材料科學(xué)基礎(chǔ)一二章答案

第一章5.作圖表示立方晶系（102）（012）（421）晶面和[102][211][346]晶向9.在立方晶系中畫(huà)出｛112｝的所有晶面解：｛112｝包括（112），(121)(解：｛112｝包括（112），(121)(211),(112)，(112)（112）,（121）,（121）,（121）,（211）,（211）,（211）；(112)(121)(211)(112)(112)(121)(121)(121)(112)(112)(121)(121)(121)(211) (211) (211)11.何謂多晶型轉(zhuǎn)變？以Fe為例說(shuō)明之；Fe加熱至912°C會(huì)發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變，如果原子半徑不變，試求出此時(shí)的體積變化。答：（1）當(dāng)外部條件（如溫度和壓強(qiáng)）改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱為多晶型轉(zhuǎn)變；（2）Fe在912C以下為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為a-Fe；在912-1394C時(shí)，具有面心立方，稱為Y-Fe；設(shè)Fe原子半徑為r,面心立方中看成面對(duì)角線上原子直接接觸，所以晶胞半徑a=4r/=2r。體積為aA3=16rA3,面心立方晶胞含有4個(gè)Fe原子；體心立方體對(duì)角線直接接觸，所以晶胞半徑b=4r/=2.31r。體積為bA3=12.3rA3，而體心立方有2個(gè)Fe原子，所以4個(gè)原子占的體積是12.3rA3x2=24.6rA3；面心/體心=16rA3/（24.6rA3）=0.92綜上，由體心變?yōu)槊嫘慕Y(jié)構(gòu)，體積減小為原來(lái)的92%。何謂固溶強(qiáng)化？置換固溶體和間隙固溶體的強(qiáng)化效果哪個(gè)大？為什么？答：（1）固溶強(qiáng)化:在固溶體中，隨著溶質(zhì)濃度的增加，固溶體的強(qiáng)度硬度提高，而韌性，塑性有所下降的現(xiàn)象（2）間隙固溶體的強(qiáng)化效果高于置換固溶體。因?yàn)槿苜|(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，所引起的晶格畸變也越大，強(qiáng)化效果也就越好。由于間隙原子造成的晶格畸變比置換原子大得多，所以其強(qiáng)化效果好。何謂間隙相？它與間隙固溶體及復(fù)雜晶格間隙化合物有何區(qū)別？答：（1）當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱為間隙相；（2）間隙相是一種化合物，它是與其組元完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，而間隙固溶體則保持著溶劑組元的晶格類(lèi)型。非金屬與金屬的原子半徑比是大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。間隙相與復(fù)雜間隙化合物相比具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，間隙相硬度更高，更穩(wěn)定。碳可以溶入a-Fe和y-Fe間隙中，a-Fe的致密度k=0.68,y-Fe的k=0.74，但y-Fe的溶碳能力卻比a-Fe大，通過(guò)計(jì)算說(shuō)明原因（a-Fe在727°C時(shí)原子半徑為0.1252nm，y-Fe在1184C時(shí)原子半徑為0.1293nm）。答：a-Fe是體心立方晶體，y-Fe是面心立方晶體，體心立方晶格的最大間隙是四面體間隙，面心立方晶格的最大間隙是八面體間隙；a-Fe最大間隙是四面體間隙為0.126a,Y-Fe最大間隙是八面體間隙為0.146a,對(duì)于a-Fe，Ra=/4.a=0.1252nm RB=0.126a=0.03643nm對(duì)于y-Fe，Ra=/4.a=0.1293nm RB=0.146a=0.05340nma-Fe的致密度雖然比y-Fe的低，但因它的間隙數(shù)量少，間隙直徑小，所以它的溶碳能力比y-Fe的低。第二章2.根據(jù)結(jié)晶的熱力學(xué)條件解釋為什么金屬結(jié)晶時(shí)一定要有過(guò)冷度？冷卻速度與過(guò)冷度有什么關(guān)系？答：由熱力學(xué)第二定律知道，在等溫等壓條件下，一切自發(fā)過(guò)程都朝著使系統(tǒng)自由能降低的方向進(jìn)行。液態(tài)金屬要結(jié)晶，其結(jié)晶溫度一定要低于理論結(jié)晶溫度Tm，此時(shí)的固態(tài)金屬自由能低于液態(tài)金屬的自由能，兩相自由能之差構(gòu)成了金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。要獲得結(jié)晶過(guò)程所必須的驅(qū)動(dòng)力，一定要使實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度，這樣才能滿足結(jié)晶的熱力學(xué)條件。過(guò)冷度越大，液、固兩相自由能的差值越大，即相變驅(qū)動(dòng)力越大，結(jié)晶速度越快，所以金屬結(jié)晶必須有過(guò)冷度。冷卻速度越大，過(guò)冷度越大；反之，冷卻速度越小，則過(guò)冷度越小。綜述金屬的均勻形核過(guò)程：（1） 證明臨界晶核半徑rk=2o/△Gv晶胚的體積為V，表面積為S，液固兩相單位體積自由能之差為AGv，單位面積的表面能為。，系統(tǒng)自由能變?yōu)閊G；△G=-VAGv+aS；=-4/3nrA3^Gv+4nrA2.a對(duì)式進(jìn)行微分并令其等于零，可得：Q/△Gv（2） 證明rk=2aTm/LmAT'Q/△Gv；△Gv=Lm.△T/Tm；即rk=2aTm/LmAT（3） 證明臨界形核功乙Gk=Ska/3當(dāng)r=rk時(shí)△G=AGk△G=-4/3*3乙Gv+4nrA2.a；rk=2a/△Gv；△Gk=1/3[4n（2a/△Gv）人2.a]=1/3Ska（4）均勻形核的條件是什么？答：①要有結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏；②液態(tài)金屬要過(guò)冷，且過(guò)冷度必須大于臨界過(guò)冷度；③結(jié)晶必須在一定溫度下進(jìn)行（5）、過(guò)冷度對(duì)形核率N有何影響？答：開(kāi)始時(shí)，形核率隨過(guò)冷度的增加而增大，當(dāng)超過(guò)極大值之后，形核率又隨過(guò)冷度的增加而減小，當(dāng)過(guò)冷度非常大時(shí)，形核率接近于零。

6、何謂非均勻形核？敘述非均勻形核的必要條件答：非均勻形核：新相優(yōu)先出現(xiàn)于液相中的某些區(qū)域的形核方式。必要條件：（1）液體必須過(guò)冷，提供形核的熱力學(xué)條件，△G<0；（2）有結(jié)構(gòu)起伏;（3）有能量起伏△&'<^G但所需的能量起伏小。10.設(shè)晶核為一立方體，推導(dǎo)臨界晶核半徑邊長(zhǎng)和臨界形核功答：設(shè)立方體邊長(zhǎng)為a，體積為V（V=a3），表面積s（S=6a2）。AGV固-液?jiǎn)挝惑w積自由能之差，° 單位面積表面能AG=a3AG+6AG=a3AG+6a2°令A(yù)G‘=0，得 AGv；即立方體晶核的臨界邊長(zhǎng)—4°a即立方體晶核的臨界邊長(zhǎng)—4°a= kAGV；把"/帶入AG=a3AGV+6a2°中，整理得AGV32°3AGv2AG廣空因此臨界形核功 KAGv之。12、常溫下晶粒大小對(duì)金屬性能有何影響？根據(jù)凝固理論，試述細(xì)化晶粒的方法有哪些？答：金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。細(xì)化晶粒的方法：1） 控制過(guò)冷度，在一般金