《材料科学基础》作业1
Ch1 习题及思考题
1．名词解释
晶体液晶非晶体长程有序短程有序等同点空间点阵结构基元晶体结构晶体点阵空间格子布拉菲点阵单胞(晶胞) 点阵常数
晶系
2．体心单斜和底心正方是否皆为新点阵？
3．绘图说明面心正方点阵可表示为体心正方点阵。
4．试证明金刚石晶体不是布拉菲点阵，而是复式面心立方点阵。金刚石晶体属于立方晶系，其中碳原子坐标是（000）、（0 1/2 1/2）、（1/2 1/2 0）、（1/2
0 1/2）、（1/4 1/4 1/4）、（3/4 1/4 3/4）、（1/4 3/4 3/4）、（3/4 3/4 1/4）。
5．求金刚石结构中通过（0，0，0）和（3/4，3/4，1/4）两碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。
6．画出立方晶系中所有的｛110｝和｛111｝。
7．写出立方晶系中属于｛123｝晶面族的所有晶面和属于〈110〉晶向族的所有晶向。
8．画出立方晶系中具有下列密勒指数的晶面和晶向：（130）、（211）、（131）、（112）、（321）晶面和[210]、[111]、[321]、[121]晶向。
9．试在完整的六方晶系的晶胞中画出（1012）晶面和[1120]、[1101]，并列出｛1012｝晶面族中所有晶面的密勒指数。
10．点阵平面（110）、（311）和（132）是否属于同一晶带？如果是的话，试指出其晶带轴，另外再指出属于该晶带的任一其它点阵平面；如果不是的话，为什么？
11．求（121）和（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。
12．计算立方晶系[321]与[120]夹角，（111）与（111）之间的夹角。
13．写出镍晶体中面间距为0.1246nm的晶面族指数。镍的点阵常数为0.3524nm。
14． 1）计算fcc结构的（111）面的面间距（用点阵常数表示）；
2）欲确定一成分为18%Cr，18%Ni的不锈钢晶体在室温下的可能结构是fcc还是bcc，由X射线测得此晶体的（111）面间距为0.21nm，已知bcc铁的
a=0.286nm，fcc铁的a=0.363nm，试问此晶体属何种结构？
Ch2.1-2 习题及思考题
1．分别说明什么是过渡族金属、镧系金属和锕系金属？
2．什么是一次键、二次键？它们分别包括哪些键？
3．什么是离子键、共价键和金属键？它们有何特性，并给予解释。
4．什么是分子键？什么是氢键？
5．试述结合键的多重性。
6．晶体结合键与其性能有何关系？
7．元素周期表中的元素可分为哪几大类？每一类结构有何特点？
8．什么是配位数？什么是致密度？
9．常见金属晶体结构有哪三大类？在这些晶胞中，分别说明晶胞中的原子数目、原子半径和点阵常数的关系、配位数和致密度。
10．HCP六方晶体点阵是不是一种独立的布拉菲点阵？
11．什么是同素异构转变？
12．简述FCC和HCP的密排结构特点，并比较二者的异同点。
13．试说明FCC、BCC、HCP晶体结构中间隙的种类、位置、大小及多少。
14．影响金属原子半径的因素有哪些？并说明如何影响。
15．铁的点阵常数是2.86埃，原子量是55.84，用阿佛伽德罗常数(6.023×1023)计算其密度。
16．γ-Fe在略高于910℃时的点阵常数α=0.3633nm，α-Fe在略低于910℃时α
=0.2892nm，求：
⑴上述温度时γ-Fe何和α-Fe的原子半径R；
⑵γ-Fe→α-Fe时的体积变化率；
⑶设γ-Fe→α-Fe转变时的原子半径不发生变化，求此转变时的体积变化率，与⑵的结果相比较并加以说明。
17．钛冷却到880℃发生b.c.c→h.c.p相变时体积收缩了3.3%，已知h.c.p结构的钛点阵常数a为0.2956nm，c为0.4638nm，求：
⑴b.c.c结构的钛的点阵常数；
⑵b.c.c→h.c.p转变时的原子半径有何变化？
18．已知金刚石晶胞中最邻近的原子间距为0.1544nm，试求出金刚石的点阵常数a，配位数P和致密度K。
19．举例说明亚金属晶体结构有何特点。
Ch2.3习题及思考题
1.简述纯金属作为结构材料合金化的目的
2.名词解释合金组元相
组织固溶体化合物
3.固溶体是如何分类的?
4.影响置换固溶体溶解度的因素有哪些?它们是如何影响的?
5.什么是间隙固溶体?形成间隙固溶体有何条件?
6.C原子可与α-Fe形成间隙固溶体,请问C占据的是八面体间隙还是四面体间隙?为什么.
7.什么是固溶强化和有序强化?
8.化合物有何特点?常见化合物有哪几种?
9.什么是正常价化合物?并简述其结合键、稳定性和性能特点.
10.电子化合物有哪几种类型? 其性能有何特点.
11. 说明γ黄铜型结构的特点.
12.描述具有砷化镍结构的相的特点.
13.列表说明受原子尺寸因素控制的中间相的形成条件.
14.间隙相有何特点?性能如何?有何用途?
15.常见间隙相有哪几种?原子位置如何?
16.间隙化合物结构有何特点?常见类型有哪些?
17. 描述Fe3C结构特点.
18. 说明Cr23C6的性能与一般用途
19. 什么是拓朴密堆相?
20.黄铜是指以Cu-Zn为基的合金,为什么常用黄铜的含Zn量控制在50%以内?
21.具有NiAs结构的相有何特点?
22.比较无限固溶体和有限固溶体的形成条件?
23. 间隙固溶体、间隙相和间隙化合物有何异同点?
24. 在NaCl型、立方ZnS型、CaF2型和M4X型的间隙相中,若金属原子以FCC排布,请问非金属原子应该如何排布?
25.描述或绘图说明Cu3Au型、CuAuⅠ型、CuAuⅡ型和CuPt型的超结构原子排列特点.
26.描述或绘图说明CuZn(β黄铜)型、Fe3Al和FeAl型的超结构原子排列特点
27. 什么是反相畴和反相畴界?影响有序化转变的因素有哪些?
Ch2-4习题及思考题
1．请问材料分别按化学组成、状态及用途是如何分类的？
2．陶瓷材料的组成相有哪些？它们各起什么作用？
3．陶瓷材料如何分类？其生产过程可分为哪几步？
4．什么是负离子配位多面体？常见负离子配位多面体有哪些？并画出陶瓷材料中最常见的两个负离子配位多面体。
5．举例说明在离子晶体中，正、负离子是如何排列的？正离子的配位数主要取决于什么？（即鲍林第一规则的实质是什么？）
6．当负离子配位多面体共用顶点、棱和面时，离子晶体结构稳定性如何？（即请解释鲍林第三规则）
7．MX组成的离子晶体通常有哪四种晶体结构？并说出其离子排列特征。该类离子晶体的结构与离子半径一般有什么关系？
8．画出萤石和金红石的晶体结构；说明β-方石英晶体结构中原子排列特征。
9．画出Cu
2
O（赤铜矿的主要成分）离子晶体结构。
10．说出刚玉结构特征。
11．比较在α-Al
2O
3
、FeTiO
3
（钛铁矿的主要成分）、LiSb0
3
三种离子晶体中离子排
列的异同点。
12．简述CaTiO
3
（灰钛石的主要成分）晶体结构特征。
13．什么是硅酸盐材料？举例说明硅酸盐矿物化学式的两种表达方法。
14．说明硅酸盐晶体结构的主要规律。
15．按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿和＿＿＿＿几种方式。硅酸盐晶体就是由一定方式的硅氧结构单元通过其它＿＿＿＿联系起来而形成的。
16．以锆英石Zr[SiO
4]和镁橄榄石 Mg
2
[SiO
4
]为例说明岛状硅酸盐晶体结构特征。
17．为什么说绿宝石结构（其结构式为 Be3Al2[Si6O18]）可以成为离子导电的载体
18．每个硅氧四面体通过＿＿＿＿个公共的＿＿＿＿连接起来，形成一维空间无限伸展的链状结构，即＿＿＿＿。两条相同的＿＿＿＿通过尚未公用的＿＿＿＿可以形成＿＿＿＿。
19．层状结构的基本单元是由＿＿＿＿的某一个面,在平面上彼此以其节点连接成向二维空间无限延伸的＿＿＿＿节环的硅氧层.硅氧层的化学式应是＿＿＿＿.
20．层状结构中的硅氧层有两类,一类是所有活性氧＿＿＿＿,另一类是活性氧＿＿＿＿. 大部分层状结构硅酸盐矿物是由复网层(双四面体)构成的.复网层是由活性氧相对着的两层硅氧层通过＿＿＿＿联系起来而组成的.对于某些矿物,在复网层与复网层之间可以有层间＿＿＿＿存在。
21．叶蜡石A1
2O
3
·4SiO
2
·H
2
O(分子式)的结构式为A1
2
[Si
4
O
10
](OH)
2
，请说明其结构
特征。
22．叶腊石与蒙脱石、莫来石、滑石及白云母结构有何关联？
23．架状结构中每一个氧都是＿＿＿,整个结构就是由＿＿＿连接成的三维骨架.石英族(即硅石)晶体属于架状结构,通式为＿＿＿,它有3种基本结构: ＿＿＿, ＿＿＿和＿＿＿,每一种都有2种或3种变体.24．α-石英，β-石英,β-鳞石英和β-
方石英结构上有何不同？
25．晶体与非晶体在X射线衍射图和电子衍射图上衍射结果有何不同？并给予解释。26．试用无规网络模型来描述玻璃的结构。
27．影响玻璃生成的因素有哪些？玻璃中常加有哪些调整剂？并简单说明其作用。28．什么是玻璃陶瓷？说明其性能及制造工艺特点，并举例说明其应用。
29．什么是金属玻璃？简述其性能特点及应用。
30．非晶态材料的制备方法可分为哪三类？
Ch2-5习题及思考题
1．名词解释：
高分子化合物单体链节聚合度
ABS塑料加聚反应均聚反映共聚反应
缩聚反应共缩聚反应均缩聚反应
2．试比较加聚反应与缩聚反应的特点。
3．简述高分子化合物的基本性质。
4．举例说明高聚物常见的改性途径。
5．熟悉高聚物的分类，了解高聚物的命名。
6．简述高聚物的结构特点及研究高聚物结构的主要内容。
7．高聚物的大分子链是由哪些元素组成的？高聚物的密度为什么一般仅有钢铁的1/4～1/7（即0.9～2.0g/cm3）。
8．分别列举均聚物与共聚物中常出现的链接方式或序列。
9．说明常见高聚物分子链的键接方式及其对聚合物性能的影响。
10．什么是高分子链的构型？乙烯类大分子链有哪三类常见的立体异构？并举例说明不同立体异构对其性能的影响。
11．如何理解高聚物分子量的多分散性？高聚物的平均分子量及分子量分布宽窄对高聚物性能有何影响？
12．什么是大分子链的柔性？影响大分子链的柔性有哪些因素？
13．在高聚物大分子链中有哪些热运动单元？这些热运动单元与高聚物宏观性状有何关联？
14．简述高聚物中原子键合的种类及特点。
15．非晶态高聚物一般包括＿＿、＿＿、＿＿以及＿＿。关于非晶态高聚物结构的两种代表性模型是＿＿模型和＿＿模型。
16．怎样理解晶态高聚物的结构？
17．什么是结晶度？影响结晶度的因素有哪些？结晶对高聚物性能有何影响？
18．举例说明什么是高分子合金及其特性。
Ch3习题及思考题
1. 计算当压力增加到500×105Pa时锡的熔点的变化时,已知在105Pa下,锡的熔点为505K，熔化热7196J/mol，摩尔质量为118.8×10-3kg/mol，固体锡的体积质量密度7.30×103kg/m，熔化时的体积变化为+
2.7%。
2. 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)半径为r*的晶核个数；
(c)从液态转变到固态时，单位体积的自由能变化ΔG*（形核功）；
(d)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T
m =993K，单位体积熔化热L
m
=1.836×109J/m3，固液界面比表面能δ
=93mJ/m2，书中表6-4是121mJ/m2,原子体积V
=1.66×10-29m3。
3. （a）已知液态纯镍在1.013×105Pa(1个大气压)，过冷度为319℃时发生均匀
形核。设临界晶核半径为1nm，纯镍的熔点为1726K，熔化热L
m
=18075J/mol，摩尔体积V=6.6cm3/mol，计算纯镍的液-固界面能和临界形核功。
（b）若要在2045K发生均匀形核，需将大气压增加到多少?已知凝固时体积变化ΔV=-0.26cm3/mol(1J=9.87×105 cm3.Pa)。
4. 纯金属的均匀形核率可以下式表示
式中A 1035,exp(-Q/kT) 10-2，ΔG *为临界形核功，k 为波耳兹曼常数，其值为
1.38*10-23J/K
（a ） 假设过冷度ΔT 分别为20℃和200℃，界面能ζ=2×10-5J/cm 2，熔化热Δ
H m =12600J/mol ，熔点T m =1000K ，摩尔体积V=6cm 3/mol ，计算均匀形核率 。
（b ） 若为非均匀形核，晶核与杂质的接触角θ=60°，则
如何变化？ΔT 为
多少？
(c) 导出r *与ΔT 的关系式，计算r *=1nm 时的ΔT/T m 。 5.试证明在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核较立方晶核更易形成。
6. 证明任意形状晶核的临界晶核形成功ΔG *与临界晶核体积V *的关系：
,ΔG V ——液固相单位体积自由能差。
7．绘图并推导纯金属的凝固驱动力⊿G ＝L m ⊿T/T m 。
8．合金中相平衡的条件是什么？
9．什么是相变？相变在材料研究中有何意义？
10．什么是结晶？研究金属和合金的结晶理论有何意义？
11．名词解释：
冷却曲线 过冷现象 过冷度 结构起伏 晶胚
晶核 晶粒 晶界 形核率 长大速度 均匀形核
非均匀形核能量起伏光滑界面粗糙界面
12．纯金属液固转变的驱动力是什么？为什么说过冷度越大这个相变的驱动力也越大？
13．试说明与气态金属相比，液态金属的性质更接近于固态金属。
14．液态金属的结晶过程是与的过程。
15．证明均匀形核的临界形核功等于表面能的1/3。
16．能否说明过冷度⊿T越大，相变的形核率就越大，为什么？
17．晶核长大的动力学条件是什么？长大机制有哪几种？长大速度如何？
18．推导相律f＝C－P＋2。
Ch4习题及思考题
1. 固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：
(a) 成分为40%B的合金首先凝固出来
的固体成分；
(b) 若首先凝固出来的固体成分含
60%B，合金的成分为多少？
(c) 成分为70%B的合金最后凝固的液
体成分；
(d ) 合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液
体和固体各占多少分数？
2.指出下列相图中的错误，并加以改正。
3. Mg-Ni系的一个共晶反应为
507℃
L(23.5Wt.%Ni) α(纯镁)+Mg
2
Ni(54.6Wt.%Ni)
设C
1为亚共晶合金，C
2
为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，
但C
1合金中的α总量为C
2
合金中的α总量的2.5倍，试计算C
1
和C
2
的成分。
4. 组元A和B在液态完全互溶，但在固态互不溶解，且形成一个与A、B不同晶体结构的中间化合物，由热分析测得下列数据：
含B量（wt%.%）, 液相线温度（℃）, 固相线温度（℃）
0, —, 1000
20, 900, 750
40, 765, 750
43, —, 750
50, 930, 750
63, —, 1040
80, 850, 640
90, —, 640
100, —, 800
（a）画出平衡相图，并注明个区域的相、各点的成分及温度，并写出中间化合物的分子式（原子量A=28，B=24）。
（b） 100kg的含20wt.%B的合金在800℃平衡冷却到室温，最多能分离出多少纯A。
5. 一种由SiO
2-45%Al
2
O
3
(wt%)构成的耐高温材料被用来盛装熔融态的钢（1600℃）。
(a)在此情况下有多少百分率的耐热材料会熔化？（共晶成分10wt%Al
2O
3）
(b) 选用该耐高温材料是否正确？（实际使用，液相不能超过20%）
6．画出Fe—Fe
3
C相图，并写出各关键点的温度及习惯标注的字母、表明各相区。7．画出含碳3.5%的铁碳合金的冷却曲线并表明其组织变化示意图；在室温下，它由什么相组成，各相的比例是多少？在室温下，它由什么组织组成，各组成物比例是多少？
8．在Fe－Fe
3
C相图中，分别画出1148℃、800℃、727℃、700℃时各相的自由能-成分曲线。
9．说明固溶体的平衡凝固过程是：形核→相界平衡→扩散破坏平衡→长大→相界平衡。
10．分别画出液相完全混合、部分混合和完全混合时固溶体不平衡凝固过程中的溶质分布情况。
11．名词解释：
枝晶偏析(晶内偏析) 匀晶转变共晶转变伪共晶离异共晶包晶转变
扩散退火(均匀化退火) 熔晶转变偏晶转变合晶转变共析转变
包析转变铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体定向凝固区域熔炼
12．什么是成分过冷？它对液-固界面的形貌有何影响？
13．共晶合金是如何形核和长大的？
14．简述铸锭的组织及其形成机理。
15．铸锭中常见的缺陷有哪些？
16．为什么高分子混合时不太易达到分子量级的混合？
17．简述高分子合金化的方法和特点。
18．青铜（Cu-Sn）和黄铜（Cu-Zn）相图如图所示：
（a）叙述Cu-10%Sn合金的不平衡冷却过程并指出室温时的金相组织；
（b）比较Cu-10%Sn合金铸件和Cu-30%Zn合金铸件的铸造性能及铸造组织；说明Cu-10%Sn合金铸件中有许多分散砂眼的原因；
（c）分别含2%Sn、11%Sn和15%Sn的青铜合金，哪一种可进行压力加工，哪种可利用铸造法来制造机件？
Ch5习题及思考题
1．在三元相图中，常用的成分三角形有哪些？
2．材料相图的实验测定方法包括哪些？
3．名词解释：
杠杆定律直线法则重心法则
4．三元相图：
⑴熟悉立体模型，能够想象出各个点、线、面及区（包括单相区、两相区、三相区及四相区）所处的空间位置及代表的意义；
⑵垂直截面及其用途；
⑶画出各温度下的水平截面；
⑷熟悉液相面投影图及液相面等温投影图；
⑸画出组织区分图、冷却曲线及室温下各区的组织。
5．在三元合金相图中，常见的四相平衡转变有哪几种类型？分别在立体模型、投影图及垂直截面图上画出各四相平衡转变的位置特征，并写出各四相平衡转变的反应式及其转变前后的三相平衡反应式。
6．实际三元相图应用举例：要求看懂图。
7．某三元合金K在温度为t
1时分解为B组元和液相，两个相的相对量W
B
/W
L
=2。已
知合金K中A组元和C组元的重量比为3，液相含B量为40%，试求合金K的成分。8．已知A、B、C三组元固态完全不互溶，成分为80％A、10％B、10％C的O合金在
冷却过程中将进行二元共晶反应和三元共晶反应，
在二元共晶反应开始时，该合金液相成分(a点)为
60％A、20％B、20％C，而三元共晶反应开始时的
液相成分(E点)为50％A、10％B、40％C。
(a) 试计算A
初
％、(A+B)%和(A+B+C)%的相对量。
(b) 写出右图中I和P合金的室温平衡组织。
9．成分为40%A、30%B和30%C的三元系合金在共晶温度形成三相平衡，三相成分如下：
(a) 计算液相、α相和β相各占多少分数；
(b)试估计在同一温度，α相和β相的成分同上，但各占50%时合金的成分。
10．Cu-Sn-Zn三元系相图在600℃时的部分等温截面如上图示：
（a）请在此图中标出合金成分点P点（Cu-32%Zn-5%Sn），Q点（Cu-40%Zn-6%Sn）和T点（Cu-33%Zn-1%Sn）,并指出这些合金在600℃时由那些平衡相组成。
（b）若将5kgP合金、5kgQ合金和10kgT合金熔合在一起，则新合金的成分为多少？
11．根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U
三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。试证
明该反应为R→Q+U+V类型反应。
12．根据图中的合金X，在四相反应前为Q+R+U三相平衡，四相反应后为U+Q+V三相平衡。试证明该反应为R+Q→U+V类型反应。
作业1
1. 纯金属晶体中主要的点缺陷类型有哪些？并试述它们产生的途径。
2. 银的空位形成能为1.76×10-19，试计算600℃和300℃时1cm3银晶体中所包含的平衡空位数（银的密度为10.5g/ cm3，原子量为107.9）
3. 某晶体的长度（L）和晶格常数（a）随温度变化关系如右图所示：
℃
（1）说明为何高温时⊿L/L＞⊿a/a
（2）证明在较高温度时晶体的平衡浓度可表示为：C V=3（⊿L/L—⊿a/a）
作业2
1.指出图1各段位错的性质，并说明刃型位错部分的多余半原子面。
2. 在面心立方晶体中，画出（111）面上的b=a/2 [1 0 1] 和 b=a/2 [0
1 1] 。
3. 如图2
所示，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η的作用。
1） 分析该位错环各段位错的结构类型；
2） 在η的作用下，该位错环将如何运动？
4. 当刃型位错周围的晶体中含有：
1）过饱和空位； 2）过饱和间隙原子； 3）低于平衡浓度的空位； 4）低于平衡浓度的间隙原子等四种情形，该位错怎样攀移。
作业3
1. 计算产生1cm 长的刃位错所需要的能量，并求出占该位错一半能量的
区域半径。(设r 0=1nm,R=1cm,b=0.25nm,γ=1/3,G=50Gpa)
2. 试判断下列位错反应在面心立方晶体中能否进行，并确定无外力作用
时的反应方向：
图1
材料科学基础期末试题
材料科学基础考题 I卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷答： 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的a相依附于初生a相生长，将共晶体中另一相B推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶体。 成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分） 1. 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错（A ）分解为a/2[111]+a/2[l11]. （A）不能（B）能（C）可能 2. 原子扩散的驱动力是：（B ） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度 3?凝固的热力学条件为：（D ） （A）形核率（B）系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4?在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（A） （A）氧离子空位（B）钛离子空位（C）阳离子空位 5?在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两 组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6?有效分配系数k e表示液相的混合程度，其值范围是（B ） （A）1vk e 《材料科学基础》教学教案导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义 第一章材料结构的基本知识 §1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键 一、一次键 1．离子键 2．共价键 3．金属键 二、二次键 1．范德瓦尔斯键 2．氢键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 §1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 §1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察 二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 §1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构 稳态结构 亚稳态结构阿累尼乌斯方程 第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞 坐标系 二、晶系和布拉菲点阵 7 个晶系 14 个布拉菲点阵 表2-1 三、晶向指数和晶面指数 1．晶向指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4．晶面间距 密排面间距大 5．晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带 定律：hu+kv+lw=0 ? 晶向指数和晶面指数确定练习，例题 §2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式 面心立方：ABCABCAB—C— 密排六方：ABABA—B — 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙 四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性 :-Fe, :-Fe, :-Fe 例： Fundamentals of Materials Science 1. Determine the Miller indices for the planes shown in the following unit cell: A:(2 1 -1) B:(0 2 -1) 2. Show that the atomic packing factor for HCP is 0.74. Solution: This problem calls for a demonstration that the APF for HCP is 0.74. Again, the APF is just the total sphere-unit cell volume ratio. For HCP, there are the equivalent of six spheres per unit cell, and thus Now, the unit cell volume is just the product of the base area times the cell height, c. This base area is just three times the area of the parallelepiped ACDE shown below. The area of ACDE is just the length of CD times the height BC. But CD is just a or 2R, and 3. For both FCC and BCC crystal structures, the Burgers vector b may be expressed as 第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 1. fcc结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______致密度为___________配位数是________________晶胞中原子数为___________，把原子视为刚性球时，原子的半径是____________；bcc结构的密排方向是_______，密排面是_____________致密度为___________配位数是________________ 晶胞中原子数为___________，原子的半径是____________；hcp结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______，致密度为___________配位数是________________，晶胞中原子数为 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。 《材料科学基础》教学教案 导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义 第一章材料结构的基本知识 §1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化 §1-2 原子结合键 一、一次键 1．离子键 2．共价键 3．金属键 二、二次键 1．范德瓦尔斯键 2．氢键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 §1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 §1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察 二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 §1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构 亚稳态结构 阿累尼乌斯方程 第二章材料中的晶体结构 §2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点） 晶格、晶胞 坐标系 二、晶系和布拉菲点阵 7个晶系 14个布拉菲点阵 表2-1 三、晶向指数和晶面指数 1．晶向指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族2．晶面指数 确定方法，指数含义，负方向，晶向族3．六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4．晶面间距 密排面间距大 5．晶带 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合 晶带定律：hu+kv+lw=0 ●晶向指数和晶面指数确定练习，例题 §2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式 面心立方：ABCABCABC—— 密排六方：ABABAB—— 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙 四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性 α-Fe, γ-Fe, δ-Fe 例： 碳在γ-Fe 中比在α-Fe中溶解度大 课程 材料科学基础 （共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画,直接做在试卷上） 一、填空题（1.5×20=30分） 1. 结晶学晶胞是（ ）。 2. 扩散的基本推动力是（ ），一般情况下以（ ）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（ ）。 3. 晶面族是指（ ）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的（）。 4. 向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（ ）。 5. 根据烧结时有无液相出现，烧结可分为（ ），在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（ ）。 6. 依据硅酸盐晶体化学式中（ ）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（ ）。 7. 液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法是（ ）的，因为（ ）。 8. 二级相变是指（ ），发生二级相变时，体系的（ ）发生突变。 9. 驰豫表面是指（ ），NaCl单晶的表面属于是（ ）。 10. 固态反应包括（ ），化学动力学范围是指（ ）。 11．从熔体结构角度，估计a长石、b辉石(MgO·SiO2)、c镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（ ）。 二、CaTiO3结构中，已知钛离子、钙离子和氧离子半径分别为 0.068nm， 0.099nm， 0.132nm。（15分） 1. 晶胞中心的钛离子是否会在八面体空隙中“晃动”； 2. 计算TiCaO3的晶格常数； 3. 钛酸钙晶体是否存在自发极化现象，为什么？ 三、在还原气氛中烧结含有TiO2的陶瓷时，会得到灰黑色的TiO2-x：（15分） 1．写出产生TiO2-x的反应式； 2．随还原气氛分压的变化，该陶瓷材料的电导率和密度如何变化？ 3．从化学的观点解释该陶瓷材料为什么是一种n型半导体。 四、选择题：下列2题任选1题（12分） 1. 简述金属材料、无机非金属材料以及高分析材料腐蚀的特点。 2. 试述材料疲劳失效的含义及特点。 五、现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能如下：（15分） 材料最佳性能用途 Y2O3透明，光线传递光学激光杆 Si3N4高温强度，抗蠕变燃气轮机部件 含Co铁氧体较顽力高能量永久磁铁 在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制显微结构因素和工艺条件上应主要考虑哪些相关因素？ 六、熔体结晶时：（1）图示核化速率-温度、晶化速率-温度关系及其对总结晶速率的的影响； （2）核化速率与晶化速率的不同对新相的显微结构有何影响，为什么？ （3）指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？（12分） 七、X射线给出立方MgO的晶胞参数是0.4211nm，它的密度是3.6g/cm3。（Mg2+和O2-、Al3+摩尔质量分别是24.3和16、27）（12分） 查看文本 习题 一、名词解释 金属键; 结构起伏; 固溶体; 枝晶偏析; 奥氏体; 加工硬化; 离异共晶; 成分过冷; 热加工; 反应扩散 二、画图 1在简单立方晶胞中绘出（）、（210）晶面及[、[210]晶向。 2结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后，试棒的成分－距离曲线示意图。 3如下图所示，将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。 4画出简单立方晶体中（100）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错与（001）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错交割前后的示意图。 5画图说明成分过冷的形成。 三、Fe-Fe3C相图分析 1用组织组成物填写相图。 2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。 3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。 四、简答题 1已知某铁碳合金，其组成相为铁素体和渗碳体，铁素体占82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。 2什么是单滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移线各有什么特征，如何解释？。 3设原子为刚球，在原子直径不变的情况下，试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。 4间隙固溶体与间隙化合物有何异同？ 5可否说扩散定律实际上只有一个？为什么？ 五、论述题 τC 结合右图所示的τC（晶体强度）—ρ位错密度 关系曲线，分析强化金属材料的方法及其机制。 晶须 冷塑变 六、拓展题 1 画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。 2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形？ 3 固态相变为何易于在晶体缺陷处形核？ 4 画出面心立方晶体中(225)晶面上的原子排列图。 综合题一：材料的结构 1 谈谈你对材料学科和材料科学的认识。 2 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？ 3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。 4 晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？ 5 画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？ 6 碳原子易进入a-铁，还是b-铁，如何解释？ 7 研究晶体缺陷有何意义？ 8 点缺陷主要有几种？为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷？ 材料科学基础试卷(一) 一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。任选六题，每小题3分，共18分） 1 晶体结构与空间点阵 2 热加工与冷加工 3 上坡扩散与下坡扩散 4 间隙固溶体与间隙化合物 5 相与组织 6 交滑移与多滑移 7 金属键与共价键 8 全位错与不全位错 9 共晶转变与共析转变 二、画图题（任选两题。每题6分，共12分） 1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。 2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。 3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。 4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。 三、简答题（任选6题，回答要点。每题5分，共 30 分） 1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？ 2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。 3 二元相图中有哪些几何规律？ 4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？ 5 材料结晶的必要条件有哪些？ 6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？ 7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。 8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？ 9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？ 10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？ 四、分析题（任选1题。10分） 1 计算含碳量0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。 2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。 3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。 五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分） (1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量. (2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向. (3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向. (4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何? (5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错 线受力的大小和方向。（点阵常数0.2)。 六、论述题（任选1题，15分） 1 试论材料强化的主要方法、原理及工艺实现途径。 2 试论固态相变的主要特点。 3 试论塑性变形对材料组织和性能的影响。 第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性何谓空间点阵、晶体结构及晶胞晶胞有哪些重要的特征参数 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数何谓致密度金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体它与间隙相、间隙化合物之间有何区别（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么 6. 已知Cu的原子直径为A，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar（Al）=，原子半径γ=，求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少 9. 何谓金属化合物常见金属化合物有几类影响它们形成和结构的主要因素是什么其性能如何 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120]，[1101]晶向和（1012）晶面，并确定（1012）晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于（101），（011）和（112）晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃，有W C为%的碳溶于fcc铁的固溶体，求100个单位晶胞中有多少个碳原子（已知：Ar(Fe)=，Ar(C)=） 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=，α-Fe在略低于912℃时a=，求：（1）上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R；（2）γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率；（3）设γ-Fe→α-Fe转变时原子半径不发生变化，求此转变时的体积变 期末总复习 一、名词解释 空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。 配位数：直接与中心原子连接的配体的原子数目或基团数目。 对称：物体经过一系列操作后，空间性质复原；这种操作称为对称操作。 超结构：长程有序固溶体的通称 固溶体：一种元素进入到另一种元素的晶格结构形成的结晶，其结构一般保持和母相一致。 致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能； 小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界； 晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 肖脱基空位：脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位。 弗兰克耳空位：晶体中原子进入空隙形而形成的一对由空位和间隙原子组成的缺陷。 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。 柏氏矢量：用来表征晶体中位错区中原子的畸变程度和畸变方向的物理量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。 过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠金属本身的能量起伏获得成核驱动力的形核过程。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 形核功：形成临界晶核时，由外界提供的用于补偿表面自由能和体积自由能差值的能量。 马氏体转变：是一种无扩散型相变，通过切变方式由一种晶体结构转变另一种结构，转变过程中，表面有浮凸，新旧相之间保持严格的位向关系。或者：由奥氏体向马氏体转变的 《无机材料科学基础》 绪论 1、材料的发展动向及本课程的重要地位； 2、本课程的特色及基本要求。 3、无机材料物理化学的科学内涵 4、无机材料物理化学的研究方法 5、参考文献 第一章结晶学基础 §1-1—§1-6内容在结晶学课程中讲授 §1-7 晶体化学基本原理 一、结晶化学定律（Goldschmidt——哥希密特定律） 1、数量关系 2、大小关系 3、极化性能 二、决定晶体结构的基本因素 （一）原子半径和离子半径 （二）球体紧密堆积原理 1、等径球的最紧密堆积及其空隙 （1）六方最紧密堆积 1）六方最紧密堆积方式 2）六方最紧密堆积特点 （2）面心立方最紧密堆积 1）立方最紧密堆积方法 2）立方最紧密堆积特点 （a）最紧密堆积的堆积系数 （b）紧密堆积中的空隙类型与数目 2、不等径球的堆积 一、配位数与配位多面体 1、配位数（CN） 2、配位多面体 二、离子极化 三、电负性（X） 四、鲍林规则（L.Pauling） （一）第一规则——配位多面体规则 1、第一规则的意义 2、配位数与临界半径比（极限半径比） （二）第二规则——电价规则（最重要的规则） 1、电价规则的意义——可确定负离子的CN或电价 2、可分析晶体结构是否稳定并分析结构中配位多面体的连接方式（三）第三规则—共顶、共面、共棱规则 （四）第四规则——岛式规则 （五）第五规则——节约规则 作业：P37 1-10 四面体键角109.28； 思考题： P37 1-7； 1-9； 第二章 晶体结构与结构缺陷 §2-1 典型结构类型 一、金刚石结构与石墨结构 （一）描述晶体结构的方法 1．点坐标法—描述结构基元的位置 2．投影法—也叫标高法。 3、球体紧密堆积法—反映质点的堆积特点和充填情况； 4．多面体的连接方式——对复杂的晶体结构，其质点数目多，用其他方法表示不易找出特点，而用此法则简单明了地描述其结构特点。 （二）金刚石结构 （三）石墨结构 金刚石是目前硬度最大的材料，石墨则是最软的材料。性质差异的原因是结构上的差异。 二、NaCl 型结构 NaCl 从化学式上说是属于AX 型化合物： （一）NaCl 型结构分析 NaC 晶体的空间群：Fm3m F ——表示布拉格点阵类型（面心立方） m ——表示对称面[在（001）面上有一对称面]； 3——对称轴[在（111）面上有一个三次轴； m ——表示倒转轴[在垂直于（110）方向有对称面） [2- =m] 1、从堆积方式上分析 2、Na ＋、Cl －在晶体中的位置分布规律 （二）具有NaCl 型结构的物质有32种 氧化物：MgO 、CaO 、SrO 、BaO 、MnO 、FeO 、CoO 、NiO 氮化物：TiN 、LaN 、TiC 、ScN 、CrN 、ZrN 这些物质其晶系、堆积方式、正负离子配位数、点阵类型均相同，仅晶格常数不同。 三、闪锌矿型结构——（ZnS -β） 1、立方型ZnS 结构分析 2、具有闪锌矿结构的晶体——有27种 四、纤锌矿型结构——（ZnS -α） 1、六方ZnS 结构分析 2、具有六方ZnS 结构的晶体——有23种如： BeO 、ZnO 、AlN 五、萤石型（CaF 2）结构 （一）萤石结构 1、萤石结构分析 2、结构特点 （1）内部空隙较大——1/2有立方体空隙是空的 （2）可看作是正离子作面心立方堆积，F-离子充填在四面体中； 一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 三、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差。 影响因素：1）分配系数k0：当k0<1时，k0值越小，则偏析越大；当k0>1时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子扩散能力，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度，冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 对金属性能的影响：使合金的机械性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低， 一、单项选择题(请在每小题的4个备选答案中，选出一个最佳答案， 共10小题；每小题2分，共20分) 1、材料按照使用性能，可分为结构材料和 。 A. 高分子材料； B. 功能材料； C. 金属材料； D. 复合材料。 2、在下列结合键中，不属于一次键的是： A. 离子键； B. 金属键； C. 氢键； D. 共价键。 3、材料的许多性能均与结合键有关，如大多数金属均具有较高的密度是由于： A. 金属元素具有较高的相对原子质量； B. 金属键具有方向性； C. 金属键没有方向性； D.A 和C 。 3、下述晶面指数中，不属于同一晶面族的是： A. (110)； B. (101)； C. (011- ）；D. (100)。 4、 面心立方晶体中，一个晶胞中的原子数目为： A. 2； B. 4； C. 6； D. 14。 5、 体心立方结构晶体的配位数是： A. 8； B.12； C. 4； D. 16。 6、面心立方结构晶体的原子密排面是： A. {111}； B. {110}； C. (100)； D. [111]。 7、立方晶体中（110）和（211）面同属于 晶带 A. [110]； B. [100]； C. [211]； D. [--111]。 6、体心立方结构中原子的最密排晶向族是： A. <100>； B. [111]； C. <111>； D. (111)。 6、如果某一晶体中若干晶面属于某一晶带，则： A. 这些晶面必定是同族晶面； B. 这些晶面必定相互平行； C. 这些晶面上原子排列相同； D. 这些晶面之间的交线相互平行。 7、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种，它们的晶胞中原子数分别为：A. 4, 2, 6; B. 6, 2, 4; C. 4, 4, 6; D. 2, 4, 6 7、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为： A. 肖脱基缺陷； B. 弗兰克缺陷； C. 线缺陷； D. 面缺陷 7、两平行螺旋位错，当柏氏矢量同向时，其相互作用力： 川大学教案【理、工科】 掌握疲劳 强度的概 念 4.1.8.3疲劳极限和疲劳强度 图 4-49 难点 了解并理 解疲劳断 裂机理 高分了材料宏观疲劳断裂过程: 2() DTA ——差热分析 Fig 17.2 图 4-51 难点 （2）与温度T 相关 T —Tg Cp 发生突变 DSC ——示差扫描量热仪 测 试原 理示意图。 比热容与温度 比热容与相变 一级相变，二级相变 3. 比热容（C P ）或Cv 定义：IKg 质量的固体（或液体）升高（或降低）PC 时，所增加 （或减 少）的（振动能量）热量。固体多用Cp 。单位： J - mol'1 - K 」。 Cp 〉 Cv 。 比热=热容/原子量,单位J ?Kg-I ?K 1 比热容的大小：主要取决于化学结构 等容热容 内能对温度的曲线上的斜率等压热容：嬉对温度的曲线 上的斜率 同体热容理论 经典理论 量了理论 原子的振动---晶格的振动 谐振了 随机振动 德拜模型 金属C P <1, 容易加热、容易冷却。单原子 晶体24.9；银24.3；铝 25.1。 银 C P =0.25 Fe C P =0.50 热容小，很快冷 要点 区分：热 容和比热 Fig 17.1 高分子 C P 1.0?2.0 例 / HDPE LDPE PS 天然橡胶 PVC 环氧树脂 热容大 2.31 1.90 1.20 1.92 1.05 1.05 影响高分了比热容Cp 的因素 （1）分了链柔顺性 温度的升高是由于分子过 其间内摩擦引起的，柔性 链，运动单元小内摩擦小, 反上升慢，热高量大，热 能动能 难点:理解 热容的宏 观效应，及 影响因素 练习题 第三章晶体结构，习题与解答 3-1 名词解释 （a）萤石型和反萤石型 （b）类质同晶和同质多晶 （c）二八面体型与三八面体型 （d）同晶取代与阳离子交换 （e）尖晶石与反尖晶石 答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。 反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。 （b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。 同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。 （c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。 （d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。 阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。 （e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四 面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石； 反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空 隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。 3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置 的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四 面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？ （b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何 种价离子，其中： （1）所有八面体间隙位置均填满； （2）所有四面体间隙位置均填满； （3）填满一半八面体间隙位置； （4）填满一半四面体间隙位置。 并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。 解：（a）参见2-5题解答。1:1和2:1 （b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子 及实例如下： （1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO； （2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O； （3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2； （4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO。 3-3 MgO晶体结构，Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？ 《材料科学基础》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 29、 30、 二、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中_____。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于_____。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平衡水平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无_____。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是_____。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为_____。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为_____。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的c/a为_____。 A、1.6 B、2×√(2/3) C、√(2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及_____。 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是_____。（其中Ko是平衡分配系数） A、1 材料科学基础习题 叶荷 11 及材料班2013-1-10 第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数ko；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？ 答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 《材料科学基础》习题及答案 第一章 结晶学基础 第二章 晶体结构与晶体中的缺陷 1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶、类质同晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论。 晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 答：配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。 配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH 值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。 多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象。 位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。 重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。 晶体场理论：认为在晶体结构中，中心阳离子与配位体之间是离子键，不存在电子轨道的重迭，并将配位体作为点电荷来处理的理论。 配位场理论：除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外，还考虑了共价成键的效应的理论 图2-1 MgO 晶体中不同晶面的氧离子排布示意图 2 面排列密度的定义为：在平面上球体所占的面积分数。 （a ）画出MgO （NaCl 型）晶体（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布图； （b ）计算这三个晶面的面排列密度。 解：MgO 晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。 （a ）（111）、（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。 （b ）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中，r a 220= （111）面：面排列密度= ()[] 907.032/2/2/34/222==?ππr r《材料科学基础》教学教案
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