材料科學(xué)基礎(chǔ)作業(yè)解答

1、第一章1. 簡(jiǎn)述一次鍵與二次鍵各包括哪些結(jié)合鍵？這些結(jié)合鍵各自特點(diǎn)如何？答：一次鍵結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。 離子鍵：由于正、負(fù)離子間的庫侖（靜電）引力而形成。特點(diǎn)：1）正負(fù)離子相間排列，正負(fù)電荷數(shù)相等；2）鍵能最高，結(jié)合力很大； 共價(jià)鍵：是由于相鄰原子共用其外部?jī)r(jià)電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結(jié)構(gòu)而形成。特點(diǎn)：結(jié)合力很大，硬度高、強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高，延展性和導(dǎo)電性都很差，具有很好的絕緣性能。 金屬鍵：貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子間產(chǎn)生靜電作用而結(jié)合的方式。特點(diǎn)：它沒有飽和性和方向性；具有良好的塑性；良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、正的

2、電阻溫度系數(shù)。 范德瓦耳斯鍵：一個(gè)分子的正電荷部位和另一個(gè)分子的負(fù)電荷部位間的微弱靜電吸引力將兩個(gè)分子結(jié)合在一起的方式。也稱為分子鍵。特點(diǎn)：鍵合較弱，易斷裂，可在很大程度上改變材料的性能；低熔點(diǎn)、高塑性。2. 比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料在結(jié)合鍵上的差別。答： 金屬材料：簡(jiǎn)單金屬 （指元素周期表上主族元素）的結(jié)合鍵完全為金屬鍵，過渡族金屬的結(jié)合鍵為金屬鍵和共價(jià)鍵的混合，但以金屬鍵為主。陶瓷材料：陶瓷材料是一種或多種金屬同一種非金屬（通常為氧）相結(jié)合的化合物，其主要結(jié)合方式為離子鍵，也有一定成分的共價(jià)鍵。高分子材料：高分子材料中，大分子內(nèi)的原子之間結(jié)合方式為共價(jià)鍵，而大分子與大分子之間的結(jié)

3、合方式為分子鍵和氫鍵。復(fù)合材料：復(fù)合材料是由二種或者二種以上的材料組合而成的物質(zhì)，因而其結(jié)合鍵非常復(fù)雜，不能一概而論。3. 晶體與非晶體的區(qū)別？穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)別？晶體與非晶體區(qū)別：答： 性質(zhì)上，（1）晶體有整齊規(guī)則的幾何外形；（2）晶體有固定的熔點(diǎn),在熔化過程中 ,溫度始終保持不變；（3）晶體有各向異性的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上，晶體原子排列有序，非晶體排列長(zhǎng)程無序。穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)別同種材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱為穩(wěn)態(tài)結(jié) 構(gòu)。而能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)稱為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。第二章1 .布拉菲將晶體結(jié)構(gòu)共分為哪幾大品系？試畫出面心立方、體心四方、簡(jiǎn)單六 方與簡(jiǎn)單三斜這四種布拉菲

4、點(diǎn)陣的晶胞，并寫出其棱邊長(zhǎng)度與夾角關(guān)系？答：分為七大品系：立方晶系、四方晶系、菱方晶系、六方晶系、正交晶系、單 斜晶系、三斜晶系。面心立方:簡(jiǎn)單六方:,a= b = c, a = B = y = 90體心四方:,a= bWq a=B = 90 Y =120簡(jiǎn)單三斜:2 .畫出立方晶系中下列晶面和晶向：（010）, （011）,（231九；01兩1小111,解 如圖 1 - 3仃）所示電 AHED 為（OIO）"HFC 為為（口1）口 如圖1 -3仕）所示為為132DQ3為。11入如圖1 -3（c）所示GH為010,GD為ill上如圖1 - 3（d）所示為3力1/JN為":3

5、 .針對(duì)體心立方（BCC）晶胞：（1）寫出BCC晶體中的配位數(shù)（CN）、原子數(shù) （N）、原子半徑r與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系式；（2）在晶胞圖上畫出任一個(gè)四面體和八面體間隙的位置，并指出該四面體間隙和八面體間隙的中心位置。(3)寫出BCC晶胞中四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量 答：(1)配位數(shù)CN=8,致密度K=0.68,原子數(shù)N=2, r=3"2a/4。(2)曲率H 體心立方結(jié)九十的間鼻*Jbl 也才圖中八面體間隙位于六面體的面中心，四面體間隙位于面平分線1/4處(3)四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量分別為12,6。(3分)4 .針對(duì)FCC和BCC晶胞：(1)分別在晶胞圖上畫出任一個(gè)四面體和八面體

6、間隙的位置(2)指出該四面體間隙和八面體間隙的中心位置。(3)寫出每種晶胞中四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量。答： P49 圖 2-15,圖 2-16拿回國(guó)于至耳原F9八面悻間除D四茵煒阿航勢(shì)加E 2 15期心立方結(jié)構(gòu)中的同隙八鹿伴間隙b)匹而林畫徽e人洋詞堂愿子°助律同津21A博。立方姑枸中的同期i八B體同皆用nt*回第FCC:圖中八面體間隙位于晶胞中心，四面體間隙位于晶胞體對(duì)角線上靠結(jié)點(diǎn)1/4處BCC:圖中八面體間隙位于六面體的面中心，四面體間隙位于面平分線1/4處FCC:四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量分別為 8,4; BCC:四面體間隙和八面 體間隙的數(shù)量分別為12,65 .畫出下述

7、物質(zhì)的一個(gè)晶胞，并指出 5種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)所屬的布拉菲點(diǎn)陣類型。NaCl金剛石閃鋅礦纖鋅礦 CsCl答：NaCl、CsCl、閃鋅礦、纖鋅礦：課本 P59 圖 2-23(a), (b), (c), (d)金剛石：圖2-25NaCl、CsCl、閃鋅礦、纖鋅礦、金剛石點(diǎn)陣為：面心立方、簡(jiǎn)單立方、面心立方、簡(jiǎn)單六方、面心立方點(diǎn)陣6 .簡(jiǎn)述離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則。答：鮑林第一、第二、第三規(guī)則(書本P57-58)第三章1 .根據(jù)鏈節(jié)中主鏈化學(xué)組成的不同，高分子錦可以分為碳鏈高分子、雜 鏈高分子和元素有機(jī)高分子。2 .二元共聚物單體的連接方式包括無規(guī)生鑒友替共聚、嵌段共聚和接枝共聚。3 .高分子鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)包括

8、 線型、支化、梳形、星形、交聯(lián)和體型4 .高分子鏈的構(gòu)象是由于 C-C單健內(nèi)旃轉(zhuǎn) 引起的原子在空間據(jù)不同位置所 構(gòu)成的分子鏈的各種形象。5 .影響高分子鏈柔順性的主要因素有主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)基性質(zhì)。6 .按照高分子幾何排列的特點(diǎn)，固體聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非品 態(tài)結(jié)構(gòu) 兩種。7 .高分子材料的玻璃化溫度 Tg指的是：當(dāng)一塊玻璃冷卻到熔點(diǎn)溫度以下時(shí)， 在 某一溫度范圍內(nèi)它仍是塑性的.卻到某個(gè)溫度時(shí)，發(fā)生玻璃硬化，該溫度稱 之為玻璃化溫度 。8 .熱固性塑料和熱塑性塑料的區(qū)別：熱塑件塑料由于具有線型結(jié)構(gòu)，因而具有 較好的彈性和組件、易于加工成型和可反復(fù)使用等特性；熱固性塑料不能進(jìn) 行塑性加工和

9、反復(fù)使用。第四章1.已知某晶體在500c時(shí)，每1010個(gè)原子中可以形成有1個(gè)空位，請(qǐng)問該晶體的空位形成能是多少？（已知該晶體的常數(shù) A=0.0539,玻爾茲曼常數(shù)k=1.381X 10-23J/K）上 l = -k.1 hl = 1,3 8 lx 10 期(500+ 275)ln0,0539= 1.068xl0-;° >17.8 1.9xl0-1?./3 .位錯(cuò)具有較高的能量，因此它是不穩(wěn)定的，可能會(huì)發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)。請(qǐng)判斷下 列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行：a _aaa112a111a111362答：幾何條件：反應(yīng)后-112 a111 -111,與反應(yīng)前一致，滿足幾何條件362 2能量條件：

10、反應(yīng)前b2 (a,12 12 22 )2 (a 1212一(-1)2)2 -a-2反應(yīng)后 b （巴511）-a-反應(yīng)前24此反應(yīng)不滿足能量條件，只滿足幾何條件，故不能進(jìn)行。4 .試比較肖脫基缺陷與弗蘭克爾缺陷的異同？答：相同：都是點(diǎn)缺陷，都會(huì)形成空位。不同：弗蘭克爾缺陷：原子離開平衡位置進(jìn)入間隙，形成等量的空位和間隙原子 肖脫基缺陷：由于熱運(yùn)動(dòng)，晶體中陽離子及陰離子脫離平衡位置， 跑到晶體表面 或晶界位置上，只形成空位不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面）。5 .試比較刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的滑移特征？書本P107* 4 1位錯(cuò)的滑移特征柏氏同屈他錯(cuò)蛾運(yùn)動(dòng)方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑藕面?zhèn)€數(shù)刃1t位錯(cuò)線1J

11、于位錯(cuò)殘本身與人一致與8一致曜-嬸H 丁田精線1于假情褪本身與b -費(fèi)與6 一致1咨個(gè)理合與位揩練成一定角度于位相姓本身與D一致耳白一致6 .畫圖并敘述變形過程中位錯(cuò)增殖的機(jī)制書本P341 F-R源7 .試列舉金屬的四種典型強(qiáng)化機(jī)制？這四種機(jī)制對(duì)材料韌性會(huì)產(chǎn)生什么影響？ 答：（1）細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，加工硬化，第二相強(qiáng)化。（2）細(xì)品強(qiáng)化可以提高韌性；第二相強(qiáng)化有時(shí)能提高，有時(shí)降低；其他強(qiáng)化不 能提高。第五章1 .下圖所示為經(jīng)簡(jiǎn)化了的鐵碳合金相圖：(1)請(qǐng)?jiān)趫D中空白區(qū)域標(biāo)出各相區(qū)的相(寫在圓括號(hào)內(nèi))；2 2) 寫出A、G、S、P、C、E點(diǎn)各自代表的意義；(3)寫出GS線、ES線、PSK線代表的含

12、義；(4)分析wc=0.77% (虛線)的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的結(jié)晶 過程；分析 wc=4.30% (虛線)的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫 的結(jié)晶過程。(5)計(jì)算45鋼(含碳量0.45%)與T10鋼(含碳量1%)的相組成物的相對(duì)量？并 根據(jù)計(jì)算結(jié)果說明它們機(jī)械性能的差別。(1)一£弱點(diǎn) F0 0.450l77 1.52J13.0Ffe以自WJ% _5.0 &加mA+feJC歡迎下載17(2)課本 P1785-7 F毋FeC相圖中各主墓點(diǎn)的溫度，含碳及意義點(diǎn)的 符號(hào)含碳網(wǎng)儀說明A153«0斑事塔趕BI4D5fl. 53%包晶且魔時(shí)液態(tài)育雜的黠慘C1118串

13、30%共品點(diǎn),LlOe十良匹D122 Tfi. 6守*器倬熔點(diǎn)C計(jì)W值1E11182-n%就在注取中的最大海廨度F1MK“0兄磐段停Gsn0同索異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)；A；)H碳在b4中的最大溶解度J149$。17將包ifi點(diǎn)/Lrp武產(chǎn)力K727«. 69%埃牛N13打0iFeiVFe向素舁構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)14)Pm0-碳汴h氏中的最大溶解度Sm0 17%加新點(diǎn) tQ0.課在zFu中的溶制度(3)課本 P179(4) wc=0.77%結(jié)晶過程：y , 匕f T(a+ FejC)門一72rc幾，i taJj01( + Fet，I wc=4.30%】4E*CWlLd,IV n + Fe3C#A ) La1

14、；a + FjCt +FejCAi>FcjjCi11 727Id(P+F.C+F.C跳G(5) 45鋼的相組成物為F和Fe3C,其相對(duì)量為：Qf= (6.69-0.45) / (6.69-0.0218) x 100% =93.6%QFe3C= 1-93.3% = 6.4%T10鋼的相組成物為F和FesC,其相對(duì)量為：Qf= (6.69-1.0) / (6.69-0.0218) x 100% =85.3%QFe3C= 1-85.1% = 14.7%計(jì)算結(jié)果表明：由于45鋼中的F含量比T10鋼高，因此，45鋼的塑性、韌性比T10鋼高;由于T10鋼中的Fe3c含量比45鋼高，因此，T10鋼的硬

15、度比45鋼高。第六章1 .畫圖并指出典型鑄錠（如鋼水在砂模中）的組織，并指出其形成原因？要獲 得成分、性能、均勻的鑄錠往往要擴(kuò)大什么區(qū)？答：鑄錠的典型組織特點(diǎn)為表層為細(xì)品區(qū)， 中心為等軸晶區(qū)，這兩個(gè)晶區(qū)之間為 柱狀晶區(qū)。圖的28鑄炭三個(gè)晶區(qū)示意圖1潮晶區(qū)£一柱狀晶區(qū)中心等粗品K形成的原因?yàn)椋砻嫔嶙羁?，過冷度最大，所以晶粒細(xì)小；心部各個(gè)方向 上熱量散失速度基本相同，故為等軸晶粒；在這兩個(gè)晶區(qū)之間，熱量沿垂直于鑄 模壁的方向散失最快，所以晶粒為柱狀晶粒（晶粒在熱量散失最快的方向上長(zhǎng)得 最快）。擴(kuò)大心部等軸晶區(qū)。2 .根據(jù)凝固理論，試討論在凝固過程中細(xì)化晶粒的基本途徑有哪些？答：根據(jù)凝

16、固理論可知，在凝固過程中決定晶粒度的因素有形核率（N）和長(zhǎng)大速度（G）,且N/G越大，晶粒愈細(xì)小。因此我們可以從以下幾點(diǎn)著手：(1)增加過冷度：ATT- N/GT 一晶粒愈細(xì)小，可以采用降低鑄造溫度的 方法增加過冷度。(2)提高冷卻速度：冷卻速度T-A TT - N/GT 一晶粒愈細(xì)小。可以采用 用金屬型鑄造代替砂型的方法提高冷卻速度。(3)變質(zhì)處理：變質(zhì)處理是在液態(tài)金屬結(jié)晶前，加入一些細(xì)小高熔點(diǎn)的物質(zhì)， 促使非自發(fā)形核的方法。如鋼中加入 Ti、V、Al,這種方法易實(shí)現(xiàn)、效果 明顯、最常用。(4)振動(dòng)，攪拌方法：破碎作用 一提高形核率。2.假設(shè)某純金屬液體按均勻形核方式結(jié)晶，晶胚呈半徑為 r的

17、圓球形。晶胚的 單位面積表面能為 d液固兩相單位體積的吉布斯自由能差為AGv0試問：該形核過程的驅(qū)動(dòng)力和阻力分別是什么？臨界形核半徑r*的表達(dá)式 臨界形核功AGv*的表達(dá)式答：(1)驅(qū)動(dòng)力：體積自由能差；阻力：新增表面能(2) &=驅(qū)動(dòng)力(體積自由能差)+阻力(新增表面能) =zGv +2= V* 心 +(t*A= (4/3) 3AGv + 4 2ror兩端對(duì)r求導(dǎo)，有心=-4九21AGv+8兀r6令小=0 有 r*=-2 (tAGv(3)帶入 r*,有 AGk*=16 兀 3/3(AGv)2第七章1 .簡(jiǎn)述固態(tài)相變的一般特點(diǎn)。答：(1)相變阻力大。相變阻力多出了應(yīng)變能一項(xiàng)且擴(kuò)散困難。

18、(2)新相晶核與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。沿應(yīng)變能最小的方向和 界面能最低的界面發(fā)展。(3)慣習(xí)現(xiàn)象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。（4）母相晶體缺陷促進(jìn)相變。缺陷處品格畸變、自由能高，促進(jìn)形核及相變。（5）易出現(xiàn)過渡相。因?yàn)楣虘B(tài)相變阻力大，直接轉(zhuǎn)變困難一協(xié)調(diào)性中間產(chǎn)物（過 渡相）o2 .常用的熱處理工藝有哪些 ？試列舉出四種常用熱處理工藝在機(jī)械制造中的目 的或作用。答：常見的熱處理工藝有正火，退火，固溶，時(shí)效，淬火，回火，退火，滲碳， 滲氮，調(diào)質(zhì)，球化，釬焊等。 正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn) AC3或Acm以上的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間 后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理

19、工藝。 退火：將亞共析鋼工件加熱至 AC3以上20-40度，保溫一段時(shí)間后，隨爐 緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。 固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶 體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。 時(shí)效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后， 在室溫放置或稍高于室溫保持時(shí)， 其性能隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。 固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能， 消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工成型。 時(shí)效處理：在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫， 使強(qiáng)化相沉淀析出，得以硬化， 提高強(qiáng)度。淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速

20、度冷卻， 使工件在橫截面內(nèi)全部或一定 的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝?；鼗穑簩⒔?jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn) Aci以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間， 隨 后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時(shí)滲入碳和氮的過程。 習(xí)慣上碳氮共 滲又稱為氟化，以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用 較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。第八章1.冷加工金屬的微觀組織見下圖，隨溫度升高 (在某一溫度下保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間) 會(huì)發(fā)生從圖

21、ad的變化，試從微觀組織(包括驅(qū)動(dòng)力和過程)和宏觀性能兩個(gè)方 面，依次對(duì)上述變化加以解釋。1 .圖a所對(duì)應(yīng)的為加工組織，其特點(diǎn)為存在變形儲(chǔ)能和內(nèi)應(yīng)力，大量非平衡點(diǎn)缺陷。(2)拉長(zhǎng)的晶粒和晶界。(3)變形織構(gòu)。(4)高強(qiáng)度，高硬度，較低的延展性。2 .圖b所對(duì)應(yīng)的為回復(fù)過程，其特點(diǎn)為：(1)回復(fù)的驅(qū)動(dòng)力為變形儲(chǔ)能。(2)回復(fù)過程中變形引起的宏觀(一類)內(nèi)應(yīng)力全部消除，微觀二類應(yīng)力大部分 消除。(3)回復(fù)過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長(zhǎng)的晶粒；但空位濃度下 降至平衡濃度，電阻率下降，晶體密度增加；同一滑移面異號(hào)位錯(cuò)相互抵消造成 位錯(cuò)密度略有下降。(4)高溫回復(fù)階段刃型位錯(cuò)通過滑移、攀移運(yùn)動(dòng)發(fā)

22、生多邊形過程，造成加工 硬化現(xiàn)象保留，強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性稍有提高。3 .圖c所對(duì)應(yīng)的為再結(jié)晶過程，其特點(diǎn)為：(1)變形儲(chǔ)能全部釋放，點(diǎn)陣畸變(三類內(nèi)應(yīng)力)消除。(2)組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。(3)伴隨再結(jié)晶過程原子的重新排列，位錯(cuò)密度大大降低，變形過程所產(chǎn)生 的復(fù)雜位錯(cuò)交互作用消失，加工硬化現(xiàn)象消失。(4)力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇降低.塑性提高，恢復(fù)至變形前狀態(tài)。4 .圖d所對(duì)應(yīng)的為晶粒長(zhǎng)大過程，其特點(diǎn)為：(1)晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是界面能的降低。(2)晶粒長(zhǎng)大是大晶粒吞并小晶粒的過程。引起一些性能變化，如強(qiáng)度、塑性、韌性下降。伴隨晶粒長(zhǎng)大，還發(fā)生其他結(jié)構(gòu)上的變化，如再結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。2.將經(jīng)過大冷變形量(70蛆上)的純銅長(zhǎng)棒