胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库【章节题库】第4章~第6章 【圣才出品】
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图 4-5 四、计算题 1．工业纯铁在 927℃下渗碳，设工件表面很快达到渗碳饱和（1.3%的碳），然后保持
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不变，同时碳原子不断向工件内部扩散。求渗碳 10h 后渗碳层中碳浓度分布的表达式。
解：由题意，10h=3600s， C0 0 ， Cs 1.3% ， D 1.5 107 cm2/s。
力学平衡 Na＋空位随温度降低而显著减小，由 Cd2＋所产生的空位起着重要作用，有效地
降低了扩散的空位形成能，从而加速了扩散速率，使
DNa与
1 T
的关系偏离线性关系。
6．如图 4-4 所示，试利用 Fe-O 相图分析纯铁在 1000℃氧化时氧化层内的不同组织 与氧的浓度分布规律，画出示意图。
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图 4-1 答：（1）不同模量对应高分子不同的状态，如图 4-2（a）所示：在低温端，50%的非 晶区，链段不能开动，表现为刚性，模量高；随着温度的提高，链段可运动，随之模量下降， 高分子显示出晶区的强硬和非晶区的部分柔顺的综合效应，即又硬又韧的皮革态；当非晶区 随温度进一步提高而链段可动性更大时，柔顺性更好，显示高弹性（即橡胶态）。此时高分 子的模量主要来自晶区，模量随温度升高而下降，并在熔点以下很大范围内保持着晶区的模 量。随温度继续升高，模量快速降为零，此时为黏流态。 （2）完全非晶态和完全晶态高分子的模量—温度曲线，如图 4-2（b）所示。其中表 示 100%非晶态高分子随温度升高，经历玻璃态，模量约为 l010～1011Pa，高弹态，模量约 为 105～107Pa，黏流态时，模量几乎为零。 图 4-2（b）表示 l00%晶态高分子随温度的升高，晶体结构不变，始终保持其高的模 量，当温度达到熔点（Tm）时，晶态被破坏，为无规结构的黏流态，高分子模量急剧下降 为零。
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图 4-3
答：（1）两段折线表示有两种不同的扩散机制控制 NaCl 中 Na 的扩散。 （2）Cd2＋取代 Na＋将产生 Na＋的空位，但在高温下（约 550℃）所产生热力学平衡
Na＋空位的浓度远大于 Cd2＋所产生的空位浓度，所以本征扩散占优，而在较低温度下，热
）变化。
二、判断题
扩散的驱动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。 【答案】× 【解析】扩散的驱动力是化学势梯度，扩散也可以从低浓度向高浓度进行。
三、简答题 1．试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对黏流温度的影响。 答：由链段与能垒（势垒）差的关系
可知：分子链柔顺性越好，链内旋转的势垒（△ε）越低，流动单元链段也越短。按照 高分子流动的分段移动机理，此时柔性分子链流动所需要的自由体积空间小，因而在比较低
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的温度下就可能发生黏性流动。 当相对分子质量越小时，分子链之间的内摩擦阻力越小，分子链的相对运动更容易些，
因而黏流温度就降低。
2．已知聚乙烯的玻璃化转变温度 Tg＝－68℃，聚甲醛的 Tg＝－83℃，聚二甲基硅氧 烷的 Tg＝－128℃，试分析高分子链的柔顺性与它们的 Tg 的一般规律。
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图 4-4 答：根据 Fe-O 相图在 1000℃当表面氧含量达到 31%时，则由表面向内依次出现 Fe203， Fe3O4，FeO 氧化层，最内侧为γ-Fe 如图 4-5 所示。随着扩散的进行，氧化层逐渐增厚并 向内部推进。
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图 4-2 4．在 NiO 中引入高价的 W＋6。 （1）将产生什么离子的空位？ （2）每个 W＋6 将产生多少个空位？ （3）比较 NiO 和渗 W 的 NiO（即 NiO-WO3）的抗氧化性哪个好？ 答：根据题意可知： （1）产生阳离子（Ni）的空位。（电中性原理） （2）每个 W6＋引入产生了个 2 个 N2＋空位。 （3）由于 W 的引入，增加了空位浓度，使空气中的氧和氧化物中 Ni2＋离子在表面更 容易相对地迁入和迁出，增加了氧化速度，因此抗氧化能力降低。 5．在 NaCl 晶体中掺有少量的 Cd2＋，测出 Na 在 NaCl 的扩散系数与 的关系，如图 4-3 所示。图中的两段折线表示什么，并说明 D（NaCl）与 不成线性关系的原因。
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第 4 章Байду номын сангаас固体中原子及分子的运动
一、选择题
1．影响扩散速率的最主要因素是（ ）。 A．固溶体类型 B．晶体结构 C．温度 【答案】C
2．菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ A．距离 B．时间 C．温度 【答案】B
答聚乙烯的重复单元结构为：—CH2—CH2—；聚甲醛的重复单位结构为：—CH3—O —，聚二甲基硅氧烷的重复单元结构为：
因 Si—O 键的内旋转 C—O 比键容易，而 C—O 键的内旋转又比 C—C 键容易，内旋转越 容易，分子链柔顺性越好。由此可知随着柔顺性的提高，温度 Tg 就降低。
3．50%结晶高分子的模量与随温度的变化，如图 4-1 所示。 （1）在图中粗略画出不同模量范围内的玻璃态、皮革态、橡胶态和黏流态的位置，并 说明原因。 （2）在该图上粗略画出完全非晶态和完全晶态的模量曲线，并说明原因。
代入 Cs Cx Cs C0
erf
2
x Dt
，得：
1.3% Cx 1.3%
erf
x 0.147
所以：
Cx 1.3%(1 erf (6.8x))
2．一块厚度为 1mm 的α-Fe 板，一侧是渗碳气氛，另一侧是脱碳气氛，两侧表面体积
浓度分别是 C=0.9 kg/m3 和 C=0.3kg/m3，在 750℃保温，当板内达到稳态扩散后，测得
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不变，同时碳原子不断向工件内部扩散。求渗碳 10h 后渗碳层中碳浓度分布的表达式。
解：由题意，10h=3600s， C0 0 ， Cs 1.3% ， D 1.5 107 cm2/s。
力学平衡 Na＋空位随温度降低而显著减小，由 Cd2＋所产生的空位起着重要作用，有效地
降低了扩散的空位形成能，从而加速了扩散速率，使
DNa与
1 T
的关系偏离线性关系。
6．如图 4-4 所示，试利用 Fe-O 相图分析纯铁在 1000℃氧化时氧化层内的不同组织 与氧的浓度分布规律，画出示意图。
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图 4-1 答：（1）不同模量对应高分子不同的状态，如图 4-2（a）所示：在低温端，50%的非 晶区，链段不能开动，表现为刚性，模量高；随着温度的提高，链段可运动，随之模量下降， 高分子显示出晶区的强硬和非晶区的部分柔顺的综合效应，即又硬又韧的皮革态；当非晶区 随温度进一步提高而链段可动性更大时，柔顺性更好，显示高弹性（即橡胶态）。此时高分 子的模量主要来自晶区，模量随温度升高而下降，并在熔点以下很大范围内保持着晶区的模 量。随温度继续升高，模量快速降为零，此时为黏流态。 （2）完全非晶态和完全晶态高分子的模量—温度曲线，如图 4-2（b）所示。其中表 示 100%非晶态高分子随温度升高，经历玻璃态，模量约为 l010～1011Pa，高弹态，模量约 为 105～107Pa，黏流态时，模量几乎为零。 图 4-2（b）表示 l00%晶态高分子随温度的升高，晶体结构不变，始终保持其高的模 量，当温度达到熔点（Tm）时，晶态被破坏，为无规结构的黏流态，高分子模量急剧下降 为零。
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图 4-3
答：（1）两段折线表示有两种不同的扩散机制控制 NaCl 中 Na 的扩散。 （2）Cd2＋取代 Na＋将产生 Na＋的空位，但在高温下（约 550℃）所产生热力学平衡
Na＋空位的浓度远大于 Cd2＋所产生的空位浓度，所以本征扩散占优，而在较低温度下，热
）变化。
二、判断题
扩散的驱动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。 【答案】× 【解析】扩散的驱动力是化学势梯度，扩散也可以从低浓度向高浓度进行。
三、简答题 1．试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对黏流温度的影响。 答：由链段与能垒（势垒）差的关系
可知：分子链柔顺性越好，链内旋转的势垒（△ε）越低，流动单元链段也越短。按照 高分子流动的分段移动机理，此时柔性分子链流动所需要的自由体积空间小，因而在比较低
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的温度下就可能发生黏性流动。 当相对分子质量越小时，分子链之间的内摩擦阻力越小，分子链的相对运动更容易些，
因而黏流温度就降低。
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图 4-4 答：根据 Fe-O 相图在 1000℃当表面氧含量达到 31%时，则由表面向内依次出现 Fe203， Fe3O4，FeO 氧化层，最内侧为γ-Fe 如图 4-5 所示。随着扩散的进行，氧化层逐渐增厚并 向内部推进。
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第 4 章Байду номын сангаас固体中原子及分子的运动
一、选择题
1．影响扩散速率的最主要因素是（ ）。 A．固溶体类型 B．晶体结构 C．温度 【答案】C
2．菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ A．距离 B．时间 C．温度 【答案】B
答聚乙烯的重复单元结构为：—CH2—CH2—；聚甲醛的重复单位结构为：—CH3—O —，聚二甲基硅氧烷的重复单元结构为：
因 Si—O 键的内旋转 C—O 比键容易，而 C—O 键的内旋转又比 C—C 键容易，内旋转越 容易，分子链柔顺性越好。由此可知随着柔顺性的提高，温度 Tg 就降低。
3．50%结晶高分子的模量与随温度的变化，如图 4-1 所示。 （1）在图中粗略画出不同模量范围内的玻璃态、皮革态、橡胶态和黏流态的位置，并 说明原因。 （2）在该图上粗略画出完全非晶态和完全晶态的模量曲线，并说明原因。
代入 Cs Cx Cs C0
erf
2
x Dt
，得：
1.3% Cx 1.3%
erf
x 0.147
所以：
Cx 1.3%(1 erf (6.8x))
2．一块厚度为 1mm 的α-Fe 板，一侧是渗碳气氛，另一侧是脱碳气氛，两侧表面体积
浓度分别是 C=0.9 kg/m3 和 C=0.3kg/m3，在 750℃保温，当板内达到稳态扩散后，测得