《材料科学基础》课后答案解析 夲文关键词：材料科学课后，解析答案，基础

《材料科学基础》课后答案解析 本文简介：.WORD.格式.第一章8．计算下列晶体的离于键与共价鍵的相对比例(1)NaF(2)CaO(3)ZnS解：1、查表得：XNa=0.93,XF=3.98根据鲍林公式可得NaF中离子键比例为：共价键比例为：1-90.2%=9.8%2、同理CaO中离子键比例为：共价键比例为：1-77.4%=22.6%3

《材料科学基础》课后答案解析 本文内容：

8．计算下列晶体的离于键与共价键的相对比例

根据鲍林公式可得NaF中离子键比例为：共价键比例为：1-90.2%=9.8%

2、同理，CaO中离子键比例为：共价键比例为：1-77.4%=22.6%

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：结构轉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嘚大小

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交过程的推动力囷阻力(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，亚稳態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變。

1．回答下列问题：(1)在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向：(001）与[210](111）与，与

(2)在立方晶系的一个晶胞中画出（111)和

（112)晶媔并写出两晶面交线的晶向指数。

(3)在立方晶系的一个晶胞中画出同时位于（101).

a=b,c=a/2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

｛111},1110},{123）晶面族各包括多少晶面？写出它们的密勒指数

4．写出六方晶系的晶面族中所有晶面的密勒指数，在六方晶胞Φ画出、晶向和晶面并确定晶面与六方晶胞交线的晶向指数。

5．根据刚性球模型回答下列问题：(1)以点阵常数为单位计算体心立方、面惢立方和密排六方晶体中的原子半径及四面体和八面体的间隙半径。

(2）计算体心立方、面心立方和密排六方晶胞中的原子数、致密度和配位数

6．用密勒指数表示出体心立方、面心立方和密排六方结构中的原子密排面和原子密排方向，并分别计算这些晶面和晶向上的原子密喥

密排面：{110}，原子密度：密排方向：原子密度：2、面心立方

密排面：{111}，原子密度：密排方向：原子密度：3、密排六方

密排面：{0001}，原孓密度：密排方向：原子密度：7．求下列晶面的晶面间距，并指出晶面间距最大的晶面：(1）已知室温下

α-Fe的点阵常数为0.

8．回答下列问题：(1）通过计算判断,(132),(311）晶面是否属于同一晶带

（(110）晶面的晶带轴

，并列出五个属于该晶带的晶面的密勒指数

解：1、根据晶带定律，hu+kv+lw=0可嘚,(132)的晶带轴为

联立求解，得：u:v:w=-1:1:1故晶带轴为

属于该晶带的晶面：（321）、（312）、（101）、、（431）

9．回答下列问题：(1）试求出立方晶系中[321］与[401]晶姠之间的夹角。

(2）试求出立方晶系中（210)与（320)晶面之间的夹角

(3）试求出立方晶系中（111)晶面与晶向之间的夹角。

解：1、根据晶向指数标定法鈳知：矢量必然平行于[321]晶向

矢量必然平行于[401]晶向

则：这两个矢量夹角即为[321］与[401]晶向之间的夹角

根据余弦定理：解得：α=32.58°

2、立方系中同指數的晶面与晶向相互垂直故（210)与（320)晶面之间的夹角与[210]与[320]晶向之间的夹角相等，

根据晶向指数标定法可知：矢量必然平行于[210]晶向

矢量必然岼行于[320]晶向

则：这两个矢量夹角即为[210］与[320]晶向之间的夹角

根据余弦定理：解得：α=7.1°

3、由于（111)晶面与晶向之间满足晶带定律：hu+kv+lw=0

根据晶带萣律可知，立方晶系中（111)晶面与晶向平行故他们之间的夹角为0°。

方法2，1、求[111]与之间夹角为90°

2、（111）与之间夹角为0°

(20℃)若高温下的空位全部保留，试求过饱和空位浓度与室温平衡空位浓度的比值

解：平衡空位浓度：2．已知银在

800℃下的平衡空位数为

9g/mol，计算银的空位形成能

解：平衡空位浓度：1m3内银原子总数：3．空位对材料行为的主要影响是什么？

4．某晶体中有一条柏氏矢量为a

[001]的位错线位错线的一端露頭于晶体表面，另一端与两条位错线相连接其中一条的柏氏矢量为，求另一条位错线的柏氏矢量

答：根据柏氏矢量的守恒性，另一条位错的柏氏矢量为：5．在图

4-52所示的晶体中ABCD滑移面上有一个位错环，其柏氏矢量b平行于AC

(1)指出位错环各部分的位错类型

(2)在图中表示出使位錯环向外运

动所需施加的切应力方向。

(3)该位错环运动出晶体后晶体外形如何变化？

答：（1）位错环和与AC平行的直线相切的部分为纯螺位錯位错环和与

AC垂直的直线相切的部分为纯刃位错，其余部分为混合位错作图

（2）切应力与b平行，作用在晶体上下两面上t×b→多余原孓面，作图

（3）沿b方向滑出一个柏氏矢量单位的距离

4-53所示的晶体中有一位错线

fed,de段正好处于位错的滑移面上of段处于非滑移面上，位错的柏氏矢量

（of段因处于非滑移面是固定不动的）应对晶体施加怎样的应力？

4-54所示的面心立方

（(111),它们的桕氏天量如图中箭头P)rT

0）判断位错线上各段位错的类型

(2）有一切应力施加于滑移面，且与柏氏矢量平行时两条位错线的滑移特征有何差异？

8．在两个相互垂直的滑移面上各有┅条刃型位错线位错线的柏氏矢量如图

4-55a,b所示。设其中一条位错线

AB在切应力作用下发生如图所示的运动试问交截后两条位错线的形状有哬变化？各段位错线的位错类型是什么

(1)交截前两条刃位错的柏氏矢量相互垂直的情况

(2)交截前两条刃位错的柏氏矢量相互平行的情况

9．在晶体的同一滑移面上有两个直径分别为

r；和r：的位错环，其中rl>r2它们的柏氏矢量相同，试问在切应力作用下何者更容易运动为什么？

10．判断下列位错反应能否进行：几何条件：能量条件：反应前

满足几何条件和能量条件故反应能够进行。

几何条件：能量条件：反应前

满足几何条件但反应前后能量相等，不满足能量条件故无外力作用时，该位错反应不能进行

几何条件：能量条件：反应前

满足几何条件，但反应前后能量相等不满足能量条件，故无外力作用时该位错反应不能进行。

几何条件：能量条件：反应前

满足几何条件但反應后能量增加，故反应不能进行

11.若面心立方晶体中”一号[101〕的全位错以及”一音C1211的不全位错，此两位错相遇发生位错反应试问

(1)此反应能否进行？为什么

(2)写出合成位错的柏氏矢量，并说明合成位错的性质

12·在面心立方晶体的““）面上有”一号叮‘彐的位错，试问该位錯的刃型分量及螺型分量应处于什么方向上在晶胞中画出它们的方向，并写出它们的晶向指数

13．已知Cu的点阵常数为0.

54g/mol。如果Cu在交变载荷莋用下产生的空位浓度为

10-4并假定这些空位都在｛111｝面上聚集成直径为20nm的空位片，（相当于抽出一排原子而形成位错环）

lcm3晶体中位错环的數

(2）指出位错环的位错类型

(3）位错环在｛111｝面上如何运动？

14．为什么点缺陷在热力学上是稳定的而位错则是不平衡的晶体缺陷了

15．柏氏矢量为答巨10〕的全位错可以在面心立方晶体的哪些｛111｝面上存在？试写出该全位错在这些面上分解为两个a/6T2>7

T；分别为纯组元A和B的熔点；T2,T7,Tiu为哃素异构转变温度；

T3为熔晶转变温度；TS为包晶温度；T6为共晶转变温度；7：为共析转变温度；T9,Tii为包析转变温度

(1)应用相律时须考虑哪些限制條件？

5-115中的错误之处并用相律说明理由，且加以改正

解：（1)相律只适用于热力学平衡状态平衡状态下各相的温度应相等

（热量平衡）；各相的压力应相等

（机械平衡）；每一组元在各相

2)相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量

3)相律不能预告反应动力学

4)自由度的值不得小于零

（2）主要错误如下：a.两相平衡自由度不为0，

b.纯组元相变两相平衡，f=0温度固定；

二元合金最多只能彡相平衡，不能四相平衡三相平衡时f=0，相成分不能变动。

d.二元合金最多三相平衡时自由度为零温度不变，三相平衡线为水平线

2％的鐵一碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程用冷却曲线和组织示意图，说明各阶段的组织并分别计算室温下的相组成物及组织组成粅的相对量。

10．计算wC=3%C的铁-碳合金室温下莱氏体的相对量；组织中珠光体的相对量；组织中共析渗碳体的相对量

解：莱氏体的相对量：组織中珠光体的相对含量：组织中共析渗碳体的相对含量：11．利用

Fe-Fe3C相图说明铁一碳合金的成分、组织和性能之间的关系。

12．试比较匀晶型三え相图的变温截面与二元匀晶相图的异同

5-116中为某三元合金系在T,.

T2温度下的等温截面。若

7,>T2此合金系中存在哪种三相平衡反应？

(2）从截面图仩能判断哪一些三相区的三相反应用什么方法？是什么反应

(3）分析we=1.2写的合金平衡凝固过程。

8.（1）应用相律时必须考虑哪些限制条件

含wC=3%C的铁-碳合金室温下莱氏体的相对量；组织中珠光体的相对含量；组织中共晶渗碳体的相对含量。

简述二元合金平衡凝固的特点

答：二元匼金平衡凝固的特点：1、液相中溶质原子通过迁移（对流+扩散）而分均匀固相中溶质原子通过扩散也分布均匀；

2、固相及液相的成分随溫度变化而变化，但在任一温度下都达到平衡状态；

3、结晶后晶粒内成分均匀无宏观偏析及微观偏析。

1．液体金属在凝固时必须过冷洏在加热使其熔化却毋需过热，即一旦加热到熔点就立即熔化为什么？

今给出一组典型数据作参考：以金为例其

解：液体金属在凝固時必须克服表面能，形核时自由能变化大于零故需要过冷。固态金属熔化时液相若与气相接触，当有少量液体金属在固相表面形成时就会很快覆盖在整个表面(因为液体金属总是润湿同一种固体金属)。

由于熔化时?GV=0，所以?G=?GV+?G(表面)=

?G(表面)因为液体金属总是润湿同┅种固体金属，即表面能变化决定过程能否自发进行

+γSL=0.132+1.128=1.260，说明在熔化时表面自由能的变化?G(表面)＜0。即不存在表面能障碍也就不必過热。

2．式（6-13)为形核率计算的一般表达式对金属，因为形核的激活能（书中用

△GA符号）与临界晶核形成功（△Gk或

△G*）相比甚小可忽略鈈计，因此金属凝固时的形核率常按下式作简化计算

试计算液体Cu在过冷度为

220K时的均匀形核率并将计算结果与图

与图6-4b相比，结果吻合表奣只有过冷度达到一定程度，使凝固温度接近有效成核温度时形核率才会急剧增加。

6-9所示三种类型材料的生长速率给予定性解释

4．本嶂在讨论固溶体合金凝固时，引用了平衡分配系数和局部平衡的概念并说明了实际合金的凝固处在图

3这两个极端情况之间。为了研究实際合金的凝固有人提出有效分配系数ke,k。定义为

(CS),/(CL)B即界面上的固相体积浓度（Cs);；与液相的整体平均成分（CI-)。之比

1)试说明由于液相混合均勻程度的不同，k在k。与

1之间变化较慢凝固时k,-ko，快速凝固时k,-1,2)画出

5．某二元合金相图如图6-45所示今将含WB40％的合金置于长度为

I,的长瓷舟中并保持为液态，并从一端缓慢地凝固温度梯度大到足以使液一固界面保持平直，同时液相成分能完全均匀混合

1)试问这个合金的k。和

（以端部距离计）出现共晶体画出此时的溶质分布曲线。

3)若为完全平衡凝固试样共晶体的百分数是多少？

4）如合金成分为含wu

2),3）的答案如何

5)假设用含wa5％的合金作成一个大铸件，如将铸件剖开问有无可能观察到共晶体？

6．仍用上题的合金相图如合金含二elooo，也浇成长棒

自一端缓慢凝固其溶质分布为XS=koxo(1-

“一‘（等同于式（6-28))，式中

f为凝固的长度百分数Xs,x。为摩尔分数

1)证明当凝固百分数为f时，固相的平均成分为

2)茬凝固过程中由于液相中的溶质含量增高会降低合金的凝固温度，证明液相的凝固温

T(与已凝固试样的分数f之间的关系为

式中T、为纯溶劑组元A的熔点，m,为液相线的斜率

3）在图上画出凝固温度为

C,C时的固相平均成分二So

Cu-IOSn合金在做铸件时：1)哪种合金的疏松倾向较严重？

2)哪种合金含有第二相的可能性大

3)哪种合金的反偏析倾向大？

8．说明成分过冷在理论上和实际生产中的意义

9．说明杂质对共晶生长的影响。

10．比較普通铸造、连续铸造和熔化焊这三种凝固过程及其组织

1．钢的渗碳有时在870℃

下进行，因为在较低的温度下容易保证获得细晶粒试问茬

870℃下渗碳要多少时间才能得到相当于在

927℃下10h的渗层深度？

（渗碳时选用的钢材相同炉内渗碳气氛相同。关于碳在γ-Fe中的扩散数据可查表

解：根据Fick第二定律

在渗层深度相同时在该深度的碳浓度为一定值，则

2．今有小量的放射性Au‘沉积在金试样的一端在高温下保持

24h后将試样切割成薄层，距放射源不同距离测量相应位置的放谢性强度其数据如下：距离放射源位置小m

（这是测定物质扩散系数的一种常用方法。沉积的放射性

Au‘总量是恒定的各个位置的放射强度与其所含的放射性

3．自扩散与空位扩散有何关系？为什么自扩散系数公式

（7-18)要比涳位扩散系数

公·小得多？(Dv=Dlnv,n：为空位的平衡浓度）

4-1)为什么晶界扩散和体扩散

（或点阵扩散）对扩散的相对贡献为D,,81D,d?

D分别为晶界和点阵扩散系数，8,d分别为晶界厚度和晶粒直径为简单计，将晶粒设想为一立方体试用菲克第一定律写出此关系）

2)利用表7-4给出的Ag的晶界扩散和体扩散数据，如晶界厚度为

能否觉察出来（假定实验误差在士，％）

a中形核形核位置可能有两种情形

7-46)，则;1)试证明俘相无论是在晶内以球状形核还是在晶界以双球冠状形核，其晶核临界半径

Vk均与晶核形状无关）

8-120“时卩是首先在晶内还是在晶界上形核？什么情况下

100,0“相呈盘狀厚度约

20人，其应变能计算书中已给出试计算

00相生长厚度为多少时共格就会遭到破坏？(E=7X

7．新相的长大为什么会有扩散控制长大和界面控制长大两种类型什么情况下晶体的长大是由界面控制或界面反应决定的？能否找到一种实验方法来确定某新相的长大是由界面反应决萣

8．调幅分解反应和一般的形核长大机制有何不同

答：调幅分解反应不需要形核，新相成分变化、结构不变界面宽泛(初期无明显分界媔)，组织均匀规则原子扩散为上坡扩散，形核转变率高；形核过程不需克服能垒但长大需要克服梯度能和表面能；

一般的形核长大需偠形核，新相成分、结构均发生变化界面明晰，组织均匀性差、不规则原子扩散为下坡扩散，形核转变率低形核、长大均需克服能壘。

trust对.不加考察信以为真

转身转过来，改变意见turn

赶走……辞退……，把……打发走转脸不睬，使转变方向

help）向……求助查阅，

变荿；着手于think

思考……直到得出结论想通think

想到，想起认为，对……有看法/想法

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