材料科学导论习题解答

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材料科学导论作业

第一章材料科学概论

1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？

[答]因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。

2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、

混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯

[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。

陶瓷有氯化钠、碳化硅。

聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。

复合材料有混凝土、玻璃钢。

3.下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡

灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏

[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。

电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。

剪刀的刀刃的硬度要强。

汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。

电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。

4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。

[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料

纳米材料有以下效应：

⑴小尺寸效应

⑵表面效应

⑶量子尺寸效应

⑷宏观量子隧道效应

举例略

第二章原子结构

1.原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的

Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。

[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol

2.试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，

试确定该原子的原子序数。

[答]N壳层内最大电子数为2×42 = 32。但考虑能级交错：N壳层内刚刚达到最大

6. 1）金属元素有较高的相对原子质量

2）金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子总是趋于密集排列，得到原子排列结构；而对于共价键，相邻原子的个数要受到共价键树木的限制，离子键结合，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求。

9. 单相组织是指具有单一相的组织，即所有的晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织指具有两相，两个相的晶粒尺度不同。

采用金相显微镜或电子显微镜才能观测清楚晶粒的形貌特征，称为显微组织。显微组织是材料的四级结构，主要随组成和加工工艺而变化，它是影响材料机械性能的重要因素。材料的组织包括粒径的大小、形状、分布及其相对量等特征，比如单相多晶材料的强度很低，而多相组织可以增加弥散相的个数，大幅提高材料的强度。

11．原子结构（一级结构）决定了原子的结合方式，并影响材料的化学、物理性质。原子结合键（二级结构）决定了结合力的大小，并影响材料的物理和力学性能。原子排列方式（三级结构）决定了材料的形态，影响材料的物理力学性能，并与加工工艺有关。显微组织结构（四级结构）决定了材料机械性能如强度、塑性等、主要由加工工艺来决定。

第三章 固体材料的晶体结构

1. 面心立方镍的原子半径是1.243 Å，试计算：（a ）镍的点阵参数，（b ）镍的密度。

[答] （a ）-80 3.516A =3.51610 cm 22a ===⨯。。

（b ）33

-832304458.718.977 g /cm (3.51610) 6.0210

A M a N ρ⨯⨯===⨯⨯⨯⨯

2. 体心立方钼的点阵参数是

3.1468 Å，试计算钼的原子半径。

[答] -80033 3.1468A =1.3626A =1.362610 cm 3

a r =⇒==⨯。。

3. 铬的点阵参数是2.8844 Å，密度是7.19 g/cm 3，通过适当计算确定铬是简单立方、体

心立方还是面心立方结构。

[答] 383230307.19(2.884410) 6.02101.99752()52

A A a N n M n a N M ρρ-⨯⨯⨯⨯⨯=⇒===≈⨯ 所以铬为面心立方结构。

4.试确定图中所示方向的密勒指数。

[答]

方向A：0，1，1 → 1，0，1 = -1，1，0，故为[110]；

方向B：0，1，0 → 1，0，1 = -1，1，-1，故为[111]；

方向C：1，0，1/2 → 1/2，1，0 = 1/2，-1，1/2，故为[121]；

方向D：0，1，1/2 → 1，0，0 = -1，1，1/2，故为[221]。

方向A：0，0，1 → 1，1，1 = -1，-1，0，故为[110]；

方向B：1，2/3，0 → 0，0，1 = 1，2/3，-1，故为[323]；

方向C：1/2，0，0 → 1，1，3/4 = -1/2，-1，-3/4，故为[243]；

方向D：1/2，1，1 → 0，1，0 = 1/2，0，1，故为[102]。

5.在立方系中绘出{110}、{111}晶面族所包括的晶面以及（112）、(120)的晶面。

=

[答]{110}(110)(110)(110)(110)(101)(101)(101)(101)(011)(011)(011)(011)（图略）

=

{111}(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)(111)

（图略）

（图略）

（图略）

6.试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。

[答]间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。

当溶质原子半径很小，使溶质与溶剂的原子半径差Δr > 41%时，溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中而形成间隙固溶体。溶质原子通常是原子半径小于0.1 mm的一些非金属元素。溶质原子引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

原子半径较小的非金属元素如C，H，N，B等可与金属元素（主要是过度族金属）形成间隙相或间隙化合物。这主要取决于非金属(X)和金属(M)原子半

径的比值r X/r M；当r X/r M < 0.59时，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相；

当r X/r M > 0.59时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。

间隙相具有比较简单的晶体结构，如FCC，HCP，少数为BCC或简单六方结构，与组元的结构均不相同。间隙相可以用化学分子式表示。间隙相不仅

可以溶解其组成元素，而且间隙相之间还可以相互溶解。间隙相中原子间结合

键为共价键和金属键，即使大于非金属组元的原子数分数大于50%时，仍具有

明显的金属特性，而且间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是

高合金钢和硬质合金中的重要强化相。

间隙化合物的晶体结构都很复杂，原子间结合键位共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但

与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。

7.简述陶瓷材料的相组成及常见相结构。

[答]陶瓷材料中的相组成较为复杂，常见的相有晶相、玻璃相和气相。它们对陶瓷性能都有很大影响。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，常见结构有氧化物结构和硅酸盐结构。氧化物结构包括AB型结构(NaCl型)、AB2型结构(金红石型)、A2B3型结构(刚玉

型)以及其它一些结构。硅酸盐的结构特点是硅、氧离子组成四面体，硅离子位

于四面体中心。硅氧四面体SiO44-之间又以共有顶点的氧离子相互连接起来。

由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。

玻璃相是在陶瓷烧结时形成的一种非晶态物质，其结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成的无规则排列的空间网络，如非晶态石英的结构。玻璃相热

稳定性差，在较低温度下即开始软化。玻璃相的作用是粘结分散的晶相、降低

烧结温度、抑制晶相的粗化。

气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。但也导

致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。

8.简述高分子材料的键结构和聚集态结构以及高、低分子聚集态结构的差异。

[答]高分子材料的结构主要包括二个微观层次：高分子链结构（分子内结构）和高分子链的聚集态结构（分子间结构）。

高分子链的结构是指结构单元的化学组成、键接方式、空间构型以及高分子链的长短、几何形状及其构象。简言之，高分子链结构指的是单个分子的结

构和形态，并可分为近程结构和远程结构。近程结构包括构造与构型。构造是