材料科学基础课后作业第三章
材料科学基础课后作业第三章
3-3.有两个形状、尺寸均一样的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。
问凝固后哪个铸件的偏析严峻？什么缘故？找出排除偏析的方法。
答：合金在凝固进程中的偏析与溶质原子的再分派系数有关，再分派系数为k0=Cα/C L。
对一给定的合金系，溶质原子再分派系数与合金的成份和原子扩散能力有关。
依照Cu-Ni合金相图，在必然成份下凝固，合金溶质原子再分派系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。
当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成份不同越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，因此比偏析越严峻。
一样采纳在低于固相线100~200℃的温度下，长时刻保温的均匀化退火来排除偏析。
3-6.铋〔熔点为℃〕和锑〔熔点为℃〕在液态和固态时均能彼此无穷互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开场凝固出成份为w Sb=87%的固相。
w Bi=80%的合金在400℃时开场凝固出成份为w Sb=64%的固相。
依照上述条件，要求：1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称；2〕从相图上确信w Sb=40%合金的开场结晶终了温度，并求出它在400℃时的平稳相成份及其含量。
解：1〕相图如以下图；2〕从相图读出结晶开场温度和结晶终了温度别离为495℃〔左右〕，350℃〔左右〕固、液相成份w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64%固、液相含量：%5.54%10020-6440-64=⨯=L ω%5.45%100)1(=⨯-=L Sωω3-7.依照以下实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，那么由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。
材料科学基础第三章作业
1、在500oC(773K)所做的扩散实验指出，在1010个 原于中有一个原子具有足够的激活能可以跳出 其平衡位置而进入间隙位置。在600oC，此比例 会增加到109。
(1) 求此跳跃所需要的激活能? (2) 在700℃具有足够能量的原子所占的比例为
多少?
2、如图所示，位错环ABCD位于EFGH滑移面上，位错线的方向画 于图中，已知位错环ABCD的柏氏矢量为b，外加切应力为，方 向见图，试求：位错环的各边AB、BC、CD、DA分别是什么类 型的位错。
定不动，其最小半径为多大？
5. 晶面上有一位错环，确定其柏氏矢量，该位错 环在切应力作用下将如何运动？
6. 已知Cu晶体的点阵常数a=0.35nm,切变模量 G=4×104MPa，有一位错b=a/2[101]，其位错线 方向为[101]，试计算该位错的应变能。
提示：
1、判断该位错类型
2、 r0 b 3、 R 10 -6 m
E
F
AB b
DC
H
G
3、如图，位错环的柏氏矢量正好处于滑移面上。 （1）判断各段位错线的性质。（2）在图中所示 切应力的作用变。
4、如图所示某晶体位错面上有一柏氏矢量为b的位错环并
收到一均匀切应力 的作用，a) 分析各段位错线所受力的 大小并确定其方向；b) 在 作用下，若要使它在晶体中稳
材料科学基础第三章典型晶体结构.答案
类似于NaCl型晶体结构的晶体较多，只是晶胞 参数不同而已。
常见的NaCl型晶体都是碱土金属氧化物和过渡 金属的二价氧化物。化学式可写为MO，其中M2＋ 是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了 NaCl中钠离子和氯离子的位置。这些氧化物有很 高的熔点，尤其是MgO（矿物名称方镁石），其 熔点高达2800℃左右，是碱性耐火材料镁砖中的 主要晶相。
反萤石型结构 ：在萤石型结构中正、负离子位置全部互换，并没 有改变结构形式，只是正、负离子位置对调。如Na2O
结构-性能关系：CaF2熔点较低，用作助熔剂/作晶核剂。 质点间 键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4级），熔点1410C，在水中 溶解度小。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体
连接方式
0,100
50
0,100
75 50
25 0,100
25 0,100
50
75
50
0,100
与金刚石晶胞的对比 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、-ZnS（纤锌矿）型结构 （AB type）
六方晶系，简单六方格子
C
50
0,100
晶胞在（001）面的投影图
晶胞中由几套等同点？
在坐标为000和坐标为1/4 1/4 3/4 的 原 子 的 环 境 是 不 同 的 ， 它们不能独立抽象为一类等同 点，这是两类等同点。最后， 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。
这种结构可以看成是由2个面 心立方布拉维格子穿插而成： 这2个面心立方格子（图中的 灰色和红色点）沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
材料科学基础第三章作业题
本次作业为第三章的习题，请同学们使用A4稿纸作答，不需抄题目，注明本次作业的章数，题号、学生姓名、班级、学号，这次作业暂定为10月31号（星期五）交。
1． 铜的空位形成能191.710
J -⨯，计算1000℃时，1cm 3铜中包含的空位数，铜的密度为8.9g/cm 3，原子量63.5，波尔兹漫常数231.3810
/K J K -=⨯。
2． Cu 晶体中有一位错b =[101]2a ，其位错线方向为[010]，计算该位错应变能，已知点阵常数0.35Cu a nm =，切变模量 10410Cu G Pa =⨯
3． 如图某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀且应力τ的作用，分析： ① 该位错环各段位错的结构类型；
② 各段位错线所受力的大小及方向；
③ 在τ的作用下，该位错环将要如何运动；
④ 在τ的作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最小半径为多大？
4. 判断下面的位错反应能否进行，说明理由
5.某fcc金属中可动滑移系为(111)[110]
①判断能够造成滑移的柏氏矢量；
②如果滑移是通过单位纯刃位错发生的，求出位错线方向；
③如果滑移是通过单位纯螺位错发生的，求出位错线方向；
④设作用在(111)的[110]方向的切应力为700kPa，如果这个力作用在（a）单位纯
刃位错上；（b）单位纯螺位错上；分别求单位位错线上所受的力的大小和方向。
材料科学与工程基础第三章答案
3.8 铁具有BCC 晶体结构，原子半径为0.124 nm,原子量为55.85g/mol 。
计算其密度并与实验值进行比较。
a = 4R/J 3 = 4 0.124/1.732 nm 二 0.286 nmV = a 3= (0.286 nm)3= 0.02334 nm P = 2.334 10 23cm 3BCC 结构的晶胞含有2个原子,其质量为：m 二 2 55.85g/(6.023 1023) = 1.855 10 22g密度为 二 1.855 10 22g/(2.334 10 23m 3) =7.95g/cm 3计算铱原子的半径，已知Ir 具有FCC 晶体结构，密度为22.4 g/cm 3，原子量为 192.2 g/mol 。
先求出晶胞边长a ，再根据FCC 晶体结构中a 与原子半径R 的 关系求R 。
FCC 晶体结构中一个晶胞中的原子数为 4,=4 192.2g/(6.023 1023a 3cm 3) = 22.4g/cm 3，求得 a = 0.3848 nm由 a = 2^2 R 求得 R = v2 a/4 = 1.414 0.3848 nm/4 = 0.136 nm 3.10计算钒原子的半径，已知 V 具有BCC 晶体结构，密度为5.96g/cm 3，原子量为 50.9 g/mol 。
答：先求出晶胞边长a ，再根据BCC 晶体结构中a 与原子半径R 的关系求R 。
BCC 晶体结构中一个晶胞中的原子数为 2,=2 50.9g/(6.023 1023a 3cm 3) = 5.96 g/cm 3，求得 a = 0.305 nm 由 a = 4R/J 3 求得 R = 73 a/4 = 1.732 0.305 nm/4 = 0.132 nm 3.11 一些假想的金属具有图3.40给出的简单的立方晶体结构。
如果其原子量为70.4 g/mol ，原子半径为0.126 nm ，计算其密度。
答: BCC 结构，其原子半径与晶胞边长之间的关系为:3.9答:答：根据所给出的晶体结构得知， a = 2R =2 0.126 nm 二0.252 nm一个晶胞含有1个原子,密度为： 二 1 70.4g/(6.023 10230.252310 21cm 3)=7.304 g/cm 33.12 Zr 具有HCP 晶体结构，密度为6.51 g/cm 3。
材料科学与工程基础第三章答案(供参考)
3.8 铁具有BCC晶体结构，原子半径为0.124 nm，原子量为55.85g/mol。
计算其密度并与实验值进行比较。
答：BCC结构，其原子半径与晶胞边长之间的关系为：a = 4R/3= 4⨯0.124/1.732 nm = 0.286 nmV = a3 = (0.286 nm)3 = 0.02334 nm3 = 2.334⨯10-23 cm3BCC结构的晶胞含有2个原子，∴其质量为：m = 2⨯55.85g/(6.023⨯1023) = 1.855⨯10-22 g密度为ρ= 1.855⨯10-22 g/(2.334⨯10-23 m3) =7.95g/cm33.9 计算铱原子的半径，已知Ir具有FCC晶体结构，密度为22.4g/cm3，原子量为192.2 g/mol。
答：先求出晶胞边长a，再根据FCC晶体结构中a与原子半径R的关系求R。
FCC晶体结构中一个晶胞中的原子数为4，ρ= 4⨯192.2g/(6.023⨯1023⨯a3cm3) = 22.4g/cm3，求得a = 0.3848 nm 由a = 22R求得R = 2a/4 = 1.414⨯0.3848 nm/4 = 0.136 nm 3.10 计算钒原子的半径，已知V 具有BCC晶体结构，密度为5.96g/cm3，原子量为50.9 g/mol。
答：先求出晶胞边长a，再根据BCC晶体结构中a与原子半径R的关系求R。
BCC晶体结构中一个晶胞中的原子数为2，ρ= 2⨯50.9g/(6.023⨯1023⨯a3cm3) = 5.96 g/cm3，求得a = 0.305 nm 由a = 4R/3求得R = 3a/4 = 1.732⨯0.305 nm/4 = 0.132 nm3.11 一些假想的金属具有图3.40给出的简单的立方晶体结构。
如果其原子量为70.4 g/mol，原子半径为0.126 nm，计算其密度。
答：根据所给出的晶体结构得知，a = 2R =2⨯0.126 nm = 0.252 nm 一个晶胞含有1个原子，∴密度为：ρ= 1⨯70.4g/(6.023⨯1023⨯0.2523⨯10-21cm3)= 7.304 g/cm33.12 Zr 具有HCP晶体结构，密度为6.51 g/cm3。
武汉理工材料科学基础第三章部分习题
瓷釉结构中各离子所处的位置。 5、 在硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃中，随着R2O的引入(<25mol％), 玻璃熔体的粘度怎样变化？试用聚合物理论解释。 6、 解释B2O3含量10mol％，SiO2含量90mol％的熔体，在冷却过 程中各自形成两个互不相容的分层玻璃，而加入适量Na2O后， 能得到均匀的玻璃。 7、 论证形成玻璃必须具有混合键。 8、 说明为什么镁橄榄石熔体不易形成玻璃而长石熔体易形成玻 璃？
分析：要应用关系式，必须换算成mol%。
解：玻璃组成
Na2O
CaO
SiO2
wt%
mol mol%
13
0.21 12.6
13
0.23 13.8
74
1.23 73.6
O 12.6 13.8 73.6 2 R ＝ ＝ ＝ 2.36 Si 73.6
Z＝4
X＝2R－Z＝2×2.36－4＝0.72 Y＝Z－X＝4－0.72＝3.28
3-7 (b) 上述数据是在恒压下取得，在恒容下，预计活化能 会有所不同。因为恒容时熔体所受压力应增加，这将使其粘
度增大，从而改变了活化能值。
3－9 在SiO2中应加入多少Na2O,使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是 削弱？
解；假定引入的Na2O的mol含量为 x ， 则SiO2的mol含量为 1－x
网络状，且聚合程度高，故可形成玻璃。但当O/Si＝3时， 由于碱金属氧化物明显增加，使熔体中分子较小的低聚合 物增加，熔体粘度变小，故可易结晶而不易形成玻璃。
3、 在硅酸盐熔体析晶的成核速率、生长速率随T变化的关系图 中，标出哪一条曲线代表成核速率，哪一条曲线代表生长速率？ 为什么？
速 率
u IV
第三章 熔体和玻璃体
材料科学基础第三章
2, 具体步骤: , 具体步骤:
选组元, 选组元,配合 金系, 金系,熔化 标注在温度— 标注在温度 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点 确定各合金 的相变温度 确定相
如:0%Cu,20%Cu,40%Cu,60%Cu,80%Cu,100%Cu , , , , , 六组合金. 六组合金.
后结晶出来的, 后结晶出来的,含A元素少 元素少
先结晶出来的, 先结晶出来的,含A元素多 元素多
富Ni
富Cu
Cu-Ni合金晶内偏析的组织 合金晶内偏析的组织
非平衡结晶
晶内偏析
1500 1400
L
塑性,韧性下降, 塑性,韧性下降,易引起 晶内腐蚀, 晶内腐蚀,热加工困难 扩散退火
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
(一)二元合金相图的建立 Pb-Sb二元合金为例 二元合金为例) (以Pb-Sb二元合金为例) 1,建立相图的思路: ,建立相图的思路:
合金相变时,伴随物理,化学性能的变化, 合金相变时,伴随物理,化学性能的变化,可利用 者热膨胀法,磁性测定法,金相法,电阻 法和X射线结构分析法等 精确测定相变临界点( 射线结构分析法等) 法和 射线结构分析法等)精确测定相变临界点(即临界 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图. ),确定不同相存在的温度和成分区间 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图.
进行材料研究,金相分析,制定热, 进行材料研究,金相分析,制定热, 作用 铸,锻,焊等热加工工艺规范的重要依据 和有效工具. 和有效工具.
一,相律
在恒压下,在纯固态或纯液态情况下, 在恒压下,在纯固态或纯液态情况下,出现的相数 小于等于主元数.在液固共存(恒温) 小于等于主元数.在液固共存(恒温)条件下出现 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 固态下出现的相数为1或2,液固共存(恒温)条件 固态下出现的相数为 或 ,液固共存(恒温) 下恒温下出现的相数为2或 . 下恒温下出现的相数为 或3.
材料科学基础第三章
• 在过冷液相中，形成具有rk~r0范围的晶胚 所需形核功是不同的，临界晶核形核功最
大，称为临界形核功。
• A=ΔGmax=σS/3
(3-12)
• 此式表明：均匀形核时，临界形核功等于
临界晶核表面能的1/3。或者说形成临界晶
核时需从液相的能量起伏中获得三分之一
• 受材料热导率的限制，用增大过冷度的办 法来细化晶粒度工艺只对小型和薄型铸件 有效。
• (2) 固体杂质结构的影响：在相同过冷度下， 非均匀形核的临界曲率半径与均匀形核的 临界晶核半径相同(式3-10，3-21)。
• 但非均匀形核所需晶胚体积和表面积随润 湿角θ的减小而减小。θ角越小，晶胚成核 越小，相同界面上的形核数越多。因此θ是 影响非均匀形核的一个重要因素。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
(3-6)
• 所以：rk=2σ Tm /Lm/ΔΤ
材料科学基础课后习题及答案_第三章
第三章答案3-2略。
3-2试述位错的基本类型及其特点。
解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。
刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。
螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。
3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。
由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。
3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。
2.<15%连续。
3.>40%不能形成固熔体。
（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。
（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。
（4）场强因素。
（5）电负性：差值小，形成固熔体。
差值大形成化合物。
影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。
（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。
一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。
（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。
3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。
解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。
材料科学基础第三章
注意： 阵点可以是原子或分子的中心， 也可以是彼此等同 阵点可以是原子或分子的中心，
的原子群或分子群的中心， 的原子群或分子群的中心 ，但 各个阵点的周围环境必须相 同。
4
空间点阵： 空间点阵：阵点在三维空间呈周期性规则排列所组成 的阵列。（阵点是构成空间点阵的基本要素） 的阵列。 阵点是构成空间点阵的基本要素） 晶格（空间格子） 为了便于描述空间点阵的图形， 晶格（空间格子）：为了便于描述空间点阵的图形， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来 ， 构成一个 三维的几何格架， 称为晶格或空间格子 。 （ 可以形象 三维的几何格架 ， 称为晶格或空间格子。 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 （将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵） 将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵）
c/a值的范围：1.568（铍， 值的范围： 值的范围 （ Be）～ 1.886（镉，Cd） ）～ （ ）
21
22
3.3.3 晶胞中的原子数 fcc： n = 8 × 1 （顶角） 6 × 1 2 ： 8 + （面心）= 4 bcc： n = 8 × 1 8 ： （顶角） 1(体心) = 2 + hcp： hcp：n = 12 × 1 6 （顶角） 2 × 1 2 + （面心） （中心）＝6 +3
5
c
β
a γ
α b
空间点阵、 空间点阵、晶胞
6
3.2.2 晶
胞
晶胞通常是平行六面体。 晶胞通常是平行六面体。 选取晶胞的原则： 选取晶胞的原则： a. 几何形状与晶体具有同样的对称性； 几何形状与晶体具有同样的对称性； b. 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； c. 当平行六面体棱间夹角存在直角时，直角数目 当平行六面体棱间夹角存在直角时， 应最多； 应最多； d. 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。
材基第三章习题及答案讲课讲稿
第三章 作业与习题的解答一、作业：2、纯铁的空位形成能为105 kJ/mol 。
将纯铁加热到850℃后激冷至室温（20℃），假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
(e 31.8=6.8X1013）6、如图2-56，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τ。
（1）分析该位错环各段位错的结构类型。
（2）求各段位错线所受的力的大小及方向。
（3）在τ的作用下，该位错环将如何运动？（4）在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大？解：（2）位错线受力方向如图，位于位错线所在平面，且于位错垂直。
（3）右手法则（P95）：（注意：大拇指向下，P90图3.8中位错环ABCD 的箭头应是向内，即是位错环压缩）向外扩展（环扩大）。
如果上下分切应力方向转动180度，则位错环压缩。
A B CDττ(4) P103-104： 2sin 2d ϑτdT s b =θRd s =d ； 2/sin 2θϑd d= ∴ τττkGb b kGb b T R ===2 注：k 取0.5时，为P104中式3.19得出的结果。
7、在面心立方晶体中，把两个平行且同号的单位螺型位错从相距100nm 推进到3nm 时需要用多少功（已知晶体点阵常数a=0.3nm,G=7﹡1010Pa ）？ (3100210032ln 22ππGb dr w r Gb ==⎰； 1.8X10-9J ）8、在简单立方晶体的（100）面上有一个b=a[001]的螺位错。
如果它(a)被（001）面上b=a[010]的刃位错交割。
(b)被（001）面上b=a[100]的螺位错交割，试问在这两种情形下每个位错上会形成割阶还是弯折？（（a ）：见P98图3.21， NN ′在（100）面内，为扭折，刃型位错；(b)图3.22，NN ′垂直（100）面，为割阶，刃型位错）9、一个]101[2-=a b 的螺位错在（111）面上运动。
3 材料科学基础习题库第3章凝固2021年0313ampnbsp
3 材料科学基础习题库第3章凝固2021年0313ampnbsp20.纯金属均匀形核时，形核率随过冷度的增加而增加。
（）21.实际金属凝固时，过冷度很小，这主要是由于非均匀形核的原因。
（） 22.临界晶核半径主要取决于过冷度，过冷度越大，临界晶核半径越小。
（） 23.非均匀形核功大小主要取决于过冷度，过冷度越大，临界形核功越小。
（） 24.纯金属凝固时，要得到枝晶组织，界面前沿液体中的温度梯度必须是正的温度梯度.( )25.在实际生产中，纯金属凝固后形成具有三个晶区的铸锭组织。
（） 26.实际金属凝固时过冷度越大，形核率越大。
（）27．液态金属结构与固态金属结构比较接近，而与气态金属相差较远。
28．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大、小，都能保证结晶过程得以进行。
29．当纯金属结晶时，形核率总是随着过冷度的增大而增加。
( ) 30．金属面心立方晶格的致密度比体心立方晶格的致密度高。
( ) 31．金属晶体各向异性的产生，与不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度相关。
( )32．金属的结晶过程分为两个阶段，即先形核，形核停止之后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
(三) 选择题1 液态金属结晶的基本过程是 A．边形核边长大 B．先形核后长大C．自发形核和非自发形核 D．枝晶生长2．液态金属结晶时，越大，结晶后金属的晶粒越细小。
A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N 3．过冷度越大，则 A．N增大、G减少，所以晶粒细小 B．N增大、G增大，所以晶粒细小 C N增大、G增大，所以晶粒粗大 D．N减少、G减少，所以晶粒细小 4．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。
A．越高 B 越低 C．越接近理论结晶温度 D．没有变化5．若纯金属结晶过程处在液—固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度A．更高 B．更低 C；相等 D．高低波动6．在实际金属结晶时，往往通过控制N／G比值来控制晶粒度。
材料科学基础.第三章
常见金属的液-固界面为粗糙界面，一些非金属、亚金属、金 属间化合物的液-固界团多为光滑界面。 3.4.2 晶核的长大机制 晶核长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度，用⊿Tk表示。 具有光滑界面的物质，△Tk约为1-2℃；具有粗糙界面的物质， △Tk仅为0.01-0.05℃。说明不同类型界面，其长大机制不同。 1.粗糙界面的长大 晶体整个界面沿法线方向向液相中长 大，这种长大方式叫垂直长大。垂直长大时生长速度很快。 2.光滑界面的长大 可能有以下两种 （1）界面上反复形 成二维晶核的机制。 (2) 缺陷长大机制。 液体中的原子不断 添加到螺错或孪晶等 晶体缺陷的台阶上使 晶体长大，如右图。
1.垂直提拉法 先熔化坩埚中的材料，使液体保持稍高于熔点 的温度，然后下移夹有一个籽晶的杆，使籽晶与液面接触。缓慢 降低炉内温度，将籽晶杆一边旋转一边提拉，使籽晶作为难一的 晶核在液相中结晶，最后成为一块单晶体。 2.尖端形核法 将材料装入一个带 尖头的容器中熔化， 然后将容器从炉中 缓慢拉出，尖头首 先移出炉外缓冷， 在尖头部产生一个 晶核，容器向炉外 移动时便由这个晶 核长成一个单晶体。
3.4.3 纯金属的生长形态 纯金属凝固时的生长形态，取决于固-液界面的微观结构和界 面前沿的温度梯度。 1.正温度梯度 在正温度梯度dT/dx>0下，结晶潜热只能通过 固相散出，界面推移速度受固相传热速度的控制。粗糙界面、 光滑界面的晶体生长均以平面状向前推进。
2.负温度梯度 当dT/dx<0时，界面的热量可以从固、液两相 散失，界面移动不只受固相传热速率控制。界面某处偶然伸入液 相，则进入了△T更大的区域，生长速率加快，伸入液相中形成 一个晶轴。晶轴结晶时向两侧液相中放出潜热，使液相中垂直晶 轴的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次晶、三次 晶轴…。这种生长方式称为树枝状生长。树枝生长时，伸展的晶 轴具有一定的晶体取向，面心立方为<100>；体心立方<100> 。 以树枝方式生 长时，最后凝固 的金属将树枝空 隙填满，使每个 枝晶成为一个晶 粒。图3.12为锑 液-固界面的微观结构 液-固界面按微观结构可 分为光滑界面和粗糙界面。 1.光滑界面 指界面处固液 两相截然分开。固相表面为 基本完整的原子密排面，从 微观上看界面是光滑的，但 宏观上看往往由若干曲折的 小平面组成，是不平整的， 因此又称小平面界面。 2. 粗糙界面 指液-固界面 存在厚度为几个原子间距的 过渡层，因而在微观上是粗 糙的，但宏观上界面反而是 平整光滑的。这种界面又称 非小平面界面。
《材料科学与工程基础》顾宜 第三章 课后答案
3-1.解释以下名词：金属键、晶格、晶胞、合金、组元、相、机械混合物、铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、黄铜、青铜、形变铝合金、非晶态金属键：是化学键的一种，主要在金属中存在。
由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。
无方向性和饱和性.晶格：表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形.晶胞：晶体内部的基本重复单元（最小重复单元）.合金：是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的混合物。
一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。
组元：组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是组成合金的元素或稳定的化合物。
相：指一个宏观物理系统所具有的一组状态，也通称为物态。
机械混合物：指由两种或以上的互不相溶晶体结构(纯金属、固溶体或化合物)机械地混合而形成的显微组织。
机械混合物的性能主要取决于组成它的各组成物的性能以及其数量、形状、大小和分布情况。
铁素体：是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。
具有体心立方晶格，其溶碳能力很低.奥氏体：是钢铁的一种层片状的显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。
一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。
渗碳体：铁与碳形成的稳定化合物，其化学式为Fe3C。
渗碳体的含碳量为ωc=6.69%，熔点为1227℃。
其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW=800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。
马氏体：是黑色金属材料的一种组织名称，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体黄铜：由铜和锌所组成的合金，由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜，如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。
黄铜有较强的耐磨性能，黄铜常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。
青铜：是金属冶铸史上最早的合金，在纯铜(紫铜)中加入锡或铅的合金，有特殊重要性和历史意义，与纯铜(紫铜)相比，青铜强度高且熔点低(25%的锡冶炼青铜，熔点就会降低到800℃。
材料科学基础第三章
• 从纯金属冷却曲线可以看出：金属从液态 冷却到理论凝固温度(熔点)Tm时并不凝固， 而是再降至实际开始结晶温度Tn时才开始 结晶；随后温度回升到接近Tm时出现恒温 结晶(曲线平台)，结晶终止后温度继续下降。
• 曲线出现“平台”，是金属液固转变所释 放的潜热与系统散热量相等的结果。
• 在“平台”温度下，液固相不平衡，所以 “平台”温度不是熔点但相差不大。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶 核稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
(3-17)
• (VS=πh2(r-h/3), h=r(1-cosθ))
核功越小。
• 在过冷液相中，均匀形核依靠结构起伏形 成大于临界晶核的晶胚；再从能量起伏中
获得形核功形成稳定的晶核。结构起伏和 能量起伏是均匀形核的必要条件。
• 临 但界 晶晶胚核的半最径大尺rk随寸过rm冷ax却度随ΔT过增冷加度而的减增小加；而 增加。如图所示：两条曲线的交点为均匀 形核的临界过冷度ΔT*。当系统过冷度 ΔT<ΔT*时，
材料科学基础第三章 熔体结构要点及习题
变为四配位引起的称为“硼反常”。所谓异常：加入碱金属，随着碱金属增 加，粘度上升，再加入碱金属，粘度下降。
B 硼反常现象的原因 在石英玻璃中引入R+，会破坏相邻四面体的桥氧，形成两个非桥氧，网络分 开，Y降低。在硼玻璃中加入R+，开始加R2O时，和硅酸盐相反，非但不破坏 桥氧，反而会加固网络，Y不会小，而是增加，因而粘度升高，膨胀系数等明 显降低。因为在硼玻璃中开始加入R2O时会增加硼配位数，使一部分硼变化 成[BO4]，另一部分仍为三角体配位。当R2O进一步增加（Na2O为16.7%， Y=3.2）, 由于[BO4]带负电，不能直接连接，而通常是由[BO3]或另一种偶而存 在的多面体来相隔，一般认为R2O提供的氧不是用于形成[BO4]，而是以非桥 氧形式出现于三角体之中，从而使结构网络连接减弱，导致一系列变化。
有晶格变形的有序区域在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心，则
变形程度愈大。“晶子”分散在无定形介质中，并从“晶子”部分到无定形
部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。主要体现了微不均匀性和 近程有序性。
2 无规则网络学说(Random Network Models)：凡是成为玻璃态的物质与相应 的晶体结构一样，也是一个三度空间网络(three dimensional network)所构成， 这样网络是离子多面体(Polyhedra)构筑起来。晶体结构网是由多面体无数次有 规律的重复而构成，而玻璃中结构多面体重复没有规律。
3.
Tg和Tm也是一个特征值，大约为2/3。
4.
粘度和熔点是生成下班的重要标志，冷却速率是形成玻
璃的重要条件。
4玻璃形成的结晶化学条件。
材料科学基础 第三章
山 3.混合位错 3.混合位错 东 科 技 大 学
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滑移矢量既不垂直于位错线也不平行于位错线—一条曲线
一、位错的基本类型和特征
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一、位错的基本类型和特征
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位错的性质： 位错的性质： （1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。 （2）是已滑移区和未滑移区的边界。 （3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界， 或与其它位错相交，或自行封闭成环。
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1.线缺陷： 1.线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外 线缺陷 两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 2.意义： 2.意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性 意义 的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。） 3.位错的提出： 3.位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与 位错的提出 实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察 到了晶体中的位错。
机分布，大量晶粒的综合作用， 整个材料宏观上不出现各向异 性，这个现象称为多晶体的伪 各向同性。
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维纳斯“无臂”之美深入人 心
晶体缺陷赋予材料丰富内容
第3章 晶体缺陷
山 东 晶体中的缺陷概论 科 （corncob） 技 晶体缺陷：在每个晶粒的内部，原子并不是完全呈现周期性的规 大 则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体 学 缺陷。
材基第三章习题集及标准答案
第三章 作业与习题的解答一、作业：2、纯铁的空位形成能为105 kJ/mol 。
将纯铁加热到850℃后激冷至室温（20℃），假设高温下的空位能全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值。
(e 31.8=6.8X1013）6、如图2-56，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τ。
（1）分析该位错环各段位错的结构类型。
（2）求各段位错线所受的力的大小及方向。
（3）在τ的作用下，该位错环将如何运动？（4）在τ的作用下，若使此位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应为多大？解：（2）位错线受力方向如图，位于位错线所在平面，且于位错垂直。
（3）右手法则（P95）：（注意：大拇指向下，P90图3.8中位错环ABCD 的箭头应是向内，即是位错环压缩）向外扩展（环扩大）。
如果上下分切应力方向转动180度，则位错环压缩。
A B CDττ(4) P103-104： 2sin 2d ϑτdT s b =θRd s =d ； 2/sin 2θϑd d= ∴ τττkGb b kGb b T R ===2 注：k 取0.5时，为P104中式3.19得出的结果。
7、在面心立方晶体中，把两个平行且同号的单位螺型位错从相距100nm 推进到3nm 时需要用多少功（已知晶体点阵常数a=0.3nm,G=7﹡1010Pa ）？ (3100210032ln 22ππGb dr w r Gb ==⎰； 1.8X10-9J ）8、在简单立方晶体的（100）面上有一个b=a[001]的螺位错。
如果它(a)被（001）面上b=a[010]的刃位错交割。
(b)被（001）面上b=a[100]的螺位错交割，试问在这两种情形下每个位错上会形成割阶还是弯折？（（a ）：见P98图3.21， NN ′在（100）面内，为扭折，刃型位错；(b)图3.22，NN ′垂直（100）面，为割阶，刃型位错）9、一个]101[2-=a b 的螺位错在（111）面上运动。
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3-3.有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的w Ni=90%，另一个铸件的w Ni=50%，铸后自然冷却。
问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。
答：
合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。
对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。
根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。
当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。
一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。
3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。
w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。
根据上述条件，要求：
1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称；
2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
解：1
）相图如图所示；
2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右）
固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64%
固、液相含量：
%5.54%10020-6440-64=⨯=L ω
%5.45%100)1(=⨯-=L S
ωω
3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。
解：由题意由（α+β）共晶含量得
01.03226--25.0⨯=+）（）（）（αβααωωωB B B
6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B
5.0-5.0-=）（）（）（αββωω
ω
B B B 解得：%505.0==）（αωB %808.0==+）（βαωB
%9595.0==）（βωB
由此可以做出相图如下
3-8组元A 的熔点为1000℃，组元B 的熔点为700℃，在800℃时存在包晶反应：α（ωB =5%）+ L(ωB =50%) ；在600℃时存在共晶反应：L （ωB==80%） β（ωB =60%）+γ（ωB =95）；在400℃时发生共析反应：β（ωB =50%） α（ωB =2%）+γ（ωB =97%）。
根据这些数据画出相图。
解：根据题意作相图如下。