材料科学基础习题课
材料科学基础习题
查看文本习题一、名词解释金属键; 结构起伏; 固溶体; 枝晶偏析; 奥氏体; 加工硬化; 离异共晶; 成分过冷; 热加工; 反应扩散二、画图1在简单立方晶胞中绘出（）、（210）晶面及[、[210]晶向。
2结合Fe-Fe3C相图，分别画出纯铁经930℃和800℃渗碳后，试棒的成分－距离曲线示意图。
3如下图所示，将一锲形铜片置于间距恒定的两轧辊间轧制。
试画出轧制后铜片经再结晶后晶粒大小沿片长方向变化的示意图。
4画出简单立方晶体中（100）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错与（001）面上柏氏矢量为［010］的刃型位错交割前后的示意图。
5画图说明成分过冷的形成。
三、Fe-Fe3C相图分析1用组织组成物填写相图。
2指出在ECF和PSK水平线上发生何种反应并写出反应式。
3计算相图中二次渗碳体和三次渗碳体可能的最大含量。
四、简答题1已知某铁碳合金，其组成相为铁素体和渗碳体，铁素体占82%，试求该合金的含碳量和组织组成物的相对量。
2什么是单滑移、多滑移、交滑移？三者的滑移线各有什么特征，如何解释？。
3设原子为刚球，在原子直径不变的情况下，试计算g-Fe转变为a-Fe时的体积膨胀率;如果测得910℃时g-Fe和a-Fe的点阵常数分别为0.3633nm和0.2892nm,试计算g-Fe转变为a-Fe的真实膨胀率。
4间隙固溶体与间隙化合物有何异同？5可否说扩散定律实际上只有一个？为什么？五、论述题τC结合右图所示的τC（晶体强度）—ρ位错密度关系曲线，分析强化金属材料的方法及其机制。
晶须冷塑变六、拓展题1 画出一个刃型位错环及其与柏士矢量的关系。
2用金相方法如何鉴别滑移和孪生变形？3 固态相变为何易于在晶体缺陷处形核？4 画出面心立方晶体中(225)晶面上的原子排列图。
综合题一：材料的结构1 谈谈你对材料学科和材料科学的认识。
2 金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？3 说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。
材料科学基础习题及答案
习题课一、判断正误正确的在括号内画“√”，错误的画“×”1、金属中典型的空间点阵有体心立方、面心立方和密排六方三种。
2、位错滑移时，作用在位错线上的力F的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。
3、只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，间隙固溶体则不能。
4、金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减小，因此是一个自发过程。
5、固溶体凝固形核的必要条件同样是ΔG＜0、结构起伏和能量起伏。
6三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。
7物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。
8塑性变形时，滑移面总是晶体的密排面，滑移方向也总是密排方向。
9．晶格常数是晶胞中两相邻原子的中心距。
10．具有软取向的滑移系比较容易滑移，是因为外力在在该滑移系具有较大的分切应力值。
11．面心立方金属的滑移面是｛１１０｝滑移方向是〈１１１〉。
12．固溶强化的主要原因之一是溶质原子被吸附在位错附近，降低了位错的易动性。
13．经热加工后的金属性能比铸态的好。
14．过共析钢的室温组织是铁素体和二次渗碳体。
15．固溶体合金结晶的过程中，结晶出的固相成份和液相成份不同，故必然产生晶内偏析。
16．塑性变形后的金属经回复退火可使其性能恢复到变形前的水平。
17．非匀质形核时液体内部已有的固态质点即是非均匀形核的晶核。
18.目前工业生产中一切强化金属材料的方法都是旨在增大位错运动的阻力。
19、铁素体是α-Fe中的间隙固溶体，强度、硬度不高，塑性、韧性很好。
20、体心立方晶格和面心立方晶格的金属都有12个滑移系，在相同条件下,它们的塑性也相同。
21、珠光体是铁与碳的化合物，所以强度、硬度比铁素体高而塑性比铁素体差。
22、金属结晶时，晶粒大小与过冷度有很大的关系。
过冷度大，晶粒越细。
23、固溶体合金平衡结晶时，结晶出的固相成分总是和剩余液相不同，但结晶后固溶体成分是均匀的。
24、面心立方的致密度为0.74，体心立方的致密度为0.68，因此碳在γ-Fe(面心立方)中的溶解度比在α-Fe（体心立方）的小。
材料科学基础课后习题 第1-第4章
《材料科学基础》课后习题答案第一章材料结构的基本知识4. 简述一次键和二次键区别答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。
其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。
二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。
6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？答：材料的密度与结合键类型有关。
一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（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，因此金属原子总是趋于密集排列。
相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。
共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。
9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。
答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。
即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。
两相组织是指具有两相的组织。
单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。
单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。
等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。
对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。
如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。
如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。
武汉理工大学材料科学基础课后习题
(4) Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少?
23、石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11](OH)2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2却具有片状结晶习性，试解释之。
24、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。
ro2-=0.132nm ?? rSi4+=0.039nm ?? rK+=0.133nm ?? rAl3+=0.057nm ?? rMg2+=0.078nm
12、为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
6、非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。
7、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-XO及Zn1+XO的密度将发生怎么样的变化?增大还是减小?为什么?
8、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、柏氏矢量和位错运动方向的特点。
10．什么是硼反常现象? 为什么会产生这些现象?
11．已知石英玻璃的密度为2.3g/cm3，假定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同，试计算该玻璃的原于堆积系数是多少?
12．根据教材的T—T—T曲线，计算A、B、C三种物质的临界冷却速度，哪一种物质易形成玻璃?哪一种难形成玻璃?
(完整版)材料科学基础习题及答案
第一章材料的结构一、解释以下基本概念空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、共价键、离子键、金属键、组元、合金、相、固溶体、中间相、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、第二相强化.二、填空题1、材料的键合方式有四类，分别是（），( )，（）,（）.2、金属原子的特点是最外层电子数（），且与原子核引力（），因此这些电子极容易脱离原子核的束缚而变成( ）。
3、我们把原子在物质内部呈( ）排列的固体物质称为晶体，晶体物质具有以下三个特点，分别是（）,（ )，（ ).4、三种常见的金属晶格分别为（）,( ）和（）.5、体心立方晶格中，晶胞原子数为（ ),原子半径与晶格常数的关系为( )，配位数是（）,致密度是( ）,密排晶向为（）,密排晶面为（ )，晶胞中八面体间隙个数为（），四面体间隙个数为（ )，具有体心立方晶格的常见金属有（）。
6、面心立方晶格中，晶胞原子数为（ ),原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是( )，致密度是（），密排晶向为( )，密排晶面为（）,晶胞中八面体间隙个数为( )，四面体间隙个数为（），具有面心立方晶格的常见金属有（）。
7、密排六方晶格中,晶胞原子数为（），原子半径与晶格常数的关系为（），配位数是（），致密度是（），密排晶向为（ ),密排晶面为（），具有密排六方晶格的常见金属有( ）。
8、合金的相结构分为两大类，分别是（）和( ）。
9、固溶体按照溶质原子在晶格中所占的位置分为（）和（）,按照固溶度分为（）和（），按照溶质原子与溶剂原子相对分布分为（）和（）。
10、影响固溶体结构形式和溶解度的因素主要有（）、（）、（）、（）。
11、金属化合物（中间相）分为以下四类，分别是( ），( ），( ），( )。
12、金属化合物(中间相）的性能特点是：熔点（）、硬度（ )、脆性（）,因此在合金中不作为（）相，而是少量存在起到第二相（）作用。
13、CuZn、Cu5Zn8、Cu3Sn的电子浓度分别为（），( )，( ）.14、如果用M表示金属，用X表示非金属，间隙相的分子式可以写成如下四种形式，分别是（ )，（），（ )，( ）.15、Fe3C的铁、碳原子比为（)，碳的重量百分数为（），它是( ）的主要强化相。
(完整版)材料科学基础经典习题及答案(20210128050106)
第一章1. 作图表示立方晶体的123,012,421晶面及102,211,346晶向。
2. 在六方晶体中，绘出以下常见晶向0001，2110，1010，1120，1210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hep金属一样，为0.74。
试求镁单位晶3胞的体积。
已知Mg的密度m g 1.74Mg/m，相对原子质量为24.31，原子半径r=0.161 nm。
5. 当CN=6寸Na离子半径为0.097nm,试问：1）当CN=40寸，其半径为多少？2）当CN=8时，其半径为多少？6. 试问：在铜（fcc,a=0.361 nm）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r Ni°・1246nm。
试确定在镍的（100），（110）及（111）平面上1 mm2中各有多少个原子。
8. 石英Si°2的密度为2.65 Mg/m。
试问：1） 1 m3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）？109. 在800C时10个原子中有一个原子具有足够能量可在固体内移动，而在900C时109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850C，然后快速冷却到20C。
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ABCDF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// AB1）有人认为“此位错环运动移出晶体后，滑移面上产生的滑移台阶应为4个b,试问这种看法是否正确？为什么？2）指出位错环上各段位错线的类型，并画出位错运动出晶体后，滑移方向及滑移量。
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。
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。
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典型作业题
（5）温度下降到与GS线相交时，奥氏体开始向铁素体 转变（Aα），奥氏体的成分沿着GS线变化，铁素体 的成分沿GP同素异构转变终了线变化；
（6）直到温度达到727℃，奥氏体中C含量降到 0.77wt%；此时，奥氏体在这一温度下发生恒温转变， 即共析转变，形成铁素体和渗碳体片层相间的珠光体 组织（A0.77P(F+Fe3C)）；
相图部分典型作业题
9．分析 wC 0.2%的铁-碳合金从液态平衡 冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和 组织示意图，说明各阶段的组织，并分 别计算室温下的相组成物及组织组成物 的相对量。
典型作业题
知识基础 Fe-Fe3C相图
复杂相图 3 个恒温转变
相图分析 相区 线 点
典型作业题
凝 固 结 晶 后 组 织
温度下降，L成分沿液相线变化，δ成分沿固相线变化； （2）温度下降到1495℃，L成分达到0.52%， δ成分达到
0.09%，此时，发生恒温包晶转变（δ0.09+L0.52γ0.17）， 形成成分为0.17%的γ，这个过程一直持续到δ完全消耗，进入 L和γ两相区； （3）继续降温，发生剩余L向γ的匀晶转变，直到L完全消耗， 单相γ从0.17沿固相线变化达到合金原始成分0.2%，进入单相 γ； （4）温度继续下降在遇到GS同素异构转变开始线前，一直处 于单相区，没有任何变化；
w
（1 23.8%）
6.69-0.0218 6.69-0.0008
76.0%
wFe3CIII 1 23.8% 76.0%=0.2%
三元相图作业点评
补充作业 1、在成分三角形ABC中，标出合金（a）75wt%A、
15wt%B、10wt%C与合金（b）50wt%A、 30wt%B、20wt%C的位置；用50Kg的a合金与 20Kg的b合金熔配成一个新合金c，用作图法求出 新合金的成分点，并用代数法验算。
(7)在727℃以下继续冷却，先析出的铁素体和珠光体 中的铁素体中析出Fe3CIII，直到室温。
因此，室温下该成分合金的相组成为F+Fe3C，组织为P+ F+Fe3CIII。
典型作业题
根据杠杆定律室温下， 组织组成物百分含量 为：
0.20-0.0218 wP 0.77 0.0218 23.8%
匀晶转变（LS两相区 液相线 固相线） 选分结晶 平衡2相杠杆定律 固溶体不平衡结晶 晶内偏析
相图部分知识要点
共晶相图及结晶分析（重点） 共晶转变 恒温下Lα+β
共晶相图中典型合金 (固溶体合金的固溶析出 共晶
合金的两相协调推进 亚共晶合金与过共晶合金的先结
晶析出)结晶过程
相图与组织--组织组成物
2、为什么三元相图中四相平衡共晶面是一个水平 面？该水平面上部与下部有哪些相平衡空间？
典型例题
等温截面 W-Ni-Cr三元系800℃等
温截面如图所示。 （1）指出A点合金在该
温度下的平衡相，并 计算各平衡相的百分 含量（写出表达式即 可）。
W
1
=
Ab ab
；
W(
Ni )
=
aA ab
；
典型例题
习题课纲要
作业点评与典型题举例 课程要点回顾 重要概念
二元相图部分作业点评
1．按不同特点分类，固溶体可分为哪几种类型？影响 置换固溶体固溶度的因素有哪些？
2．影响固溶体的无序、有序和偏聚的主要因素是什么?
3．（1）间隙化合物与间隙固溶体有何根本区别?
（2）下列中间相各属什么类型？指出其结构特点及 主要控制因素：
2类合金固溶体 陶瓷材料中固溶方式 固溶体偏聚与有序
化合物（中间相）（掌握）
化合物特点 正常价化合物 电子价化合物 尺寸因素化合物
相图部分知识要点
二元系相图及类型 相图基本知识--组元 相图 相律
一元系相匀晶相图及固溶体结晶（重点）
起因
作业现状
认真、正确 答题不完整、有错误 空白
反映问题
对专业课的认识—学习态度 知识掌握情况---专业课程学习方法 更高境界—学习能力—猎枪与面包
习题课解决的问题
知识掌握情况---专业课程学习方法 课程学习目标 专业课特点
有系统 不尽完整 从重要概念出发，系统专门知识 掌握体系 应用
MnS、Fe3C、Mg2Si、SiC、Cu31Zn8、Fe4N、
WC、Cr23C6
4．陶瓷材料中的固溶方式与金属相比有何不同？ 影响陶瓷材料中离子代换或固溶度的因素有哪些？
相图部分作业点评
5．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， WBi=50wt%的合金 在520℃时开始结晶出成分为WSb=87wt%的固相。 WBi=80%的合金在400℃时开始结晶出成分为 WSb=64wt%的固相。根据上述条件， （1）绘出Bi-Sb相图，并标出各线和各相区的名称。 （2）从相图上确定含锑量为WSb=40wt%合金的开始 结晶和结晶终了温度，并求出它在400℃时的平衡相成 分及相对量。
6．根据下列实验数据绘出概略的二元共晶相图：组元 A的熔点为1000℃，组元B的熔点为700℃； WB=25wt%的合金在500℃结晶完毕，并由73.33%的
先共晶α相和26.67%的共晶体组成； WB=50wt%的合 金在500℃结晶完毕后，则由40%的先共晶α相与60% 的 的共晶体组成，而此合金中的α相总量为50%。
典型作业题
典型作业题
确定材料成分点位置 从高温到室温经历相区转变点，是否经
历恒温转变。 从高温液相开始叙述，一直到室温相变
过程。 室温下的相和组织及其相对量杠杆定律
计算。
典型作业题
以含碳0.2%钢的结晶过程为例，自液态缓慢冷却，根据相图， （1）首先遇到液相线，开始析出高温铁素体（Lδ），随着
（2）指出B点合金 在该温度下的平衡 相，并计算各平衡 相的百分含量（写 出表达式即可）。
Ni4W+α1+α2
重心法则：
W 1
=
Bf ef
；
W
2
=
Be ef
df cd
；
WNi 4W
=
Be ef
cf cd
；
典型例题
全投影 见课件上内容，有问题可答疑。
相图部分知识要点
相与相结构
固溶体（重点）