材料科学与工程复习思考题
第1章绪论
思考题
1．材料科学与工程的四个基本要素
解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用
2．材料科学与工程定义
解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？
高分子材料按使用性质哪几类？
解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性
解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter
思考题
1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？
解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s
2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？
解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则
3．配位数及其影响配位数的因素
解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
4．电离能及其影响电离能的因素
解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。
影响因素：①同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；②同一族，原子半径增大，电离能减小；③电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；
5．混合键合实例
解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合；
高分子：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。
作业题
2-1 按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。
解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p2
Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p5
2-2 88.83%的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原子质量。
解：镁原子的质子为12
镁原子的相对原子质量M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.11
3．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？
解：①在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。在同一主族中，各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。
②在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素中，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。
4．比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
解：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。
②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。
③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。
④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。
5．比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。
解：键能大小：化学键能 > 物理键能
共价键≥离子键 > 金属键 > 氢键 > 范德华力
共价键中：叁键键能 > 双键键能 > 单键键能
结合键的主要特点：
①金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；
②离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；
③共价键共用电子对，有饱和性和方向性；
④范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；
⑤氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。
结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：
①结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。②密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向
于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。陶瓷250~600GPa，金属70~350GPa，高分子0.7~3.5GPa。④塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。
思考题
1．空间点阵，配位数
解：空间点阵：一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。
配位数：一原子最邻近的、等距离的原子数。
2．晶面指数，致密度
解：晶面指数：指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得到的3个整数。
致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。
3．液晶及其液晶的分类（从分子排列的有序性类，按液晶的形成条件分类）解：液晶：某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后，失去固态物质的刚性，变成具有流动性的液态物质，但结构上保存一维或二维有序排列，物理性质上呈现各向异性，兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。
①从分子排列的有序性分类：a.丝状相（向列相）；b. 螺旋状相（胆甾相）;c.层状相（近
晶相）
②按液晶的形成条件分类：a.热致液晶；b.溶致液晶
4．同素异构转变，并举例说明。
解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。例：铁在不同温度下晶体结构不同，
< 906℃体心立方结构，α- Fe
906～1401℃面心立方结构，γ－Fe
1401℃～熔点（1540 ℃）体心立方结构，δ- Fe
高压下(150kPa) 密排六方结构，ε－Fe
5．按键合类型，晶体分哪几类？各自的键合类型和主要特点如何？
解：按键合类型，晶体分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。
①金属晶体：金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和
性；低能量密堆结构。（大多数金属晶体具有面心立方，体心立方和密排六方结构，金属晶体的原子排列比较紧密，其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。）②离子晶体：离子键结合，无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子，离子的堆积
受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小。（硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。）
③共价晶体：共价键结合，具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制，晶体的配位数为
（8-N）。N表示原子最外层的电子数。（强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。配位数比金属晶体和离子晶体低）④分子晶体：范德华键合氢键结合；组元为分子，仅有范德华键时，无方向性和饱和性，
趋于密堆，分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用，限制了堆砌方式；有氢键时，有方向性和饱和性。
作业题
1．归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点
（112）的晶面间距。
解：属于立方晶系，面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时
∴（100）面，
（111）面，
（112）面，
2-14计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r(Na+)=0.097,r(Cl-)=0.181）;（c）由计算结果，可以引出什么结论？
解：（a）
∴面心立方金属的原子致密度为0.74。
（b）N(Na+)=3*4*1/4+1=4 N(Cl-)=6*1/2+2*4*1/8=4
a=2r(Na+)+2 r(Cl-)=0.556
（）
致密度
（c）结论：原子大小相同时，致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密度。
2-15铁的单位晶胞为立方体，晶格常数为a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。
解：
由资料可知，
∴
∴每个单位晶胞所含的原子个数为2。
2-17计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。
解：面心立方：，
体心立方：，
密排六方：，，
，
∴面心立方的致密度为0.74，体心立方的致密度为0.68，密排六方的致密度为0.74。
2-21（a）在1mm3的固体钡中含有多少个原子？（b）其原子堆积因子是多少？（c）钡属于哪一种立方结构？（原子序=56，相对原子质量137.3，原子半径=0.22nm，离子半径=0.143nm，密度=3.5mg/mm3）
解：（a）
∴
∴在1mm3的固体钡中含有个原子。
（b）原子堆积因子是金属正离子和自由电子之间的库仑力。
（c）
∴钡属于体心立方结构。
2-23钻石结构的晶格常数a=0.357nm,当它转变成石墨时，体积变化的百分比是多少？（石墨密度2.25mg?mm-3）
解：钻石属于面心结构，有4个体心
∴
钻石
∴
钻石
钻石钻石石墨石墨石墨钻石
∴石墨钻石
钻石石墨钻石
∴钻石转变为石墨时，体积增加55.8%。
2-26一平面与晶体两轴的截距为a=0.5，b=0.75，并且与Z轴平行，则此平面的米勒指数是
什么？
解：：：：：
∴此平面的米勒指数为（320）。
2-27一平面与三轴的截距为a=1，b=-2/3，c=2/3，此平面的米勒指数是什么？解：：：：：
∴此平面的米勒指数是（）。
2-30某X光波长0.058nm，用来计算铝的d200，其衍射角2θ为16.47°，求晶体常数是多少？解：λθ
∴a=2d200=0.404nm
∴晶体常数为0.404nm。
2-39在温度为912℃，铁从bcc转到fcc。此温度时铁的两种结构的原子半径分别为0.126nm 和0.129nm，（1）求其变化时的体积变化V/O。从室温加热到铁1000℃，铁的体积变化？解：（1）bcc N1=2 fcc N2=4
，
∴
∴
∴其变化时的体积变化为0.014。
（2）912℃时，由bcc转变为fcc，体积减小；912℃-1000℃，受热膨胀，体积增大。思考题
1．影响形成间隙型固溶体的因素
解：A．晶格结构 (溶质原子半径小, 溶剂原子晶格间隙大)；B．平衡或保持电中性。2．有序合金的原子排列有何特点? 这种排列和结合键有什么关系？
解：特点：各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列，称为分点阵，整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称为超点阵或超结构。
3．为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能?
解：间隙固溶体其中一个组元只能进入另一组元的空隙中，溶解度小，而置换型固溶体两组元原子大小近似，因此可以无限互溶。
作业题
简述影响置换型固溶体置换的因素
解：A．离子大小: 同晶型时，
Δr ＜15％，有可能完全互溶
Δr = 15～30%，部分互溶
Δr > 30%，难置换，不能形成固溶体
B．键性（极化）
两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大；溶质与溶剂元素间的电负性差增大，固溶度减小，倾向于生成稳定的金属化合物，而不利于形成固溶体。生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度愈小。
C．晶体结构类型和晶胞大小
当组元A和B有相同晶体结构，B原子才有可能连续不断地置换A原子，固溶度较大；晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体
D．电价（原子价，电子浓度）
原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固溶度降低。
思考题
1．晶体缺陷的分类。
肖脱基缺陷(Schottky Defect)
弗仑克尔缺陷(Frenkel Defect)：
点缺陷对晶体性质的影响
解：肖脱基缺陷：有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。
弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基（空位）缺陷。
点缺陷对晶体性质的影响：
点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。
1）使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散射增加；
2）加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动；
3）使材料体积增加，密度下降
4）比热容增大附加空位生成焓
5）改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。
2．柏氏矢量的物理意义。
解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小。
3．简述刃型位错、螺型位错与位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。
解：①刃型位错滑移方向与位错线垂直；
②螺型位错滑移方向与位错线平行。
4．位错的运动及其特点。
解：①位错的滑移：在外力作用下，位错线在滑移面（即位错线和柏氏矢量构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。滑移是位错运动的主要方式。
特点：a.刃型位错滑移方向与外力及柏氏矢量平行，正、负位错滑移方向相反；b.螺型位错滑移方向与外力及柏氏矢量垂直，左、右螺型位错滑移方向相反；c.混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量成一定角度（即沿位错法线方向滑移）；d.晶体的滑移方向与外力及柏氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
②位错攀移，在热缺陷或外力下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。
a.位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的，螺型位错没有多余半原子面，固无攀移运动；
b.由于位错攀移需要物质的扩散,因此，不可能是整条位错线同时攀移，只能一段一段地逐段进行；
c.单晶生长利用位错攀移来消灭空位。
思考题
一．体积（晶格）扩散的微观机制类型
解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。包括3种微观扩散机制：
①空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。
②间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。
③直接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置。
二．为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ—Fe相区中进行?若不在γ相区进行会有何结果? 解：α—Fe中的最大碳溶解度(质量分数)只有0.02l8％，对于含碳质量分数大于0.0218％的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表面也不能获得高含碳层；由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。γ—Fe中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度，使渗碳顺利进行。
三．比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。
1．温度对扩散系数的影响
2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数
3．体积扩散系数（晶格或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）
4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数。
5．铁的自扩散系数α(Fe ) 与γ( Fe )
解：1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。
2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。
共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数。
3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况，原子排列越紧密，原子间的结合力越强，扩散激活能越高，而扩散系数越小；②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子，他们扩散所需的活化能也较小，相应的扩散系数较大。
表面晶界沿位错晶内
4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。
5. α(Fe )属于体心结构，γ( Fe )属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-(Fe)相比，
在912℃时，Dα-(Fe)≈280Dγ-Fe
作业题
2-45．在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。1000℃时扩散系数为3×10 - -1，且结构为面心立方(a＝0.365nm)。问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？
解：计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度
C1＝1/20(0.365×10-9)3 ＝ 1.03×1027个/m3
C2 ＝1/30(0.365×10-9)3＝0.68×1027个/m3
J = - D Δc /Δx ＝-（3×10 - 11）×（0.68-1.03）×1027/10-3＝1.05×1019 /m2 s
每一个单位晶胞的面积为(0.365×10-9)2
每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数:
Ja = (1.05×1019 /m2 s) ×(0.365×10-9)2×60＝84个/min
∴每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有84个。
2-47含0.18%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2?s-1，若表面含碳量为1%，试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间。
解：C s=1% C0=0.18% C x=0.3%
，即
由误差函数表可知，得t=1.84h
∴距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间为1.84h。
2-48含0.20%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2?s-1，若表面含碳量为1.2%，试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。
解：C s=1.2% C0=0.20%
，即，得C x=0.32%
∴渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量为0.32%。
2-49计算550℃时铜在铝中的扩散系数（D0=1.5*10-5m2?s-1,Q=191kJ?mol-1）。
解：
∴550℃时铜在铝中的扩散系数为。
思考题
1．固态相变，结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？
解：
①固态相变在温度、压力、成分改变时。固体材料的内部组成结构（相成分、结构和
有序度的变化）所发生的转变。
②结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发
生变化，达到另一种亚稳态。
③非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点：
都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。
非晶态晶化: T ＜Tg ，相变驱动力大，成核功小，利于成核和
晶体生长；
粘度大，固相内扩散，扩散慢，不利于成核和
晶体生长，更有利于保持非晶状态。
熔体冷凝结晶：Tg＜T＜Tm，液体内的扩散
2．在 f～g点之间的不同成分的合金，标注其室温组织的构成?
解：不同成分合金的室温组成如下图所示：
3．分别求W(Sn)=61.9%和W(Sn)=50%时，在183℃转变时，各相的相对含量?
解：①W(Sn)=61.9%
，
②W(Sn)=50%
，
思考题
1．固体表面结构的主要特点?
解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。
晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；
2．固体表面对外来原子发生哪两种吸附? 并比较其主要特征?
解：物理吸附、化学吸附
3
解：表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。作用力弱，做功小，表面能低。
1）键性：表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。
低表面能物质：水0.059，石蜡0.03，PE 0.035，PTFE 0.023，PA66 0.047
2）温度：温度升高，表面能一般减小。热运动削弱了质点间的吸引力。
3）杂质：含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小。
4．三种润湿的数学表达式? 共同点及其规律?
解：①沾湿：W A = －ΔG = γSg + γLg －γSL
②润湿：W i= －ΔG = γsg - γsL
③铺展：S = －ΔG = γsg - γLg - γsL
三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气(或液/气)界面消失，被固/液界面取代
三种润湿的规律：
沾湿粘附功Wa = A+ γLg Wa = γSg + γLg－γSL
浸湿Wi = A = γSg－γSL
铺展S = A －γLg
γSg越大，γSL越小，粘附张力A越大，越有利于各种润湿；
沾湿：γLg大，有利沾湿；
浸湿：γLg，无影响;
铺展：γLg小，有利铺展。
改变润湿性主要取决于γSg ，γLg，γSL的相对大小，改变γSg较难，实际上更多的是考虑改变γLg和γSL。
5．润湿的本质是? 润湿方程
解：润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降。
润湿方程：γSg－γSL=γLg cosθ
θ:自固液界面经液体内部气液界面的夹角。
第三章材料的组成和结构Compositions and Structures of Materials
思考题
1．高分子材料组成和结构的基本特征
解：①平均分子量大和存在分子量分布；②高分子链具有多种形态；③分子链间以范氏力为主，部分化学键；分子内为共价键；④组成与结构的多层次性
2．比较高分子链的构型和构象
解：①构型为分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须通过化学键的断裂；②构象为C—C单键内旋转形成的大分子链在空间的不同形态（空间排列），构象之间的转换是通过单键的内旋转，分子热运动足以使之实现，各种构象之间的转换速率极快，构象是不稳定的。
3．比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响
解：①主链结构。极性小的碳链高分子，分子内相互作用不大，内旋转位垒小，柔性较大。主链中含非共轭双键，相邻单键的非键合原子（带*原子）间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易，柔顺性好。主链中含共轭双键，因电子云重叠，没有轴对称性，Л电子云在最大程度交叠时能量最低，而内旋转会使Л键的电子云变形和破裂，不能内旋转，刚性链分子。主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时，可提高分子链的刚性。
②取代基。侧基极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。
③氢键和交联结构的影响。高分子的分子内或分子间形成氢键，氢键影响比极性更显著，增加分子链的刚性。
4．内聚能密度对高聚物结构和性能的影响
解：
5．高分子共混物（合金）的制备方法
解：化学共混：通过化学方法，把不同性能的聚合物链段连在一起，接枝共聚、嵌段共聚及互穿共聚等；
物理共混：通过物理方法，把不同性能的聚合物混合在一起。机械共混、熔融共混及溶液浇铸共混等。工艺简单，共混时存在相容性问题。
6．与低分子晶体比较，聚合物晶体的特点。
解：特点：①链段排入晶胞，分子链轴常与一根结晶主轴平行；②半晶结构（结晶不完全）；
③熔程范围较宽，④结晶速度慢；⑤晶体形态多样。
7．聚合物共混物（聚合物合金）的概念及其与共聚物的差别。
解：概念：两种或两种以上的聚合物，通过物理或化学方法共混，形成宏观上均匀、连续的高分子材料。
区别：前者各组成聚合物通过分子间作用联系在一起，通过各组成聚合物的结构互补实现其性能互补；后者是各单体单元在一定条件下，通过化学键结合在一起，即在同一高分子链上同时存在两种或多种结构单元，共聚物的性能由这些结构单元共同贡献。
8．简述高分子材料的织态及微区结构的形成过程。
解：
9．热固性聚合物和热塑性聚合物
10．聚合物共混物和聚合物共聚物
解：共混物，两种或两种以上的聚合物，通过物理或化学方法共混，形成宏观上均匀、连续的高分子材料。
共聚物，两种或两种以上单体聚合形成的产物。
思考题
1．铁碳合金中的一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的主要区别是什么?
解：一次渗碳体：w(C) ﹥4.3%时，从液相中直接结晶出的粗大片状渗碳体。
二次渗碳体：w(C) ﹦0.77～2.11%时，从奥氏体晶界析出的网状次生渗碳体。
三次渗碳体：w(C) <0.0218%时，从基体相铁素体的晶界上析出的微量片状渗碳体。
共析渗碳体：w(C) ﹦0.77时，铁碳合金在727℃发生恒温共析转变，形成珠光体，珠光体是共析铁素体和共析渗碳体的片状混合物。
共晶渗碳体：w(C) ﹦4.3%时，铁碳合金在1148℃发生恒温共晶转变，形成莱氏体，莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体组成。
2．根据铁碳相图，计算二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
解：当碳含量为2.11％时，二次渗碳体的数量达到最大值
W（Fe3CⅡ）= (2.11-0.77)/(6.69-0.77) =22.6 %
当碳含量为0.0218％时，三次渗碳体的数量达到最大值
W（Fe3CⅢ）= (0.0218-0)/(6.69-0) =0.33 %
3．根据铁碳相图，说明各点（A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S和Q）的含义。
作业题
1 分析铁碳合金的三相平衡转变(3条水平线)过程；
解：①
包晶转变（HJB），在1485℃，含C为0.53%的液相与含C为0.09%的δ相作用,生成含C为0.17%的γ(A)相奥氏体。
②
共晶转变（ECF），含C为4.3%的液相，生成γ (A)相奥氏体和渗碳体的混合物(Ld，莱氏体) ③
共析转变（PSK），含C为0.77%的奥氏体，转变为含C为0.0218%的铁素体和渗碳体的混合物(P，珠光体)
2 分析w(C) ＝0.77％、w(C)＝1.2％、w(C)＝4.3％、w(C)＝4.5％的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组织示意图说明各阶段的组织变化。
解：①w(C) ＝0.77％②w(C)＝1.2％
共析钢0.77%的结晶过程过共析钢的结晶过程
③w(C)＝ 4.3％④ w(C)＝4.5％
3 计算w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织组成物和
相组织物含量。
解：①w(C) = 0.77%
②w(C) = 0.40%
4 按含碳量，对铁碳合金进行分类，并表示该铁碳合金在室温下的组织组成物。碳对铁碳合金机械性能有何影响。
含碳量对铁碳合金的机械性能影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化，碳含量越大，硬度越大，韧性越差，延展性也就越差。
思考题
1．铁碳合金中碳的存在形式。灰铸铁,白口铸铁，麻口铸铁的碳的存在形式有何不同。解：铁碳合金中，碳的存在形式：①与铁间隙固溶；溶入铁的晶格，形成间隙固溶体。②化合态的渗碳体；亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨;③游离态的石墨G :稳定态，可从铸铁熔液中析出，也可从奥氏体中析出。
白口铸铁（碳以渗碳体形式存在，断口为白亮色）
灰口铸铁（碳以游离石墨形式存在，断口为暗灰色）
麻口铸铁（同时含有石墨和渗碳体，断口灰白相间）
2．灰铸铁的组织特点，影响灰铸铁性能的因素。
解：灰口铸铁：基体组织和石墨两部分组成
基体（铁素体、铁素体-珠光体、珠光体）＋石墨
影响因素：①石墨对铸铁机械性能的影响
石墨：松软而脆弱的固态物质，抗拉强度<20MPa，延伸率趋近于零；
石墨存在基体中，尤如一种裂纹或孔洞，分割削弱基体，破坏基体组织连续性；还会引起应力在该处集中，构成裂纹源。因而，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比钢铁低得多。基体相同的情况下，石墨形状由片状 (普通灰铸铁)变为细片状 (孕育灰铸铁)和球状 (球墨铸铁)时，其对基体的削弱作用以及应力集中的程度将依次减弱，表现出抗拉强度依次升高。
②基体对铸铁机械性能的影响
基体中铁素体的数量增多，塑性、韧性提高；珠光体数量增加，塑性、韧性降低，但强度、硬度有所增高。
3．灰口铸铁组织的形成过程中，石墨化过程的三个阶段。
解：
第一阶段高温石墨化C'D'
由液相凝固形成一次石墨
1154℃共晶转变，共晶石墨
L C'→A E’＋G (奥氏体＋石墨)；
第二阶段中间石墨化
1154～738℃，碳溶解度下降，
奥氏体成分沿E’S’变化，过饱
和碳析出石墨，二次石墨G II。
第三阶段低温石墨化P'Q'
738℃,共析转变，共析石墨A S
→F＋G(铁素体＋石墨)；三次
石墨GⅢ
4．Fe －Fe3C和Fe－G 相图二者的主要区别。
解：在极为缓慢的冷却条件下，铁碳合金由Fe－G 相图进行结晶，Fe－G 相图在Fe －Fe3C 相图的上方，Fe－G更稳定。Fe －Fe3C相图中凡是有渗碳体存在的相区，在Fe－G 相图中均由石墨取代；凡是析出渗碳体的点线在Fe－G 相图中均析出石墨，只是位置稍有变化，其特征点温度和含碳量略有不同。
5．灰口铸铁的组织按其基体的不同，可分为哪三种。灰口铸铁的组织可看成是；
解：铁素体灰口铸铁、铁素体-珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁。
灰口铸铁的组织可看成是钢加上片状石墨。
6. 灰口铸铁和球墨铸铁在组织和性能上有何区别。
解：灰口铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨。
球墨铸铁的组织特点是基体加球状石墨
性能：球化越完整，球状石墨尺寸越细小，可减少应力集中，力学性能越优越；疲劳强度与中碳钢相似，耐磨性好，制造重要和形状复杂机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套等。
思考题
1硅酸盐结构的基本特点和类型。
解：硅酸盐晶体的结构特点：
(1) 结构中Si4+间没有直接的键，而是通过O2－连结；
(2) 以硅氧四面体为结构的基础；
(3) 每一个O2－只能连接2个硅氧四面体；
(4) 硅氧四面体间只能共顶连接，不能共面连接。
硅酸盐晶体的主要结构类型：岛状结构；组群状（环状）结构；链状结构；层状结构；架状结构。
2 玻璃的定义及其通性，玻璃中的氧化物分为哪三类。
解：定义：将原料加热熔融（熔体），快冷却（过冷却）形成，室温下保持熔体结构的固体物质，固体非晶态(无定形)物质。
通性：①各向同性；②热力学介稳性；③状态转化的渐变性。
玻璃中的氧化物分为：①网络生成体氧化物；②网络外体氧化物；③中间体氧化物。
作业题
3．高岭石Al4[Si4O10](OH)8(Al2O3?2SiO2?2H2O)的结构。
解：三斜晶系，单网层结构：硅氧四面体层+ 八面体层
下层为硅氧四面体层，硅氧四面体中的活性氧向上；上层为八面体层（由 1个Al3+，2个O2－ , 4个OH－组成），每一个活性氧同时连接1个硅氧四面体和2个[AlO2(OH)4]八面体，层与层间为氢键结合，结合力较弱，层间易解理成片状，但OH-O之间仍有一定的吸引力，所以单网层之间水分子不易进去，不因水含量增加而膨胀。
4．从显微结构看，陶瓷材料主要有哪些相构成？各构成相的主要作用和对陶瓷性能的影响是什么？为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎?
解：晶相、,玻璃相、气相和晶界
晶粒是陶瓷最主要的组成相，晶相的性质是影响陶瓷性能的主要因素；烧成－冷却过程中，晶界处产生热应力，出现微裂纹，降低陶瓷强度。
玻璃相的作用，粘结分散的晶粒，抑止晶粒长大；填充晶粒间的空隙，填充气孔，提高致密度，降低烧结温度。气相会降低陶瓷强度，造成裂纹。保留一定的气相，陶瓷的比重小，绝热性好。
因为大多数陶瓷主要由晶相和玻璃相组成，这两种相的热膨胀系数相差较大，由高温很快冷却时，每种相的收缩不同，所造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎
5．计算硅酸盐玻璃Na2O SiO2的4个基本结构参数
解：Z=4，R=(1+2)/1=3
∴X=2R-Z=2*3-4=2，Y=4-X=2
6 计算14mol% Na 2O ?8mol%CaO ?78mol% SiO 2硅酸盐玻璃的4个结构参数。Y （多面体中桥氧数）对玻璃性质有什么影响？ 解：Z = 4 Y 大，结构紧密，强度大，膨胀系数小，电导率小，粘度大；或Y 小，结构疏松，强度小，膨胀系数大，电导率大，粘度小 。
7．陶瓷材料中主要结合键是什么?从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能? 解：陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键；
由于离子键及共价键键能很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高；因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。
8．分析滑石 Mg 3 [ Si 4O 10](OH)2的结构与性能的关系
解：复网层结构 硅氧四面体层 + 八面体层 + 硅氧四面体层
上下层均为硅氧四面体层，上层活性氧全向下，下层活性氧全向上，中间夹一镁氢氧层(由
1个Mg 2+ ，4个O 2－ , 2个OH －
组成八面体）。每一个活性氧同时连接1个[SiO 4]四面体和3
个[MgO 4(OH)2] 八面体， 每一层O 2－
电价饱和。层与层间结合为范德华键，层间键合弱，易沿层面解理。
9．分析钙钛矿CaTiO 3晶体的结构 解：立方晶系
Ca 2+ ，在立方体顶角 配位数为12（ O 2- ）；
O 2- ，在面心 配位数为6 （4 Ca 2+ +2 Ti 4+ ） ； Ti 4+ ，在体心 配位数为6 （ O 2- ）； [TiO 6]8-八面体
通过顶角共用氧，形成三维网络； 思考题
1．说明炭黑的结构
解：炭黑的基本（低）结构，一次结构 3~5个碳粒子（C-C 共价键）聚融成三维空间的聚集体或聚熔体；化学结合，结构稳定。
28.21782
7818114=??+?+?=R 56.0428.22=-?=X 44
.356.04=-=
Y
橡胶混炼时，不易破坏，是炭黑在橡胶中的最小分散单位。
炭黑的二次（高）结构，附聚体或凝聚体
两个以上的聚集体，以物理力凝聚成松散结合，聚集体间空隙较大；较强吸附能力。2．炭黑按用途分为哪两大类
解：色素用炭黑（颜料）、橡胶用炭黑（补强等）
3．复合材料的定义和组成
解：两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经复合工艺组合而成的多相固体材料。
组成：①基体；②复合材料所用的增强材料
4．复合材料所用的增强材料分类
解：A 颗粒增强体；B (短纤维)与晶须；C 纤维及其织物
材料科学基础期末考试历届考试试题复习资料
四川理工学院试卷（2009至2010学年第1学期） 课程名称：材料科学基础 命题教师：罗宏 适用班级：2007级材料科学与工程及高分子材料专业 考试（考查） 年 月 日 共 页 1、 满分100分。要求卷面整洁、字迹工整、无错别字。 2、 考生必须将姓名、班级、学号完整、准确、清楚地填写在试卷规定的地方，否 则视为废卷。 3、 考生必须在签到单上签到，若出现遗漏，后果自负。 4、 如有答题纸，答案请全部写在答题纸上，否则不给分；考完请将试卷和答题卷 分别一同交回，否则不给分。 试题答案及评分标准 得分 评阅教师 一、判断题：（10分，每题1分，正确的记错误的记“％” 1?因为晶体的排列是长程有序的，所以其物理性质是各向同性。 （％ 2. 刃型位错线与滑移方向垂直。（话 3. 莱氏体是奥氏体和渗碳体的片层状混合物。（X ） 4?异类原子占据空位称为置换原子，不会引起晶格畸变。 （X 5. 电子化合物以金属键为主故有明显的金属特性。 （话 6. 冷拉后的钢条的硬度会增加。（话 7. 匀晶系是指二组元在液态、固态能完全互溶的系统。 （话 题号 -一- -二二 三 四 五 六 七 八 总分 评阅（统分”教师 得分 :题 * 冷 =要 密;
8.根据菲克定律，扩散驱动力是浓度梯度，因此扩散总是向浓度低的方向进行。（X
9. 细晶强化本质是晶粒越细，晶界越多，位错的塞积越严重，材料的强度也就 越高。（V ） 10. 体心立方的金属的致密度为 0.68。（V ） 、单一选择题：（10分，每空1分） (B) L+B — C+B （C ） L —A+B （D ） A+B^L 7. 对于冷变形小 的金属，再结晶核心形成的形核方式一般是（ A ） （A ） 凸出形核亚 （ B ）晶直接形核长大形核 （B ） 亚晶合并形核 （D ）其他方式 8. 用圆形钢饼加工齿轮，下述哪种方法更为理想？ （ C ） （A ）由钢板切出圆饼（B ）由合适的圆钢棒切下圆饼 （C ） 由较细的钢棒热镦成饼 （D ）铸造成形的圆饼 1. 体心立方结构每个晶胞有（B ） 个原子。 2. 3. (A) 3 ( B) 2 (C) 6 固溶体的不平衡凝固可能造成 （A ）晶内偏析 （C ）集中缩孔 属于＜100＞晶向族的晶向是（ (A) [011] (B) [110] (D) 1 (B) (D) (C) 晶间偏析 缩松 [001] (D) [101] 4.以下哪个工艺不是原子扩散理论的具体应用 （A ）渗氮 （B ）渗碳 （C ）硅晶片掺杂 （） （D ）提拉单晶5.影响铸锭性能主要晶粒区是（C ） （A ）表面细晶粒区 （B ）中心等轴（C ）柱状晶粒区 三个区影 响相同 6 ?属于包晶反应的是（A ） （ L 表示液相, A 、B 表示固相） (A) L+A — B
材料科学基础试题库
《材料科学基础》试题库 一、名词解释 1、铁素体、奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体 2、共晶转变、共析转变、包晶转变、包析转变 3、晶面族、晶向族 4、有限固溶体、无限固溶体 5、晶胞 6、二次渗碳体 7、回复、再结晶、二次再结晶 8、晶体结构、空间点阵 9、相、组织 10、伪共晶、离异共晶 11、临界变形度 12、淬透性、淬硬性 13、固溶体 14、均匀形核、非均匀形核 15、成分过冷 16、间隙固溶体 17、临界晶核 18、枝晶偏析 19、钢的退火，正火，淬火，回火 20、反应扩散 21、临界分切应力 22、调幅分解 23、二次硬化 24、上坡扩散 25、负温度梯度 26、正常价化合物 27、加聚反应 28、缩聚反应 四、简答 1、简述工程结构钢的强韧化方法。（20分） 2、简述Al-Cu二元合金的沉淀强化机制（20分） 3、为什么奥氏体不锈钢（18-8型不锈钢）在450℃～850℃保温时会产生晶间腐
蚀如何防止或减轻奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 4、为什么大多数铸造合金的成分都选择在共晶合金附近 5、什么是交滑移为什么只有螺位错可以发生交滑移而刃位错却不能 6、根据溶质原子在点阵中的位置，举例说明固溶体相可分为几类固溶体在材料中有何意义 7、固溶体合金非平衡凝固时，有时会形成微观偏析，有时会形成宏观偏析，原因何在 8、应变硬化在生产中有何意义作为一种强化方法，它有什么局限性 9、一种合金能够产生析出硬化的必要条件是什么 10、比较说明不平衡共晶和离异共晶的特点。 11、枝晶偏析是怎么产生的如何消除 12、请简述影响扩散的主要因素有哪些。 13、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点 14、临界晶核的物理意义是什么形成临界晶核的充分条件是什么 15、请简述二元合金结晶的基本条件有哪些。 16、为什么钢的渗碳温度一般要选择在γ-Fe相区中进行若不在γ-Fe相区进行会有什么结果 17、一个楔形板坯经冷轧后得到相同厚度的板材，再结晶退火后发现板材两端的抗拉强度不同，请解释这个现象。 18、冷轧纯铜板，如果要求保持较高强度，应进行何种热处理若需要继续冷轧变薄时，又应进行何种热处理 19、位错密度有哪几种表征方式 20、淬透性与淬硬性的差别。 21、铁碳相图为例说明什么是包晶反应、共晶反应、共析反应。 22、马氏体相变的基本特征（12分） 23、加工硬化的原因（6分） 24、柏氏矢量的意义（6分） 25、如何解释低碳钢中有上下屈服点和屈服平台这种不连续的现象（8分） 26、已知916℃时，γ-Fe的点阵常数，（011）晶面间距是多少（5分） 27、画示意图说明包晶反应种类，写出转变反应式（4分） 28、影响成分过冷的因素是什么（9分） 29、单滑移、多滑移和交滑移的意义是什么（9分） 30、简要说明纯金属中晶粒细度和材料强度的关系，并解释原因。（6分） 31、某晶体的原子位于四方点阵的节点上，点阵的a=b，c=a/2，有一晶面在x，y，z轴的截距分别为6个原子间距、2个原子间距和4个原子间距，求该晶面的
《生化分离工程》思考题与答案
第一章绪论 1、何为生化分离技术？其主要研究那些容？生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。 2、生化分离的一般步骤包括哪些环节及技术？一般说来，生化分离过程主要包括4 个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调PH、凝聚和絮凝等方法；②初步纯化（提取），常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化（精制），常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。 3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？ 特点：1、目的产物在初始物料（发酵液）中的含量低；2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等；3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，对温度、pH 值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面力等非常敏感；4、对最终产品的质量要求高重要性：生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50 ％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的40～ 80 ％；精细、药用产品的比例更高达70 ～90 ％。显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。
4、生物技术下游工程与上游工程之间是否有联系？ 它们之间有联系。①生物工程作为一个整体，上游工程和下游工程要相互配合， 为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离纯化创造条件，例如，对于发酵工程产品，在加工过程中如果采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质为原料，会使下游加工工程更方便、经济；②通常生物技术上游工程与下游工程相耦合。发酵- 分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。 5、为何生物技术领域中往往出现“丰产不丰收”的现象？ 第二章预处理、过滤和细胞破碎 1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？ 目的：改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速率；出去大部分可溶性杂质，并尽可能使产物转入便于以后处理的相中（多数是液相），以便于固液分离及后提取工序的顺利进行。 方法：①加热法。升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。控制适当温度和受热时间，能使蛋白质凝聚形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。使用加热法时必须注意加热温度必须控制在不影响目的产物活性的围，对于发酵液，温度过高或时间过长可能造成细胞溶解，胞物质外溢，而增加发酵液的复杂性，影响其后的产物分离与纯化；②调节悬浮液的pH 值，pH 直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH 可以改善其过滤特性；③凝聚和絮凝；④使用惰性助滤剂。
工程材料复习思考题A
《工程材料》复习思考题 一、填空题 1.在实际的金属结构中，存在有（）（）（）缺陷。 2.金属的塑性变形在大多数情况下是以滑移方式进行的，而滑移是由于滑移面 上（）运动而造成的。 3.合金元素能提高钢的淬透性本质，它的本质是合金元素是它们C曲线 （）移。 4.钢中的杂质S是由（）和（）带入到钢中的，P是由（） 带入到钢中的。 5.两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成，并且具有 （）特性的物质称为合金。 6.钢的热处理是指钢在（）下施以不同的（）（） （），以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。 7.金属材料强化手段有（）（）（）三种。 8.等温转变的组织产物有（）（）（）（）（）。 9.金属铸锭的组织由三层形状和大小不同的晶粒组成的，分别是（） （）（）。 10.在炼钢中，Si是作为（）加入钢中的。 11.球化退火主要用于（）和（）钢，完全退火主要应用与（） 钢。 二、判断题 1.冷加工是指在室温状态下的塑性变形。（） 2.在碳钢中,Mn大部分溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；一部分溶于铁素体，形 成置换固溶体。（） 3.回复和再结晶都使晶粒的大小和形状发生明显变化。（） 4.S、P都是碳钢中的有益元素。（） 5.上贝氏体的机械性能比下贝氏体的好。（） 6.凡经过淬火的金属都能提高其硬度。（） 7.T8钢属于碳素工具钢，它也是高碳钢。（） 8.强度和塑性成反比，强度高的材料塑性就低。（） 9.中碳钢是指含碳量在0.2％—0.6％之间的碳钢。（） 10.钢中的杂质P会引起钢的冷脆性，即使钢在室温下的塑性急剧下降。（） 11.面心立方晶格和体心立方晶格具有相同的滑移系数，因此可以说铁在高温和 低温的时候塑性都是一致的。（） 12.铁素体和奥氏体的根本区别就是在于固溶度不同，前者小而后者大。（） 13.无论何种成分的碳钢，随着含碳量的增加，组织中铁素体相对量减少，珠光 体相对量增加。（） 14.凡是碳钢的平衡结晶过程都具有共析转变，而没有共晶转变。（） 15.甲材料的硬度值为HRC35，乙材料的硬度值为HB230，所以乙材料比甲材料硬。 （） 三，选择填空 1.以下生产齿轮的方法，（）方法最为理想。 A、由原钢板机械加工成齿轮 B、有粗钢棒机械加工成齿轮 C、由圆棒热锻成 齿轮毛坯，再加工成齿轮
材料科学基础期末试题
材料科学基础考题 I卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷答： 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。 交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，称为交滑移。滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 伪共晶：在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。 离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的a相依附于初生a相生长，将共晶体中另一相B推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。 奥氏体：碳原子溶于丫-Fe形成的固溶体。 成分过冷：在合金的凝固过程中，将界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。 二、选择题（每题2分，共20分） 1. 在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错（A ）分解为a/2[111]+a/2[l11]. （A）不能（B）能（C）可能 2. 原子扩散的驱动力是：（B ） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度 3?凝固的热力学条件为：（D ） （A）形核率（B）系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4?在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（A） （A）氧离子空位（B）钛离子空位（C）阳离子空位 5?在三元系浓度三角形中，凡成分位于（ A ）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两 组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6?有效分配系数k e表示液相的混合程度，其值范围是（B ） （A）1vk e 第1页（共11页） ########2018-2019学年第二学期 ########专业####级《材料科学基础》期末考试试卷 （后附参考答案及评分标准） 考试时间：120分钟 考试日期：2019年6月 题 号 一 二 三 四 五 六 总 分 得 分 评卷人 复查人 一、单项选择题（请将正确答案填入表中相应题号处，本题13小题，每小题2分，共26分） 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 题号 11 12 13 答案 1. 在形核-生长机制的液-固相变过程中，其形核过程有非均匀形核和均匀形核之分，其形核势垒有如下关系（ ）。 A. 非均匀形核势垒 ≤ 均匀形核势垒 B. 非均匀形核势垒 ≥ 均匀形核势垒 C. 非均匀形核势垒 = 均匀形核势垒 D. 视具体情况而定，以上都有可能 2. 按热力学方法分类，相变可以分为一级相变和二级相变，一级相变是在相变时两相自由焓相等，其一阶偏导数不相等，因此一级相变（ ）。 A. 有相变潜热改变，无体积改变 B. 有相变潜热改变，并伴随有体积改变 C. 无相变潜热改变，但伴随有体积改变 D. 无相变潜热改变，无体积改变 得分 专业 年级 姓名 学号 装订线 3. 以下不是材料变形的是（）。 A. 弹性变形 B. 塑性变形 C. 粘性变形 D. 刚性变形 4. 在固溶度限度以内，固溶体是几相？（） A. 2 B. 3 C. 1 D. 4 5. 下列不属于点缺陷的主要类型是（）。 A. 肖特基缺陷 B. 弗伦克尔缺陷 C. 螺位错 D. 色心 6. 由熔融态向玻璃态转变的过程是（）的过程。 A. 可逆与突变 B. 不可逆与渐变 C. 可逆与渐变 D. 不可逆与突变 7. 下列说法错误的是（）。 A. 晶界上原子与晶体内部的原子是不同的 B. 晶界上原子的堆积较晶体内部疏松 C. 晶界是原子、空位快速扩散的主要通道 D. 晶界易受腐蚀 8. 表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生，微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要，微裂纹长度，断裂强度。（） A. 越长；越低 B. 越长；越高 C. 越短；越低 D. 越长；不变 9. 下列说法正确的是（）。 A. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度上升 B. 再结晶期间，位错密度下降导致硬度下降 C. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度上升 D. 再结晶期间，位错密度上升导致硬度下降 10. 下列材料中最难形成非晶态结构的是（）。 A. 陶瓷 B. 金属 C. 玻璃 D. 聚合物 第2页（共11页） 材料科学基础试题库 材料科学基础》试题库 一、选择 1、在柯肯达尔效应中，标记漂移主要原因是扩散偶中________ 。 A、两组元的原子尺寸不同 B、仅一组元的扩散 C、两组元的扩散速率不同 2、在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则只能用于________ 。 A、单相区中 B、两相区中 C、三相平衡水平线上 3、铸铁与碳钢的区别在于有无______ 。 A、莱氏体 B、珠光体 C、铁素体 4、原子扩散的驱动力是_____ 。 A、组元的浓度梯度 B、组元的化学势梯度 C、温度梯度 5、在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为_______ 。 A、原子互换机制 B、间隙机制 C、空位机制 6、在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为________ 。 A、肖脱基缺陷 B、弗兰克尔缺陷 C、线缺陷 7、理想密排六方结构金属的 c/a 为_____ 。 A、1.6 B、2 XV (2/3) C、“ (2/3) 8、在三元系相图中，三相区的等温截面都是一个连接的三角形，其顶点触及 A、单相区 B、两相区 C、三相区 9、有效分配系数Ke表示液相的混合程度，其值范围是_________ o(其中Ko是平衡分配系数) A、 1 工程材料 第一章金属的晶体结构与结晶 1．解释下列名词 点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。 线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。 如位错。 面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。 亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。 亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。 刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半 原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。 单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。 多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即 为变质处理。 变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？ 期末总复习 一、名词解释 空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。 配位数：直接与中心原子连接的配体的原子数目或基团数目。 对称：物体经过一系列操作后，空间性质复原；这种操作称为对称操作。 超结构：长程有序固溶体的通称 固溶体：一种元素进入到另一种元素的晶格结构形成的结晶，其结构一般保持和母相一致。 致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能； 小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界； 晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 肖脱基空位：脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位。 弗兰克耳空位：晶体中原子进入空隙形而形成的一对由空位和间隙原子组成的缺陷。 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。 柏氏矢量：用来表征晶体中位错区中原子的畸变程度和畸变方向的物理量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。 过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠金属本身的能量起伏获得成核驱动力的形核过程。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 形核功：形成临界晶核时，由外界提供的用于补偿表面自由能和体积自由能差值的能量。 马氏体转变：是一种无扩散型相变，通过切变方式由一种晶体结构转变另一种结构，转变过程中，表面有浮凸，新旧相之间保持严格的位向关系。或者：由奥氏体向马氏体转变的 分离工程课程 思考题 1．气液相平衡系统分几类？各类相应的i K 的计算式怎样？ 2．工程计算中求取相平衡常数的常用途径有哪两条？各自的i K 计算式怎样？ 3．应用状态方程计算L i ?和V i ?的方程相同，那么如何确定算得的结果是L i ?和V i ?？ 4．现有乙烷，丙烷和异丁烷组成的三元混合物，采用SRK 状态方程计算它们的相平衡常数i K ,试问需要查取哪些基础数据才能计算它们的i K ? 5．现有乙醇，水，正丙烷组成的三元混合物，采用Wilson 活度系数和Virial 方程计算气相逸度系数，试问需要查取哪些基础数据才能计算它们的i K ？ 6．何谓真实气体的理想溶液？当气液两相均可作为理想溶液处理时，i K 取决于哪些因素？ 7．以局部组成概念为基础的活度系数方程用来预计多元系的气液平衡，比起Wohl 型一类方程有哪些优点？ 8．教材介绍的泡点计算的框图用来计算压力不十分高系统泡点十分有效，试分析原因。 9．如何比较简单地判别一个混合物状态？试归纳相态判别的关系式。 10.等温闪蒸计算机的计算，采用目标函数何迭代变量是什么？用它们有什么优点？ 11．构成一个计算机计算的要点是什么？试以Wang - Hanke 法为例进行剖析并由此说明算法的局限性。 12．试推导多级分离过程的MESH 方程组。 13．三对角线的BP 法何SR 法的框图怎样？两法各自适用的物系是哪些？ 14．精馏塔的操作压力的上，下限各由什么因素决定？增大操作压力对分离效果和能耗有何影响？ 15．何谓关键组分？精馏分离的多元混合物可能含有哪些组分？ 16．有A ，B ，C ，D （以挥发度递减次序排列）四组分组成的料液加入精馏塔中进行分离。试对A ，B : B ，C 或C ，D 是轻重关键组分时，塔在m R 下操作时塔中的恒沸区位置进行分析。因为什么组分的变化而引起恒浓区位置的变化？ 17．估算精馏塔塔顶和塔底产品的量和组成有哪两种方法？各自的基本假定有哪些？ 18．试应用教材中推导的s /12α计算式（式2－175），说明萃取精馏中溶液的作用。如果原料中两组分的相对挥发度十分接近1，靠加入溶剂的什么作用才可能使s /12α 三、选择正确答案 1、为改善低碳钢的切削加工性应进行哪种热处理（ A、等温退火 B 、完全退火 C、球化退火 D 、正火 2、钢中加入除Co之外的其它合金元素一般均能使其 C 曲线右移，从而（B ） A、增大VK B 、增加淬透性 C、减小其淬透性 D 、增大其淬硬性 3、金属的塑性变形主要是通过下列哪种方式进行的（ C ） A、晶粒的相对滑动 B 、晶格的扭折 C、位错的滑移 D 、位错类型的改变 4、高碳钢淬火后回火时，随回火温度升高其（A ） A、强度硬度下降，塑性韧性提高 B、强度硬度提高，塑性韧性下降 C、强度韧性提高，塑性韧性下降 D、强度韧性下降，塑性硬度提高 5、过共析钢的正常淬火加热温度应该选择在（ A ） A、Acl+30 —50C B 、Ac3+30 —50C C、Accm+30 —50C D 、T 再+30 —50C 6、常见的齿轮材料20CrMnTi 的最终热处理工艺应该是（D ） A、调质 B 、淬火+低温回火 C、渗碳 D 、渗碳后淬火+低温回火 7、常见的调质钢大都属于（B ） A、低碳低合金钢 B 、中碳低合金钢 C、高碳低合金钢 D 、低碳中合金钢 8 、某一中载齿轮决定用45 钢制造，其最终热处理采用下列哪种方案为宜（ A、淬火+低温回火 B 、渗碳后淬火+ 低温回火 C、调质后表面淬火 D 、正火 9、某工件采用单相黄铜制造，其强化工艺应该是（ C ) A、时效强化 B、固溶强化 C、形变强化 D、热处理强化 10 、在Fe-Fe3C 合金中，其平衡组织中含有二次渗碳量最多的合金的含碳量为（ D ） A、0.0008% B 、0.021% C、0.77% D 、2.11% 11 、在Fe-Fe3C 合金的退火组织中，含珠光体量最多的合金的碳含量为（ B ） A、0.02% B 、0.77% C、2.11% D 、4.3% 12 、下列钢经完全退火后，哪种钢可能会析出网状渗碳体（ D ） A、Q235 B 、45 C、60Si2Mn D 、T12 13 、下列材料中不宜淬火的是（D ） A、GCr15 B 、W18Cr4V C、40Cr D 、YT15 14 、下列二元合金的恒温转变中，哪个是共析转变（ C ） A、L+ a~^卩 B、L f a +卩 C、a +卩 D 、 a +宦丫 15 、下列合金钢中，耐蚀性最好的是（D ） A、20CrMnTi B 、40Cr B、W18Cr4V D 、1Cr18Ni9Ti 16 、下列合金中，哪种合金被称为巴氏合金（B ） 几种强化加工硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。 强化机制：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力。 细晶强化：是由于晶粒减小，晶粒数量增多，尺寸减小，增大了位错连续滑移的阻力导致的强化；同时由于滑移分散，也使塑性增大。 弥散强化：又称时效强化。是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。包括切过机制和绕过机制。（2 分） 复相强化：由于第二相的相对含量与基体处于同数量级是产生的强化机制。其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等，且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。（2 分） 固溶强化：固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。。包括弹性交互作用、电交互作用和化学交互作用。 几种概念 1、滑移系：一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。 2、交滑移：螺型位错在两个相交的滑移面上运动，螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍，会转动到另一滑移面上继续滑移，滑移方向不变。 3、屈服现象：低碳钢在上屈服点开始塑性变形，当应力达到上屈服点之后开始应力降落，在下屈服点发生连续变形而应力并不升高，即出现水平台（吕德斯带）原因：柯氏气团的存在、破坏和重新形成，位错的增殖。 4、应变时效：低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点，但是在变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时间加热，在进行拉伸试验，则屈服点又重复出现，且屈服应力提高。 5、形变织构：随塑性变形量增加，变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。滑移和孪晶的区别 滑移是指在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向，相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。 孪生：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 伪共晶：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组合。 扩散驱动力：化学位梯度是扩散的根本驱动力。 一、填空题（20 分，每空格1 分） 1. 相律是在完全平衡状态下，系统的相数、组元数和温度压力之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式：f=C-P+2 2. 二元系相图是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。 3?晶体的空间点阵分属于7大晶系，其中正方晶系点阵常数的特点为a=b M c,a = B =Y =90°，请列举除立方和正方晶系外其他任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交（任选三种）。 4. 合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三部分。 5．在常温和低温下，金属的塑性变形主要是通过滑移的方式进行的。此外还有孪生和扭 Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编 一、填空题 0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____，当烧结分别进行四种传质时，颈部增长x/r与时 间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。 0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ，含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。 0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是_____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。 0004.晶体有两种理想形态，分别是_____和_____。 0005.晶体是指内部质点排列的固体。 0006.以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，属于这个球的八面体空隙数为，所以属于这个球的四面体空隙数为。 0007.与非晶体比较晶体具有自限性、、、、和稳定性。 0008.一个立方晶系晶胞中，一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a，其晶面的晶面指数是。 0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性，当真实接触角θ时，粗糙度越大，表面接触角，就越容易湿润；当θ，则粗糙度，越不利于湿润。 0010.硼酸盐玻璃中，随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数，热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时，桥氧又开始，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。 0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种，CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为。 0012.固体质点扩散的推动力是________。 0013.本征扩散是指__________，其扩散系数D＝_________,其扩散活化能由________和_________ 组成。0014.析晶过程分两个阶段，先______后______。 0015.晶体产生Frankel缺陷时，晶体体积_________，晶体密度_________；而有Schtty缺陷时，晶体体积_________,晶体密度_________。一般说离子晶体中正、负离子半径相差不大时，_________是主要的；两种离子半径相差大时，_________是主要的。 0016.少量CaCl2在KCl中形成固溶体后，实测密度值随Ca2+离子数/K＋离子数比值增加而减少，由此可判断其缺陷反应式为_________。 0017.Tg是_________,它与玻璃形成过程的冷却速率有关，同组分熔体快冷时Tg比慢冷时_________ ,淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度_________,热膨胀系数_________。 0018.同温度下，组成分别为：(1) 0.2Na2O－0.8SiO2 ；(2) 0.1Na2O－0.1CaO－0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO－0.8SiO2 的三种熔体，其粘度大小的顺序为_________。 0019.三T图中三个T代表_________, _________,和_________。 0020.粘滞活化能越_________ ,粘度越_________ 。硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于_________ 。 0021.0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体，若保持Na2O含量不变，用CaO置换部分SiO2后，电导_________。0022.在Na2O－SiO2熔体中加入Al2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度_________。 0023.组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数为_________。 0024.在等大球体的最紧密堆积中，六方最紧密堆积与六方格子相对应，立方最紧密堆积与_______ 相对应。0025.在硅酸盐晶体中，硅氧四面体之间如果相连，只能是_________方式相连。 0026.离子晶体生成Schttky缺陷时，正离子空位和负离子空位是同时成对产生的，同时伴随_________的增加。0027.多种聚合物同时并存而不是一种独存这就是熔体结构_________的实质。在熔体组成不变时，各级聚合物的数量还与温度有关，温度升高，低聚物浓度增加。 0028.系统中每一个能单独分离出来并_________的化学均匀物质，称为物种或组元，即组份。例如，对于食盐的水溶液来说，NaCl与H2O都是组元。而Na+、Cl－、H+、OH－等离子却不能算是组元，因为它们都不能作为独立的物质存在。 0029.在弯曲表面效应中，附加压力ΔP总是指向曲面的_________，当曲面为凸面时，ΔP为正值。 0030.矿化剂在硅酸盐工业中使用普遍，其作用机理各异，例在硅砖中加入1-3％[Fe2O3＋Ca2(OH)2]做矿化剂，能使大部分a-石英不断溶解同时不断析出a-磷石英，从而促进a-石英向磷石英的转化。水泥生产中 《工程材料》复习思考题参考答案 第一章金属的晶体结构与结晶 1.解释下列名词 点缺陷,线缺陷,面缺陷,亚晶粒,亚晶界,刃型位错,单晶体,多晶体, 过冷度,自发形核,非自发形核,变质处理,变质剂. 答:点缺陷:原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小,主要指空位间隙原子,置换原子等. 线缺陷:原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大,而在其余两个方向上的尺寸很小.如位错. 面缺陷:原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大,而另一方向上的尺寸很小.如晶界和亚晶界. 亚晶粒:在多晶体的每一个晶粒内,晶格位向也并非完全一致,而是存在着许多尺寸很小,位向差很小的小晶块,它们相互镶嵌而成晶粒,称亚晶粒. 亚晶界:两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界. 刃型位错:位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成.滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线.如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面,多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口,故称刃型位错. 单晶体:如果一块晶体,其内部的晶格位向完全一致,则称这块晶体为单晶体. 多晶体:由多种晶粒组成的晶体结构称为多晶体. 过冷度:实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度. 自发形核:在一定条件下,从液态金属中直接产生,原子呈规则排列的结晶核心. 非自发形核:是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核. 变质处理:在液态金属结晶前,特意加入某些难熔固态颗粒,造成大量可以成为非自发晶核的固态质点,使结晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒,这种处理方法即为变质处理. 变质剂:在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂. 2.常见的金属晶体结构有哪几种α-Fe ,γ- Fe ,Al ,Cu ,Ni , Pb , Cr , V ,Mg,Zn 各属何种晶体结构答:常见金属晶体结构:体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格; α-Fe,Cr,V属于体心立方晶格; γ-Fe ,Al,Cu,Ni,Pb属于面心立方晶格; Mg,Zn属于密排六方晶格; 3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题 答:用来说明晶体中原子排列的紧密程度.晶体中配位数和致密度越大,则晶体中原子排列越紧密. 4.晶面指数和晶向指数有什么不同 答:晶向是指晶格中各种原子列的位向,用晶向指数来表示,形式为;晶面是指晶格中不同方位上的原子面,用晶面指数来表示,形式为. 5.实际晶体中的点缺陷,线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响 答:如果金属中无晶体缺陷时,通过理论计算具有极高的强度,随着晶体中缺陷的增加,金属的强度迅速下降,当缺陷增加到一定值后,金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加.因此,无论点缺陷,线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变,从而使晶体强度增加.同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电阻,降低金属的抗腐蚀性能. 6.为何单晶体具有各向异性,而多晶体在一般情况下不显示出各向异性 答:因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同,造成原子间结合力不同,因而表现出各向异性;而 几种强化 加工硬化:金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度与硬度升高,而塑性与韧性降低的现象。 强化机制:金属在塑性变形时,晶粒发生滑移,出现位错的缠结,使晶粒拉长、破碎与纤维化,金属内部产生了残余应力。 细晶强化:就是由于晶粒减小,晶粒数量增多,尺寸减小,增大了位错连续滑移的阻力导致的强化;同时由于滑移分散,也使塑性增大。 弥散强化:又称时效强化。就是由于细小弥散的第二相阻碍位错运动产生的强化。包括切过机制与绕过机制。(2 分) 复相强化:由于第二相的相对含量与基体处于同数量级就是产生的强化机制。其强化程度取决于第二相的数量、尺寸、分布、形态等,且如果第二相强度低于基体则不一定能够起到强化作用。(2 分) 固溶强化:固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。。包括弹性交互作用、电交互作用与化学交互作用。 几种概念 1、滑移系:一个滑移面与该面上一个滑移方向的组合。 2、交滑移:螺型位错在两个相交的滑移面上运动,螺位错在一个滑移面上运动遇有障碍,会转动到另一滑移面上继续滑移,滑移方向不变。 3、屈服现象:低碳钢在上屈服点开始塑性变形,当应力达到上屈服点之后开始应力降落,在下屈服点发生连续变形而应力并不升高,即出现水平台(吕德斯带) 原因:柯氏气团的存在、破坏与重新形成,位错的增殖。 4、应变时效:低碳钢经过少量的预变形可以不出现明显的屈服点,但就是在变形后在室温下放置一段较长时间或在低温经过短时间加热,在进行拉伸试验,则屈服点又重复出现,且屈服应力提高。 5、形变织构:随塑性变形量增加,变形多晶体某一晶体学取向趋于一致的现象。 滑移与孪晶的区别 滑移就是指在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定晶面与晶向,相对于另一部分发生相对移动的一种运动状态。 孪生:在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。 伪共晶:在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金全部变成共晶组织,这种非共晶成分的共晶组织,称为伪共晶组合。 扩散驱动力:化学位梯度就是扩散的根本驱动力。 一、填空题(20 分,每空格1 分) 1、相律就是在完全平衡状态下,系统的相数、组元数与温度压力之间的关系,就是系统的平衡条件的数学表达式: f=C-P+2 2、二元系相图就是表示合金系中合金的相与温度、成分间关系的图解。 3、晶体的空间点阵分属于7 大晶系,其中正方晶系点阵常数的特点为a=b≠c,α= β=γ=90°,请列举除立方与正方晶系外其她任意三种晶系的名称三斜、单斜、六方、菱方、正交(任选三种)。 4、合金铸锭的宏观组织包括表层细晶区、柱状晶区与中心等轴晶区三部分。 第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. 填空 1. fcc结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______致密度为___________配位数是________________晶胞中原子数为___________，把原子视为刚性球时，原子的半径是____________；bcc结构的密排方向是_______，密排面是_____________致密度为___________配位数是________________ 晶胞中原子数为___________，原子的半径是____________；hcp结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______，致密度为___________配位数是________________，晶胞中原子数为 ___________，原子的半径是____________。 2. bcc点阵晶面指数h+k+l=奇数时，其晶面间距公式是________________。 3. Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是________________。 4. 在体心立方晶胞中，体心原子的坐标是_________________。 5. 在fcc晶胞中，八面体间隙中心的坐标是____________。 6. 空间点阵只可能有___________种，铝晶体属于_____________点阵。Al的晶体结构是__________________， -Fe的晶体结构是____________。Cu的晶体结构是_______________， 7点阵常数是指__________________________________________。 8图1是fcc结构的(-1,1,0 )面，其中AB和AC的晶向指数是__________，CD的晶向指数分别 是___________，AC所在晶面指数是--------------------。《材料科学基础》期末考试试卷及参考答案,2019年6月
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