材料科學基礎習題與答案(已修改)

　

【正文】 . . . . .第二章 思考題與例題1. 離子鍵、共價鍵、分子鍵和金屬鍵的特點，并解釋金屬鍵結合的固體材料的密度比離子鍵或共價鍵固體高的原因？2. 從結構、性能等方面描述晶體與非晶體的區別。3. 何謂理想晶體？何謂單晶、多晶、晶粒及亞晶？為什么單晶體成各向異性而多晶體一般情況下不顯示各向異性？何謂空間點陣、晶體結構及晶胞？晶胞有哪些重要的特征參數？4. 比較三種典型晶體結構的特征。（Al、αFe、Mg三種材料屬何種晶體結構？描述它們的晶體結構特征并比較它們塑性的好壞并解釋。）何謂配位數？何謂致密度？金屬中常見的三種晶體結構從原子排列緊密程度等方面比較有何異同？5. 固溶體和中間相的類型、特點和性能。何謂間隙固溶體？它與間隙相、間隙化合物之間有何區別？（以金屬為基的）固溶體與中間相的主要差異（如結構、鍵性、性能）是什么？6. ，求Cu的晶格常數，并計算1mm3Cu的原子數。7. 已知Al相對原子質量Ar（Al）=，原子半徑γ=，求Al晶體的密度。8 bcc鐵的單位晶胞體積，在912℃；。當鐵由bcc轉變為fcc時，其密度改變的百分比為多少？9. 何謂金屬化合物？常見金屬化合物有幾類？影響它們形成和結構的主要因素是什么？其性能如何？ 10. 在面心立方晶胞中畫出[012]和[13]晶向。在面心立方晶胞中畫出（012）和（13）晶面。11. 設晶面（152）和（034）屬六方晶系的正交坐標表述，試給出其四軸坐標的表示。反之，求（）及（22）的正交坐標的表示。（練習），上題中均改為相應晶向指數，求相互轉換后結果。，6個面心構成一個正八面體，指出這個八面體各個表面的晶面指數，各個棱邊和對角線的晶向指數。13. 寫出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等價晶面，請分別畫出。14. 在立方晶系中的一個晶胞內畫出（111）和（112）晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數。15 在六方晶系晶胞中畫出[110]，[101]晶向和（102）晶面，并確定（102）晶面與六方晶胞交線的晶向指數。（101），（011）和（112）晶面上的[11]晶向。17. 在1000℃，%的碳溶于fcc鐵的固溶體，求100個單位晶胞中有多少個碳原子？（已知：Ar(Fe)=，Ar(C)=）18. rFe在略高于912℃時點陣常數a=，αFe在略低于912℃時a=，求：（1）上述溫度時γFe和αFe的原子半徑R；（2）γFe→αFe轉變時的體積變化率；（3）設γFe→αFe轉變時原子半徑不發生變化，求此轉變時的體積變化率，與（2）的結果相比較并加以說明。19．（1）計算fcc結構的（111）面的面間距（用點陣常數表示）；（2）以幾何關系上驗證所得結果；（3）欲確定一成分為18%Cr，18%Ni的不銹鋼晶體在室溫下的可能結構是fcc還是bcc，由x射線測得此晶體的（111），已知bcc鐵的a=，fcc鐵的a=，試問此晶體屬何結構？20. 試證明密排六方的晶格常數之間關系：c/a=。21. 比較概念：晶體與非晶體，空間點陣和晶體結構，相和組織，固溶體和中間相，間隙固溶體和置換固溶體，電子化合物和正常價化合物，間隙固溶體和間隙化合物、間隙相和間隙化合物。第三章 思考題與例題1. 空位數隨溫度升高而增加，在20℃和1020℃之間，%，%，假設在20℃時，此金屬中每1000個單位晶胞中有1個空位，試估計在1020℃時每1000個單位晶胞中有多少個部位？2. Cu晶體空位形成能 Ev=1019J/atcm，材料常數A=1，k=1023J/k，計算：（1）在500℃下，每立方米Cu中的空位數目；（2）500℃下的平衡空位濃度。Ar(Cu)=, 500℃ =106g/cm3。3. 在800℃時1010個原子中有1個原子具有足夠能量可在固體內移動；而在900℃時，109個原子中就有1個原子實現上述情況，試求其激活能（J/原子）？4. 在圖1中的陰影面為晶體的滑移面，該晶體的ABCD表面有一圓形標記，它與滑移面相交，標記左側有一根位錯線，試問當刃、螺位錯線從晶體的左側滑移至右側時，表面的標記發生什么變化？并指出刃、螺位錯滑移的切應力方向。4題圖15題圖26題圖37題圖45. 已知位錯環ABCD的柏氏矢量為b，外應力τ和σ，如下圖2所示，求：（1）位錯環各邊是什么位錯？（2）設想在晶體中怎樣才能得到這個位錯？（3）在足夠大的切應力τ作用下，位錯環將如何運動？（4）在足夠大的正應力σ作用下，位錯環將如何運動？6. 在圖3晶體二維圖形，晶格間距a，含正刃位錯和負刃位錯，則：（1）圍繞兩個位錯作柏氏回路，b=？；（2）圍繞單個作柏氏回路，b =？（表明方向和強度）7. 方形晶體中有兩根刃型位錯，如下圖4：（1）當周圍晶體中：（a）空位多于平衡值；(b）空位少于平衡值；(c）間隙原子多于平衡值；（d）間隙原子少于平衡值時，位錯易于向何種方向攀移？（2）加上怎樣的外力，才能使這兩根位錯線通過純攀移而相互靠攏？8. 簡單立方晶體中（100）面上有一位錯，=[00]，167。// [001]，問：（1）若在（001）面上有一個=[010]，167。//[100]的位錯與之相割，結果如何？（2）若在（001）面上有一個=[100]，167。// [001]的位移與之相割，結果如何？（3）交割反應的結果對位錯進一步運動有何影響？9. 畫一方形位錯環，并在這個平面上畫出柏氏矢量（沿對角線方向）及位錯線方向（順時針），據此指出位錯環各段的性質，并示意畫出晶體滑移后的結果。10. 在實際晶體中存在有哪幾類缺陷？各有什么特征？11. 何謂刃型位錯和螺型位錯？全面比較兩者有何異同？何謂柏氏矢量？如何用柏氏矢量來判斷位錯類型？ 12. 兩個相同符合的的刃型位錯，在同一滑移面相遇；它們會排斥還是會吸引？13. 試說明晶體中位錯運動的方式——滑移，攀移及交滑移的條件，過程和結果，并闡述如何確定位錯滑移運動的方向？在刃型位錯與螺型位錯的滑移運動中，滑移方向與柏氏矢量、切應力及位錯線的位向關系是什么？14. 晶界在金屬材料中所起的作用有哪些？當金屬熔化時，是先在晶界還是先在晶粒中心熔化，為什么？15. 試分別描述位錯增殖的FR源機制和雙交滑移機制。如果進行雙交滑移的那段螺形位錯的長度為50nm，試求實現位錯增殖所必需的切應力（G=40Gpa）16. 何謂小角度晶界？有哪些類型？原子排列上有什么特征？17. 一個位錯環能否各部分都是螺位錯？能否各部分都是刃位錯？為什么？18. 在刃型位錯與螺型位錯的滑移運動中，滑移方向與柏氏矢量、切應力及位錯線的位向關系是什么？19. 何謂割階、扭折？割階或扭折的長短和位向如何？割階或扭折的柏氏矢量如何？產生割階或扭折后位錯應變能的增加量如何？割階或扭折對原位錯線運動有何影響？20. 舉例或畫圖說明什么是小角度晶界的位錯模型？描述大角度晶界有何模型？其含義是什么？21. 點缺陷分幾種？它們對周圍原子排列有何影響？何謂空位平衡濃度？其影響因素是什么？這些缺陷對金屬性能有何影響？22. 繪圖說明用柏氏回路方法求出位錯的柏氏矢量，并說明柏氏矢量的物理意義及用柏氏矢量如何確定位錯性質？23. 名詞區別：刃型位錯和螺型位錯，割價和扭折，交滑移和多滑移，滑移和攀移，晶界、相界和孿晶界，共格相界、非共格相界和半共格相界，小角度晶界和大角度晶界第四章思考題與例題1. 設有一條內徑為30mm的厚壁管道，通過向管子一端向管內輸入氮氣，以保持膜片一側氮氣濃度為1200mol/m3，而另一側的氮氣濃度為100mol/m3。如在700℃104mol/s，求此時氮氣在鐵中的擴散系數。2. 簡要說明在金屬或合金中的晶粒內部，原子擴散的機理是什么？3. CuAl組成的互擴散偶發生擴散時，標志面會向哪個方向移動？，103cm。已知CCr=，?C/?x=126/cm，互擴散系數D=109cm2/s，試求Matano平面移動速度和Cr、Fe的本征擴散系數DCr、DFe。（實驗測得Matano平面移動距離的平方與擴散時間之比為常數。）5. 工業生產中經常采用滲碳的方法來提高鋼鐵零件的表面硬度。表面含碳量越高，鋼的硬度越高。%的鋼置于Ws=%的氣氛中滲碳,滲碳溫度為927℃,保溫10h,已知碳在γ－Fe中的Dc=107 cm178。s1,求：(1)距表面x=㎝處的碳濃度(%)；(2)%時,求x值(㎝)。6. 對于同一擴散系統、擴散系數D與擴散時間t的乘積為常數。例如：已知Cu在Al中擴散系數D，在500℃1014m178。1013m178。s1,假如一個工件在600186。C需要處理10h,若在500186。C處理時,要達到同樣的效果,需要多少小時？7. 對于鋼鐵材料進行滲碳處理時,x與t的關系是t∝x178。例如：假設對－Wc=%的鋼件進行滲碳處理,㎜%,滲碳氣體濃度為Wc=%,在950186。C進行滲碳,需要7小時,㎜,需要多長時間？8 鋼在進行滲碳處理時，表面很快達到較高濃度，然后逐步向中間擴散，設在1000℃時，測得工件離表面1mm和2mm之間的碳濃度（原子濃度）從5at.%降到4at.%，試計算碳原子在該區域的流量（γFe在1000℃，擴散系數=（105m2/s）exp[(142000J/mol)/RT]）,以原子/m2s為單位。9. %C鋼在930℃滲碳，%。在t0的全部時間，滲碳氣氛保持表面成分為1%，假設=105exp(140000/ RT) (m2/s), （1）計算滲碳時間；（2）若將滲層加深一倍，則需多長時間？（3）%C作為滲碳層厚工的量度，則在930℃滲碳10小時的滲層厚度為870℃滲碳10小時的多少倍？10. %C的普碳鋼加熱到900℃在空氣中保溫1小時后外層碳濃度降到零。%，表面應車削去多少深度？[=107cm2/s]11. 鋼在較低溫度滲碳有一定優越性，淬火變形小又可得到較細的晶粒，并能