材料科学与工程基础期末考试复习解答题汇总 (2)

复合材料是由二种或二种以上的材料组合而成的物质，因而 其结合键非常复杂，不能一概而论。
3 比较键能大小和各种结合键的主要特点。
化学键能 >物理键能， 共价键能 ≥离子键能 > 金属键能 > 氢键能> 范氏键能 共价键中：叁键键能 > 双键键能 > 单键键能 金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电 子的共有化，无饱和性，无方向性； 离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性； 共价键共用电子对，有饱和性，有方向性； 范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性； 氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。
7 简述影响置换型固溶体置换的因素
( 8分 )
1）离子大小: 同晶型时，Δr ＜15％，有可能完全互溶；Δr = 15～30%，部分互溶；Δr > 30%， 难置换，不能形成固溶体。 ( 2分 )
2）键性（极化）：两元素间电负性相近，有利于固溶体的生 成；电负性差别大，固溶度减小，倾向于生成金属化合物。 ( 2分 ) 3)晶体结构和晶胞大小：相同晶体结构，固溶度较大；晶体结 构不同，最多只能形成有限型固溶体。 ( 2分 )
1 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什 么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性 质如何递变？
同一周期元素具有相同原子核外电子层数，从左到右，核 电荷增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低， 得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强； 同一主族元素核外电子数相同，从上向下，电子层数增 多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能 力降低，金属性增强，非金属性降低。
面心立方化合物氧化镁, 氯化钠的致密度为： 4（4ЛR3/3）+4（4Лr3/3）/（2 R+2 r）3＝
原子相同时，致密度与原子大小无关；
当不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密 度。
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（1）面心立方（ fcc ）Face-Centered Cubic 立方体的八个顶角 和每个侧面中心
2 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键 上的差别。 简单金属完全为金属键，过渡族金属为金属键和共价键的混 合，但以金属键为主； 陶瓷材料是由一种或多种金属同非金属(通常为氧)相结合的 化合物，其主要为离子键，也有一定成分的共价键；
高分子材料，大分子内的原子之间结合为共价键，而大分子 与大分子之间的结合为物理键。
10．在912℃时，铁从bcc转变为fcc。此温度时铁的两种结构的 原子半径分别为0.126nm和0.129nm,试求其结构变化时的体积 变化率为多少? (9分) 两个bcc铁晶胞 (2个铁原子/晶胞)，一个fcc铁晶胞(4个铁原 子/晶胞)均含有4个铁原子 两个bcc铁晶胞 : V＝2a3＝2×(4×0.126/ 31/2)3＝0.0493 nm3 ( 2分) 一个fcc铁晶胞: V＝a3＝(4×0.129/ 21/2)3＝0.0486 nm3 ( 2分) 912℃结构变化时,体积变化率为: ΔV/ V0＝（0.0486- 0.0493/0.0493＝-0.014＝-1.4% 从室温加热铁到912℃时，体积逐渐增大； 912℃时，铁从bcc转变为fcc，体积减小； 912℃到1000℃，体积逐渐增大；
Be、Mg、Zn、Cd、 α-Ti 、 α -Co．
6 归纳总结3种典型金属结构（bcc、fcc 和hcp）的晶体学特点 （配位数、每个晶胞中的原子数、点阵常数、致密度和最近的 原子间距）。
体心立方（bcc）：8；2；a；0.68；
面心立方（fcc）: 12；4；a； 0.74；
密排六方（hcp）: 12；6；a，c，c/a =1.633；0.74；a
解：稳定条件下，由菲克第一定律可得： ；
(3分)
每小时通过面积为0.20m2金属铂板的氢原子质量为：
(3分)
9. 在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面 1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。温度为1000℃时扩 散系数为3×10-11 m2s -1，且结构为面心立方(a＝0.365nm)。问 每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？ (8分) 解：计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度 C1 ＝ 1/20(0.365×10-9)3 ＝ 1.03×1027 (个/m3 ) ( 2分) C2 ＝ 1/30(0.365×10-9)3 ＝ 0.68×1027 (个/m3 ) ( 2分) J = - D Δc /Δx ＝-（3×10 - 11 m2s -1 ）×（0.68-1.03） ×1027(个/m3 ) /10-3 m＝1.05×1019 (个/m2×s ) ( 2分) 每一个单位晶胞的面积为(0.365×10-9 m)2 Ja = (1.05×1019个/m2×s) ×(0.365×10-9m)2×60(s/min)＝84 个/min ( 2分)
（1）（2）（3）步分别为3,3,1分。
例1 金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当 它转换成石墨( 2.25 g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？
金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8 个碳原子。金刚石的密度 ：
g/cm3
对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积： (cm3) 当它为石墨结构时的体积： 由金刚石转变为石墨结构时，其体积膨胀 ： (cm3)
2 分析 w(C) ＝0.77％、 w(C)＝1.2％、 w(C)＝ 4.3％、 w(C) ＝4.5％的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组 织示意图说明各阶段的组织变化。
并用文字描述
如: 亚共晶白口铁（虚线，碳含量为3.0%）的冷却过程平衡相 图。请按亚共晶白口铁的冷却过程，依次详细写出相应的相变 过程及产物； 亚共晶白口铁冷却到1点时，液体开始结 晶出奥氏体。随温度下降，结晶出的奥氏 体量不断增加，液相不断减少，到温度2 点时，奥氏体碳含量为2.11%，液相碳含 量为4.3%，液相发生共晶转变，形成莱氏 体，先结晶出的奥氏体保持不变，共晶转 变结束，亚共晶白口铁组织为 奥氏体和莱氏体; 2~3点之间继续冷却， 从先结晶的奥氏体和共晶奥氏体中析出二 次渗碳体, 冷却到3点时，奥氏体含碳量下 降到0.77%，发生共析转变，奥氏体转变 成珠光体。亚共晶白口铁，室温组织为， 珠光体，二次渗碳体和低温莱氏体。
4)电价：原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固 溶度降低。 ( 2分 )
8． 计算在500℃下每小时通过一块面积为0.20m2，厚度为 5mm的金属铂板的氢原子质量。假设在稳定条件下氢原子的扩 散系数为1.0×10-8m2/s，铂板高低压两侧氢浓度分别为 2.4kg/m3和0.6kg/m3。 公式- 代入数据- 结果 (6分)
陶瓷材料为共价键和离子键的结合，其密度较低： 共价结合时，相邻原子的个数受到共价键数目的限制，离子 键结合时，要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻 原子数都不如金属多。 聚合物多为二次键结合，分子链堆垛不紧密，且其组成原子 质量较小，聚合物密度最低： 3) 结合键类型及键能对材料导电性﹑导热性的影响 金属键由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合。价电 子能在晶体内自由运动，金属有良好导电性；不仅正离子振动 传递热能，电子运动也传递热能，金属有良好导热性； 非金属键结合的陶瓷和聚合物在固态下不导电，导热性小， 作为绝缘体或绝热体在工程上应用。
4) 结合键类型及键能对材料力学性能（弹性模量和塑性）的 影响 材料受力发生弹性变形，对应原子间距的变化。结合键能越 大,原子之间距离的变化所需的外力越大, 材料的拉伸或压缩模 量越大。 共价键 ≥ 离子键 > 金属键（过渡金属大）> 氢键 > 范德 华力 陶瓷的模量>金属的模量>高分子的模量。 金属键无饱和性，无方向性，正离子之间相对位置的改变不 破坏电子与正离子间的结合力。金属受力变形，可改变原子之 间的相互位置，但金属键不被破坏，使金属有良好延展性（范 性变形）。 共价键键能高，有方向性和有饱和性，结构稳定，改变原子 间的相对位置很困难，共价键结合的材料，塑性变形能力差， 硬而脆。
简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性 ﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。
1) 结合键类型及键能对材料熔点的影响 熔点高低代表材料的稳定性程度。加热时，当热振动足以 破坏相邻原子间的稳定结合时，材料发生熔化。结合键类型和 结合(键)能大小决定材料熔点的高低。 结合(键)能大小顺序： 共价键 ≥ 离子键 > 金属键（过渡金属大）> 氢键 > 范德 华力。 陶瓷材料（共价键 ，离子键 ）比金属（金属键）具有更 高的熔点或热稳定性。高分子具有二次键，熔点偏低。 2) 结合键类型及键能对材料密度的影响 金属密度高的两个原因： 第一，金属有较高的相对原子质量。 第二，金属键没有方向性，金属原子趋于密集排列。
(1-0.3)/ (1-0.18) =0.8537=erf(0.60*10-3/2 (1.28χ10-11 t)1/2 ( 3分 )
查误差函数表得： 1.025 =0.0839*103 / (t)1/2 t = 6695(s) =1.859(h)
2．(a) 在每1mm3的固体钽中含有多少个原子？(b)求其原子堆 积因子（密度）？(c) 钽属于哪一种立方体结构？(钽原子序数 =73，原子质量=180.95，原子半径=0.1429nm，密度 =16.6g/cm3)。 ( 7分 )
例 纯钛有两种同素异构体，20℃低温的密排六方结构 和 900℃高温的β-Ti体心立方结构 ，其同素异构转变温度为 882.5℃，计算纯钛在900℃时晶体中（112）和（001）的晶面 间距（900℃时，a =0.3307nm） 900℃时为 β-Ti： bcc结构, 奇数，需要修正公式
1 分析铁碳合金的三相平衡转变 (3条水平线)过程；
包晶转变（HJB线），1485℃，含C为0.53%的液相与含C 为0.09%的δ相发生作用,生成含C为0.17%的γ (A)相奥氏体。