復旦大學材料科學導論課后習題(搭配石德珂《材料科學基礎》教材)

1、材料科學導論課后習題答案第一章 材料科學概論1.氧化鋁既牢固又堅硬且耐磨，但為什么不能用來制造榔頭？ 答：氧化鋁脆性較高，且抗震性不佳。2.將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物和復合材料進行分類： 黃銅、環(huán)氧樹脂、混泥土、鎂合金、玻璃鋼、瀝青、碳化硅、鉛錫焊料、橡膠、紙杯 答：金屬：黃銅、鎂合金、鉛錫焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：環(huán)氧樹脂、瀝青、橡膠、紙 杯；復合材料：混泥土、玻璃鋼3.下列用品選材時，哪些性能特別重要？ 答：汽車曲柄：強度，耐沖擊韌度，耐磨性，抗疲勞強度；電燈泡燈絲：熔點高，耐高溫，電阻大； 剪刀：硬度和高耐磨性，足夠的強度和沖擊韌性；汽車擋風玻璃：透光性，硬度； 電視機熒光屏：光學

2、特性，足夠的發(fā)光亮度。第二章 材料結構的基礎知識1.下列電子排列方式中，哪一個是惰性元素、鹵族元素、堿族、堿土族元素及過渡金屬？(1) 1s22s22p63s23p63d74s2(2) 1s22s42p63s23p6(3) 1s22s22p5(4) 1s22s22p63s2(5) 1s22s22p63s23p63d24s2(6) 1s22s22p63s23p64s1答：惰性元素：(2)；鹵族元素：(3)；堿族：(6)；堿土族：(4)；過渡金屬：(1),(5)2.稀土族元素電子排列的特點是什么？為什么它們處于周期表的同一空格內(nèi)？ 答：稀土族元素的電子在填滿6s態(tài)后，先依次填入遠離外殼層的4f、5

3、d層，在此過程中， 由于電子層最外層和次外層的電子分布沒有變化， 這些元素具有幾乎相同的化學性質， 故處 于周期表的同一空格內(nèi)。3.描述氫鍵的本質，什么情況下容易形成氫鍵？ 答：氫鍵本質上與范德華鍵一樣， 是靠分子間的偶極吸引力結合在一起。 它是氫原子同時與 兩個電負性很強、原子半徑較小的原子(或原子團)之間的結合所形成的物理鍵。 當氫原子 與一個電負性很強的原子(或原子團)X結合成分子時，氫原子的一個電子轉移至該原子殼 層上；分子的氫變成一個裸露的質子， 對另外一個電負性較大的原子Y表現(xiàn)出較強的吸引力， 與Y之間形成氫鍵。答：一是金屬原子質量大；二是金屬鍵的結合方式?jīng)]有方向性，原子趨于緊密排

4、列，得到簡 單的原子排列形態(tài)。離子鍵和共價鍵結合的原子，相鄰原子的個數(shù)受到共價鍵數(shù)目的限制， 離子鍵結合還要滿足正、負離子間電荷的平衡，原子不可能緊密堆積，而且存在孔洞缺陷， 故金屬鍵結合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高。5.應用公式計算MgO2-離子對的結合鍵能，以及每摩爾MgO晶體的結合鍵能。假設離子4為什么金屬鍵結合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高？半徑為rMg2+=0.065nm;rO2-=0.140nm;n=7。決-衍“p._汕 _九答：吸引WfA2 _.ffeoOHsj + + |/徉斥nk 1(rMo2 + +roi -在平衡時，F(xiàn)吸引=F排斥故，解得晶體的結合鍵能：

5、 = 1=-朋弓冥W叫轉換為每摩爾MgO晶體的結合鍵能：肉 小1.小h I；丨6.原子序數(shù)為12的Mg有三種同位素：78.70%的Mg原子由12個中子，10.13%的Mg原 子由13個中子，11.17%的Mg原子由14個中子，試計算Mg的原子量。答：7B.70% X 24 +1U.13%X 25 + 11.17% X 26 = 24.327.試計算原子N殼層內(nèi)的最大電子數(shù)。若K,L,M和N殼層中所有能級都被填滿，試確定該原子的原子數(shù)。答：N殼層內(nèi)最大電子數(shù)： 錢以二弋1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s2該原子的原子數(shù)是708.試寫出Al原子13個

6、電子的每個電子的全部量子數(shù)。答：nlmms1001土2001-一221012111+ 一221-113001H310129.材料的三級和四級結構可以通過加工工藝來改變，那么材料的二級結構可以改變嗎？為什么？答：原子的結合鍵是材料的二級結構。對于單一的材料來說，其價鍵結構是不可以通過加工工藝來改變的。但是實際工程應用中，通過一定的加工工藝來改變材料的二級結構，比如金剛石具有共價鍵，石墨具有共價鍵和物理鍵，而石墨等碳質原料和某些金屬在高溫高壓下可 以反應生成金剛石，即一定程度上改變了材料的二級結構。第三章固體材料的晶體學基礎1.回答下列問題：（1） 在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶

7、向：（001）與210，（111）與丄復.，I與111，I與123，遼乞與236。（2） 在立方晶系的一個晶胞中畫出（111）和（112）晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。（3） 在立方晶系的一個晶胞中畫出同時位于（101），（011），（112）晶面上的.1.1晶向。答：作圖略。（2）兩晶面交線的晶向指數(shù)為H .- I- :2.有一正交點陣的a=b,c=a/2。某晶面在三個晶軸上的截距分別為6個，2個，4個原子間距，求該晶面的密勒指數(shù)。答：（263）3.寫出六方晶系的:=；晶面族中所有晶面的密勒指數(shù)，在六方晶胞中畫出丨丨Ji-L11晶向和晶面，并確定：.一厶；晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù)。答

8、：.晶面族中所有晶面的密勒指數(shù)為：0012）j （1102）? U102L （Ofii）,（0112）（1102）（1102）,（01T2）,（0112）|作圖略，自）晶面與六方晶胞交線的晶向指數(shù)為：T210L 11210）, 4223b 4223L 22431 22434.根據(jù)剛性球模型回答下列問題：（1）以點陣常數(shù)為單位，計算體心立方、面心立方和密排六方晶體中的原子半徑及四面體 和八面體的間隙半徑。（2）計算體心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子數(shù)、致密度和配位數(shù)。答：體心立方面心立方密排六方原子半徑萬a7 a1la四面體間隙呼aa品24a(2) 八面體間隙1申a1畢2al a屜12aa

9、原子數(shù)246致密度0.680.740.74配位數(shù)812125.用密勒指數(shù)表示出體心立方、面心立方和密排六方結構中的原子密排面和原子密排方 向，并分別計算這些晶面和晶向上的原子密度。答:體心立方面心立方密排六方原子密排面1101110001晶面的原子密度11 111 +iX4_J7X3+-X3624|X6+12ax皐Qa2L 2一屆2 X(屁，6 x學十4原子密排方向晶向的原子密度11i 1-X2+ 1“-X 2+ 1“-卜2 22Z2 2屁 屁a a6.求下列晶面的晶面間距，并指出晶面間距最大的晶面。(1)已知室溫下a-Fe的點陣常數(shù)為0.286nm，分別求出(100)、(110)、(123)

10、的晶面間 距。(2) 已知916C時丫-Fe的點陣常數(shù)為0.365nm，分別求出(100)、(111)、(112)的晶面 間距。(3)已知室溫下Mg的點陣常數(shù)為a=0.321 nm,c=0.521 nm,分別求出(.：:一.的晶面間距。答: (1)伽=+0 + + 4 = 8頂點坐標：（000），（100），（010），（001），（110），（101），（011），（111）（選填一個即可）面心坐標： 品）（韻（0軌（I軌（別）,81 g.r也.一-答：a001式111=4.如附圖a所示，試求某一晶格參數(shù)為2.5A0的立方金屬刃型位錯的burgers矢量的Miller指數(shù)及其長度。答：柏氏矢

11、量垂直于(220)，故其Miller指數(shù)為1105.女口附圖b所示，寫出在FCC金屬的匚心滑移方向的晶向指數(shù)。答：UHL IOI,uli, (on, noi, liio)第五章固體材料的凝固與結晶1.液體金屬在凝固時必須過冷，而加熱使其融化卻毋需過熱，即一旦加熱到熔點就立即熔化，為什么？答：液體金屬在凝固時必須克服表面能，形核時自由能變化大于零，故需要過冷。固態(tài)金屬在熔化時，液相與氣相接觸，當有少量液體金屬在固相表面形成時，就會很快覆蓋在整個表面(因為液體金屬總是潤濕同一種固體金屬)。表面能變化決定過程能否自發(fā)進行。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在熔化過程中，表面自由能的變化小于零，即不存在表面能障礙，也就不

12、必過熱。2.金屬凝固時的形核率常桉下式做簡化計算，即= toexp試計算液體Cu在過冷度為180K、200K和220K時的均勻形核率。并將計算結果與書圖6-4b比較。（已知=1.88 x 109/3,Tm=1356K切軋=0.177/ nt_2,= 6 X 10原子mk= 1.38x io_Z3y-/f-1）M均二猛7二代入數(shù)據(jù)得，180K時N均=7.50X101：，；200K時N均=7.89X10耳；220K時N均=13.36與圖6-4b相比，結果吻合，表明只有過冷度達到一定程度，使凝固溫度接近有效成核溫度 時，形核率才會急劇增加。3.試解釋凝固與結晶、晶胚與形核的相互關系。答：凝固是指物質

13、從液態(tài)冷卻成固態(tài)的一種轉變過程，可以形成晶態(tài)或非晶態(tài)。若冷卻后成為晶體，這種凝固成為結晶。根據(jù)熱力學判斷，在過冷液態(tài)金屬中，短程規(guī)則排列的結構尺寸越大，就越穩(wěn)定，只有尺寸較大的短程規(guī)則排列的結構，才能成為晶核。晶胚即是過冷液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列尺寸較大的原子有序排列部分。一定溫度下，最大晶胚有一個極限值5ax；而液態(tài)金屬的過冷度越大，實際可能出現(xiàn)的最大晶胚尺寸也越大。當液態(tài)金屬中形成的晶胚尺寸大于或等于一定臨界尺寸時，成為晶核，其有兩種形成方式：均勻成核（依靠液態(tài)金屬本身能量的變化獲得驅 動力并由晶胚直接成核的過程）和非均勻成核（晶胚是依附在其他物質表面上形核的過程）4.金屬結晶的熱力學條件和

14、結構條件是什么？答：過冷度是金屬結晶的熱力學條件；結構起伏和能量起伏是結構條件。5.哪些因素會影響金屬結晶時的非均勻形核率？答：過冷度，固體雜質及其表面形貌，物理性能如液相宏觀流動，外加電磁場，受機械作用 等。第六章材料的擴散與遷移1.把P原子擴散到單晶硅中的摻雜工藝是制備n型半導體的常用方法。若將原來的每107個Si原子中含有一個P原子的1mm厚的硅片，通過擴散摻雜處理后表面達到每107Si原子中含有400個P原子，試分別按：（a）原子百分數(shù)/cm, （b）原子數(shù)/cm3.cm的表示方法計算 濃度梯度。硅的晶格常數(shù)為5.4307A0。答：（a）（b）硅的晶胞體積為：勺色心方巴遼 勺二:尹也

15、叫單位晶胞中有8個Si原子，則107Si所占體積為：V = x V0= 2 X 10iC G -CsWxlO16400/2 K tg-16佃,厲=M= 一|L- = 1.995 x個/tnz2試說明影響擴散的因素。答：溫度，原子鍵力和晶體結構，固溶體類型和濃度，晶體缺陷，第三組元。3.試利用公式D=a2Pr,解釋各因素對擴散的影響。答：D與a2,P,r成正比。其中，a為最鄰近的間隙原子距離，與晶體結構有關；P為躍遷幾率，F(xiàn)=葉卩(-石),跟溫度,畸變能等有關；I為躍遷頻率，二二-莎)，與溫度、晶體結構、畸變能、擴散機制等因素有關。4.自擴散與空位擴散有何關系？為什么自擴散系數(shù)公式要比空位擴散系

16、數(shù)Dv小得多？(Dv=D/nv,nv為空位的平衡濃度)答：對于純金屬或間隙固溶體合金， 原子都處于正常的晶格結點位置。 若晶格結點某處的原 子空缺時，相鄰原子可能躍遷到此空缺位置， 之后又留下新的空位，原子的這種擴散方式叫 空位擴散。當晶體內(nèi)完全是同類原子時， 原子在純材料中的擴散為自擴散。 自擴散是空位擴 散的一種特殊形式。對于置換固溶體合金和純金屬，溶質原子與溶劑原子的尺寸和化學性質不同，與空位交換位置的幾率也不同，D=D0exp(-Q/RT),自擴散的擴散激活能要比空位擴散的擴散激活能大。 空位擴散系數(shù)Dv=D/nv,由于空位平衡濃度nv遠小于1,Dv比D大得多。第七章熱力學與相圖1.分

17、析共晶反應，包晶反應和共析反應的異同點。答：(1)不同點：共晶反應是一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時結晶形成另外一種 固相的反應過程；包晶反應是一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外一種固相的反應過程；共析反應是由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結構的固相的反應過程。(2)相同點：均是在恒溫下發(fā)生，處于三相平衡的狀態(tài)。2試分析圖7-6中合金IV的結晶過程(Wsn=70%)，計算室溫下組元成分的含量及顯微組織。答：結晶過程為勻晶反應+共晶反應+二次析出，冷卻過程如下圖所示， 室溫下組元成分：a+B + (a+3)共晶室溫下組元成分的含量：3.鉍(熔

18、點為271.5C)和銻(熔點為630.7C)在液態(tài)和固態(tài)時均能彼此無限互溶，灑=50%的合金在520時開始結晶處成分為wsb=87%勺固相。淌=80%勺合金在400C時開始結晶出 成分為wsb=64%的固相。根據(jù)上述條件，(1)繪出Bi-Sb相圖，并標出各線和各相區(qū)的名稱。(2)從相圖上確定含銻量為wsb=40%合金的開始結晶和結晶終了溫度，并求出它在400C時的平衡相成分及相對量。答: (1)m()共晶0.9720.700.975100%77.2%mii0.70 0.6190.975 0.6190.975-0.021-0.02100%22.2%0.70 0.6191-0.9750.975 0.6191-0.020.58%*(2)根據(jù)相圖，含銻量為40%合金開始結晶溫度大約為490C,終了溫度為350C,液相含量54.5%，固相含量45.5%。4.(1)應用相律時需考慮哪些限制條件？(2)試指出圖5-115中的錯誤之處，并用相律說明理由，且加以改正。答：(1)A.相律只適