清华大学《材料科学基础(1)》试卷及参考答案
材料科学基础(清华大学)(1)_OK
Fundamental of Materials
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
H
H
18
2. Secondary bonding
Fluctuating Dipole bonds These bonding forces arise because the asymmetrical
distribution of electron charge distribution in these atoms creates electric dipoles.
19
Permanent Dipole bonds
Permanent Dipole bonds exist between adjacent polar molecules.
105
Hydrogen
bonding
20
3. Mixed bonding Ionic-Covalent Mixed bonding
12
• Ⅲ.Secondary bonding （Van Der waals bonding)
The driving force for secondary bonding is the attract ion of the electric dipoles contained in atoms or molecu les.
An electric dipole moment is created when two equal and opposite charges are separated.
【上交827 材料科学基础】材料科学基础习题及参考答案1
材料科学基础参考答案材料科学基础第一次作业1.举例说明各种结合键的特点。
⑴金属键：电子共有化，无饱和性，无方向性，趋于形成低能量的密堆结构，金属受力变形时不会破坏金属键，良好的延展性，一般具有良好的导电和导热性。
⑵离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，以离子为结合单元，无方向性，无饱和性，正负离子静电引力强，熔点和硬度均较高。
常温时良好的绝缘性，高温熔融状态时，呈现离子导电性。
⑶共价键：有方向性和饱和性，原子共用电子对，配位数比较小，结合牢固，具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，导电能力差。
⑷范德瓦耳斯力：无方向性，无饱和性，包括静电力、诱导力和色散力。
结合较弱。
⑸氢键：极性分子键，存在于HF，H2O，NF3有方向性和饱和性，键能介于化学键和范德瓦尔斯力之间。
2.在立方晶体系的晶胞图中画出以下晶面和晶向：（1 0 2）、（1 1 -2）、（-2 1 -3），[1 1 0],[1 1 -1],[1 -2 0]和[-3 2 1]。
12(213)3. 写出六方晶系的{1 1 -20}，{1 0 -1 2}晶面族和<2 -1 -1 0>,<-1 0 1 1>晶向族中各等价晶面及等价晶向的具体指数。
{1120}的等价晶面：(1120)(2110)(1210)(1120)(2110)(1210) {1012}的等价晶面：(1012)(1102)(0112)(1012)(1102)(0112)(1012)(1102)(0112)(1012)(1102)(0112)2110<>的等价晶向：[2110][1210][1120][2110][1210][1120] 1011<>的等价晶向：[1011][1101][0111][0111][1101][1011][1011][1101][0111][0111][1101][1011]4立方点阵的某一晶面（hkl ）的面间距为M /，其中M 为一正整数，为晶格常数。
清华大学材料科学基础习题答案.doc
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。
2023材料科学基础考卷
专业课原理概述部分一、选择题（每题1分，共5分）1. 材料的四大基本性能中，下列哪一项是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力？A. 塑性B. 硬度C. 韧性D. 耐磨性2. 下列哪种晶体结构类型不具有滑移系？A. 面心立方B. 体心立方C. 六方最密D. 简单立方A. 钢铁B. 铝合金C. 玻璃D. 橡胶4. 下列哪个过程是纯金属凝固过程中原子排列从不规则到规则的过程？A. 凝固B. 凝固前沿C. 枝晶生长D. 偏析A. X射线衍射B. 扫描电镜C. 热分析D. 拉曼光谱二、判断题（每题1分，共5分）1. 材料的强度是指材料在外力作用下发生塑性变形的能力。
（错）2. 陶瓷材料的断裂韧性一般较低，因此容易发生断裂。
（对）3. 材料的熔点越高，其热稳定性越好。
（对）4. 晶体中的位错密度越高，材料的强度越高。
（错）5. 材料的疲劳寿命与加载频率成正比。
（错）三、填空题（每题1分，共5分）1. 材料的四大基本性能包括：____、____、____、____。
2. 晶体中原子排列的最小重复单元称为：____。
3. 金属材料在塑性变形过程中，位错的运动方式主要有：____、____、____。
4. 陶瓷材料的烧结过程主要包括：____、____、____。
5. 材料的热处理工艺主要包括：____、____、____。
四、简答题（每题2分，共10分）1. 简述晶体与非晶体的区别。
2. 什么是位错？它在材料中的作用是什么？3. 简述纯金属凝固过程中晶粒长大的驱动力。
4. 什么是材料的疲劳？影响材料疲劳寿命的因素有哪些？5. 简述材料表面改性的目的和方法。
五、应用题（每题2分，共10分）1. 已知某金属的屈服强度为200MPa，求在拉伸过程中，当应力达到150MPa时，该金属的塑性应变是多少？2. 一块玻璃在室温下受到外力作用，为什么容易发生脆性断裂？3. 有一块铝合金，其熔点为660℃，现将其加热至700℃，请分析其组织结构可能发生的变化。
材料科学基础考试试卷参考(带答案)
材料科学基础试卷(一)一、概念辨析题（说明下列各组概念的异同。
任选六题，每小题3分，共18分）1 晶体结构与空间点阵2 热加工与冷加工3 上坡扩散与下坡扩散4 间隙固溶体与间隙化合物5 相与组织6 交滑移与多滑移7 金属键与共价键8 全位错与不全位错9 共晶转变与共析转变二、画图题（任选两题。
每题6分，共12分）1 在一个简单立方晶胞内画出［010］、［120］、［210］晶向和（110）、（112）晶面。
2 画出成分过冷形成原理示意图（至少画出三个图）。
3 综合画出冷变形金属在加热时的组织变化示意图和晶粒大小、内应力、强度和塑性变化趋势图。
4 以“固溶体中溶质原子的作用”为主线，用框图法建立与其相关的各章内容之间的联系。
三、简答题（任选6题，回答要点。
每题5分，共 30 分）1 在点阵中选取晶胞的原则有哪些？2 简述柏氏矢量的物理意义与应用。
3 二元相图中有哪些几何规律？4 如何根据三元相图中的垂直截面图和液相单变量线判断四相反应类型？5 材料结晶的必要条件有哪些？6 细化材料铸态晶粒的措施有哪些？7 简述共晶系合金的不平衡冷却组织及其形成条件。
8 晶体中的滑移系与其塑性有何关系？9 马氏体高强度高硬度的主要原因是什么？10 哪一种晶体缺陷是热力学平衡的缺陷，为什么？四、分析题（任选1题。
10分）1 计算含碳量w=0.04的铁碳合金按亚稳态冷却到室温后，组织中的珠光体、二次渗碳体和莱氏体的相对含量。
2 由扩散第二定律推导出第一定律，并说明它们各自的适用条件。
3 试分析液固转变、固态相变、扩散、回复、再结晶、晶粒长大的驱动力及可能对应的工艺条件。
五、某面心立方晶体的可动滑移系为(111) [110].（15分）(1) 指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量.(2) 如果滑移由纯刃型位错引起,试指出位错线的方向.(3) 如果滑移由纯螺型位错引起,试指出位错线的方向.(4) 在(2),(3)两种情况下,位错线的滑移方向如何?(5) 如果在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试确定单位刃型位错和螺型位错线受力的大小和方向。
材料科学基础试题及答案
材料科学基础试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 材料科学主要研究的是材料的哪些方面？A. 材料的加工方法B. 材料的微观结构C. 材料的性能D. 所有以上选项答案：D2. 金属材料的强度主要取决于其什么？A. 化学成分B. 微观结构C. 宏观尺寸D. 外部环境答案：B3. 以下哪个不是材料的力学性能？A. 硬度B. 韧性C. 导热性D. 弹性答案：C4. 陶瓷材料通常具有哪些特性？A. 高熔点B. 低热导率C. 低电导率D. 所有以上选项答案：D5. 聚合物材料的哪些特性使其在许多应用中受到青睐？A. 可塑性B. 轻质C. 良好的化学稳定性D. 所有以上选项答案：D二、填空题（每空1分，共10分）6. 材料的微观结构包括_______、_______和_______。
答案：晶粒、晶界、相界7. 材料的热处理过程通常包括_______、_______和_______。
答案：加热、保温、冷却8. 金属的塑性变形主要通过_______机制进行。
答案：位错滑移9. 材料的断裂韧性是指材料在_______条件下抵抗断裂的能力。
答案：受到冲击或应力集中10. 复合材料是由两种或两种以上不同_______的材料组合而成。
答案：性质三、简答题（每题10分，共30分）11. 简述金属的疲劳现象及其影响因素。
答案：金属疲劳是指金属在反复加载和卸载过程中，即使应力水平低于材料的屈服强度，也可能发生断裂的现象。
影响金属疲劳的因素包括应力幅度、加载频率、材料的微观结构、环境条件等。
12. 解释什么是相图，并说明其在材料科学中的重要性。
答案：相图是表示不同组分在特定条件下的相平衡状态的图形。
它在材料科学中的重要性体现在帮助科学家和工程师理解材料的相变行为，预测材料的性能，以及指导材料的加工和应用。
13. 描述聚合物材料的玻璃化转变温度（Tg）及其对聚合物性能的影响。
答案：玻璃化转变温度是聚合物从玻璃态转变为橡胶态的温度。
(清华大学)材料科学基础真题2003年-1
(清华大学)材料科学基础真题2003年-1(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、论述题(总题数：9，分数：100.00)1.简述单晶体塑性形变的施密特定律(Schmid's law)，画图并写出表达式，说明每一个量所代表的物理意义。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(用一根正断面积为A0的单晶试棒进行拉伸试验，如图所示。
假定拉力F与滑移面法线n之间的夹角为，F与滑移方向b之间的夹角为λ，则由图很容易求得作用在滑移面上的沿着滑移方向的分切应力为：式中，为拉应力；，称为取向因子或者Schmid因子。
用同种材料但不同取向(不同μ值)的单晶试棒进行拉伸试验，结果发现，尽管不同试棒的μ不同，但开始滑移时的分切应力都相同——等于某一确定值τc，换言之，晶体开始滑移所需的分切应力是：τ=σμ=τc式中，τc称为临界分切应力，是个材料常数。
公式τ=σμ=τe就称为Schmid定律，即当作用在滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值τc时晶体便开始滑移。
)解析：2.参照所示的Cu-Zn相图，有一铜棒较长时间置于400℃的Zn液中，请画出从铜棒表面到内部沿深度方向的：1．Zn的浓度分布。
2．相分布。
3．化学位分布。
（分数：15.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(见下图。
)解析：3.写出面心立方(FCC)晶体中全位错分解为扩展位错的反应式，并分析反应的可能性。
（分数：10.00）__________________________________________________________________________________________ 正确答案：(面为例，其上全位错分解为扩展位错的反应式有以下三种：(1)几何条件：能量条件：所以，符合位错反应几何条件和能量条件的要求，该位错反应可以进行。
清华大学《材料科学基础(1)》试卷及参考答案
清华大学《材料科学基础（1）》试卷及参考答案考试科目：材料力学基础1考试时间：2007年1月10日考试类型：本科期末一、（共40分，每小题5分）1. 指出下面四个图中A、B、C、D所代表的晶向和晶面）））7. GaAs和GaN分别为闪锌矿和纤锌矿结构，请分别画出二者的一个晶胞。
8. 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（波尔兹曼常熟κ＝8.617×10－5eV/K）二、（15分）有一单晶铝棒，棒轴为，今沿棒轴方向拉伸，请分析：（1）初始滑移系统；（2）双滑移系统（3）开始双滑移时的切变量γ；（4）滑移过程中的转动规律和转轴；（5）试棒的最终取向（假定试棒在达到稳定取向前不断裂）。
三、（10分）如图所示，某晶体滑移面上有一柏氏矢量为的圆环形位错环，并受到一均匀切应力τ的作用。
（1）分析各段位错线受力情况，并在图上标示受力方向；（2）在τ作用下，若要使该位错环在晶体中稳定不动，其最小半径为多大？（提示：位错线张力T＝αGb2）四、（15分）有一面心立方晶体，在面滑移的柏氏矢量为的右螺型位错，与在面上滑移的柏氏矢量为的另一右螺型位错相遇于此两滑移面交线并形成一个新的全位错。
（1）求生成全位错的柏氏矢量和位错线方向。
（2）说明新生成的全位错属哪类位错？该位错能否滑移？为什么？（3）若沿晶向施加大小为17.2MPa的拉应力，试计算该新生全位错单位长度的受力大小，并说明方向（设晶格常数为a＝0.2nm）。
五、（10分）一根多晶Zn（）棒和一根多晶镁（）棒受压缩变形，分析二者的变形特征，比较二者的塑性。
（提示：从分析滑移和孪生入手）六、（10分）工业纯铁在927℃下渗碳，设工件表面很快达到渗碳饱和（1.3％的碳），然后保持不变，同时碳原子不断向工件内部扩散。
求渗碳10h后渗碳层中碳浓度分布的表达式。
【参考答案】一、1.（1）A： B： C： D：（2）A： B： C：（3）A： B： C：（4）A： B： C：2. 解：由得∴晶面族指数为{220}3. 解：（1）可以，向右进行（2）不可以（3）可以，向左进行4.FCC ； BCC； HCP；由得∴Q＝1.985 eV二、解：（1）FCC滑移系统为根据映象规则，初始滑移系统为（2）单滑移时试样轴应转向转轴为（3）双滑移系统为（4）令，，，得：∴，得，，双滑移时轴一方面转向，轴为；一方面转向，转轴为。
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）棒受压缩变形，分析二者的变形特征，比较二者的塑性。（提示：从 分析滑移和孪生入手） 六、（10分）工业纯铁在927℃下渗碳，设工件表面很快达到渗碳饱和 （1.3％的碳），然后保持不变，同时碳原子不断向工件内部扩散。求 渗碳10h后渗碳层中碳浓度分布的表达式。 【参考答案】 一、 1. （1）A：
，
得： ∴ ， 得 ， ， 双滑移时轴一方面转向 ，轴为 ；一方面转向 ，转轴为 。故合成转轴为
。晶体不再改变取向，而被拉长。 （5）最终取向即为 。 三、解： （1）位错线受力方向如图，位于位错线所在平面，且于位错垂直。
(2) ∴ 四、解： （1）由于位错线为两滑移面交线，故：
柏氏矢量 （2）位错线与柏氏矢量既不平行，也不垂直，为混合型位错。
清华大学《材料科学基础（1）》试卷及参考答案
考试科目：材料力学基础1 考试时间：2007年1月10日 考试类型：本科期末
一、（共40分，每小题5分）
1. 指出下面四个图中A、B、C、D所代表的晶向和晶面
2. 写出镍（Ni，FCC）晶体中面间距为0.1246nm的晶面族指数。镍的点 阵常数为0.3524nm。 3. 根据位错反应必须满足的条件，判断下列位错反应在FCC中能否进
由
10h＝3600s， ， ， cm2/s，代入上式得：
∴
；
Cr BCC 。
5. 在FCC、BCC和HCP晶胞中分别画出任一个四面体间隙；并指出其中心
的坐标：
FCC
； BCC
； HCP
；
每个晶胞中的八面体间隙数量为：
FCC
4
个；BCC 6
个；HCP
6. 不是。其与底心单斜是同一类点阵。
7.
6 个。
8. 解： 由 得
∴Q滑移系统为 （2）单滑移时试样轴应转向 转轴为 （3）双滑移系统为 （4） 令 ， ，
行，并确定无外力作用时的反应方向： （1）
（2）
（3）
4. 指出下列材料所属的点阵类型。
γ-Fe
；碱金属
；Mg
；Cu
；
NaCl
；贵金属
；金刚石
；Cr
。
5. 在FCC、BCC和HCP晶胞中分别画出任一个四面体间隙；并指出其中心
的坐标：
FCC
；BCC
；HCP
；
每个晶胞中的八面体间隙数量为：
FCC
个；BCC
个；HCP
个。
6. 体心单斜是不是一种独立的布拉菲点阵，请说明理由。
7. GaAs和GaN分别为闪锌矿和纤锌矿结构，请分别画出二者的一个晶
胞。
8. 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（波尔兹曼常熟κ＝8.617×10－
5eV/K） 二、（15分）有一单晶铝棒，棒轴为 ，今沿棒轴方向拉伸，请分析： （1）初始滑移系统； （2）双滑移系统 （3）开始双滑移时的切变量γ； （4）滑移过程中的转动规律和转轴； （5）试棒的最终取向（假定试棒在达到稳定取向前不断裂）。 三、（10分）如图所示，某晶体滑移面上有一柏氏矢量为 的圆环形位错环，并受到一均匀切应力τ的作用。 （1）分析各段位错线受力情况，并在图上标示受力方向； （2）在τ作用下，若要使该位错环在晶体中稳定不动，其最小半径为 多大？ （提示：位错线张力T＝αGb2）
，该位错滑移面为
。 （3）
由Schmid定律，作用在新生位错滑移面上滑移方向的分切应力为：
MPa ∴作用在单位长度位错线上的力为：
N/m 方向为垂直于位错线方向
，指向滑移区。 五、解： 多晶体压缩滑移转动，（0001）转向压缩面，产生织构。继续压缩，滑 移越来越难。 对于Zn：由于c/a＝1.86，位于锐角区，宏观压力方向与微观孪生变形 相适应，故可发生孪生。孪生之后改变位向可继续滑移，反复进行，故 表现出较好的塑性。 对于Mg：由于c/a＝1.62，压力轴位于钝角区，宏观压力方向与微观孪 生变形相反，故不可发生孪生。因此表现出较差的塑性。 六、解：
四、（15分）有一面心立方晶体，在 面滑移的柏氏矢量为
的右螺型位错，与在
面上滑移的柏氏矢量为
的另一右螺型位错相遇于此两滑移面交线并形成一个新的全位错。 （1）求生成全位错的柏氏矢量和位错线方向。 （2）说明新生成的全位错属哪类位错？该位错能否滑移？为什么？ （3）若沿
晶向施加大小为17.2MPa的拉应力，试计算该新生全位错单位长度的受 力大小，并说明方向（设晶格常数为a＝0.2nm）。 五、（10分）一根多晶Zn（
B： C： D： （2）A： B： C： （3）A： B： C： （4）A： B： C： 2. 解： 由 得
∴晶面族指数为{220}
3. 解：
（1）可以，向右进行
（2）不可以
（3）可以，向左进行
4.
γ-Fe
FCC ；碱金属
BCC ；Mg 简立方
；Cu
FCC ；
NaCl
FCC ；贵金属
FCC ；金刚石 FCC