110｝、｛111｝包含的等价晶面。写出112晶向族包含的等价晶向。{100}=（100)+(010)+(001)4、（2-9）4、（2-9）求（1）晶面（121）和（100）的晶带轴指数；晶面（100）和（010）的晶带轴指数；（2）晶向[001]和[111]确定的晶面指数；包含[010]和[100]晶向的晶面指数。4、（2-9）5、(2-11)（1）a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？（2）a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？（3）能否据此确定这2种晶体的Bravis点阵？•(1)属于正交晶系，•由题中条件不能决定是什么布拉菲点阵，因为正交晶系可以有体心、面心、底心和简单正交点阵。•（2）属于三斜晶系，•因为三斜晶系只有一种简单点阵，可以确定布拉菲点阵是三斜点阵。6、Ni为面心立方结构，原子半径r=0.1243nm，求Ni的晶格常数和密度。•解：面心立方结构在面对角线上原子相切，所以，代入条件可得，40.35162ranm3373234458.698.967(/)(0.351610)6.02210NiAMgcmaN7、Mo为体心立方结构，晶格常数a=0.3147nm，求Mo的原子半径r。•解：体心立方结构在体对角线上原子相切，所以，43ra30.13634ranm8\2-15:CsCl中铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm。试问（1）在CsCl内离子在100或111方向是否相接触？（2）每单位晶胞内有几个离子？（3）各离子的配位数是多少？（4）密度ρ和堆积系数（致密度）K？•（1）CsCl内离子在111方向相接触.•（2）每单位晶胞内有2个离子;•（3）Cs+和Cl-离子的配位数是8.[CsCl8]或[ClCs8]配位六面体。（4）对CsCl晶体，晶体结构为简单立方，晶胞中含有一个正离子一个负离子，沿体对角线正负离子相切:a=0.4018nm322arr33333344()(0.1670.181)330.6830.4018rrKa32(0.1670.181)0.696a•CsCl的密度ρ•(4)CsCl的分子量为:(35.453+132.905)=168.358，•阿佛加得罗常数是6.0238×1023;•每个CsCl分子的质量A为：168.358/(6.0238×1023)CsCl结构：z=1233373/1168.358/(6.0210)4.31(/)(0.401810)AZMNgcma9\2-16:MgO具有NaCl型结构。Mg2+的离子半径为0.072nm，O2-的离子半径为0.140nm。试求MgO的密度ρ和堆积系数（致密度）K。•解：MgO结构为面心立方+-r0.414~0.732r+-r0.414~0.732rr+/r-正离子配位数负离子多面体实例～0.1552直线形干冰CO2~0.2253三角形B2O3~0.4144四面体SiO2,~0.7326八面体NaCl,MgO,TiO21.0008立方体ZrO2,CaF2,CsCl1.00012立方八面体Cu•解：MgO结构为面心立方，晶胞中有四个正离子和四个负离子，沿棱边方向正负离子相切:2()2(0.0720.140)0.424arrnm3333+-33444r+r4.140+0.07233===0.685a0.424（）（0）堆积系数K•MgO的密度ρ•MgO的分子量为（24.305+15.999）40.30，•阿佛加得罗常数是6.0238×1023，•每个MgO分子的质量A为：40.30/(6.0238×1023)。MgO结构：z=4233373/440.30/(6.0210)3.51(/)(0.42410)AZMNgcma10\2-24:•第一种，橄榄石MgFe2[SiO4],Si:O=1:4，岛状，共顶数为0；•第二种:异极矿Zn4[Si2O7](OH)2，共顶数一个，成对硅氧团，组群状；•第三种：蓝锥矿BaTi[Si3O9]Si:O=1：3，共顶数为两个，组群状；三节环；•第四种：绿宝石Be3Al2[Si6O18],Si:O=1:3，组群状；六节环；•第五种：硅灰石Ca3[Si3O9]三节环，组群状；•第六种：鱼眼石KCa4[Si4O10]2F·8H2O,Si:O=4：10，层状；•第七种:钙长石Ca[Al2Si2O8],Si(Al):O=1:2，架状。•第八种：白榴石K[AlSi2O6],Si(Al):O=1:2，架状。第三章晶体结构缺陷P116•一、填空题•1、按几何组态，晶体中的缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。•2、点缺陷主要包括空位、间隙原子、置换原子；线缺陷有位错；面缺陷包括晶界、相界、表面等。•3、描述位错性质及特征的是柏氏矢量b。•4、位错的类型有刃位错、螺位错和混合位错。•5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为刃位错，位错线与柏氏矢量平行的位错称为螺位错。•6、位错的基本运动方式有滑移和攀移。•7、刃位错可以滑移和攀移，螺位错可以滑移而不攀移，能进行交滑移的位错必然是螺位错。•8、位错滑移一般沿着晶体的密排（面）和密排（方向）进行。•9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域晶格畸变的大小和方向。•10、两平行同号螺位错间的作用力为斥力（引力或斥力？）。•11、全位错是柏氏矢量等于点阵矢量的位错；不全位错是柏氏矢量不等于点阵矢量的位错。•12、面心立方晶体的不全位错类型主要有Shockley不全位错和Franker不全位错，柏氏矢量分别为b=a/6112，b=a/3111。只能发生攀移运动的位错是Franker不全位错。•13、位错间转化（位错反应）要满足的条件有几何条件：柏氏矢量守恒和能量条件：反应后位错的总能量降低。•14、两个不全位错夹一片层错的位错称为扩展位错。二、分析题•1、（3-6）画一个方形位错环，•（1）在此平面上画出柏氏矢量，使其平行于位错环的其中一边，任意选择并画出位错线方向，据此指出位错环各段的性质。•（2）能否使该位错环处处为刃位错？•（3）能否使该位错环处处为螺位错？3-6•2、在滑移面上有一位错环，柏氏矢量为b，位错环的方向和柏氏矢量的方向如图所示。（1）指出位错环各段的性质。•（2）能否使该位错环处处为刃位错？•（3）能否使该位错环处处为螺位错？•（4）该位错环滑移出晶体后，晶体有怎样的滑动（大小和方向）？•3、（3-11）试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？111a101a121a1112633-11•几何条件：•能量条件：shockley不全位错Franker不全位错全位错b=a/3111和｛111｝面垂直。纯刃位错。b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向，不能滑移，只可攀移。shockley不全位错Franker不全位错全位错4、（3-8）比较刃位错和螺位错的异同点。刃位错螺位错不同点位错线和柏氏矢量的关系垂直。刃位错线不一定是直线，可以是折/曲线平行。螺位错线一定是直线。有无交滑移刃位错的滑移面只有一个。无（位错线和柏氏矢量垂直所以其构成的平面，不能改变）。螺位错的滑移面不是唯一的。有（位错线和柏氏矢量平行，滑移可以从一个滑移面到另一个滑移面，滑移面可以改变）。应力场刃位错周围的应力场既有切应力，又有正应力；螺位错只有切应力而无正应力。攀移有（有多余半原子面）无（无多余半原子面）相同点都是线缺陷。位错的运动使扫过区间两边的原子层发生b的相对滑动，晶体两部分的相对移动量只决定于b的大小和方向。刃型位错与螺型位错有什么异同点?第四章晶态固体中的扩散•一、填空题•1、菲克第一定律描述的是稳态扩散状态下的扩散规律；菲克第二定律描述的是非稳态扩散状态下的扩散规律。•2、稳态扩散是指单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（扩散通量/浓度）不随时间变化；非稳态扩散是指单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（扩散通量/浓度）随时间变化。•3、Fick扩散第二方程的高斯解适合求解总量为M的扩散元素沉积为一薄层扩散问题；Fick扩散第二方程的误差函数解适合求解无限长棒（扩散偶）或半无限长棒的扩散问题。•4、扩散的微观机理有空位扩散、间隙扩散、位错扩散、表面扩散、晶界扩散等。•5、空位扩散的阻力比间隙扩散大，激活能高。•6、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中，扩散系数D最大的是表面扩散。•7、在间隙固溶体中，H、O、C等原子以间隙扩撒机制方式扩散。•8、Cu-Al合金和Cu组成的扩散偶发生柯肯达尔效应，标记向Cu-Al合金一侧漂移，则Al的扩散通量大。•9、上坡扩散是指物质从低浓度向高浓度处聚集的反向扩散。•10、扩散的驱动力是化学位梯度。•11、伴随有反应的扩散称为反应扩散。二、计算题•（4-1）含0.85%C的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。•(a)推导脱碳扩散方程的解，假定t0时，x=0处，ρ=0。•(b)假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？（900℃时，Dcγ=1.1×10-7cm2/s）解