武汉理工大学材料科学基础全下
武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案-第7套
第七套试卷武汉理工大学考试试题（材料科学基础）共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画，直接做在试题纸上）一、判断下列叙述是否正确？若不正确，请改正（30分）1．结晶学晶胞是反映晶体结构周期性的最小重复单元。
2．热缺陷是溢度高于绝对零度时，由于晶体组成上的不纯净性所产生的种缺陷。
3．晶面指数通常用晶面在晶轴上截距的质整数比来表示。
4．固溶体是在固态条件下，种物质以原子尺寸溶解在另种物质中所形成的单相均匀的固体5．扩散的推动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
6．初次再结晶的推动力是晶界过剩的自由焓。
7．在热力学平衡条件下，二元凝聚系统最多可以3相平衡共存，它们是一个相、一个液相和一个气相。
8．临界冷却速率是形成玻璃所需要的最小冷却速率，临界冷却速率越大越容易形成非9．马氏体相变是种无扩散性相变，相变时成分发生变化但结构不变10．在临界温度、临界压力时，化学势及其阶偏导数连续，“阶偏导数不连续的相变为级相变，发生：一级相变时，体系的体积和热焓发生突变。
11．驰豫表面是指在平行于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面。
12．固态反应包括界面化学反应和反应物通过产物层的扩散等过程，若化学反应速率远大于扩散速率，则动力学上处于化学动力学范围。
二、ZnS的种结构为闪锌矿型结构，已知锌离子和硫离子半径分别为2+Zn 0.068nmr=2 S 0.156nmr−=，原子质量分别为65.38和32.06。
1．画出其品胞结构投影图2．计算ZnS的晶格常数3．试计算ZnS的晶体的理论密度。
（15分）武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案第七套试卷参考答案及评分标准一、2.5×12=301．不正确。
结晶学晶胞是反映晶体结构周期性和对称性的最小重复单元。
2．不正确。
热缺陷是温度高于绝对岺度时，由于晶体晶格热振动（或热起伏或温度波动）所产生的种缺陷3．不正确。
材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 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。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
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。
材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案__第五章[1]
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（3）玻璃的强度和界面扩散
在考虑到玻璃和金属膨胀系数匹配的基础上，提高破璃的机械强度、尤其是抗拉强度，这对于封接件受到热冲击或者因温度梯度引起的热应力乃至受到使用中的外力时都是有利的。一般玻璃的抗压强度可以很高，达到600～1500MPa，而抗拉强度极低仅是抗压强度的1O%左右。实际上只是抗拉强度会出现问题。如有可能，采用结晶化破璃封接，这是提高玻璃抗拉强度的有效途径，它通常可以达到原始玻璃抗拉
5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。
解：根据公式 ，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N
烧结：是赋予材料性能的一种高温处理工艺，原子向接触点的扩散使颗粒间行形成粘结，进一步扩散最终填满各种剩下的孔隙并使材料的致密度提高。是粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。低温预烧阶段:在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。中温升温烧结阶段:此阶段开始出现再结晶，在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时表面的氧化物被还原，颗粒界面形成烧结颈。高温保温完成烧结阶段:此阶段中的扩散和流动充分的进行和接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增加。
第五章答案
5-1略。
第四章材料科学基础武汉理工大学陆佩文
第四章材料科学基础武汉理工大学陆佩文第四章表面与界面内容提要：本章讨论1、固体表面张力场与表面能。
离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。
2、多相体系中的界面化学：如弯曲表面效应、润湿与粘附，表面的改性。
3、多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。
4、粘土胶粒带电与水化等一系列由表面效应而引起的胶体化学性质如泥浆的流动性、稳定性、泥团的触变性和可塑性等。
重点：润湿与粘附，粘土与水系统的胶体化学难点：晶体表面结构与多晶体组织§4-1固体的表面一、固体表面特征1、固体表面的不均一性（1）由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一性。
（2）由于外来物质污染、吸附外来原子占据表面位置引起固体表面的不均一性。
2、固体表面力场固体表面力：固体表面质点排列的周期性重复中断，使处于表面边界上质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，即固体表面力。
（1）范德华力：分子引力，定向作用力（静电力：发生在极性分子之间诱导作用力发生在极性分子与非极性分子之间分散作用力（色散力），发生在非极性分子之间（2）长程力按作用原理不同，长程力两类：一类依靠粒子间的电场传播，如色散力，可简单加和。
另一类通过一个分子到另一个分子逐个传播而达长距离的，如诱导力。
二、晶体表面结构1、离子晶体的表面2、晶体表面的几何结构3、固体的表面能固体的表面能是用晶体中一个原子（离子）移到晶体表面时，自由焓的变化来计算的。
（即每增加单位表面积时，体系自由能的增量）§4-2界面行为一、弯曲表面效应1、弯曲表面的附加压力（1）定义：弯曲表面两边的压力差成为弯曲表面的附加压力。
符号：?P（2）产生原因：由于表面张力的作用。
（3）?P 与曲率半径R 的关系r P γ2=? （球形曲面）)11(21r r P +=?γ （非球形曲面）式中γ——表面张力；21r r 、——曲面主曲率半径。
由上式可见，附加压力P ?与曲率半径成反比。
武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案-第二套试题
武汉理工大学《材料科学基础》考试试卷第二套试卷一、填空题（共20分，每个空1分）1、材料按其化学作用或基本组成可分为（）、（）、高分子材料、复合材料四大类。
2、晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体（）和（）的重复单元。
3、热缺陷形成的一般规律是：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成（）缺陷；当晶体中剩余空隙较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生（）缺陷。
4、根据外来组元在基质晶体中所处的位置不同，可分为（）固溶体和间隙型固溶体：按照外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为（）固溶体和有限固溶体。
5、硅酸盐熔体中，随着Na2O含量的增加，熔体中聚合物的聚合度（），熔体的粘度（）。
6、当熔体冷却速度很快时，（）增加很快，质点来不及进行有规则排列，晶核形成和晶体长大难以实现，从而形成了（）。
7、粉体在制备过程中，由于反复地破碎，所以不断形成新的表面，而表面例子的极化变形和重排，使表面晶格（），有序性（）。
8、非稳态扩散的特征是空间仟意一点的（）随时间变化，（）随位置变化。
9、动力学上描述成核生长相变，通常以（）、（）、总结晶速率等来描述。
10、温度是影响固相反应的重要外部条件。
一般随温度升高，质点热运动动能（），反应能力和扩散能力（）。
二、判断题（共10分，每个题1分）1、（）位错的滑移模型解释了晶体的实际切变应力与晶体的理论切变强度相差悬殊的内在原因。
2、（）空位扩散机制适用于置换型固溶体的扩散，3、（）一般来说在均匀晶体中引入杂质，都将使扩算系数增加4、（）-般来说，扩散粒子性质与扩散成指性质间差异越大，扩散系数也越大。
5、（）成核生长相变中晶体的生长速*与界面结构和原子迁移密切相关，当析出晶体和熔体组成相同时，晶体长大由扩散控制。
6、（）对于许多物理或化学步骤综合而成的在相反应中，反应速度由反应速度最快的步骤控制。
7、（）在烧结过程中，发生的初次再结晶使大鼎粒长大而小晶粒消失，气孔进入晶粒内部不易排出，烧结速度降低甚至停止。
武汉理工大学《材料科学基础》课件
按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、 耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、 包装材料等。
0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类：
1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和 玻璃纤维等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新 型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的 一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐 玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸 盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化 物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维 等。
体
（b） 有序置换固溶体
（c）
（d）
随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚
图0.1 不同类型固溶体中原子排列示意图
合金中的金属间化合物：
金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子 价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子 化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸 因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属 间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个 或多个因素决定，称之为复杂化合物。
功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶 瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、 超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能 陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射 陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功 能陶瓷等。
材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案 第九章
第九章答案9-2什么叫相变？按照相变机理来划分，可分为哪些相变?解：相变是物质系统不同相之间的相互转变。
按相变机理来分，可以分为扩散型相变和非扩散型相变和半扩散型相变。
依靠原子或离子长距离扩散进行的相变叫扩散型相变。
非扩散型型相变指原子或离子发生移动，但相对位移不超过原子间距。
9-3分析发生固态相变时组分及过冷度变化相变驱动力的影响。
解：相变驱动力是在相变温度下新旧相的体自由能之差（），而且是新相形成的必要条件。
当两个组元混合形成固溶体时，混合后的体系的自由能会发生变化。
可以通过自由能-成分曲线来确定其相变驱动力的大小。
过冷度是相变临界温度与实际转变温度之差，相变形核的热力学条件是要有过冷度。
已知驱动力与过冷度之间的关系是：,这进一步说明了形核的热力学条件。
9-4马氏体相变具有什么特征？它和成核－生成相变有何差别?解：马氏体相变是替换原子经无扩散切变位移(均匀或不均匀)并由此产生形状改变和表面浮凸、曾不变平面应变特征的一级形核、长大的相变。
特征：具有剪切均匀整齐性、不发生原子扩散、相变速度快、相变有一定范围、有很大的切变型弹性应变能。
成核－生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。
9-5试分析应变能及表面能对固态相变热力学、动力学及新相形状的影响。
解：物质的表面具有表面张力σ,在恒温恒压下可逆地增大表面积dA,则需功σdA,因为所需的功等于物系自由能的增加,且这一增加是由于物系的表面积增大所致,故称为表面自由能或表面能。
应变能和表面能可以影响相变驱动力的大小，和新相的形状。
9-6请分析温度对相变热力学及动力学的影响。
解：当温度降低，过冷度增大，成核势垒下降，成核速率增大，直至达到最大值；当温度继续下降，液相粘度增加，原子或分子扩散速率下降。
温度过高或过低对成核和生长速率均不利，只有在一定的温度下才有最大成核和生长速率。
9-7调幅分解与脱溶分解有何异同点？调幅分解所得到的显微结构与性能有何特点？解：调幅分解通过扩散偏聚由一种固溶体分解成与母相结构相同而成分不同的两种固溶体。
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• 玻璃的结构参数： X=氧多面体的平均非桥氧数 Y=氧多面体的平均桥氧数 Z=保围一种网络形成正离子的氧离子数目，即网络形成
正离子的配位数。
R=玻璃中全部氧离子与全部网络形成离子数之比 四个参数的关系：
从“微晶”部分到无定形部分的过渡是逐 步完成的，两者之间无明显界线。
二、无规则网络学说
学说要点：
玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样 形成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络 与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、 非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要 大。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个 数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并 不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体） 应是相同的，不同之处在于排列的周期性。
学说要点：
玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即 无数“微晶”分散在无定形介质中；
“微晶”的化学性质和数量取决于玻璃的 化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化 合物和固溶体等微观多相体，与该玻璃物系的 相平衡有关；
“微晶”不同于一般微晶，而是晶格极度 变形的微小有序区域，在“微晶”中心质点排 列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；
一、微晶学说
• 实验依据 • 折射率-温度曲线 • 钠硅双组分玻璃的X射线散射强度曲
线 • 红外反射光谱
Δn×105
520℃-590 ℃
200 100
-100
100 200 300 400 500 T(℃)
-200
图3－18 硅酸盐玻璃折射率随温度变化曲线
Δn×107
-100 -200
T(℃)
100
时 • 3－在800保温10分
钟和670保温20小时
图3－20 27Na2O·73SiO2玻璃的X射线散射强度曲线
5－同上，析晶玻璃， 保温6小时
4－同上连续薄雾析晶， 保温3小时
3－同上，有间断薄雾析晶， 保温3小时
2－玻璃表层部分， 在620℃保温1小时 1－原始玻璃
图3－21 33.3Na2O·66.7SiO2玻璃的反射光谱
ΣKm4πr2ρ(r) Si-O O-O Si-Si O-O Si-Si
10 8 6 4 2
01234567 r(A)
图3－23 石英玻璃的径向分布函数
第一个极大值表示出Si一O距离0.162nm，这与结 晶硅酸盐中发现的SiO2平均（0.160nm）非常符合。按 第一个极大值曲线下的面积计算得配位数为4.3，接近 硅原子配位数4。因此，X射线分析的结果直接指出， 在石英玻璃中的每一个硅原子，平均约为四个氧原子 以大0.162nm的距离所围绕。从瓦伦数据得出，玻璃结 构有序部分距离在1.0～1.2nm附近即接近晶胞大小。
I 石英玻璃
sinθ 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 λ
方石英
sinθ 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 λ
硅胶
sinθ 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 λ
图3－22 石英等物X射线衍射图
由图3－22还可看到，硅胶有显著的小角 度散射而玻璃中没有。这是由于硅胶是由尺 寸为1.0～10.0nm不连续粒子组成。粒子间有 间距和空隙，强烈的散射是由于物质具有不 均匀性的缘故。但石英玻璃小角度没有散射， 这说明玻璃是一种密实体，其中没有不连续 的粒子或粒子之间没有很大空隙。这结果与 微晶学说的微不均匀性又有矛盾。
如石英玻璃和石英晶体的基本结构单元都 是硅氧四面体[SiO4]。各硅氧四面体[SiO4]都 通过顶点连接成为三维空间网络，但在石英晶 体中硅氧四面体[SiO4]有着严格的规则排列； 而在石英玻璃中，硅氧四面体[SiO4]的排列是 无序的，缺乏对称性和周期性的重复，图3－ 21所示。
图3-21 石英晶体合与石英玻璃结构比较
X+ Y= Z
X =2 R - Z
X+ 1/2Y= R
Y =2 Z - 2R
三、两大学说的比较与发展
• 微晶学说： 优点：强调了玻璃结构的不均匀性、不连续性及有序性 等方面特征，成功地解释了玻璃折射率在加热过程中的 突变现象。尤其是发现微不均匀性是玻璃结构的普遍现 象后，微晶学说得到更为有力的支持。 缺陷：第一，对玻璃中“微晶”的大小与数量尚有异议。 微晶大小根据许多学者估计波动在0.7～2.0nm。之间， 含量只占 10％～20％。0.7～2.0nm 只相当于 2～1个 多面体作规则排列，而且还有较大的变形，所以不能过 分夸大微晶在玻璃中的作用和对性质的影响。 第二，微晶的化学成分还没有得到合理的确定。
实验验证：
瓦伦的石英玻璃、方石英和硅酸盐的X射线 图示于图3－22。玻璃的衍射线与方石英的特征 谱线重合，因此可把石英玻璃联想为含有极小的 方石英晶体，同时将漫射归结于晶体的微小尺寸。
但这只能说明石英玻璃和方石英中原子间的 距离大体上是一致的。按强度-角度曲线半高处 的宽度计算，石英玻璃内如有晶体，其大小也只 有0.77nm。这与方石英单位晶胞尺寸0.70nm相似。 晶体必须是由晶胞在空间有规则地重复，因此 “晶体”此名称在石英玻璃中失去其意义。
200
300
βγ
鳞石英 α β 鳞石英 α β 方石英
图3－19 一种钠硅酸盐玻璃（SiO2含量76.4%）的 折射率随温度的变化曲线
150 I
1
100
50
0
150
100
2
50
50
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
sinθ λ
• 1－未加热； • 2－在618℃保温1小
用傅立叶分析法将实验获得的玻璃行射强 度曲线在傅立叶积分公式基础上换算成围绕某 一原子的径向分布曲线，再利用该物质的晶体 结构数据，即可以得到近距离内原子排列的大 致图形。在原子径向分布曲线上第一个极大值 是该原子与邻近原子间的距离，而极大值曲线 下的面积是该原子的配位数。图3－23表示SiO2 玻璃径向原子分布曲线。
查哈里阿生还提出氧化物（AmOn）形成玻璃时， 应具备如下四个条件：
1．网络中每个氧离子最多与两个A离子相联； 2．氧多面体中，A离子配位数必须是小的，即 为4或3。 3．氧多面体相互连接只能共顶而不能共棱或 共面。 4．每个氧多面体至少有三个顶角是与相邻多 面体共有以形成连续的无规则空间结构网络。