(完整版)材料科学基础习题及答案

第一章材料的结构
一、解释以下基本概念
空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化.
二、填空题
1、材料的键合方式有四类，分别是（），( )，（）,（）.
2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成( ）。

3、我们把原子在物质内部呈( ）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（）,（ )，（ ).
4、三种常见的金属晶格分别为（）,( ）和（）.
5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（ ),原子半径与晶格常数的关系为( )，配位数是（）,致密度是( ）,密排晶向为（）,密排晶面为（ )，晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（ )，具有体心立方晶格的常见金属有（）。

6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（ ),原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是( )，致密度是（），密排晶向为( )，密排晶面为（）,晶胞中八面体间隙个数为( )，四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。

7、密排六方晶格中,晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（ ),密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有( ）。

8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和( ）。

9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（）,按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。

10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。

11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是( ），( ），( ），( )。

12、金属化合物(中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（ )、脆性（）,因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相（）作用。

13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），( )，( ）.
14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（ )，（），（ )，( ）.
15、Fe3C的铁、碳原子比为（)，碳的重量百分数为（），它是( ）的主要强化相。

三、作图表示出立方晶系（123)、（0)、(421）等晶面和［02]、［11］、［346］等晶向。

四、立方晶系的｛111｝晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。

五、某晶体的原子位于正方晶格的结点上，其晶格常数a=b，。

今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的截距分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。

六、体心立方晶格的晶格常数为a，试求出(100）、(110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面.
七、已知面心立方晶格的晶格常数为a,试求出（100)、（110）、（111）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

八、试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。

九、证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1。

633。

十、试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R,四面体间隙半径r=0。

225R；体心立方晶格的八面体间隙半径;〈100〉晶向的r=0.154R，〈110〉晶向的r=0.633R；四面体间隙半径r=0.291R, (R为原子半径)。

十一、 a）设有一钢球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀.
b)经x射线测定，在912℃时,γ—Fe的晶格常数为0。

3633nm, α-Fe的晶格常数为0。

2892nm,当由γ-Fe转变为α—Fe时,试求其体积膨胀，并与a）相比较，说明其差别的原因。

十二、已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0。

286nm和0.3607nm,分别求1cm3中铁和铜的原子数。

十三、试计算体心立方晶格{100｝、{110}、｛111}等晶面的原子密度和〈100>、〈110>、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密排晶面和最密排晶向.(提示：晶面的原子密度为单位面积上的原子数,晶向的原子密度为单位长度上的原子数.）
十四、试计算面心立方晶格｛100｝、{110｝、｛111}等晶面的原子密度和〈100>、〈110〉、〈111〉等晶向的原子密度，并指出其最密晶面和最密晶向。

十五、求金刚石结构中通过（0,0，0）和（3/4,3/4,1/3）两碳原子的晶向，及与该晶向垂直的晶面。

十六、求（121)与（100）决定的晶带轴与（001）和(111）所决定的晶带轴所构成的晶面的晶面指数。

十七、计算立方系[321］与[120］及(111）与
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛-11
1
之间的夹角.
十八、为什么-Fe的溶碳能力远大于—Fe的溶碳能力？
第二章晶体缺陷
一、解释以下基本概念
肖脱基空位、弗仑克尔空位、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移、位错的攀移、弗兰克-瑞德源、派-纳力、单位位错、不全位错、堆垛层错、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、对称倾侧晶界、共格晶面、非共格晶面、内吸附。

二、填空题
1、按照几何尺寸分类,晶体中存在三种缺陷，分别是（）,（）,（）。

2、晶体中点缺陷主要表现形式有（），（）和（）.
3、位错有两种基本类型，分别是( ），（）。

4、刃型位错的柏氏矢量与位错线（），螺型位错的柏氏矢量与位错线( )。

5、柏氏矢量代表晶体滑移的（）和( ），也表示位错线周围( ）总量的大小.
6、位错的运动有两种，分别是（）和（），刃型位错的柏氏矢量与其垂直的位错线所构成的平面称为（ )，对于一条刃型位错而言,该面是唯一的，故不可能产生（）运动。

7、体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格的单位位错的柏氏矢量分别可表示成( )、
（）和（）。

8、面心立方晶体中有两种重要的不全位错，柏氏矢量分别为（），（）。

9、晶体的面缺陷主要包括（），（ )，( ），（）.
10、具有不同结构的两相之间的界面称为（），该界面有三种，分别是（），( ）和（）。

三。

指出下图各段位错的性质,并说明刃型位错部分的多半原子面。

四、如右图，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，其半径应为多少？
五、面心立方晶体中，在（111）面上的单位位错b=a/2［-
110]，在（111）面上分解为两个肖克莱不完全位错,
请写出该位错反应，并证明所形成的扩展位错的宽度由下式给出：
六、已知单位位错a/2[-
101］能与肖克莱不完全位错a/6［12
-
1]相结合形成弗兰克不全位错，试说明：
（1）新生成的弗兰克不全位错的柏氏矢量。

（2）判断此位错反应能否进行?
(3）这个位错为什么称固定位错？
七、判定下列位错反应能否进行？若能进行，试在晶胞上作出矢量图.
第三章纯金属的凝固
一、解释以下基本概念
结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、变质处理、光滑界面、粗糙界面、树枝晶、柱状晶、等轴晶、单晶、非晶、微晶、准晶、多晶体.
二、填空题
1、金属结晶一般发生在理论结晶温度以下，这种现象称为（），理论结晶温度与实际结晶温度的差
值叫做( )，冷却速度越大，则（）越大。

2、金属结晶过程是一个不断（）和（）的过程，直至液体耗尽为止。

若由一个晶核长
成的晶体叫做( )，多个晶核长成的晶体叫做( ）.
3、要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要有（ )，过冷度（），液固两相自由能差
值（），驱动力（），临界晶核半径( ），临界晶核形核功（），形核率（），结晶后（）越细小.
4、在过冷液体中，会出现许多尺寸不同的原子小集团称为（），只有当原子小集团的半径大于
（）时，才可作为晶核而长大。

5、在形核时,系统总自由能变化是（）降低和（）增加的代数和，前者是形核的
（），后者是形核的（）.
6、均匀形核时，临界晶核形核功与过冷度的关系可表达成( ），它表明当形成临界尺寸晶核时，体
积自由能补偿表面能的（），尚有（）表面能没有得到补偿，需依靠（）.
7、非均匀形核时，其形核功大小与润湿角q有关,当q=00时，ΔG非=( ），当q=900时，ΔG非=
（），当q=1800时，ΔG非=（）.说明润湿角q越小，对形核越（）.
8、晶核长大与液固界面结构有关,一般粗糙界面以（）方式长大,而光滑界面以（）方式长大。

9、为获得细晶粒,在金属结晶时通常采用( ），（ )和（）等方法.
10、金属铸锭一般由三个晶区组成，表面为( ),中间为（），心部为（）.
11、非均匀形核时临界球冠半径与均匀形核临界晶核半径（），但非均匀形核的晶核体积比均匀形核
时（）,当过冷度相同时，形核率( ),结晶后晶粒（）。

12、金属结晶时形核方式有( ）和( ），在实际铸造生产中常已（）方式形核。

三、 a）设为球形晶核,试证明均匀形核时，形成临界晶粒的ΔGK与其体积VK之间的关系式为.
b）当非均匀形核形成球冠形晶核时，其ΔGK与V之间的关系如何?
四、如果临界晶核是边长为aK的正方体，试求出其ΔGK与aK的关系。

为什么形成立方体晶核的ΔGK比球形晶
核要大？
五、为什么金属结晶时一定要有过冷度?影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
六、试比较均匀形核与非均匀形核的异同点，说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。

七、在其它条件相同时,试比较下列铸造条件下金属晶粒尺寸大小，并说明为什么？
1、砂型铸造与金属型铸造
2、铸薄壁件与铸厚壁件
3、高温浇注与低温浇注
八、说明晶体成长形状与温度梯度的关系，分析在负温度梯度下,金属结晶出树枝晶的过程.
九、简述三晶区形成的原因及每个晶区的性能特点。

十、为了得到发达的柱状晶区应该采取什么措施？为了得到发达的等轴晶区应该采取什么措施?其基本原理如
何？
十一、指出下列各题错误之处,并改正之。

(1)所谓临界晶核,就是体系自由能的减少完全补偿表面能增加时的晶胚大小。

（2）在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以形核。

（3）无论温度分布如何，常用纯金属都是以树枝状方式生长.
十二、何谓非晶态金属？简述几种制备非晶态金属的方法。

非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同?
第四章二元相图
一、解释以下基本概念
组元、相、化学位、成分过冷、平衡分配系数、自由度、相律、同素异晶转变、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、熔晶转变、偏晶转变、合晶转变、组织、伪共晶、离异共晶、枝晶偏析、比重偏析、正偏析、反偏析、区域偏析、区域提纯、铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体.
二、填空题
1、相律是表示平衡条件下，系统的自由度数、( ）数和( )之间的关系，根据相律可知二元系最大的平衡相数是（）。

2、在二元合金相图中，根据相律，两个单相区必然交于（ )点，两个单相区之间必然存在一个( )相区，三相平衡时,系统的自由度等于( ),说明转变（)和三个相的（）都是恒定的。

3、二元合金相图杠杆定律只适用于（）区，当二元系处于两相平衡时，可根据杠杆定律确定两平衡相的（ )和计算两平衡相的( ）。

4、固溶体合金在结晶时也遵循形核长大规律，形核时也需要（ )起伏、（ )起伏，还需（）起伏。