材料科学基础复习答案学生用.docx

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1、材料科学基础复习答案学生用材料科学基础复习重点知识点及典型例题 一、简答题： 1、测定扩散系数的方法。 示踪原子扩散方法、化学扩散方法、弛豫方法、核方法。 2、产生柯肯达尔效应的原因 由于两种原子以不同速度相对扩散而造成标记面的漂移。 3、影响扩散系数的因素： 温度、晶体结构及固溶体类型、各向异性、第三组元、晶体缺陷、 4、稳定化合物： 是指具有一定的熔点，而且在熔点以下都能保持自身固有的结构而不发生分解的化合物。 5、二元相图的几何规律： 1.两个单相区只能交与一点，而不能交成线段、2.两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区、3三相共存区，必定是一条水平线，该水平线必须与由这3个

2、相组合而成的3个两相区相邻、4如果两个恒温转变中有两个是相同的相，那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区、5.两相区和单相区的分界线与三相等温水平线相交，则分界线的延长线进入另一个两相区，而不会进入单相区。 6、相区接触法则： 在二元系相图中，相邻相区中相的数目只能相差一个，这一规律称作相区接触法则。 7、晶胞的选取原则 1.几何形状与晶体具有同样的对称性、2.平面六面体内相等的棱与角的数目最多、3.当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多、4.在满足上述条件下，晶包体积应最小。 8、形成置换固溶体的条件和影响溶解度因素: 1.条件：溶质取代了溶剂中原子或离子所形成的固溶体、2影响：

3、原子或离子的尺寸的影响、晶体结构类型的影响、电负性的影响、电子浓度的影响。 9、碳对铁碳合金的组织与性能的影响: 1.碳对铁碳合金平衡组织的影响：当含碳量增加时，使铁碳合金组成相的相对含量发生变化，从而导致不同性质的结晶。2.碳对合金机械性能的影响：当含碳量达到0.77%时，铁碳合金不仅具有较高的强度和硬度，也具有一定的塑性和韧性，当0.77%时，铁碳合金的塑性韧性降低。3.碳对合金工艺性能的影响： 10、写出下列缺陷反应式： (1) CaCl2固溶在NaCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS) CaCl2+2NaClCaNa+2Clcl+VNa (2) MgO固溶在Na2O晶体中(产生正

4、离子空位，生成置换型SS) MgO+Na2OMgNa+Oo+VNa (3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS) Al2O3+3MgO2AlMg+3Oo+V”Mg (4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS) 2YF3+3CaF22YCa+6FF+V”Ca (5) MgO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位，生成置换型SS) MgO+ZrO2Mg”zr+Oo+Vo 11、材料科学基础 材料科学基础系统地介绍了材料科学的基础理论，探讨材料的共性和普遍规律。主要内容包括材料的结构，材料的凝固与相图，扩散，材料中铺缺陷，塑性变形、回复与再结晶等。材料

5、科学基础可作为高等院校材料类和机械类专业的学生及研究生的教科书和参考书，也可以为相关专业的学生及 - 1 - 从事材料工作的科技工作者和工程技术人员提供参考。 12、材料科学 材料科学是自然科学的一个分支，它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘和模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。 13、合成的定义式什么，合成研究包括那些？ 指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括以适当的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也应包括已有材料的新合成方法及其新形态的合成。 14、制备： 研究如何控

6、制原子与分子使之构成有用的材料。这一点是与合成相同的，但制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和适用效能， 即包括材料的加工、处理、装配和制造。简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程。 15、结构的定义式什么，包括那些方面？ 1.定义：结构是理解和控制性能的中心环节。2.包括原子结构、原子的排列、相结构、显微组织、晶体中的结构缺陷。 16、离子键的特点： 离子键可用化学式表示、高熔点，结合力强，硬而脆、电子周围无自由电子、无方向性、传导性差 17、共价键的特点: 具有饱和性符合8-n定律、具有方向性、结合力强，熔点

7、高，硬、电子周围无自由电子、传导性差 18、原子半径的影响因素： 19、晶向指数建立步骤 1.选定坐标系、2通过原点作一条直线，使其平行于待标定的晶向、3在直线上任取一点P，求出P点在3个坐标系的坐标、4取截距的最小整数比，去掉比例符号，用方括号括之。 20、晶面指数的确定步骤： 1.选定以晶轴为坐标轴的坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体边长a、b、c2.求出待标晶面在X、Y、Z轴上的截距pa、qb、rc,截距系数为p、q、r3取截距系数的倒数最小整数比、4.去掉比例符号，以小括号括之。 21、晶带定律 晶带指数为时，晶带中任何晶面指数都能符合关系式：hu+kv+

8、lw=0,这种规律称为晶带定律。 22、缺陷： 晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这便是晶体结构缺陷 23、热缺陷： 热缺陷是由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷。 24、非化学计量化合物： 其各元素的原子组成可以一定的比例范围内波动。它们的组成不符合化合价规则，不服从组成定律，不能用小的整数来表示，只能用小数描述。 25、互扩散 伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度梯度有关，异类原子相对扩散，相互渗透。 扩散 物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。 自扩散 没有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关。 异扩散 溶质原子在溶剂金属中的扩散 26、扩散通量 指扩

9、散物质在单位时间内通过单位截面积的质量。 - 2 - 27、固相反应的特点： 1、相界面共格界面、半共格界面、肥共格界面2.界面能、3应变能、4取向关系、5.惯性面、6晶体缺陷 29、固相反应的一般过程包括哪些： 1、反应物颗粒间混合接触 2、在颗粒表面发生反应3、形成细薄含大量结构缺陷的新相4、晶粒生长5、反应通过反应物的扩散而继续 30、影响固相反应的因素： 反应物化学组成与结构；反应物颗粒尺寸及分布的影响；反应温度压力、气氛；矿物剂及其它因素 31、自由度 (f)定义: 指：在平衡系统中独立可变的因素。 33、何谓金属键？金属的性能与金属键的关系如何？ 定义：金属正离子与自由电子之间的相

10、互作用就构成了金属原子间的结合力金属键。关系：由于金属键存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生突跃，从而表现出有金属光泽、不透明，另外，金属正离子以球型密堆积方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性，并说明金属键没有方向性和饱和性。 34、定比例规则： 从等边三角形的某一顶点向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点组分的含量则随着远离顶点而降低。 35、等含量规则：在等边三角形中，平行于一条边的直线上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。 36、杠杆规则：在三元系统中，一种混合物分解为两种物质(或两种物质合成为一种混合物)时，它们的组

11、成点在一条直线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。 37、连线规则：将界线(或延长线)与相应的连线相交， 其交点是该界线上的温度最高， 温度走向是背离交点 38、切线规则：将界线上的某一点所作的切线与相应的组成的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质； 如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，远离交点的晶相被回吸。 39、重心规则：无变量点处于其相应副三角形的重心位，则为共熔点；无变量点处于其相应副三角形的交叉位，则为单转熔点；无变量点处于其相应副三角形的共轭位，则为双转熔点。 40、三角形规则 原始熔体组成点所在三角形的三个顶点表示的物质即为 其结晶产

12、物；与这 三个物质相应的初晶区所包围的三元无变量点是其结晶终点。 41、均匀形核：均匀形核是指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程。 42、什么是物理吸附、化学吸附，两者的区别. 物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，化学吸附 吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附，化学吸附是指在吸附过程中伴随着化学反应，物理吸附在吸附过程中则没有化学反应。一般来说，化学吸附是不可逆的，物理吸附可逆 44、马氏体相变的基本特征？ 1.无扩散性2.切变性，即由母相变为新相的晶格改组过程是以切变方式进行的3.具有一定的晶体学位相关系的惯习面

13、，即共格切变4.转变在一定的温度范围内进行5.快速转变，一般不需要孕育期6.转变不完全，会留有相当数量的残余奥氏体 45、范得华力来源三方面： 1.静电力、2.诱导力、3.色散力。 46、鲍林的具体内容有哪些？ 一个原子轨道最多只能容纳两个电子，且这两个电子自旋方向必须相反 47、肖脱基空位;弗兰克尔空位。 肖脱基空位：离位原子迁移到外表面或内界面处称为肖脱基空位 弗兰克尔：离位原子迁移到晶体点阵的间隙中称为弗兰克尔空位 - 3 - 48、由于能量起伏和原子热振动，点缺陷将不断产生、运动和消亡，点缺陷是热力学稳定的缺陷。 49、晶体缺陷按几何组态可分哪几类？ 1.点缺陷、2.线缺陷、3.面缺陷

14、。 50、获得过饱和点缺陷的方法哪些。 1.淬火法、2.辐射法、3.塑性变形。 51、试阐述粉体材料与人类社会的关系及其在各领域中的应用 从材料古代文明、现代文明、社会发展、日常生活等方面进行论述 材料、信息、能源归为现代文明的三大支柱，信息技术、生物技术和新型材料作为新的技术革命的重要标志。先进材料是社会现代化的先导. 材料是人类文明的物质基础 ，从远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。材料又是社会现代化的物质基础与先导，特别是先进材料的研究、开发与应用反应着一个国家科学技术与工业水平。在人类的生活和生

15、产中，材料是必需的物质基础。人们的衣食住行，无一不与材料密切相关。材料的发展水平直接影响人们的生活。 52、稳态扩散： 指在扩散系统中，一体积元在任一时刻，流入的物质量 与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间变化。 53、材料科学与工程中的许多现象烧结、氧化、蠕变、沉淀、化学热处理以及许多相变过程都与扩散密切相关 54、共价键的本质是什么，共价键理论包括那些理论？ 本质：党原子相互靠近时，原子轨道发生作用，组成新的分子轨道，引起原子间电子分布情况发生变化，使两原子聚集程度变大，电子云密度增加，体系能量降低，形成稳定的化学键，称为共价键。 包括：价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。 55、

16、相图 狭义:相图，也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的 组成与一些参数之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。 广义:相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。 简单的相图如水的图，从中可以很容易地读出水的三相点、临界点等信息。图中的分隔线称为“两相平衡线”，所划出的范围表示单相区，两个变量可以同时在一定范围内改变而无新相出现。常见的二组分系统相图有压力-组成图、温度-组成图、蒸汽压-液相组成图、溶解度图、低共熔混合

17、物相图等。 56、组元 通常指构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的物质。 57、配位数Z :定义；Z反映了 晶体中原子排列第紧密程度。Z越大，晶体排列得越紧密。 58、二元相图的分析方法; 1.先看相图中是否存在稳定的化合物，如果有稳定化合物，则可将稳定化合物作为一个独立的组元把相图分为几个部分来分析研究。2.根据相区的接触法则，弄清各个相区。3.找出三相共存水平线及其接触的3个单相区，由3个单相区与水平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式。4.分析典型合击随温度改变而发生的转变和变化规律。 59、结晶相变是各种相变中最常见的相变，通过对结晶相变的研究可揭示相变进行时所必须的条件、相

18、变规律和相变后的组织与相变条件之间的变化规律，对材料的制取、加工成形机性能的控制均有指导做作用。 60、过冷： 纯金属在结晶冷却过程中结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm,这种现象叫过冷。 - 4 - 61、形核给体系能量带来两相变化，其一是晶核者部分体积由液态转变成晶体所释放出的能量，使体系能量降低；其二是晶核与液相之间形成了相界面是体系能量增加。 62、纯金属晶体的生长形态取决于界面前沿液相内的温度分布。 63、界面。 相与相之间的交界面。即两相间的接触表面。 64、理想表面： 66、晶界偏析： 一般来说，晶界结构比晶内松散，具有一定的表面效应，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所

19、以溶质原子有自发向晶界偏聚的的趋势，这就 会发生晶界偏析。 67、影响晶界迁移率的主要原因：溶质原子，低的杂质含量就可使迁移率降低几个数量级；第二相颗粒，运动着的晶界遇到第二相颗粒时，颗粒将对晶界作用一个约束力，使晶界的迁移速度降低；温度，睡者温度的升高，晶界迁移率明显提高；晶界两侧晶粒的位向，小角度晶界的迁移率比大角度晶界低。 68、柏氏矢量的确定方法： 规定位错线的正方向，通常指定位错线自纸面伸出的方向为正向 从实际晶体中任意一个原子出发，围绕位错线作一个闭合回路。 然后在完整晶体中作相应的参考回路，即在相同的方向上走同样的步数，结构参考回路的终点与其起始部重合，自终点向始点引一个矢量。

20、69、柏氏矢量的意义： 根据柏氏矢量与位错线的关系可以确定位错类型；柏氏矢量b表示位错线周围弹性变形量的总和，表示总畸变量的大小和方向，表示柏氏矢量大小的b越大，说明点阵畸变越严重；柏氏矢量具有守恒性，即一定的位错，不论柏氏回路的大小、形状如何变化，只要它不与别的的位错相交，则所确定的柏氏矢量是一定的。 70、在切应力作用下，螺旋位错的移动方向与其柏氏矢量、切应力及晶体的滑移方向相垂直。 71、在固相反应中矿化剂起什么作用？ 影响晶核的生长速率；影响结晶速率及晶格结构；降低共熔点，改善液相性质。 72、扩散的机制包括哪些？ 1.间隙机制、2.填隙机制、3.空位机制。 73、空位扩散的速率取决于

21、临近空位的原子是否具有越过势垒的自由焓，同时也取决空位浓度。 74、实验测定结果表明，空位机制比间隙机制需要更大的扩散激活能。 75、材料的性能决定于相的种类、数量、尺寸、形状和分布。 76、系统中相的平衡条件是每一个组元在所有各相中的化学势相等。 77、同素异晶转变：物质在不同温度和压力下，晶体结构发生变化 78、同素异晶转变前的固相和同素异晶转变后的固相称为同素异晶体。 79、有一个液相同时结晶出两个不同固相的过程称为共晶转变或共晶反应 80、按界面原子的排列特点，可将相界面分为:共格、半共格、非共格3种界面。 81、材料的变形就其基本特征而言可分为3类：弹性形变、塑性变形和粘性变形。 8

22、2、普弹性变形的微观机理：在外力作用下，晶体中原子沿受力方向偏离平衡位置，但并不能摆脱周围原子的束缚；而高分子材料的键长和键角的变化都很微小，这样，当外力去除后原子间的相互作用力又将原子拉回原位而使变形消失。 83、普弹性变形的特点:应力和应变间符合线形关系，即满足虎克定律；加工或去除应力时，应变都能瞬间达到平衡。 84、扭折带：晶体在滑移和转动时，若在某些部位受阻，位错在哪里堆积，使滑移和转动只发生在一个狭窄的带状区域，这个区域叫扭折带。 85、多晶体塑性变形的特点:各晶粒不能同时变形；各晶粒的变形不均匀；各变形晶粒互相协调。 二、计算题： - 5 - 1、已知Mg2+半径为0.072nm，

23、O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。 解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2(r+r-)=0.424(nm) 体积分数=4(4/3)(0.143+0.0723)/0.4243=68.52% 密度=4(24.3+16)/6.0231023(0.42410-7)3=3.5112(g/cm3) MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.42350.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。 2、临界半径

24、比的定义是：紧密堆积的阴离子恰好互相接触，并与中心的阳离子也恰好接触的条件下，阳离子半径与阴离子半径之比。即每种配位体的阳、阴离子半径比的下限。计算下列配位的临界半径比：立方体配位；八面体配位；四面体配位；三角形配位。 解：立方体配位 在立方体的对角线上正、负离子相互接触，在立方体的棱上两个负离子相互接触。因此： 八面体配位 在八面体中，中心对称的一对阴离子中心连线上正、负离子相互接触，棱上两个负离子相互接触。因此： 四面体配位 - 6 - 在四面体中中心正离子与四个负离子直接接触，四个负离子之间相互接触。因此： 底面上对角中心线长为：三角体配位 在三角体中，在同一个平面上中心正离子与三个负离

25、子直接接触，三个负离子之间相互接触。因此： 3、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.9。 解：设球半径为 a，则球的体积为 4/3a3，求的 z=4，则球的总体积44/3a3， 立方体晶胞体积：(2 a)3=16 a3 ，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率 =1-74.1%=25.9%。 4、一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M，密度是8.94g/cm3。试计算其晶格常数和原子间距。 解：根据密度定义，晶格常数 原子间距=5、试根据原子半径R计算面心立方晶胞、体心立方晶胞的体积。 解：面心立方晶胞：六方晶胞：体心立方晶胞：6、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。 7、求晶面与的夹角及它们所决定的晶带轴 求晶面与的夹角及它们所决定的晶带轴 8、求晶向100与010的夹角及他们所决定的晶面的晶面指数 9、等轴晶系中-Fe的点阵常数为2.8610-10m，写出-Fe的晶格常数，求出、晶面的晶面间距。 三、作图分析题 - 7 -