材料科学与工程基础习题和思考题及答案

《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1.0005g/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(rAu=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rNa+=0.097，rCl-=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。2-16.钛的单位晶胞含有两个原子，请问此单位晶胞的体积是多少？2-17.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。2-18.在体心立方结构晶胞的（100）面上按比例画出该面上的原子以及八面体和四面体间隙。2-19.键合类型是怎样影响局部原子堆垛的？2-20.厚度0.08mm、面积670mm2的薄铝片(a)其单位晶胞为立方体，a=0.4049nm，则此薄片共含多少个单位晶胞？(b)铝的密度2.7Mg/m3，则每个单位晶胞的质量是多少？2-21.(a)在每mm3的固体钡中含有多少个原子？(b)其原子堆积因子是多少？(c)钡属于哪一种立方体结构？(原子序=56，原子质量=137.3aum，原子半径=0.22nm，离子半径=0.143nm，密度=3.5Mg/m3)2-22.由X射线衍射数据显示，MgO立方体的单位晶胞尺寸是0.412nm，其密度3.83Mg/m3，请问在每单位晶胞中有多少Mg2+离子和O2-离子?2-23.钻石结构的晶格常数a为0.357nm，当它转变成石墨时，体积变化的百分比是多少？（石墨密度2.25Mg/m3）2-24.方向为[111]的直线通过1/2，0，1/2点，则在此直线上的另外两点的坐标是什么？2-25.(a)在立方体系中，[100]方向和[211]方向的夹角是多少？(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少？2-26.一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行，则此平面的米勒指标是什么？2-27.一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3,则此平面的米勒指标是什么？2-28.(a)方向族111的那些)方向是在铁的（101）平面上?(b)方向族110的那些)方向是在铁的（110）平面上?2-29.氯化钠晶体被用来测量某些X光的波长，对氯离子的d111间距而言，其绕射角2为27°30´(a)X光的波长是多少？（NaCl晶格常数为0.563nm）(b)若X光的波长为0.058nm，则其衍射角2是多少？2-30.某X光波长0.058nm，用来计算铝的d200,其衍射角2为16.47°，求晶格常数为多少？2-31.请算出能进入fcc银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。2-32.碳原子能溶入fcc铁的最大填隙位置：(a)每个单元晶胞中有多少个这样的位置？(b)在此位置四周有多少铁原子围绕？2-33.一个熔体含30m/oMgO和70m/oLiF：(a)Li+,Mg2+,F-和O2-的w/o是多少？(b)密度是多少？2-34.请找出能进入bcc铁填隙位置的最大原子的半径（暗示：最大空洞位在1/2，1/4，0位置）。2-35.碳和氮在γ-Fe中的最大固溶度分别为8.9%和10.3%，已知碳、氮原子均占据八面体间隙，试分别计算八面体间隙被碳原子和氮原子占据的百分数。2-36.fcc间隙位置的配位数是什么？如果每一个间隙位置都被小原子或离子占满，则会产生什么样的结构？2-37.如果Fe3+/Fe2+比为0.14，则FeO的密度是多少？（FeO为NaCl结构；（r0+rFe）平均为0.215nm）2-38.如果在固溶体中每个Zr离子中加入一个Ca2+离子，就可能形成ZrO2的立方体，因此阳离子形成fcc结构，而O2-离子位于四重对称位置，（a）每100个阳离子有多少个O2-离子存在？（b）有多少百分比的四重对称位置被占据？2-39.在温度为912℃时，铁从bcc转变到fcc。此温度时铁的两种结构的原子半径分别是0.126nm和0.129nm，（1）求其结构变化时的体积变化V/O。（2）从室温加热铁到1000℃，铁的体积将如何变化？2-40.固体材料存在哪些结构转变类型？受哪些因素的影响？举例说明。2-41.某熔化的Pb-Sn焊锡具共晶温度，假设此焊锡50g加热到200℃，则有多少克的锡能熔进此焊锡中？（参见图2-7-13）2-42.某65Cu-35Zn黄铜（参见图2-6-1）由300℃加热到1000℃，则每隔100℃有哪些相会出现？2-43.为什么金属、金属氧化物、无机化合物（氮化物等）具有高的表面能，而有机物（包括高聚物）表面能很低？2-44.为什么表面能和表面张力具有相同的量纲？影响材料表面能高低的实质是什么？第三章3-1与金属材料和无机非金属材料比较，高分子材料的组成和结构有什么特征？3-2为什么会出现高分子链聚集态结构？高分子链聚集态结构包含哪些内容？3-3为什么高分子链具有一定柔性？3-4什么是聚合物共混复合材料？其基本特征是什么？3-5是否可以通过内旋转将无规立构聚丙烯转变为全同立构聚丙烯？为什么？在全同立构聚丙烯晶体中，分子链是否呈无规线团构象？3-6.下列高聚物中哪些是结晶性的，哪些是非晶性的？（1）聚乙烯；（2）全顺式1.3聚异戊二烯；（3）尼龙6；（4）聚碳酸酯；（5）乙烯和丙烯的无规共聚物；（6）全同立构聚甲基丙烯酸甲酯；（7）间同立构聚氯乙烯；（8）无规立构聚丙烯；（9）固化酚醛塑料；（10）聚对苯二甲酸丁二醇酯；（11）ABS；（12）聚乙烯醇。3-7.总结一下，与低分子物质相比，高聚物的分子结构和分子聚集态结构有哪些重要特点？3-8.下列键的旋转位能均小于H2C-CH2，请解释H2C-OO=C-CH2H2C-NHN2C-SSi-OH2C-CH=3-9.简要说明聚合物晶体与金属晶体、离子晶体和无机共价晶体的主要差别。3-10影响多组分体系相分离有那些因素？3-11.聚合物共聚物形态结构有那些基本类型？其结构是怎样的？各举一个例子。3-12.高聚物有几种主要结晶形式？其中的高分子链的构象是怎样的？3-13.从结构分析，为什么PTFE具有极低的表面张力，并说明其粘结性能。3-14.为什么高分子链具有柔性？试比较下列各组内高分子链柔性的大小并简要说明理由：（1）聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯；（2）聚乙烯、聚乙炔、聚甲醛；（3）聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯；（4）聚甲醛、聚苯醚；（5）尼龙66、聚对苯二甲酰对苯二胺。3-15聚合物基复合材料的界面粘结剂的主要影响因素有哪些？如何提高复合材料的界面粘结性？3-16.增混剂和偶联剂的作用是什么？有何异同点？3-17无机玻璃和网络聚合物有何异同之处？从结构及物理状态的变化说明。3-18归纳金属、陶瓷、高分子材料在组成和结构方面的主要异同点。3-19.一玻璃含80%(wt)的SiO2和20%(wt)的Na2O，问非桥氧的分数为多少？3-20简述无机非金属材料中不同键合类型对材料性能的影响，并举例进行说明。3-21在离子晶体中，密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时，正负离子的半径比为临界半径比：（1）立方体配位（2）八面体配位；（3）四面体配位；（4）三角形配位。3-22.CaTiO3为标准钙钛矿型结构，简述其结构特征，分析其中钙离子、钛离子和氧离子的配位数。3-23黏土、滑石和云母同为层状结构硅酸盐，为什么它们却表现出非常大的机械性能差异？3-24.简要说明硅酸盐的几种结构单元的主要特点。3-25（a）99.8Fe和0.2C钢在800℃是什么相？（b）写出这些相的成分,（c）这些相各是多少百分比？3-26解释以下名词金属键、晶格、晶胞、合金、组元、相、机械混合物、铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、黄铜、青铜、形变铝合金、非晶态3-27.最常见的金属晶体结构有哪几种？3-28默画出Fe-Fe3C相图，说明相图中的主要点、线的意义，填出各相区的主要组织组成物。3-29总结铁碳合金中渗碳体的形态对合金性能影响的特点？3-30钢和铸铁在成分、组织和性能上的主要区别是什么？3-31什么是再结晶？如何选定再结晶退火温度？钢的再结晶退火温度是多少？3-32试比较各类铸铁之间的性能差别？第四章4-1.铝的弹性模量为70GPa，泊松比为0.34，在83MPa的静水压时，此单位晶胞体积是多少？4-2.下列何者的压缩性比较大？泊松比为0.29的β铁或泊松比为0.37的黄铜？4-3.直径为12.83mm的试棒，标距长度为50mm，轴向受200KN的作用力后拉长0.456mm，且直径变成12.79mm，（a）此试棒的体积模量是多少？（b）剪切模量是多少？4-4.一硫化的橡胶球受到1000psi的静水压力，直径减少了1.2%，而相同材质的试棒在受到75psi的拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒的泊松比为多少？4-5.在聚苯乙烯中加入15-20%的丁苯橡胶后抗冲击强度大大提高，请解释原因，并绘出共混前后PS的σ-ε曲线示意图。4-6.已知温度为25℃时五种高聚物的性能，用下面列的名称来识别是哪种高聚物，并说明原因。a.拉伸强度伸长率冲击强度（悬臂梁）弹性模量MPa%N·mMPa×103（1）62.111019.042.415(2)51.800.416.90(3)27.6724.080.828(4)69.001.096.90（5）17.32005.440.414名称：环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乙烯、酚醛树脂、聚碳酸酯b.指出上述树脂哪些是不透明的。4-7.一条212cm长的铜线，直径是0.76mm。当外加载荷8.7Kg时开始产生塑性变形（a）此作用力是多少牛顿？（b）外加载荷15.2kg时，此线的应变是0.011，则除去载荷后，铜线的长度是多少？（c）此铜线的屈服强度是多少？4-8冲击试验机的摆锤重10kg，自质量中心到摆动支点的距离是75cm，摆锤举高到120。后释放。打断试片后，摆锤升高到90。，此试片吸收了多少能量？4-9从拉伸试验如何获得常用的力学性能数据？4-10请分别说明三种弹性模量。4-11陶瓷材料的力学性能有何特点并做出简要的解释。4-12热处理（退火）的实质是什么？它对材料的拉伸强度、硬度、尺寸稳定性、冲击强度和断裂伸长率有什么影响？4-13有哪些方法可以改善材料的韧性，试举例说明。4-14.有哪些途径可以提高材料的刚性？4-15高聚物的实际强度大大低于理论强度，你能从