材料科学基础课后作业第三章 最新版本
材料科学基础课后作业第三章
3-3.有两个形状、尺寸均一样的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。
问凝固后哪个铸件的偏析严峻？什么缘故？找出排除偏析的方法。
答：合金在凝固进程中的偏析与溶质原子的再分派系数有关，再分派系数为k0=Cα/C L。
对一给定的合金系，溶质原子再分派系数与合金的成份和原子扩散能力有关。
依照Cu-Ni合金相图，在必然成份下凝固，合金溶质原子再分派系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。
当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成份不同越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，因此比偏析越严峻。
一样采纳在低于固相线100~200℃的温度下，长时刻保温的均匀化退火来排除偏析。
3-6.铋〔熔点为℃〕和锑〔熔点为℃〕在液态和固态时均能彼此无穷互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开场凝固出成份为w Sb=87%的固相。
w Bi=80%的合金在400℃时开场凝固出成份为w Sb=64%的固相。
依照上述条件，要求：1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称；2〕从相图上确信w Sb=40%合金的开场结晶终了温度，并求出它在400℃时的平稳相成份及其含量。
解：1〕相图如以下图；2〕从相图读出结晶开场温度和结晶终了温度别离为495℃〔左右〕，350℃〔左右〕固、液相成份w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64%固、液相含量：%5.54%10020-6440-64=⨯=L ω%5.45%100)1(=⨯-=L Sωω3-7.依照以下实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，那么由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。
材料科学基础第三章典型晶体结构.答案
类似于NaCl型晶体结构的晶体较多，只是晶胞 参数不同而已。
常见的NaCl型晶体都是碱土金属氧化物和过渡 金属的二价氧化物。化学式可写为MO，其中M2＋ 是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了 NaCl中钠离子和氯离子的位置。这些氧化物有很 高的熔点，尤其是MgO（矿物名称方镁石），其 熔点高达2800℃左右，是碱性耐火材料镁砖中的 主要晶相。
反萤石型结构 ：在萤石型结构中正、负离子位置全部互换，并没 有改变结构形式，只是正、负离子位置对调。如Na2O
结构-性能关系：CaF2熔点较低，用作助熔剂/作晶核剂。 质点间 键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4级），熔点1410C，在水中 溶解度小。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体
连接方式
0,100
50
0,100
75 50
25 0,100
25 0,100
50
75
50
0,100
与金刚石晶胞的对比 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、-ZnS（纤锌矿）型结构 （AB type）
六方晶系，简单六方格子
C
50
0,100
晶胞在（001）面的投影图
晶胞中由几套等同点？
在坐标为000和坐标为1/4 1/4 3/4 的 原 子 的 环 境 是 不 同 的 ， 它们不能独立抽象为一类等同 点，这是两类等同点。最后， 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。
这种结构可以看成是由2个面 心立方布拉维格子穿插而成： 这2个面心立方格子（图中的 灰色和红色点）沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
材料科学基础第三章作业题
本次作业为第三章的习题，请同学们使用A4稿纸作答，不需抄题目，注明本次作业的章数，题号、学生姓名、班级、学号，这次作业暂定为10月31号（星期五）交。
1． 铜的空位形成能191.710
J -⨯，计算1000℃时，1cm 3铜中包含的空位数，铜的密度为8.9g/cm 3，原子量63.5，波尔兹漫常数231.3810
/K J K -=⨯。
2． Cu 晶体中有一位错b =[101]2a ，其位错线方向为[010]，计算该位错应变能，已知点阵常数0.35Cu a nm =，切变模量 10410Cu G Pa =⨯
3． 如图某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b 的位错环，并受到一均匀且应力τ的作用，分析： ① 该位错环各段位错的结构类型；
② 各段位错线所受力的大小及方向；
③ 在τ的作用下，该位错环将要如何运动；
④ 在τ的作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最小半径为多大？
4. 判断下面的位错反应能否进行，说明理由
5.某fcc金属中可动滑移系为(111)[110]
①判断能够造成滑移的柏氏矢量；
②如果滑移是通过单位纯刃位错发生的，求出位错线方向；
③如果滑移是通过单位纯螺位错发生的，求出位错线方向；
④设作用在(111)的[110]方向的切应力为700kPa，如果这个力作用在（a）单位纯
刃位错上；（b）单位纯螺位错上；分别求单位位错线上所受的力的大小和方向。
武汉理工材料科学基础第三章部分习题
瓷釉结构中各离子所处的位置。 5、 在硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃中，随着R2O的引入(<25mol％), 玻璃熔体的粘度怎样变化？试用聚合物理论解释。 6、 解释B2O3含量10mol％，SiO2含量90mol％的熔体，在冷却过 程中各自形成两个互不相容的分层玻璃，而加入适量Na2O后， 能得到均匀的玻璃。 7、 论证形成玻璃必须具有混合键。 8、 说明为什么镁橄榄石熔体不易形成玻璃而长石熔体易形成玻 璃？
分析：要应用关系式，必须换算成mol%。
解：玻璃组成
Na2O
CaO
SiO2
wt%
mol mol%
13
0.21 12.6
13
0.23 13.8
74
1.23 73.6
O 12.6 13.8 73.6 2 R ＝ ＝ ＝ 2.36 Si 73.6
Z＝4
X＝2R－Z＝2×2.36－4＝0.72 Y＝Z－X＝4－0.72＝3.28
3-7 (b) 上述数据是在恒压下取得，在恒容下，预计活化能 会有所不同。因为恒容时熔体所受压力应增加，这将使其粘
度增大，从而改变了活化能值。
3－9 在SiO2中应加入多少Na2O,使玻璃的O/Si＝2.5，此时析晶能力是增强还是 削弱？
解；假定引入的Na2O的mol含量为 x ， 则SiO2的mol含量为 1－x
网络状，且聚合程度高，故可形成玻璃。但当O/Si＝3时， 由于碱金属氧化物明显增加，使熔体中分子较小的低聚合 物增加，熔体粘度变小，故可易结晶而不易形成玻璃。
3、 在硅酸盐熔体析晶的成核速率、生长速率随T变化的关系图 中，标出哪一条曲线代表成核速率，哪一条曲线代表生长速率？ 为什么？
速 率
u IV
第三章 熔体和玻璃体
中南大学 材料科学基础 课后习题
第一章原子排列与晶体结构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r 与点阵常数a 的关系是；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r 与点阵常数a 的关系是；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r 与点阵常数a 的关系是。
2. Al 的点阵常数为,其结构原子体积是,每个晶胞中八面体间隙数为,四面体间隙数为。
3. 纯铁冷却时在912ε发生同素异晶转变是从结构转变为结构,配位数,致密度降低,晶体体积,原子半径发生。
4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向,指出﹤110﹥中位于〔111〕平面上的方向。
在hcp 晶胞的〔0001〕面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。
5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。
6 在铅的〔100〕平面上,1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构,其原子半径R=0.175×10-6mm 。
第二章 合金相结构一、填空 1〕随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度,塑性,导电性,形成间隙固溶体时,固溶体的点阵常数。
2〕影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是〔1〕；〔2〕；〔3〕；〔4〕和环境因素。
3〕置换式固溶体的不均匀性主要表现为和。
4〕按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为和。
5〕无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度,塑性,导电性。
6〕间隙固溶体是,间隙化合物是。
二、 问答1、分析氢,氮,碳,硼在α-Fe 和γ-Fe 中形成固溶体的类型,进入点阵中的位置和固溶度大小。
已知元素的原子半径如下：氢：,氮：,碳：,硼：,α-Fe ：,γ-Fe ：。
2、简述形成有序固溶体的必要条件。
第三章纯金属的凝固1. 填空1. 在液态纯金属中进行均质形核时,需要起伏和起伏。
《材料科学基础》课后习题（西工大版）
《材料科学基础》课后习题（西⼯⼤版）第⼀章1. 作图表⽰⽴⽅晶体的()()()421,210,123晶⾯及[][][]346,112,021晶向。
2. 在六⽅晶体中，绘出以下常见晶向[][][][][]0121,0211,0110,0112,0001等。
3. 写出⽴⽅晶体中晶⾯族{100}，{110}，{111}，{112}等所包括的等价晶⾯。
4. 镁的原⼦堆积密度和所有hcp ⾦属⼀样，为0.74。
试求镁单位晶胞的体积。
已知Mg 的密度3Mg/m 74.1=mg ρ，相对原⼦质量为24.31，原⼦半径r=0.161nm 。
5. 当CN=6时+Na 离⼦半径为0.097nm ，试问：1) 当CN=4时，其半径为多少？2) 当CN=8时，其半径为多少？6. 试问：在铜（fcc,a=0.361nm ）的<100>⽅向及铁(bcc,a=0.286nm)的<100>⽅向,原⼦的线密度为多少？7. 镍为⾯⼼⽴⽅结构，其原⼦半径为nm 1246.0=Ni r 。
试确定在镍的（100），（110）及（111）平⾯上12mm 中各有多少个原⼦。
8. ⽯英()2SiO 的密度为2.653Mg/m 。
试问：1) 13m 中有多少个硅原⼦（与氧原⼦）？2) 当硅与氧的半径分别为0.038nm 与0.114nm 时，其堆积密度为多少（假设原⼦是球形的）？9. 在800℃时1010个原⼦中有⼀个原⼦具有⾜够能量可在固体内移动，⽽在900℃时910个原⼦中则只有⼀个原⼦，试求其激活能（J/原⼦）。
10. 若将⼀块铁加热⾄850℃，然后快速冷却到20℃。
试计算处理前后空位数应增加多少倍（设铁中形成⼀摩尔空位所需要的能量为104600J ）。
11. 设图1-18所⽰的⽴⽅晶体的滑移⾯ABCD 平⾏于晶体的上、下底⾯。
若该滑移⾯上有⼀正⽅形位错环，如果位错环的各段分别与滑移⾯各边平⾏，其柏⽒⽮量b ∥AB 。
材料科学基础课后习题
材料科学基础课后习题课后习题第⼀章原⼦结构与结合键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？2.在多电⼦的原⼦中，核外电⼦的排布应遵循哪些个原则？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？4.何谓同位素？为什么原⼦量不总为整数？5.铬的原⼦序数为24，共有四种同位数：4.31%的Cr原⼦含有26个中⼦，83.76%含有28个中⼦，9.55%含有29个中⼦，且2.38%含有30个中⼦。
试求铬的原⼦量？6.铜的原⼦序数为29，原⼦量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分⽐。
7.铟的原⼦序数为49，除了4f亚层之外其它内部电⼦亚层均已填满。
试从原⼦结构⾓度来确定铟的价电⼦数。
8.铂的原⼦序数为78，它在5d亚层中只有9个电⼦，并且在5f层中没有电⼦，请问在Pt的6s亚层中有⼏个电⼦？9.已知某元素原⼦序数为32，根据原⼦的电⼦结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其⾦属性强弱。
10.原⼦间的结合键共有⼏种？各⾃特点如何？11.已知Si的原⼦量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电⼦能⾃由运动，试计算：(a)能⾃由运动的电⼦占价电⼦总数的⽐例为多少？(b)必须破坏的共价键之⽐例为多少？12.S的化学⾏为有时象6价的元素，⽽有时却象4价元素。
试解释S这种⾏为的原因。
13.⾼分⼦链结构分为近程结构和远程结构。
他们各⾃包括内容是什么？14.按分⼦材料受热的表现分类可分为热塑性和热固性两⼤类，试从⾼分⼦链结构⾓度加以解释之。
15.分别绘出甲烷(CH4)和⼄烯(C2H4)之原⼦排列与键合。
16.下图1-1绘出三类材料——⾦属、离⼦晶体和⾼分⼦材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。
参考答案1.主量⼦数n、轨道⾓动量量⼦数li、磁量⼦数mi和⾃旋⾓动量量⼦数Si。
材料科学基础第三章
• ΔGB=Lm(1-T/Tm)=LmΔT/Tm
(3-6)
• ΔGB与ΔT呈线性关系。ΔT=0时， ΔGB=0
• 两相之间的自由能差值是两相间发生相变 的驱动力。没有这个驱动力就没有相变发 生。所以凝固一定在低于熔点时进行。过 冷度越大，相变驱动力越大，凝固速度越 快。
• 3.2.2 金属结晶的结构条件 • 液态金属的结构模型： • 1) 微晶无序模型：近程有序，类似微晶；
• 受材料热导率的限制，用增大过冷度的办 法来细化晶粒度工艺只对小型和薄型铸件 有效。
• (2) 固体杂质结构的影响：在相同过冷度下， 非均匀形核的临界曲率半径与均匀形核的 临界晶核半径相同(式3-10，3-21)。
• 但非均匀形核所需晶胚体积和表面积随润 湿角θ的减小而减小。θ角越小，晶胚成核 越小，相同界面上的形核数越多。因此θ是 影响非均匀形核的一个重要因素。
(3-6)
• 所以：rk=2σ Tm /Lm/ΔΤ
(3-11)
• 此式表明：临界晶核半径与过冷度ΔΤ成反
比。过冷度越大，临界晶核半径越小。
• 在铸造生产中，一般通过快速冷却的办法 提高过冷度，以减小临界晶核半径，提高 单位体积内的成核率，达到细化晶核的目 的。
• 3.3.1.3 形核功：当rk<r<r0时，晶胚长大会 使系统自由能降低，但体积自由能的降低 还不能完全补偿表面自由能的增加(ΔG>0， 系统自由能仍在增加，只是增速减缓)，此 时需要外界提供一部分能量来保证晶核稳 定生长，这一部分由外界提供的能量称为 形核功。
• 晶核界面积为：
• A1=2πr2(1-cosθ) (球冠上界面) (3-18) • A2=2πr2(1-cos2θ) (球冠下界面) (3-19) • 由以上关系得：
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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：
合金在凝固过程中的偏析与溶质原子的再分配系数有关，再分配系数为k0=Cα/C L。
对一给定的合金系，溶质原子再分配系数与合金的成分和原子扩散能力有关。
根据Cu-Ni合金相图，在一定成分下凝固，合金溶质原子再分配系数与相图固、液相线之间的水平距成正比。
当w Ni=50% 时，液相线与固相线之间的水平距离更大，固相与液相成分差异越大；同时其凝固结晶温度比w Ni=90%的结晶温度低，原子扩散能力降低，所以比偏析越严重。
一般采用在低于固相线100~200℃的温度下，长时间保温的均匀化退火来消除偏析。
3-6.铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液态和固态时均能彼此无限互溶，w Bi=50%的合金在520℃时开始凝固出成分为w Sb=87%的固相。
w Bi=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为w Sb=64%的固相。
根据上述条件，要求：
1)绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称；
2）从相图上确定w Sb=40%合金的开始结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成分及其含量。
解：1
）相图如图所示；
2）从相图读出结晶开始温度和结晶终了温度分别为495℃（左右），350℃（左右）
固、液相成分w Sb(L) =20%, w Sb(S)=64%
固、液相含量：
%5.54%10020-6440-64=⨯=L ω
%5.45%100)1(=⨯-=L S
ωω
3-7.根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：組元A 的熔点为1000℃，組元B 的熔点为700℃；w B =25%的合金在500℃结晶完毕，并由73-1/3%的先共晶α相与26-2/3%的(α+β)共晶体所组成；w B =50%的合金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60%的(α+β)共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。
解：由题意由（α+β）共晶含量得
01.03226--25.0⨯=+）（）（）（αβααωωωB B B
6.0--5.0=+）（）（）（αβααωωωB B B
5.0-5.0-=）（）（）（αββωω
ω
B B B 解得：%505.0==）（αωB %808.0==+）（βαωB
%9595.0==）（βωB
由此可以做出相图如下
3-8组元A 的熔点为1000℃，组元B 的熔点为700℃，在800℃时存在包晶反应：α（ωB =5%）+ L(ωB =50%) ；在600℃时存在共晶反应：L （ωB==80%） β（ωB =60%）+γ（ωB =95）；在400℃时发生共析反应：β（ωB =50%） α（ωB =2%）+γ（ωB =97%）。
根据这些数据画出相图。
解：根据题意作相图如下。