材料科学基础-张代东-习题答案

材料科学基础-张代东-习题答案

第1章习题解答

1-1 解释下列基本概念

金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键，晶体，非晶体，理想晶体，单晶体，多晶体，晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14 种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带，晶带轴，晶带定理，晶面间距，面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体，点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位，间隙原子，肖脱基缺陷，弗兰克尔缺陷，点缺陷的平衡浓度，热缺陷，过饱和点缺陷，刃型位错，螺型位错，混合位错，柏氏回路，柏氏矢量，

位错的应力场，位错的应变能，位错密度，晶界，亚晶界，小角度晶界，大角度晶界，对称倾斜晶界，不对称倾斜晶界，扭转晶界，晶界能，孪晶界，相界，共格相界，半共格相界，错配度，非共格相界（略）

1-2原子间的结合键共有几种？各自特点如何？答：原子间的键合方式及其特点见下表。

类型特点

分子键借助瞬时电偶极矩的感应作用，无方向性和饱和性

依靠氢桥有方向性和饱和性

1-3问什么四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型？

答：如下图所示，底心四方点阵可取成更简单的简单四方点阵，面心四方点阵可取成更简单的体心四方点阵，故四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。

1-4试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。

证明：根据晶面指数的确定规则并参照下图,

离子键以离子为结合单位，无方向性和饱和

共价键共用电子对，有方向性键和饱和性

金属键电子的共有化，无方向性键和饱和性

(hkl )晶面ABC 在a 、b 、c 坐标轴上的截距分 别

为ab

、2 , AB 空 h k l 1

h 晶向指数的确定规则，

利用立方晶系中 a b L AB (ha kb lc)( )

h k a c

L AC (ha kb lc)( ) h l

由于L 与ABC 面上相交的两条直线垂直， 所以L 垂直于ABC 面，从而在立方晶系具有相 同指

数的晶向和晶面相互垂直。

1-5面心立方结构金属的［100］和［111］晶向间的

夹角是多少？ {100}面间距是多少？ 答：设［100］和［111］晶向间的夹角为

_____

5U 2 V ］V 2 WM _________ 10 0

cOS

,U 12 V 12 wj.U 2V 2W 2 1 0 0 1 1 1

［100］和［111］晶向间的夹角为arccos 3/3，

b — a

c k ，

h 7， [hkl]晶向L a=b=c , 0

BC 冷；根据 ha kb lc 。 90的特点，有

氛则

3 3

即54.7°

对面心立方点阵，因｛100｝存在附加面，其 晶面间距

1-6 写出 FCC 、BCC 、HCP 、(c/a=1.633)晶 体的

密排面、密排面间距、密排方向、密排方向 最小单位长度。 答：见下表。

晶体

密排面 密排方 密排方向最

结构

密排面 间距

向

小单位长度 FCC {111} 3 a

3 <110> 匹

a

2

BCC

{110}

2 a 2 <111>

忖3 a 2

HCP {0001} 1 a 2

1120

a

1-7试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁 时出现

的体积变化。在转变温度下，体心立方铁 的点阵参数是2.863埃，而面心立方铁的点阵参 数是3.591埃。

答：铁从体心立方点阵转变为面心立方点阵时, 其体积的变化

这表明铁在加热时出现收缩。

d {ioo}

1

a 2

h 2 k 2 l 2

V%

3.5913 2 2.8633

3

2 2.8633

100% 1.34%

1-8计算900°C 时每立方米的金中空位的数量。 已

知金的空位形成能为

1.568 M 0'19

J ，密度为

19.32 g/cm 3

，原子量为 196.9 （g/mol ）。

答：先计算 的金中含有原子位置的数量

N N A

A Au

6.023 1023 19.32 106

196.9

5.91 1028（原子位置 /m 3）

N v Nexp （

爭）

（5.91

28

、 r

1.568 10 19 n

10 ）exp[ 23

]

3.67 1024（空位 /m 3

）

第2章习题解答

2-1解释下列基本概念

凝固，结晶，近程有序规则排列，显微组织, 晶粒度，过冷度，自由能，体积自由能，结构起 伏，能量起伏，均匀形核，非均匀形核，临界形 核半径，临界形核功，形核率，长大速率，接触 角，活性质点，变质处理，光滑界面，粗糙界面, 温度梯度，树枝状结晶（枝晶），细晶粒区，柱 状晶粒区、等轴状晶粒区，铸锭缺陷，定向凝固, 急冷凝固，准晶（略）

2-2什么是晶胚？金属结晶时晶胚转变成

晶核需满足哪些条件？

答：在液态金属中，每一瞬间都会涌现出大量尺寸各异的结构起伏，不同尺寸的结构起伏就是形核的胚芽，称作晶胚。在一定的过冷度条件下，晶胚尺寸r r 的晶胚，才能引起系统自由能变化降低，同时系统内部能量起伏能够补偿表面能升高部分的晶胚才有可能转变成晶核。

2-3若在液态金属中形成一个半径为r的球形晶核，证明临界形核功G与临界晶核体积V 之间的关系为G 1V G V。

2

证明：因为根据式（2-10）r —和式（2-12）

16

3 G

V2

而临界晶核体积可写成

G

V

32

G V3

所以

1

G V G V

2

3