材料科学导论习题解答

材料科学导论习题解答

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/m ol

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电子数时的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14，该原子的原子数

为70。

(本题目书上原解：N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个，K、L、M、N壳

层中电子共有2+8+18+32 = 60个，故原子序数为60。)

3. 试计算原子O壳层内的最大电子数，并定出K、L、M、N和Q壳层中所有能级都被

填满时的原子序数。

[答] O壳层内最大电子数为2×52 = 50。但考虑能级交错：O壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为：

1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p67s25f146d105g18，

该原子的原子数为130。

(本题目书上原解：O壳层中电子最多有2+6+10+14+18 = 50个，K、L、M、

N、O壳层中电子共有2+8+18+32+50 = 110个，故原子序数为110。)

4. 试说明四种原子结合力并举例说明。

[答] 金属键：由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。其基本特点是电子的共有化，无饱和性，无方向性。例如：Hg、Al、Fe、W。离子键：金

属原子将最外层家电子给予非金属原子成为带正电的正离子，非金属原子得到价电子后成

为带负电的负离子，正负离子依靠静电引力结合在一起。其基本特点是以离子而不是以原

子为结合单元。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，例如：NaCl、MgO。

共价键：共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化

学键。共价键有方向性和饱和性。氢分子中两个氢原子的结合是最典型的共价键。其它例如：Si、C(金刚石)。

范德华(Van der Waals)力：包括静电力、诱导力和色散力，没有方向性和饱和性。

例如：Ar、Cl2。

P36 习题

2. ⑴ 1s22s22p63s23p63d74s2 过渡元素Co

⑵ 1s22s22p63s23p6 惰性元素 Ar

⑶ 1s22s22p5 卤素元素F

⑷ 1s22s22p63s2 碱土元素 Mg

⑸ 1s22s22p63s23p63d24s2 过渡元素Ti

⑹ 1s22s22p63s23p64s1 碱金属K

3. 镧系稀土族元素的电子排列特点是

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f1~145s25p66s2，这些元素的核外电子依次填入4f态，而外层电子数没有变化，因此这些元素具有几乎相同的化学性质，将他们划为一组元素而

放入周期表的一格。

5. 氢键的本质与范德华力一样，也是靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合

起来的，但是氢键中氢原子起了关键作用。当H原子与一个电负性很强的原子（或原子团）结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳上；分子的氢离子则实质上是裸露的质子，对另一个电负性很强的原子表现出吸引，这样氢原子便将两个电负性很强的原子结合

起来，形成氢键。

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。