清华大学材料科学基础习题答案.doc
材料科学基础答案(1-3章).doc
习题及参考答案(1因为是参考答案，故可能有错；2由于时间不够，目前还有些题没有参考答案，近日将补上。
) 1描述晶体与非晶体的区别，从结构、性能等方面。
晶体中的原子或原子集团都是有规律地排列的。
晶体有一定的凝固点和熔点；晶体具有各向异性。
2何谓空间点阵，简述晶体结构与空间点阵的区别。
晶体中原子或原子集团被抽象为规则排列的几何点，且其沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。
这样的几何点的集合就构成空间点阵(简称点阵)，每个几何点称为点阵的结点或阵点。
3在简单立方晶系中，(1)作图表示下述的晶面和晶向；(2)判断其中哪些晶面与晶向是垂直的，哪些是平行的，并指出垂直或平行的条件。
(111), (Oil),(201), [111], [110], [112](111)与[111]垂直，(111)与[11-2]平行，(201)与[11-2]平行。
4请写出简单立方晶系中{111}的等价晶面，<110>的等价晶向。
{111}= (111) + (11-1) + (1-11) + (-111) <110>=[110]+[1-10]+[101]+[10-1]+[011]+[01-1]5试在六方晶系的晶胞上画出(1°了2)晶面、[11&]和『101]晶向。
1简述波尔理论和波动力学理论分别是如何描述原子核外电子的运动轨道。
波尔理论认为核外电子是在确定的轨道上运动的，符合牛顿定律。
波动力学认为电子具有波粒二象性，电子有可能出现在核外的各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。
2粒子具有波粒二象性，请计算下列粒子的波长。
A,质量为20g,速度为1000m/s的子弹；B,质量为10T*g,速度为0.01m/s的尘埃；C,质量为9.1Xl(y3ikg,速度为l()6m/s的电子。
X =h/mu, X 1 =6.62 X 10'34/[0.02 X 1000]=3.2 X 10~35m;X 2=6.5 X10-17m; *3 = 7.1X10-%。
材料科学基础习题与参考答案（doc14页）（优质版）
材料科学基础习题与参考答案（doc14页）（优质版）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（），（），（）。
材料科学基础习题参考答案.docx
材料科学基础习题参考答案 第一章材料结构的基本知识8.计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例。
(1) NaF (2) CaO (3) ZnS解：(1)查表得：X Na =0.93,X F =3.98--(0.93-3.98)2根据鲍林公式可得NaF 中离子键比例为：[1-e 4 ]x 100% = 90.2%共价键比例为：1-90.2%=9.8%--(1.00-3.44 )2(2) 同理，CaO 中离子键比例为：[1-e 4 ]x 100% = 77.4%共价键比例为：1-77.4%=22.6%(3) ZnS 中离子键比例为：Z“S 中离子键含量=[1 -£-1/4'2-58-165)2]x 100% = 19.44% 共价键比例为：1-19.44%=80.56%10说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义.说明稳态结构与亚稳态结构之间的关 系。
答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件； 动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。
稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是 稳态或亚稳态，取决于转变过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得 到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。
稳态结构能量最低，热力学上最稳定；亚稳态 结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。
但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。
1.第二章九材料中的騒須勾)与［2廊1)与［112］, (110)与［111］, (132)与［123］, (322)与［236］指数。
题: 系的 (21 在立方晶系的一个晶胞虫画出(111丄和丄112、日面.才晶系的画出同M1)、■'朋两晶面交钱亠 1]晶向。
112) d2. 有一正交点阵的a=b, c=a/2o 某晶面在三个晶轴上的截距分别为6个、2个和4个原子 间距，求该晶面的密勒指数。
(清华大学)材料科学基础真题2003年-2
(清华大学)材料科学基础真题2003年-2(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、论述题(总题数：10，分数：100.00)1.标出图中(a)、(b)、(c)、(d)的晶向指数和(E)、(F)、(G)、(H)的晶面指数。
（分数：8.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：((a)的晶向指数是；(b)的晶向指数是；(c)的晶向指数是；(d)的晶向指数是。
(E)的晶面指数是；(F)的晶面指数是；(G)的晶面指数是；(H)。
) 解析：2.写出FCC、BCC、（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下表。
)解析：3.写出镍(Ni)晶体中面间距为0.1246nm的晶面族指数。
镍的点阵常数为0.3524nm。
（分数：5.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(镍(Ni)的晶体结构和点阵都是面心立方(FCC)，立方晶体的晶面距公式是：所以有因为h、k、l都是整数，所以h、k、l可能取的可能值为：0、2、2，所以符合题意的晶面族指数为{022}。
) 解析：4.由600℃降至300℃时，锗晶体中的空位平衡浓度降低了六个数量级，试计算锗晶体中的空位形成能(波耳兹曼常数k=8.617×10-5eV/K)。
（分数：8.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(Schottky缺陷的平衡浓度公式为：有有有≈1.91432×105J·mol-1即锗晶体中空位形成能为1.91432×105J·mol-1。
材料科学基础课后习题答案
《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。
材料科学基础课后习题答案1-4章
第一章原子结构与键合1. 主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数S i。
2. 能量最低原理、Pauli不相容原理，Hund规则。
3. 同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低；4. 在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
5. 52.0576. 73% (Cu63); 27% (Cu65)8. a:高分子材料；b:金属材料；c:离子晶体10．a) Al2O3的相对分子质量为M=26.98×2+16×3=101.961mm3中所含原子数为1.12*1020（个）b) 1g中所含原子数为2.95*1022（个）11. 由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德化力，氢键的键能高于范德化力的键能，故此HF的沸点要比HCl的高。
第2章固体结构1．每单位晶胞内20个原子2．CsCl型结构系离子晶体结构中最简单一种，属立方晶系，简单立方点阵，Pm3m空间群，离子半径之比为0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图2-13所示。
从图中可知，在<111> 方向离子相接处，<100>方向不接触。
每个晶胞有一个Cs+和一个Cl-，的配位数均为8。
3．金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。
金刚石的密度(g/cm3)对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积(cm3)当它为石墨结构时的体积(cm3)故由金刚石转变为石墨结构时其体积膨胀4.]101[方向上的线密度为1.6. 晶面族{123}=(123)+(132)+(213)+(231)+(321)+(312)+)231(+)321(+)132(+)312(+)213(+)123(+)321(+)231(+)312(+)132(+)123(+)213(+)312(+)213(+)321(+)123(+)132(+)231(晶向族﹤221﹥=[221]+[212]+[122]+]212[+]122[+]221[+]122[+]212[+]221[+]122[+]221[+]212[7. 晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系：hu+kv+lw=0；将晶带轴[001]代入，则h×0+k×0+l×1=0；当l=0时对任何h,k取值均能满足上式，故晶带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0)。
清华大学材料科学基础第3章题解
在墒的基础上，把各相的成份点连接起来，就获得相图，如下图所示。要十分注意的是， γ相有一个熔晶反应，ε相与γ相之间有一个最高共溶点；另外，η相有序转变在ε+η及η+B 两相区表示为一直线。
3. 根据 Fe-C 相图 (a)计算 w(C)为 0.1%以及 1.2%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量， 计算共析体 （珠 光体）的相对量。 (b)计算 w(C)为 3.4%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量。计算刚凝固完毕时初生
则 设 故
∆S m = ∆V m ∆S m = ∆V m
α −β
α −γ
=
α −β
( ∆S m )α −3; ( ∆Vm ) β −γ
β −γ
α −β
dP < dT
6 × 0.6 = 4 × wB + 2 × 0.1
结果 wA=5%，wB=85%，wC=(1-0.05-0.85)=10%。
γ wA γ wB γ wC
wα A wα B Aγ =
α wC
β wA β wB β wC
wA wB wC
∆
∆
其中∆为
wα A A = wB α wC
α α
β wA
γ wA γ wB γ wC
wB β wC
β
计算程序见附录。
5.图 3-73 给出 A-B-C 三元成分三角形 (a)定出图中的 P、R、S 三点的成分。问由 2kgP，4kgR，7kgS 混合后的体系的成分是什么? (b)从图中定出含 C 为 80%，而 A 和 B 组元浓度比等于 S 成分的合金的成分。 (c)若有 2kgP 成分合金，问要配什么样成分的合金才能混合成 6kgR 成分的合金? 解： (a) 从上图量出， S 点成分为： A%=40% ； B%=50% ； C%=10% ， R 点成分为： A%=10% ； B%=60% ； C%=30% ， P 点成分为： A%=20% ； B%=10%；C%=70%。设 2kgP，4kgR，7kgS 混合 后的体系的成分是 A%=wA，B%= wB，C%= wC， 混合后的的体系的重量是 13kg,则 13wA = 2 × 0.2 + 4 × 0.1 + 7 × 0.4 = 3.6 13wB = 2 × 0.1 + 4 × 0.6 + 7 × 0.5 = 6.1 13wC = 2 × 0.7 + 4 × 0.3 + 7 × 0.1 = 3.3
《材料科学基础》习题及参考答案
形核功，还是可以成核的。
答案
(7)测定某纯金属铸件结晶时的最大过冷度，其实测
值与用公式ΔT=0.2Tm计算值基本一致。
答案
(8) 某些铸件结晶时，由于冷却较快，均匀形核率N1
提高，非均匀形核率N2也提高，故总的形核率为N=
N1 +N2。
答案
返回
53
(9) 若在过冷液体中，外加10 000颗形核剂，则结晶
❖ ②比较Cu-10% Sn合金铸件和Cu-30%合金铸件的铸造性能 及铸造组织，说明Cu-10% Sn合金铸件中有许多分散砂眼的 原因。
③ω(Sn}分别为2%，11%和15%的青铜合金，哪一种可进行 压力加工?哪种可利用铸造法来制造机件?
答案
返7回8
❖ 9.如下图所示，已知A，B，C三组元固态完全不互溶，质量 分数分别84%A,，10%B，10%C的O合金在冷却过程中将进 行二元共晶反应和三元共晶反应，在二元共晶反应开始时， 该合金液相成分(a点)为60%A，20%B，20%C，而三元共 晶反应开始时的液相成分(E点)为50%A，10%B，40%C。
答案
返回
6
❖ 6.位错受力后运动方向处处垂直于位错线，在运动
过程中是可变的，晶体作相对滑动的方向应是什么
方向？
答案
❖ 7.位错线上的割阶一般如何形成？
答案
❖ 8.界面能最低的界面是什么界面？
答案
❖ 9. “小角度晶界都是由刃型位错排成墙而构成的”这
种说法对吗？
答案
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7
三、综合题
❖ 1. 作图表示立方晶体的（123）（0 -1 -2） （421）晶面及[-102][-211][346]晶向。 答案
❖ 9. 在Fe中形成1mol 空位的能量为104. 67kJ，
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清华大学材料科学基础习题答案
第1章练习和答案1第2章练习和答案8第3章练习和答案11第4章练习和答案15 《晶体结构与缺陷》第1章练习和答案1-1。
勇敢格子的基本特征是什么？答:它具有周期性和对称性，每个节点都是一个等价点。
1-具有周期性和对称性，每个节点都是一个等价点。
1:首先，不少于14种点阵。
对于14种晶格中的任何一种，在不改变对称性的情况下，都不可能找到一种方法来连接节点以形成一个新的晶胞。
第二，不超过14种。
如果每个晶体系统包括四种晶格，即简单晶格、平面晶格、体晶格和底晶格，那么在七个晶体系统中有28种布拉瓦晶格。
然而，这28种晶格中的一些可以在不改变对称性的情况下连接成14种晶格中的一种。
例如，体心单斜可以连接成底部中心单斜晶格，所以它不是一种新的晶格类型。
1-但是这28种晶格中的一些可以连接成14种晶格中的一种，而不改变对称性。
例如，体心单斜可以连接成底部中心单斜晶格，所以它不是一种新的晶格类型。
1.单位胞元和原胞元都可以反映晶格的周期性，即单位胞元和原胞元的无限积累可以获得一个完整的完整晶格。
然而，晶胞需要反映晶格的对称性。
在这个前提下，最小体积单位是单位单元。
然而，原始单元只需要最小的体积，而勇敢晶格的原始单元只包含一个节点。
例如:
BCC单元中的节点数为2，原始单元为1。
催化裂化装置单元中的节点数为4，原单元为1。
六边形网格单元中的节点数为3，原始单元为1。
如下图所示，直线是单位单元格，虚线是原始单元格。
虽然原始细胞只需要最小的体积，雅鲁藏布江晶格的原始细胞只包含一个节点。
例如: BCC单元中的节点数为2，原始单元为1。
催化裂化装置单元中的节点数为4，原单元为1。
六边形网格单元中的节点数为3，原始单元为1。
如下图所示，直线是单位单元格，虚线是原始单元格。
立方立方立方立方六边形晶格1:晶胞中相邻三条边的长度A、B和C以及三条边之间的夹角α、β和γ分别决定晶胞的大小和形状。
这六个参数被称为晶格常数。
与晶体系统a，b，c，α，β，γ相关的晶格常数的数目是三斜a≠b≠c，α ≠ β ≠ γ ≠ 906 (a，b，c，α，β，γ)单斜a≠b≠c，α=β=90≠γ或α=γ=90≠β4 (a，b，c，γ或a，b，c，β)斜a≠ α=β=90，γ=1202(A，C)菱形a=b=c，α=β=γ≠902(A，A)1-晶体系统A，B，C，α，β，γ三重a≠b≠c，α ≠ β ≠ γ ≠ 906 (A，B，C，α，β，γ)单斜a≠b≠c，α=β α=β=γ=902 (A，C)立方a=b=c，α=β=γ=901α=β=90，γ=1202(A，C)菱形a=b=c，α=β=γ≠902(A，α)1:晶格和结构不一定相同，因为晶格中的节点可以代表多个原子，而结构中的点只能代表一个原子。
锌的晶格是六方晶格，但原子也存在于非节点位置，属于HCP结构。
金刚石的晶格是面心立方晶格，但在四个四面体的间隙中有碳原子，属于金刚石结构。
见下图。
锌金刚石结构1-金刚石的晶格是面心立方晶格，但在四个四面体的间隙中有碳原子，属于金刚石结构。
见下图。
锌钻石结构
1:{ 123 }=(123)(23)(13)(12)(132)(32)(12)(13)(213)(13)(23)(21)(231)(31) (21)(23)(312)(12)(32)(31)(321)(21)(31)(32)=[112][12][12][11][121][21][ 11][12]在立方晶系的晶胞图中画出下列晶面和晶向:(102)，(11)-(102)，(11): 4-24。
判断下列位错反应是否可以进行。
如果可以的话，试着在单位细胞图上画一个矢量图。
(A)A/2[1]A/2[111]→A[001](b)A/2[110]→A/6[12]A/6[211)(c)A/2[110]
→A/6[112]A/3[11](d)A/2[10]A/2[011]→A/2[110](e)A/3[112]A/6[11]→A/2[111]
(b)1/2 a2 1/3 a2；
(c)1/2 a2=1/2 a2；
(d)a2 1/2 a2；
(e)3/4a 2=3/4a 2；
都满意了。
4-满足所有几何条件，只判断是否满足能量条件σσbi2≥σbj2，(a)3/2 a2；
(b)1/2 a2 1/3 a2；
(c)1/2 a2=1/2 a2；
(d)a2 1/2 a2；
(e)3/4a 2=3/4a 2；
都满意了。
4: AAL=0.404纳米，aCu=0.361nm纳米，不锈钢=0.356纳米，铝=3×106牛顿/平方厘米，铜=5×106牛顿/平方厘米，不锈钢=10×106牛顿/平方厘米。
三种材料的堆垛层错能γⅰ见表4-2。
解决方案:
铝、铜和不锈钢都是面心立方结构，所以d0=Ga2/(24πγⅰ)。
查表，三种材料的堆垛层错能γI为166×10-
6、45×10-
6，15× 10-6 J/m2，三种材料的d0为3.91×10-
7、1.92×10-
6、1.12×10-5 m .4-14 f=1.27×10-4 n/m，方向为y轴负方向4-16 (1)均为螺型，AB螺位错的应力场由P246可知，f=(σ b) × υ==B2 τ xzj 由Peach-Koehler公式求得。
∴f12=b2τxz=-G b1 b2 d/[2π(x2 d2)](4)两者都是叶片型。
从P247可以知道AB边缘位错的应力场。
使用Peach-Koehler公式，F=(σ b) × υ==B2 σ zj，∴F12=B2σz=-υgb2d/[π(1-υ)(x2d 2)]，f=∑-∞f12dx=-gb2υ/(1-υ)，m=∑-∞F12 xdx=0。
(3)螺杆式和叶片式，f=(σb)×υ=-B2τyzk，∴f12=-b2 τ yz=-gb2x/[2π (x2d2)]，f=∨f 12dx=0，m=∨f 12dx=(积分散度)。
4-21 4-24都符合。
4-26。
表中的兆焦耳不是兆焦耳，而是兆焦耳，所以每个人的数量级都是错误的。
8-2。
c=1.3% *电流变系数(6.8倍*厘米-1)；8-6。
(a)t=1.012 * 104s；(b)t=4.047 * 104s；
(c)x1/x2=√(D1/D2)=ì(16.6/7.94)=1 . 446.8-7 . c=0.85 ERF(25.13 * x)=0.8，结果x=0.053cm厘米。
字模型。