太原理工大学材料科学基础习题及参考答案(全)

太原理工大学材料科学基础习题及参考答案(全)第一章原子结构与结合键习题1-1计算下列粒子的德布罗意波长：(1)质量为10-10kg，运动速度为0.01m?s-1的尘埃；(2)速度为103m/s的氢原子；(3)能量为300eV的自由电子。

1-2怎样理解波函数ψ的物理意义？1-3在原子结构中，ψ2和ψ2dτ代表什么？1-4写出决定原子轨道的量子数取值规定，并说明其物理意义。

1-5试绘出s、p、d轨道的二维角度分布平面图。

1-6多电子原子中，屏蔽效应和钻穿效应是怎样影响电子的能级的？1-7写出下列原子的基态电子组态（括号内为原子序号）：C(6)，P(15)，Cl(17)，Cr(24)。

1-8形成离子键有哪些条件？其本质是什么？1-9试述共价键的本质。

共价键理论包括哪些理论？各有什么缺点？1-10何谓金属键？金属的性能与金属键关系如何?1-11范德华键与氢键有何特点和区别？参考答案：1-1利用公式λ=h/p=h/mv、E=hν计算德布罗意波长λ。

1-8离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原子相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。

1-9共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。

共价键理论包括价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。

1-10当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属建。

由于存在自由电子，金属具有高导电性和导热性；自由电子能吸收光波能量产生跃迁，表现出有金属光泽、不透明；金属正离子以球星密堆方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性。

第二章材料的结构习题2-1定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别。

晶系，空间群，平移群，空间点阵。

2-2名词解释：晶胞与空间格子的平行六面体，并比较它们的不同点。

2-3(1)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c，求出该晶面的米勒指数。

(2)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c，求出该晶面指数。

2-4在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：(001)与[210]，(111)与[112]，(110)与[111]，(322)与[236]，(257)与[111]，(123)与[121]。

2-5在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：(102)，(112)，(213)，[110]，[111]，[120]和[321]。

2-6在六方晶胞中画出下列的晶面和晶向：(0001)，(0110)，(2110)，(1012)，(1012)，[0001]，[1010]，[1210]，[0111]。

2-7(1)写出六方体、八面体、六八面体、单形号分别为{100}、{111}、和{321}的晶面符号．(2)写出六方晶系的晶胞晶面族为{100}、{111}、{321}的等价晶面指数。

2-8写出六方晶系晶胞的{1120}和{1012}晶面族的等价晶面指数。

2-9求(1)由面(121)与(100)所决定的晶带轴指数和(100)与(010)所决定的晶带轴指数。

(2)由晶向[001]与[111]所决定的晶面指数和[010]与[100]所决定的晶面指数。

2-10(1)已知室温下α-Fe的点阵常数为0.286nm，分别求(100)、(110)、(123)的晶面间距。

(2)已知916℃时γ-Fe的点阵常数为0.365nm，分别求出(100)、(111)和(112)的晶面间距。

2-11(1)a≠b≠c、α=β=γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？(2)a≠b≠c、α≠β≠γ=90°的晶体属于什么晶族和晶系？(3)你能否据此确定这2种晶体的布拉维点阵？2-12写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

2-13根据对称要素组合规律，分别确定下列各种情况下对称要素的组合。

①L2⊥L2，L2⊥L4，L2⊥L6；②P⊥L2，P⊥L4，P⊥L6；③P+L2(对称面包含L2)，P+L3，P+L4，P+L6。

2-14确定MgO、TlCl3、GaAs、ThO2、SnO2晶体结构的点群、空间群、晶族晶系、质点的空间坐标、正负离子的配位数、晶体的键型、一个晶胞占有正负离子的数目和堆积系数。

2-15已知Cs+半径为0.170nm，Cl-半径为0.181nm，计算堆积系数(堆积系数=V/a3=一个晶胞占有正负离子的体积/一个晶胞的体积)。

2-16已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO 结构的堆积系数。

2-17计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和堆积系数。

2-18用米勒指数表示出体心立方、面心立方、密排六方结构中的原子密排晶面和原子密排晶向。

2-19Ag和Al都是面心立方结构，且原子半径相似，r(Ag)=0.288nm，r(Al)=0.286nm，但都不能形成连续(无限)固溶体，为什么？2-20下列合金相属什么类型？指出其结构特点和主要控制因素。

铁素体，奥氏体，MnS，Fe3C，Mg2Si，Cu31Sn8．2-21(1)叙述形成固溶体的影响因素。

(2)形成连续固溶体的充分必要条件是什么？2-22MgO-FeO、ThO2-UO2、Ni-Cu、MgO-CaO、Fe-C、Cu-Zn等各自两两可形成什么固溶体？为什么？2-23什么是金属间化合物？试叙述金属间化合物的结构类型和结构特点。

2-24下列硅酸盐化合物属于什么结构类型？说明理由。

(MgFe)2[SiO4]，Zn4[Si2O7](OH)2，BaTi[Si3O9]，Be3Al2[Si4O18]，Ca3[Si3O8]，KCa4[Si4O10]2F8H2O，Ca[Al2Si2O8]，K[AlSi2O6]。

2-25(1)为什么滑石与高岭石实际发生的那种解理是合理的？(2)为什么滑石比高岭石软的多？2-26叙述叶腊石的结构特点（结构类型、层内结构特点、层内带电荷情况、层间结合力）。

2-27为什么石英不同系列变体之间转化温度比同系列变体之间转化温度高得多？2-28比较硅酸盐玻璃与金属玻璃的异同点。

2-29玻璃的组成为w(Na2O)＝13％、w(CaO)＝13％和w(SiO2)＝74％，计算该玻璃的4个结构参数。

2-30有两种不同配比的破璃，其组成如下：通过计算说明两种玻璃高温下的粘度大小。

2-31名词解释：(1)高分子的链结构；(2)高分于的聚集态结构。

2-32键接方式对高聚物材料的性能有何影喝?分子链的几何形状对高分子的性能有何影响?2-33高分子的构型与构象有何不同？如果聚丙烯的等规度不高，能否用改变构象的方法提高等规度?说明理由。

2-34用密度梯度管测得某涤纶树脂试样的密度为ρ=1.36g/cm3，若涤纶树脂的晶区密度为ρc＝1.50g/cm3，非晶区密度为ρa＝1.34g/cm3，内聚能为?E＝66.67kJ/mol，试计算涤纶树脂试样的内聚能密度和结晶度。

2-35请用固体能带理论解释绝缘体、导体和半导体。

2-36确定二十面体点群对称性。

2-37确定斜方柱晶、四方双锥晶、六方双锥晶、六八体晶的点群，并画出极射赤平投影图。

参考答案：2-2组成各种晶体构造的最小体积单位称为晶胞。

晶胞能反映真实晶体内部质点排列的周期性和对称性。

空间点阵是由晶体结构抽象而得到的几何图形。

空间格子中的平行六面体是由不具有任何物理、化学特性的几何点构成，而晶胞则由实在的具体质点（原子或离子）组成。

2-52-62-7{100}=(100)+(010)+(001){111}=(111)+（-111）+（1-11）+（11-1）2-8{110}=(110)+(20)+(20){102}=(102)+(012)+(102)+(012)+(012)+(102) 2-9(1)：[012][001](2)：(110)(001)2-10(1)d(100)=2a=0.143nm d(110)= a22=0.202nm d(123)= 14a=0.0764nm(2)d(100)=2a=0.1825nm d(111)= a33=0.211nm d(112)= 62a=0.0745nm2-160.732-172-18第三章晶体结构缺陷习题3-1纯金属晶体中主要点缺陷类型是什么?这些点缺陷对金属的结构和性能有何影响?3-2何谓空位平衡浓度？影响空位平衡浓度的因素有哪些?3-3纯铁的空位形成能为105kJ/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空温平衡空位浓度的比值。

3-4由600℃降低至300℃时，锗晶体中的空位平衡浓度降低了6个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能。

(波尔兹曼常数k= 8.617×10-5eV/K)3-5铝空位形成能和间隙原子形成能分别为0.76和3.0Ev，求在室温(20℃)及500℃时铝中空位平衡浓度与间隙原子平衡浓度的比值，并讨论所得结果。

(假定空位形成时振动熵的变化与间隙原子形成时振动熵变化相等)3-6画一个方形位错环并在这个平面上画出柏氏失量及位错线方向，使柏氏矢量平行于位错环的任意一条边，据此指出位错环各线段的性质。

3-7画一个圆形位错环并在这个平面上任意画出它的柏氏矢量及位错线方向，据此指出位错环各线段的性质。

3-8试比较刃型位错和螺型位错的异同点。

3-9试说明滑移、攀移及交滑移的条件、过程和结果，并阐述如何确定位错滑移运动的方向。

3-10何谓全位错、单位位错、不全位错?指出几种典型金属晶体中单位位错的柏氏矢量。

3-11试分析在面心立方金属中，下列位错反应能否进行，井指出其中3个位错各属于什么类型的位错，反应后生成的新位错能否在滑移面上运动。

21a[101]+61a[-12-1]→31a[111]3-12割阶或扭折对原位错线运动有何影响?3-13何谓扩展位错？已知两平行位错间的F=d b Gbπ221。

如果由一个全位错b=21a[110]分解成两个肖克莱不全位错，求证两者之间的平衡间距d S≈πγ242Gb(γ是堆垛层错能)。

3-14假定题图3-1中的这两个位错正在扩大，试问两个位错环在交互作用时，是因塞积而钉扎住还是形成一个大的位错环(请用图示说明)?3-15题图3-1中这两个刃型位错AB和CD的方向相反时，问正在扩大的位错环是相互钉扎住还是形成一个大的弗兰克-瑞德位错源?为什么?参考答案：3-1纯金属晶体中点缺陷主要类型包括空位、间隙原子、空位对等。

3-2在某一温度下，晶体处于平衡状态时空位数（n e）和构成晶体的原子总数(N)之比称为晶体在该温度下空位的平衡浓度，用Ce表示；其大小主要取决于空位形成能和温度。

3-3解：由公式C e=A exp(RTQ f-)可得21e e C C=exp[1RT Qf--(2RT Q f-)]= 6.847×10133-4 1.98（Ev）3-520℃时，Ce/Ce’= 3.3×1038500℃时，Ce/Ce’= 4.0×10143-11反应后生成的新位错不能在滑移面上运动。