材料科學基礎-張代東-習題答案(已修改)

　

【正文】 第1章 習題解答11 解釋下列基本概念金屬鍵，離子鍵，共價鍵，范德華力，氫鍵，晶體，非晶體，理想晶體，單晶體，多晶體，晶體結構，空間點陣，陣點，晶胞，7個晶系，14種布拉菲點陣，晶向指數，晶面指數，晶向族，晶面族，晶帶，晶帶軸，晶帶定理，晶面間距，面心立方，體心立方，密排立方，多晶型性，同素異構體，點陣常數，晶胞原子數，配位數，致密度，四面體間隙，八面體間隙，點缺陷，線缺陷，面缺陷，空位，間隙原子，肖脫基缺陷，弗蘭克爾缺陷，點缺陷的平衡濃度，熱缺陷，過飽和點缺陷，刃型位錯，螺型位錯，混合位錯，柏氏回路，柏氏矢量，位錯的應力場，位錯的應變能，位錯密度，晶界，亞晶界，小角度晶界，大角度晶界，對稱傾斜晶界，不對稱傾斜晶界，扭轉晶界，晶界能，孿晶界，相界，共格相界，半共格相界，錯配度，非共格相界（略）12 原子間的結合鍵共有幾種？各自特點如何？答：原子間的鍵合方式及其特點見下表。類 型特 點離子鍵以離子為結合單位，無方向性和飽和性共價鍵共用電子對，有方向性鍵和飽和性金屬鍵電子的共有化，無方向性鍵和飽和性分子鍵借助瞬時電偶極矩的感應作用，無方向性和飽和性氫 鍵依靠氫橋有方向性和飽和性 13 問什么四方晶系中只有簡單四方和體心四方兩種點陣類型？答：如下圖所示，底心四方點陣可取成更簡單的簡單四方點陣，面心四方點陣可取成更簡單的體心四方點陣，故四方晶系中只有簡單四方和體心四方兩種點陣類型。14 試證明在立方晶系中，具有相同指數的晶向和晶面必定相互垂直。證明：根據晶面指數的確定規則并參照下圖，（hkl）晶面ABC在a、b、c坐標軸上的截距分別為、，；根據晶向指數的確定規則，[hkl]晶向。利用立方晶系中a=b=c，的特點，有由于L與ABC面上相交的兩條直線垂直，所以L垂直于ABC面，從而在立方晶系具有相同指數的晶向和晶面相互垂直。cabc/lb/ka/h(hkl)面L=ha+kb+lcCBA15 面心立方結構金屬的[100]和[111]晶向間的夾角是多少？{100}面間距是多少？答：設[100]和[111]晶向間的夾角為φ，則[100]和[111]晶向間的夾角為arccos，176。對面心立方點陣，因{100}存在附加面，其晶面間距16 寫出FCC、BCC、HCP、（c/a=）晶體的密排面、密排面間距、密排方向、密排方向最小單位長度。答：見下表。晶體結構密排面密排面間距密排方向密排方向最小單位長度FCC{111}110BCC{110}111HCP{0001}a17 試計算體心立方鐵受熱而變為面心立方鐵時出現的體積變化。在轉變溫度下。答：鐵從體心立方點陣轉變為面心立方點陣時，其體積的變化 這表明鐵在加熱時出現收縮。 18 計算900℃時每立方米的金中空位的數量。1019 J， g/cm3，（g/mol）。答：先計算 的金中含有原子位置的數量第2章 習題解答21 解釋下列基本概念凝固，結晶，近程有序規則排列，顯微組織，晶粒度，過冷度，自由能，體積自由能，結構起伏，能量起伏，均勻形核，非均勻形核，臨界形核半徑，臨界形核功，形核率，長大速率，接觸角，活性質點，變質處理，光滑界面，粗糙界面，溫度梯度，樹枝狀結晶（枝晶），細晶粒區，柱狀晶粒區、等軸狀晶粒區，鑄錠缺陷，定向凝固，急冷凝固，準晶（略）22 什么是晶胚？金屬結晶時晶胚轉變成晶核需滿足哪些條件？答：在液態金屬中，每一瞬間都會涌現出大量尺寸各異的結構起伏，不同尺寸的結構起伏就是形核的胚芽，稱作晶胚。在一定的過冷度條件下，晶胚尺寸的晶胚，才能引起系統自由能變化降低，同時系統內部能量起伏能夠補償表面能升高部分的晶胚才有可能轉變成晶核。23 若在液態金屬中形成一個半徑為的球形晶核，證明臨界形核功與臨界晶核體積之間的關系為。證明：因為根據式（210）和式（212） 而臨界晶核體積可寫成 所以24 如果結晶時形成的晶胚是邊長為的正方體，求臨界晶核邊長和臨界形核功，并與球形晶核進行比較。解：根據式（28）有 對求導有令則代入有與球形晶核臨界形核功比較也就是說球形晶核的臨界形核功僅為立方晶核的一半，球形晶核更容易存在。25 已知：鋁的熔點為993K，109J/m3，液固界面比表面能為93mJ/m2，當過冷度為1℃和10℃時，試計算：（1）從液態向固態轉變時單位體積自由能變化；（2）臨界形核半徑和臨界形核功，并比較隨過冷度增大它們的變化關系；（3），求臨界晶核中的原子個數。解：（1），時：（J/m3） 時：（J/m3）（2）時：， （J） 時： 臨界形核半徑減小10倍，臨界形核功則減小100倍（3）鋁為面心立方晶格，單位晶胞中有4個原子，其晶胞體積為：（m3）因臨界晶核體積，所以時：臨界晶核中原子數 （個）時：臨界晶核中原子數（個）26 試比較均勻形核與非均勻形核的異同。答：均勻形核指在均勻單一的母相中形成新相結晶核心的過程；非均勻形核指新相結晶核心依附于母相中外來質點表面優先形成的過程。二者系統自由能變化都滿足，系統能量降低時形成晶核。臨界形核半徑相同，臨界形核功大小與接觸角有關，與質點形貌相關。均勻形核形核率較小。27 分析晶體生長形態與溫度梯度的關系？答：晶體生長的形態取決于固液界面的微觀結構和界面前沿液相中的溫度分布情況。（1）在正溫度梯度條件下生長的界面形態一般為平面狀界面對于光滑界面，界面向前推移時，以二維或缺陷長大方式向液體中平行推進，長大臺階平面多為晶體學晶面，若無其它因素干擾，多成長為以密排晶面為表面的具有規則外形的晶體。對于粗糙界面，晶體成長時界面只能隨著液體的冷卻而均勻一致地向液相推移，與散熱方向垂直的每一個垂直長大的界面一旦局部偶有突出，便進入低于臨界過冷度甚至熔點以上的溫度區域，生長即刻停止。所以，液固界面也近似保持平行平面，使其具有平面狀長大形態。（2）在負溫度梯度條件下生長的界面形態一般為枝晶界面這種溫度梯度條件下，由于界面前沿液體中的過冷度不斷增大，成長時如果界面的某一局部發展較快而偶有突出，則其將伸入到過冷度更大的液體中，從而使生長速度加快。這樣，晶體在生長時界面形態像樹枝一樣，先長出主晶軸（一次晶軸），再長出分枝晶軸（二次晶軸、三次晶軸……）。每一個枝晶隨著結晶和液體的補充最終長成一個晶粒，結晶完成后晶體一般不表現規則外形。具有光滑界面的晶體物質在負溫度梯度下的生長方式，也有樹枝狀結晶傾向，并與杰克遜因子有關：值不太大時，以枝晶為主，有時帶有小平面特征；值較大時，則形成規則形狀晶體的可能性大。28 控制晶粒大小或細化晶粒的主要途徑有哪些？答：主要有三種途徑（1）增加過冷度，形核率和長大速度均與過冷度有關，在一般金屬結晶的過冷度范圍內，形核率的增長率大于長大速度的增長率，因此，隨著過冷度增加，增大，晶粒的數目增多，晶粒細化。增加過冷度方法在實際應用中主要是提高液態金屬的冷卻速度，可以通過改變鑄造條件來實現，如降低澆注溫度、提高鑄型的吸熱和散熱能力等，像在鑄件生產中采用金屬型或石墨型代替砂型、采用可水冷型、局部加冷鐵等，都可有效增加過冷度以細化晶粒。（2）變質處理，澆注前有意向液態金屬中加入形核劑，促進形成大量非均勻晶核或用以抑制晶核長大速度以細化晶粒、改善組織，在工業生產中得到了廣泛的應用。（3）振動和攪拌，對液態金屬附加振動或攪拌，一方面加快散熱提高冷卻速度，促使晶核形成；另一方面根據金屬結晶枝晶特點，產生沖擊力，使成長中的枝晶破碎，形核率增加，從而使晶粒細化。29 分析金屬鑄錠組織的基本構成與特點？答：金屬鑄錠的宏觀組織通常由三個晶粒區所構成，即外表層的細晶粒區，中間的柱狀晶粒區和心部的等軸狀晶粒區。鑄錠中存在的晶粒區的數目和其相對厚度可以改變。表層細晶粒區的形核數量與模壁的非均勻形核能力和模壁處所能達到的過冷度有關。晶粒細小，組織致密，有較好的力學性能。但由于細晶區通常很薄，故對整個鑄錠性能的影響較小。柱狀晶粒區形成的外因是散熱的方向性，內因是晶體生長的擇優取向（晶軸位向）。所形成的柱狀晶粒位向都是一次晶軸方向，特點是組織致密，在宏觀性能上顯示出各向異性。中心等軸狀晶粒區是液態金屬趨于均勻冷卻的狀態，在各個方向上的長大速率差不多相等。等軸晶的晶粒長大時相互交叉，無明顯脆弱面，性能不具有方向性，裂紋不易擴展，生產上主要通過增加液態金屬中的形核率來實現。210 晶體缺陷與鑄錠缺陷有何不同？答：晶體缺陷是相對于理想單晶體原子在構成晶體物質時晶格內部原子尺度的排列位置缺陷，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷（答定義）。鑄錠缺陷是存在于晶體晶格之外的物體中的體積缺陷，包括縮孔、疏松、氣孔及夾雜物等。211 單晶體形成需要何種條件？答：單晶體形成首先要在金屬熔體中形成一個單晶核，嚴格防止另外形核。在生長過程中絕對要避免液—固界面不穩定而生出晶胞或柱晶，故液—固界面前沿的熔體應處于過熱狀態，結晶過程的結晶潛熱只能通過生長著的晶體導出。定向凝固滿足上述熱傳輸的要求，只要恰當的控制液—固界面前沿熔體的溫度和結晶速率，就可以得到高質量的單晶體。212 分析金屬急冷凝固技術與常規結晶規律之間的關系。（從冷卻速度、形核、長大、晶體結構特點等方面來分析，略）第5章 習題解答51解釋下列基本概念及術語 濃度三角形，直線法則，重心法則，共軛線，共曲面，共軛三角形，蝴蝶形變化規律，單變量線，液相面，固相面，溶解度曲面，四相平衡轉變溫度，投影圖，垂直截面圖和等溫截面圖。52杠桿定律與重心法則有什么關系？在三元相圖的分析中怎樣用杠桿定律和重心法則。答：所謂杠桿定律與重心法則的基礎都是質量守恒定律。在發生相轉變的過程中，對于由反應相和生成相構成的封閉體系，質量守恒定律成立。杠桿定律和重心法則分別是在三元系發生兩相平衡轉變或三相（包括四相）平衡轉變時，質量守恒定律的具體體現，兩者具有等價關系。由于質量守恒定律本省并要求反應相處于一定平衡關系，而相圖是合金體系相平衡關系的圖解。三元相圖的等溫截面反映了特定溫度下的平衡相關系，在確定了相平衡轉變時各平均相成分點后即可在等溫截面圖上利用杠桿定律或重心法則計算參加反應的各相相對量。三元