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 ?，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 ?，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 ?，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

指链中的原子种类和排列、取代基和端基的种类，单体单元的排列顺序，支链

的类型和长度等。构型是指某一原子的取代基在空间的排列。因此，近程结构

实质为化学结构，又称一级结构。远程结构包括分子链的大小与形态、链的柔

顺性及其高分子链在各个环境中采取的构象，又称二级结构。

聚集态结构是指高聚物整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构及织态结构。也就是高分子链间是如何堆砌的，又称为三级结构。

高分子聚集态结构与低分子物质聚集态结构的差别主要有：1）晶态高分子始终包含一定量的非晶相；2）高分子的结晶除与化学结构有关外，还强烈地依

赖于外界条件，如温度、压力等；3）一个高分子链可以贯穿若干个晶胞，甚至

可从结晶区到非晶区再穿过晶区。

习题：

1. 单体就是合成聚合物的原料，即重复出现的结构单元

聚合物是指一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量和大的化合物，又称高聚物。称重复出现的结构相同的单元叫链节。

4. 影响柔顺性的高分子结构因素主要有以下两个方面：

1）主链结构：主链全由单键组成时，分子链的柔顺性最好。主链中含有芳杂环时，由于它不能旋转，所以柔顺性很低，而刚性较好，耐高温。主链中含有孤立双键时，柔顺性增大

2）侧基性质：极性的侧基使分子间的作用力增大，内旋受阻，柔顺性降低，侧基体积越大，内旋受阻程度越大，侧链的柔顺性越低。侧基分布的对称性对柔顺性的影响显著。侧基对称分布能使主链间距增大，有利于内旋，所以柔顺性增大。

9. 线性聚合物的结构是整个分子链呈细长线条状，属线性结构，因而具有较好的弹性和塑性，易于加工成型和反复使用等特征。

网状聚合物即热固性塑料，是由于在成型时线型分子链间产生严重交联而形成了三维网状结构，由于整个聚合物实质上就是一个由化学键固结起来的不规则网状大分子，所以非常稳定，从而具有较好的耐热性、刚性和化学稳定性，具有较高的硬度和弹性模量，但强度低，脆性大，材料不能进行塑性加工和反复使用。

弹性体一般具有很大的相对分子质量，分子链段很大，具有很大的柔性，在使用条件下不结晶或结晶度很小；受力时分子链间要能相对滑移，变形小时可以他弹性恢复。由于其在线型分子链间形成了少量交联，因而具有高的弹性。

11 高弹性是指在材料经受很大的变形量时也能弹性恢复。

一般来说，对线型聚合物进行少量的交联，可使之充分表现出高弹性，若交联度过深，则其弹性降低，脆性增大。

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1）线型聚乙烯是链状结构，属热塑性塑料，其结构简单，规整度高，对称性好，所以结晶度高。而支化聚乙烯属支链结构，破坏分子的规整排列，链接构的对称性被打乱，所以其结晶能力下降。

2）全同立构聚丙烯的结晶度高是因为等规聚合物结晶能力强，侧基在空间排列是规整的，而无规聚丙烯的侧基排列混乱。