第五章固溶体习题与解答

5.1试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。

解：

1.离子尺寸因素

从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。若以r1和

r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。当它们半径差< 15%时，

形成连续置换型固溶体。若此值在15～30%时，可以形成有限置换型固溶体。而此值>30%时，不能形成固溶体。

2、晶体的结构类型

形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。结构不同最多只能生成有限固溶体。

3、离子的电价因素

只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。

4、电负性因素

电负性相近，有利于固溶体的生成。

5.2 从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。解：从化学组成、相组成考虑，固溶体、化合物和机械混合物的区别列下表5-1比较之。

表5-1 固溶体、化合物和机械混合物比较

O溶剂中为例）

比较

项

固溶体化合物机械混合物

化学组

成

B2-x A x O(x =0～2)

AB2O4AO+B2O3

相组成均匀单相单相两相有界面

表格比较。

解：固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物都属晶体结构缺陷，但它们又各有不同，现列表5-2比较之。

分类形成

原因

形成

条件

缺陷反应固溶式溶解度

热缺陷肖特

基缺

陷

晶

格

0K以

上0

MX 只受温度控制

弗伦克尔缺陷热

振

动

M M =

X X= MX

固溶体无限

置换

型固

溶体

掺

杂

溶

解

15%

，A2+

电价

=B2+

电价，

AO结

构同

BO，

电负

性相

近

B1-x A x O 受温度控制x=0～1

有

限

固

溶

体

间

隙

型

间隙

离子

半径

小，晶

体结

构开

放，空

隙大

YF3

掺杂量<固溶度，受

温度控制

组

分

缺

陷

30%

，Ca2+

电价

≠Zr4+

电价

2CaO

CaO

掺杂量<固溶度，受

温度控制

非化阳离

子缺

环

境

变价

元素

[h]

学

计

量

化

合

物

位中

气

氛

性

质

和

压

力

变

化

氧化

物在

氧化

气氛

中

O2(g)→

2Fe

+O O

[P O

]

阴离

子间

隙

O2(g)→+U

(2h)

[]

阳离

子间

隙

变价

元素

氧化

物在

还原

气氛

中

ZnO

+2e′

O2(g)

[]

阴离

子缺

位

O O→

O2(g)

[ V

]

2332

判断方程的合理性。（b）写出每一方程对应的固溶式。

解：3MgO2++3OO （1）

2MgO2+ +2O O（2）

YF3Y+F+2F F （3）

2YF32Y++6F F （4）

（a）书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程（1）和（4）。在不等价置换时，3Mg2+→2Al3+；2Y3+→3Ca2+。这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换，如方程（2）和（3）2Mg2+→2Al3+；Y3+→Ca2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除萤石型晶体结构可以产生间隙型固溶体以外，由于离子晶体中阴离子紧密堆积，间隙阴离子或阳离子都会破坏晶体的稳定性。因而间隙型缺陷在离子晶体中（除萤石型）较少见。上述四个方程以（2）和（3）较合理。当然正确的判断必须用固溶体密度测定法来决定。

（b）(1)

(2)

(3)

(4)

5.5一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在Al2O3中添加了

0.5mol%NiO和0.02mol% Cr2O3。试写出缺陷反应方程（置换型）及化学式。解：NiO和Cr2O3固溶入Al2O3的缺陷反应为：

2NiO2++2O O

Cr2O3

固溶体分子式为：Cr

取1mol试样为基准，则

m＝0.005 ；m＝0.0002 ；m＝1－0.005－0.0002＝0.9948

∵2NiO →2Al2 O3

Cr2 O3 →Al2 O3

∴取代前Al2O3所占晶格为：

0.9948＋0.005/2＋0.0002＝0.9975mol (Al2O3)

取代后各组分所占晶格分别为：

Al2O3：mol

NiO：mol

Cr2 O3：mol

∴取代后，固溶体的分子式为：

0.9973 Al2O3·0.005 NiO ·0.0002 Cr2 O3

或Al1.9946Ni 0.005Cr0.0004 O2.9975

∴x=0.005, Y=0.0004

1.9946=2－0.005－0.0004=2－x－y

2.9975=3－x

5.6 ZnO是六方晶系，a=0.3242nm，c=0.5195nm，每个晶胞中含2个ZnO分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606 g/cm3，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？

解：六方晶系的晶胞体积

V===4.73cm3

在两种密度下晶胞的重量分别为

W1=d1v=5.74×4.73×10-23=2.72×10-22(g)

W2=d2v=5.606×4.73×10-23=2.65×10-22(g)

理论上单位晶胞重

=2.69(g)

∴密度是d1时为间隙型固溶体，是d2时为置换型固溶体。

5.7对于MgO、Al2O3和Cr2O3，其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40。Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。(a) 这个结果可能吗？为什么？(b) 试预计，在MgO－Cr2O3系统中的固溶度是有限还是很大？为什么？

解：（a）Al2O3与Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为：

①==10%＜15%

②结构类型相同，均属刚玉型结构。

（b）对于MgO－Cr2O3系统，由于结构类型相差较大，前者为NaCl型，后者为

刚玉型。虽然==14.89%＜15%，也不可能形成完全互溶的固溶

体，而只能是有限固溶。

5.8 Al2O3在MgO中将形成有限固溶体，在低共熔温度1995℃时，约有18wt% Al2O3溶入MgO中，MgO单位晶胞尺寸减小。试预计下列情况下密度的变化。

(a) Al3+为间隙离子，(b) Al3+为置换离子。

解：(a) Al3+为间隙离子：

缺陷反应为：（1）

固溶式分子式：（2）

（b）Al3+为置换离子：

缺陷反应为：+（3）

固溶式分子式：（4）

取100g试样为基准：（为摩尔数）

m＝＝＝0.176 (m为摩尔数)

m MgO＝＝＝2.035

∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为：

2.035 MgO·0.176 Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563 (5)

（5）式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O (6)

由（6）式得x=0.137代入（2）（4）式，

对（a）有

即Mg0.794Al0.137O

（b）有Mg0.794Al0.137O

设：固溶前后晶胞体积不变，则密度变化为：

（，分别代表固溶前后密度）

所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。

5.9用0.2mol YF3加入CaF2中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参数

a=0.55nm，测得固溶体密度ρ=3.64g/cm3，试计算说明固溶体的类型？（元素的相对原子质量：Y=88.90；Ca=40.08；F=19.00）

解：YF3加入CaF2的缺陷反应方程如下：

YF3Y+F+2F F (1)

2YF32Y+V+6F F (2)

方程（1）和（2）的固溶式：(1)Ca1-x Y x F2+x (2) Ca(1-3/2x)Y x F2

按题意x=0.2代入上述固溶式得：间隙型固溶体分子式为Ca0.8Y0.2F2..2

置换型固溶体分子式为Ca0.7Y0.2F2；它们的密度分别设为ρ1和ρ2。CaF2是萤石型晶体，单位晶胞内含有4个萤石分子。

ρ1==3.659（g/cm3）

ρ2==3.346（g/cm3）

由ρ1与ρ2计算值与实测密度ρ=3.64g/cm3比较，ρ1值接近3.64g/cm3，因此0.2mol YF3加入CaF2中形成间隙型固溶体。

第五章-固溶体和非化学计量化合物

第五章固溶体和非化学计量化合物习题 1试从组成、相数、独立组元数和性质的改变等方面出发，比较固溶体、化学计量化合物和低共熔物三者间的异同点，请列表说明。 2MgO、α-Al2O3和Cr2O3的阳离子半径分别为4.7×10-11m、3.6×10-11m和4.0×10-11m。请按可能的固溶反应式回答：(1)α-Al2O3和Cr2O3能形成连续固溶体吗?为什么?(2)MgO–Cr2O3系统的固溶度如何?为什么?(3)α-Al2O3–Cr2O３和MgO–Cr2O3这两个系统所形成的固溶体在电性能(例如电导和电场均匀性)方面有何差别?为什么? 3分析PbZrO3–PbTiO3二元系统并观察该系统在常温附近的相图（图5–4），试回答：（1）该系统能否形成连续固溶体？（2）图5–4的相图属于什么基本类型（或其某一部分）？（3）二元系统内的固溶体发生晶型转变时，自由度等于多少？它们分别由什么来体现？这种情况和单元系统有什么不同。 4若把Al2O3加入到MgO主晶体中，试回答：(1)形成何种类型的固溶体? 固溶度大小如何?试解释之。(2)请写出缺陷反应方程式，试说明固溶体的密度和电性能随着Al2O3加入的变化趋势。 5简述固溶体常见的两种分类方法和不同类型。试分析填隙型固溶体有否可能同时又是连续固溶体? 6在Al2O3中掺杂物质的量百分数分别为0.5%的NiO和0.02%的Cr2O3，制成金黄色的人造黄玉，经分析是形成了置换型固溶体[27]。试写出固溶反应式和人造黄玉的固溶分子式。 7设想在ZrO2中掺杂CaO，并在700 K下进行热处理，试问随着掺杂量的增加，系统会出现什么晶相？ 8 举例说明由于生成异价置换固溶体，造成组成和结构缺陷，因而对晶格活性产生影响的两种不同情况。 9 生成固溶体是否一定会同时产生“组成和结构缺陷”？此种缺陷与等价置换或异价置换有何关系？请按氧化物固溶体的不同生成机制逐一说明。 10试阐明晶体本征缺陷、固溶体和非化学计量缺陷这三者之间的相同和不同点。不同点可从缺陷形成原因、缺陷分类、缺陷(固溶)反应式形式、影响缺陷浓度的因素(T、p等)、缺陷形成条件等几个方面，列简表比较。固溶体请按连续固溶体和有限固溶体分别讨论。非化学计量化合物请以二氧化钛、氧化锌、二氧化铀和氧化铁为例分别说明。 11试以固溶反应式表示非化学计量化合物的形成。请以氧化铁、二氧化铀、氧化锌和二氧化钛为例讨论。 12如果只考虑气氛的影响，试分析在什么样的氧分压条件下，可以获得某种特定的化学计量化合物（请分别讨论4种类型）? 13某些固体（如氧化镍、氧化钴等）能从气相中吸附与阴离子组成相同的气态分子X2（如O2、Cl2等），随即这些气态分子又转变为化学吸附态原子[4]。这样，在表面处便生成X–和相应的阳离子空位，表

第五章铁碳相图习题参考答案

第五章铁碳相图习题参考答案一、解释下列名词答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。共析Fe3C：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。二、填空题 1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。 2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、

材料科学基础第三章答案

习题：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章答案：第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。 2.<15%连续。 3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（ 3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。 3-7写出下列缺陷反应式：（l）NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；（2）CaCl2溶入NaCl中形成空位型固溶体；（3）NaCl形成肖特基缺陷；（4）Agl形成弗伦克尔缺陷（Ag+进入间隙）。

第五章固溶体习题与解答

第五章固溶体习题与解答 5.1试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。解： 1.离子尺寸因素从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。若以r1和 r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。当它们半径差< 15%时，形成连续置换型固溶体。若此值在15～30%时，可以形成有限置换型固溶体。而此值>30%时，不能形成固溶体。 2、晶体的结构类型形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。结构不同最多只能生成有限固溶体。 3、离子的电价因素只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。 4、电负性因素电负性相近，有利于固溶体的生成。 5.2 从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。解：从化学组成、相组成考虑，固溶体、化合物和机械混合物的区别列下表5-1比较之。表5-1 固溶体、化合物和机械混合物比较 O溶剂中为例）比较项固溶体化合物机械混合物化学组成 B2-x A x O(x =0～2) AB2O4AO+B2O3 相组成均匀单相单相两相有界面表格比较。解：固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物都属晶体结构缺陷，但它们又各有不同，现列表5-2比较之。分类形成原因形成条件缺陷反应固溶式溶解度热缺陷肖特基缺陷晶格 0K以上0 MX 只受温度控制

弗伦克尔缺陷热振动 M M = X X= MX 固溶体无限置换型固溶体掺杂溶解 < 15% ，A2+ 电价 =B2+ 电价， AO结构同 BO，电负性相近 AO B1-x A x O 受温度控制x=0～1 有限固溶体间隙型间隙离子半径小，晶体结构开放，空隙大 YF3 掺杂量<固溶度，受温度控制组分缺陷 < 30% ，Ca2+ 电价 ≠Zr4+ 电价 2CaO CaO 掺杂量<固溶度，受温度控制非化阳离子缺环境变价元素 [h]

材料科学基础第三章

材料科学基础大作业——第3章凝固 2015年月日班级：姓名：学号：分数：一、解释下列概念及术语： 1、结晶 2、过冷度 3、相起伏 4、均匀形核 5、晶粒度 6、形核率 7、形核功 8、枝晶偏析 9、成分过冷 10、临界形核半径二、填空题 1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。金属不同，过冷度大小同；金属的纯度越高，过冷度越；金属及其纯度确定后，过冷度大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越。 2. 金属和非金属，在结晶时均遵循相同的规律，即结晶过程是和的过程。 3. 根据热力学条件，金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的之差。此差值与过冷度呈比。 4.液态金属的晶胚能否形成晶核，主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。此半径与过冷度呈比。 5. 均匀形核时，过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为。形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈比，即过冷度越大，形核功越。 6. 形核率可用12N N N ? =表示，其中N 1为受影响的形核率因子，N 2为受影响的形核率因子。 7. 工业生产中，液态金属的结晶总是以形核方式进行，其所需过冷度一般不超过 ℃。 8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的和其前沿液体中的。 9. 光滑界面又称为界面，粗糙界面又称为界面，其杰克逊因子α值范围分别为和。 10.晶体长大方式主要为长大机制、长大机制和长大机制。其中，大部分金属均以长大机制进行。 11.在正的温度梯度下，光滑界面的界面形态呈状；粗糙界面的界面形态为界面。在负的温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈状。杰克逊因子α值较高的物质保持界面形态。 12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫；因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫。三、判断题

工程材料与热处理第3章作业题参考答案

1.置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了答：溶质把溶剂原子置换后，溶剂原子重新加入晶体排列中，处于晶格的格点位置。 2.间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在举例说明之。答：间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。如：铁素体F是碳在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与α-Fe相同，为体心立方，碳的溶入使铁素体F强度高于纯铁。间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合，且半径比r X/r M＞时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物硬而脆，塑性差。 3.现有A、B两元素组成如图所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确为什么（1）形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。（2）K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B 量总是高于原液相中含B量. （3）固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。答：（1）错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。（2）对：在同一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量高于另一点。 (3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4.共析部分的Mg-Cu相图如图所示：

工程材料与热处理第3章作业题参考答案

1.置换固溶体中，被置换的溶剂原子哪里去了？答：溶质把溶剂原子置换后，溶剂原子重新加入晶体排列中，处于晶格的格点位置。 2.间隙固溶体和间隙化合物在晶体结构与性能上的区别何在？举例说明之。答：间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体的晶体结构与溶剂组元的结构相同，形成间隙固溶体可以提高金属的强度和硬度，起到固溶强化的作用。如：铁素体F是碳在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构与α-Fe相同，为体心立方，碳的溶入使铁素体F强度高于纯铁。间隙化合物的晶体结构与组元的结构不同，间隙化合物是由H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素（以X表示）与过渡族金属元素（以M表示）结合，且半径比r X/r M＞ 0.59时形成的晶体结构很复杂的化合物，如Fe3C间隙化合物硬而脆，塑性差。 3.现有A、B两元素组成如图所示的二元匀晶相图，试分析以下几种说法是否正确？为什么？（1）形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。（2）K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B 量总是高于原液相中含B量. （3）固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。答：（1）错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。（2）对：在同一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量高于另一点。 (3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4.共析部分的Mg-Cu相图如图所示：

工程材料第三章答案

工程材料习题与辅导（第四版）朱张校姚可夫 3.2 习题参考答案 1. 解释名词热硬性、石墨化、孕育（变质）处理、球化处理、石墨化退火、固溶处理、时效答: 热硬性: 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。石墨化: 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。孕育（变质）处理: 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的处理工艺。球化处理: 在铁水中加入球化剂，以获得球状石墨的处理工艺称为球化处理。石墨化退火: 使白口铸铁中的渗碳体分解成为团絮状石墨的退火过程。固溶处理: 把合金加热到单相固溶体区，进行保温使第二相充分溶解，然后快冷（通常用水冷却），得到单一的过饱和固溶体组织的热处理工艺。固溶处理可以使奥氏体不锈钢获得单相奥氏体组织，提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。固溶处理也在有色金属合金中得到应用。有色金属合金（如铝合金）先进行固溶处理获得过饱和固溶体，然后再进行时效处理，析出细小、均匀、弥散分布的第二相，提高合金的强度和硬度。时效: 固溶处理后得到的过饱和固溶体在室温下或低温加热时析出细小、均匀、弥散分布的第二相，合金硬度和强度明显升高的现象称为时效或时效硬化。 2. 填空题 (1) 20是（优质碳素结构）钢，可制造（冲压件、焊接件、渗碳零件，如齿轮、销) . (2) T12是（优质碳素工具）钢，可制造（锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具) . (3) 按钢中合金元素含量，可将合金钢分为（低合金钢) 、(中合金钢）和（高合金钢）几类。 (4) Q345(16Mn)是（低合金结构）钢，可制造（桥梁、船舶、车辆、锅炉等工程结构) . (5) 20CrMnTi是（合金渗碳）钢，Cr、Mn的主要作用是（提高淬透性、提高经热处理后心部的强度和韧性) , Ti的主要作用是（阻止渗碳时奥氏体晶粒长大、增加渗碳层硬度、提高耐磨性) ，热处理工艺是（渗碳后直接淬火、再低温回火) . (6) 40Cr是（合金调质）钢，可制造（重要调质件如轴类件、连杆螺栓、进汽阀和重要齿轮等) . (7) 60Si2Mn是（合金弹簧）钢，可制造（汽车板簧) . (8) GCr15是（滚珠轴承）钢，1Cr17是（铁素体型不锈）钢，可制造（硝酸工厂设备以及食品工厂设备) . (9) 9SiCr是（低合金刃具）钢，可制造（板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铰刀、冷冲模、冷轧辊等) . (10) CrWMn是（冷作模具）钢，可制造（冷冲模、塑料模) . (11) Cr12MoV是（冷模具）钢，可制造（冷冲模、压印模、冷镦模等) . (12) 5CrMnMo是（热模具）钢，可制造（中型锻模) . (13) W18Cr4V是（高速）钢，碳质量分数是（0.70%以上) , W的主要作用是（保证高的热硬性) , Cr的主要作用是（提高淬透性) , V的主要作用是（形成颗粒细小、分布均匀的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性，同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒) 。热处理工艺是(1220～1280℃淬火＋(550～570) ℃三次回火) ，最后组织是（回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体) . (14) 1Cr13是（马氏体型不锈）钢，可制造（抗弱腐蚀性介质、能承受冲击载荷的零件) . (15) 0Cr18Ni9Ti是（奥氏体型不锈）钢，Cr、Ni和Ti的作用分别是（提高钢基体的电极

金属学及热处理课后习题答案第三章

第三章二元合金的相结构与结晶 3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。 3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。 3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni 合金铸件，其中一个铸件的W Ni =90%，另一个铸件的W Ni =50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。答： W Ni =50%铸件凝固后偏析严重。解答此题需找到Cu-Ni 合金的二元相图。原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。由Cu-Ni 合金相图可以看出W Ni =50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于 W Ni =90%铸件，也就是说W Ni =50%铸件溶质Ni 的k 0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni 合金铸件Ni 的k 0是大于1，所以k 0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。 3-4 何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？答：成分过冷：固溶体合金在结晶时，由于选分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。过冷度为平衡结晶温度与实际温度之差，这个过冷度是由成分变化引起的，所以称之为成分过

第五章金属及合金的塑性变形 -答案

第五章金属及合金的塑性变形与断裂一名词解释固溶强化，应变时效，孪生，临界分切应力，变形织构固溶强化：固溶体中的溶质原子溶入基体金属后使合金变形抗力提高，应力－应变曲线升高，塑性下降的现象；应变时效：具有屈服现象的金属材料在受到拉伸等变形发生屈服后，在室温停留或低温加热后重新拉伸又出现屈服效应的情况；孪生：金属塑性变形的重要方式。晶体在切应力作用下一部分晶体沿着一定的晶面（孪晶面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另外一部分晶体作均匀的切变，使相邻两部分的晶体取向不同，以孪晶面为对称面形成镜像对称，孪晶面的两边的晶体部分称为孪晶。形成孪晶的过程称为孪生；临界分切应力：金属晶体在变形中受到外力使某个滑移系启动发生滑移的最小

分切应力；变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构。二填空题 1．从刃型位错的结构模型分析，滑移的移面为{111}，滑移系方向为<110>，构成12 个滑移系。P166. 3. 加工硬化现象是指随变形度的增大，金属强度和硬度显著提高而塑性和韧性显著下降的现象，加工硬化的结果，使金属对塑性变形的抗力增大，造成加工硬化的

根本原因是位错密度提高，变形抗力增大。 4．影响多晶体塑性变形的两个主要因素是晶界、晶格位向差。 5．金属塑性变形的基本方式是滑移和孪生，冷变形后金属的强度增大，塑性降低。6．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好，而高温下使用的金属材料以粗一些晶粒为好。对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致 7．内应力可分为宏观内应力、微观内应力、点阵畸变三种。三判断题 1．晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。（√） 2 在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑

第三章二元合金的相结构与结晶 - 答案

第3章答案

第三章答案 3-2 略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。2.<15%连续。3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低， 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙ 解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。

武汉理工材料科学基础课后答案 _第三章

第三章答案 3-2略。 3-2试述位错的基本类型及其特点。解：位错主要有两种：刃型位错和螺型位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。 3-3非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。 3-4影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R1>15%不连续。2.<15%连续。3.>40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 3-5试分析形成固溶体后对晶体性质的影响。解：影响有：（1）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生；（2）活化晶格，形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应；（3）固溶强化，溶质原子的溶入，使固溶体的强度、硬度升高；（4）形成固溶体后对材料物理性质的影响：固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低 3-6说明下列符号的含义：V Na，V Na'，V Cl˙，（V Na'V Cl˙），Ca K˙，Ca Ca，Ca i˙˙

第三章习题解答

第三章习题解答 3，7，10，11，25 3/113、非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解答：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩，产生金属离子过剩（n 型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩，产生负离子过剩（p 型）半导体。、说明下列符号的含义： 6/113 解答：钠原子空位，钠离子空位、带一个单位负电荷，氯离子空位、带一个单位正电荷，最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心， Ca2+占据K位置、带一个单位正电荷， Ca原子位于Ca原子位置上， Ca2+处于晶格间隙位置。 1

2 7/113、写出下列缺陷反应式：（l ）NaCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体；（2）CaCl 2溶入NaCl 中形成空位型固溶体；（3）NaCl 形成肖特基缺陷；（4）AgI 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙）。解答：（l ）NaCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体 ?++??→?Cl Cl Ca CaCl V Cl Na' NaCl 2 （2）CaCl 2 溶入NaCl 中形成空位型固溶体 'N a Cl N a N aCl 2V Cl 2Ca CaCl ++??→?? （3）NaCl 形成肖特基缺陷 ?+→Cl N a 'V V O （4）Agl 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙） A g 'i A g V Ag Ag +→? 10/113、MgO 晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ/mol ，计算该晶体1000K 和1500K 的缺陷浓度。（答：6.4×10-3，3.5×10-2）。解答： n/N = exp(-E/2RT)，R=8.314， T=1000K ：n/N=6.4×10-3； T=1500K ：n/N=3.5×10-2。

金属学与热处理课后习题答案第三章

第三章二元合金的相结构与结晶 3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。 3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。 3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。答： W Ni=50%铸件凝固后偏析严重。解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。由Cu-Ni合金相图可以看出W Ni=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于W Ni=90%铸件，也就是说W Ni=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。 3-4何谓成分过冷？成分过冷对固溶体结晶时晶体长大方式和铸锭组织有何影响？答：成分过冷：固溶体合金在结晶时，由于选分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。过冷度为平衡结晶温度与实际温度之差，这个过冷度是由成分变化引起的，所以称之为成分过

第五章铁碳相图习题测验参考答案

工程材料与热处理-第3章作业题参考答案

（1）形成二元匀晶相图的A与B两个相元的晶格类型可以不同，但是原子大小一定相等。（2）K合金结晶过程中，由于固相成分随固相线变化，故已结晶出来的固溶体中含B量总是高于原液相中含B量. （3）固溶体合金按匀晶相图进行结晶时，由于不同温度下结晶出来的固溶体成分和剩余液相成分不相同，故在平衡态下固溶体的成分是不均匀的。答：（1）错：Cu-Ni合金形成匀晶相图，但两者的原子大小相差不大。（2）对：在同一温度下做温度线，分别与固相和液相线相交，过交点，做垂直线与成分线AB相交，可以看出与固相线交点处B含量

高于另一点。 (3)错：虽然结晶出来成分不同，由于原子的扩散，平衡状态下固溶体的成分是均匀的。 4.共析部分的Mg-Cu相图如图所示： (1)填入各区域的组织组成物和相组成物。在各区域中是否会有纯Mg相存在？为什么？答: Mg-Mg2Cu系的相组成物如下图：（α为Cu在Mg中的固溶体）

材料科学基础A第三章习题及答案

材料科学基础A第三章习题及答案 3.7写出下列缺陷反应式： (1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体； (2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体； (3)NaCl形成肖脱基缺陷； (4)AgI形成弗仑克尔缺陷(Ag+进入间隙)。答：（1）NaCl Na Ca’+ Cl Cl + V Cl? （2）CaCl2Ca Na? + 2Cl Cl + V Na’ （3）O→V Na’ + V Cl· （4）Ag Ag→V Ag’ + Ag i? 3.10 (a)MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和 1600℃时热缺陷的浓度。(b)如果MgO晶体中，含有百万分之一摩尔的A12O3杂质，则在1600'C时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势，说明原因。解：（a）根据热缺陷浓度公式n/N=exp(-E/2kT)， E=6eV=6×1.602×10-19=9.612×10-19J, k=1.38×10-23 在25℃时，T=298K：n/N=1.87×10-51，在1600℃时，T=1873K：n/N=8.43×10-9；（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3， Al2O32Al Mg· + V Mg’’ + 3O O， ∵ [ V Mg’’]=[Al2O3] ，[Al Mg·]=2[Al2O3]，而[Al2O3]=10-6 ∴[杂质缺陷]=[ V Mg’’]+[Al Mg·] =3×10-6 一般只考虑[ V Mg’’]数，为了比较，只考虑空位缺陷： [杂质缺陷]=[ V Mg’’] =[Al2O3]=10-6>热缺陷浓度8.0×10-9结论：杂质缺陷占优。 3.12 非化学计量化合物Fe x O中，Fe3+／Fe2+=0.1，求Fe x O中的空位浓度及x值。

第五章 固溶体习题与解答

第五章-固溶体和非化学计量化合物

第五章 铁碳相图习题参考答案

材料科学基础第三章答案

第五章 固溶体习题与解答

材料科学基础第三章

工程材料与热处理第3章作业题参考答案

工程材料与热处理 第3章作业题参考答案

工程材料第三章答案

最新第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

金属学及热处理课后习题答案第三章

第五章 金属及合金的塑性变形 -答案

第三章 二元合金的相结构与结晶 - 答案

第3章答案

武汉理工 材料科学基础 课后答案 _第三章

第三章 习题解答

金属学与热处理课后习题答案第三章

第五章铁碳相图习题测验参考答案

工程材料与热处理-第3章作业题参考答案

材料科学基础A第三章习题及答案

第五章固溶体习题与解答

第五章铁碳相图习题参考答案

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工程材料与热处理第3章作业题参考答案

最新第三章二元合金的相结构与结晶 - 答案

第五章金属及合金的塑性变形 -答案

第三章二元合金的相结构与结晶 - 答案

武汉理工材料科学基础课后答案 _第三章

第三章习题解答