材料科学与工程复习思考题.docx
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材料科学与工程复习思考题
第1章绪论
思考题
1．材料科学与工程的四个基本要素
解：
制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用
2．材料科学与工程定义
解：
关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3．按材料特性，材料分为哪几类？
金属通常分哪两大类？
无机非金属材料分哪四大类？
高分子材料按使用性质哪几类？
解：
按材料特性，材料分为：
金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：
黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：
混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：
塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性
解：
①金属材料的基本特性：
a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：
a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：
粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：
a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf）；c.力学状态有三态：
玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础StructureofMatter
思考题
1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？
解：
主量子数n、角量子数l、磁量子数ml、自旋量子数ms
2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？
解：
泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则
3．配位数及其影响配位数的因素
解：
配位数：
一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：
①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
4．电离能及其影响电离能的因素
解：
电离能：
从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。
影响因素：
①同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；②同一族，原子半径增大，电离能减小；③电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；
5．混合键合实例
解：
石墨：
同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合；
高分子：
同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。
作业题
2-1按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。
解：
N:
1s22s22p3O:
1s22s22p4Si:
1s22s22p63s23p2
Fe:
1s22s22p63s23p63d64s2Cu:
1s22s22p63s23p63d104s1Br:
1s22s22p63s23p63d104s24p5
2-288.83%的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原子质量。
解：
镁原子的质子为12
镁原子的相对原子质量M=88.83%（12+13）+11.17%（12+14）=25.11
3．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？
从左到右或从上到下元素结构有什么区别？
性质如何递变？
解：
①在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。
在同一主族中，各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。
②在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素中，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。
4．比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
解：
①金属材料：
简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。
②陶瓷材料：
陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。
③高分子材料：
高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。
④复合材料：
复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。
5．比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。
解：
键能大小：
化学键能>物理键能
共价键≥离子键>金属键>氢键>范德华力
共价键中：
叁键键能>双键键能>单键键能
结合键的主要特点：
①金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；
②离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；
③共价键共用电子对，有饱和性和方向性；
④范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；
⑤氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。
结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：
①结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。
金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。
具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。
②密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。
金属的高密度有两个原因：
一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。
离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。
高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。
③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。
结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。
陶瓷250~600GPa，金属70~350GPa，高分子0.7~3.5GPa。
④塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。
材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。
思考题
1．空间点阵，配位数
解：
空间点阵：
一系列在三维空间按周期性排列的几何点称为一个空间点阵。
配位数：
一原子最邻近的、等距离的原子数。
2．晶面指数，致密度
解：
晶面指数：
指面在3个晶轴上的截距系数的倒数比，当化为最简单的整数比后，所得到的3个整数。
致密度：
晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。
3．液晶及其液晶的分类（从分子排列的有序性类，按液晶的形成条件分类）
解：
液晶：
某些结晶物质受热熔融或被溶剂溶解之后，失去固态物质的刚性，变成具有流动性的液态物质，但结构上保存一维或二维有序排列，物理性质上呈现各向异性，兼有部分晶体和液体性质的过渡中间态物质。
1从分子排列的有序性分类：
a.丝状相（向列相）；b.螺旋状相（胆甾相）;c.层状相（近晶相）
2按液晶的形成条件分类：
a.热致液晶；b.溶致液晶
4．同素异构转变，并举例说明。
解：
同素异构转变：
改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。
例：
铁在不同温度下晶体结构不同，
<906℃体心立方结构，α-Fe
906～1401℃面心立方结构，γ－Fe
1401℃～熔点（1540℃）体心立方结构，δ-Fe
高压下（150kPa）密排六方结构，ε－Fe
5．按键合类型，晶体分哪几类？
各自的键合类型和主要特点如何？
解：
按键合类型，晶体分为：
金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。
1金属晶体：
金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和性；低能量密堆结构。
（大多数金属晶体具有面心立方，体心立方和密排六方结构，金属晶体的原子排列比较紧密，其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。
）
2离子晶体：
离子键结合，无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小。
（硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。
）
3共价晶体：
共价键结合，具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制，晶体的配位数为（8-N）。
N表示原子最外层的电子数。
（强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。
配位数比金属晶体和离子晶体低）
4分子晶体：
范德华键合氢键结合；组元为分子，仅有范德华键时，无方向性和饱和性，趋于密堆，分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用，限制了堆砌方式；有氢键时，有方向性和饱和性。
作业题
1．归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点
解：
结构特征
结构类型
体心立方（bcc）
面心立方（fcc）
密排六方（hcp）
点阵类型
体心立方
面心立方
简单六方
点阵常数
a
a
a，c，c/a=1.633
最近的原子间距
（原子直径）
晶胞中原子数
6
配位数
8
12
12
致密度
0.74
2．已知916℃时，γ-Fe（面心立方）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）,（111）,（112）的晶面间距。
解：
属于立方晶系
，面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时
∴（100）面，
（111）面，
（112）面，
2-14计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r（Na+）=0.097,r（Cl-）=0.181）;（c）由计算结果，可以引出什么结论？
解：
（a）
∴面心立方金属的原子致密度为0.74。
（b）N（Na+）=3*4*1/4+1=4N（Cl-）=6*1/2+2*4*1/8=4
a=2r（Na+）+2r（Cl-）=0.556
（c）结论：
原子大小相同时，致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密度。
2-15铁的单位晶胞为立方体，晶格常数为a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。
解：
由资料可知，
∴
∴每个单位晶胞所含的原子个数为2。
2-17计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。
解：
面心立方：
，
体心立方：
，
密排六方：
，
，
，
∴面心立方的致密度为0.74，体心立方的致密度为0.68，密排六方的致密度为0.74。
2-21（a）在1mm3的固体钡中含有多少个原子？
（b）其原子堆积因子是多少？
（c）钡属于哪一种立方结构？
（原子序=56，相对原子质量137.3，原子半径=0.22nm，离子半径=0.143nm，密度=3.5mg/mm3）
解：
（a）
∴
∴在1mm3的固体钡中含有
个原子。
（b）原子堆积因子是金属正离子和自由电子之间的库仑力。
（c）
∴钡属于体心立方结构。
2-23钻石结构的晶格常数a=0.357nm,当它转变成石墨时，体积变化的百分比是多少？
（石墨密度2.25mg•mm-3）
解：
钻石属于面心结构，有4个体心
∴
∴
∴
∴钻石转变为石墨时，体积增加55.8%。
2-26一平面与晶体两轴的截距为a=0.5，b=0.75，并且与Z轴平行，则此平面的米勒指数是什么？
解：
∴此平面的米勒指数为（320）。
2-27一平面与三轴的截距为a=1，b=-2/3，c=2/3，此平面的米勒指数是什么？
解：
∴此平面的米勒指数是
。
2-30某X光波长0.058nm，用来计算铝的d200，其衍射角2θ为16.47°，求晶体常数是多少？
解：
∴a=2d200=0.404nm
∴晶体常数为0.404nm。
2-39在温度为912℃，铁从bcc转到fcc。
此温度时铁的两种结构的原子半径分别为0.126nm和0.129nm，
（1）求其变化时的体积变化V/O。
从室温加热到铁1000℃，铁的体积变化？
解：
（1）bccN1=2fccN2=4
，
∴
∴
∴其变化时的体积变化为0.014。
（2）912℃时，由bcc转变为fcc，体积减小；912℃-1000℃，受热膨胀，体积增大。
思考题
1．影响形成间隙型固溶体的因素
解：
A．晶格结构（溶质原子半径小,溶剂原子晶格间隙大）；B．平衡或保持电中性。
2．有序合金的原子排列有何特点?
这种排列和结合键有什么关系？
解：
特点：
各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列，称为分点阵，整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称为超点阵或超结构。
3．为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能?
解：
间隙固溶体其中一个组元只能进入另一组元的空隙中，溶解度小，而置换型固溶体两组元原子大小近似，因此可以无限互溶。
作业题
简述影响置换型固溶体置换的因素
解：
A．离子大小:
同晶型时，
Δr＜15％，有可能完全互溶
Δr=15～30%，部分互溶
Δr>30%，难置换，不能形成固溶体
B．键性（极化）
两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大；溶质与溶剂元素间的电负性差增大，固溶度减小，倾向于生成稳定的金属化合物，而不利于形成固溶体。
生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度愈小。
C．晶体结构类型和晶胞大小
当组元A和B有相同晶体结构，B原子才有可能连续不断地置换A原子，固溶度较大；晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体
D．电价（原子价，电子浓度）
原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固溶度降低。
思考题
1．晶体缺陷的分类。
肖脱基缺陷（SchottkyDefect）
弗仑克尔缺陷（FrenkelDefect）：
点缺陷对晶体性质的影响
解：
肖脱基缺陷：
有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。
弗仑克尔缺陷：
同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基（空位）缺陷。
点缺陷对晶体性质的影响：
点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。
1）使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散射增加；
2）加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动；
3）使材料体积增加，密度下降
4）比热容增大附加空位生成焓
5）改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。
2．柏氏矢量的物理意义。
解：
表示晶体形成位错的滑移方向和大小。
3．简述刃型位错、螺型位错与位错线、柏氏矢量和位错滑移方向之间的关系。
解：
①刃型位错滑移方向与位错线垂直；
②螺型位错滑移方向与位错线平行。
4．位错的运动及其特点。
解：
①位错的滑移：
在外力作用下，位错线在滑移面（即位错线和柏氏矢量构成的晶面）上的运动，结果导致晶体永久变形。
滑移是位错运动的主要方式。
特点：
a.刃型位错滑移方向与外力及柏氏矢量平行，正、负位错滑移方向相反；b.螺型位错滑移方向与外力及柏氏矢量垂直，左、右螺型位错滑移方向相反；c.混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量成一定角度（即沿位错法线方向滑移）；d.晶体的滑移方向与外力及柏氏矢量相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同。
②位错攀移，在热缺陷或外力下，位错线在垂直其滑移面方向上的运动，结果导致晶体中空位或间隙质点的增殖或减少。
a.位错攀移是靠原子或空位的转移来实现的，螺型位错没有多余半原子面，固无攀移运动；b.由于位错攀移需要物质的扩散,因此，不可能是整条位错线同时攀移，只能一段一段地逐段进行；c.单晶生长利用位错攀移来消灭空位。
思考题
一．体积（晶格）扩散的微观机制类型
解：
体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。
包括3种微观扩散机制：
①空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。
②间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。
③直接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置。
二．为什么钢铁零件渗碳温度一般要选择γ—Fe相区中进行?
若不在γ相区进行会有何结果?
解：
α—Fe中的最大碳溶解度（质量分数）只有0.02l8％，对于含碳质量分数大于0.0218％的钢铁，在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳无法进行，即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中浓度梯度很小，在表面也不能获得高含碳层；由于温度低，扩散系数也很小，渗碳过程极慢，没有实际意义。
γ—Fe中的碳溶解度高，渗碳时在表层可获得较高的碳浓度梯度，使渗碳顺利进行。
三．比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。
1．温度对扩散系数的影响
2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数
3．体积扩散系数（晶格或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）
4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数。
5．铁的自扩散系数α（Fe）与γ（Fe）
解：
1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。
2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。
键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。
共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数。
3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况，原子排列越紧密，原子间的结合力越强，扩散激活能越高，而扩散系数越小；②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子，他们扩散所需的活化能也较小，相应的扩散系数较大。
4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。
因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。
间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。
5.α（Fe）属于体心结构，γ（Fe）属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-（Fe）相比，
在912℃时，Dα-（Fe）≈280Dγ-Fe
作业题
2-45．在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。
1000℃时扩散系数为3×10-11ms-1，且结构为面心立方（a＝0.365nm）。
问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？
解：
计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度
C1＝1/20（0.365×10-9）3＝1.03×1027个/m3
C2＝1/30（0.365×10-9）3＝0.68×1027个/m3
J=-DΔc/Δx＝-（3×10-11）×（0.68-1.03）×1027/10-3＝1.05×1019/m2s
每一个单位晶胞的面积为（0.365×10-9）2
每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数:
Ja=（1.05×1019/m2s）×（0.365×10-9）2×60＝84个/min
∴每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有84个。
2-47含0.18%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2•s-1，若表面含碳量为1%，试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间。
解：
Cs=1%C0=0.18%Cx=0.3%
，即
由误差函数表可知，
得t=1.84h
∴距表面0.60mm处的碳含量达到0.3%所需的时间为1.84h。
2-48含0.20%碳的碳钢在927℃今进行气体渗碳，此时D=1.28*10-11m2•s-1，若表面含碳量为1.2%，试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。
解：
Cs=1.2%C0=0.20%
，即
，得Cx=0.32%
∴渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量为0.32%。
2-49计算550℃时铜在铝中的扩散系数（D0=1.5*10-5m2•s-1,Q=191kJ•mol-1）。
解：
∴550℃时铜在铝中的扩散系数为
。
思考题
1．固态相变，结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？
解：
1固态相变在温度、压力、成分改变时。
固体材料的内部组成结构（相成分、结构和有序度的变化）所发生的转变。
2结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发生变化，达到另一种亚稳态。
3非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点：
都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。
非晶态晶化:
T＜Tg，相变驱动力大，成核功小，利于成核和
晶体生长；
粘度大，固相内扩散，扩散慢，不利于成核和
晶体生长，更有利于保持非晶状态。
熔体冷凝结晶：
Tg＜T＜Tm，液体内的扩散
2．在f～g点之间的不同成分的合金，标注其室温组织的构成?
解：
不同成分合金的室温组成如下图所示：
3．分别求W（Sn）=61.9%和W（Sn）=50%时，在183℃转变时，各相的相对含量?
解：
①W（Sn）=61.9%
，
②W（Sn）=50%
，
思考题
1．固体表面结构的主要特点?
解：
固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。
晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；
2．固体表面对外来原子发生哪两种吸附?
并比较其主要特征?
解：
物理吸附、化学吸附
主要特征
物理吸附
化学吸附
吸附力
分子间力
化学键力
选择性
不明显
很显著
吸附热
近于液化热0-20kJ/mol
近于反应热80-400kJ/mol
吸附速度
速度快易平衡
速度慢难平衡
吸附层
单或多分子
只能单分子
3．分析讨论影响材料表面能的因素?
解：
表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。
要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。
作用力弱，做功小，表面能低。
1）键性：
表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。
低表面能物质：
水0.059，石蜡0.03，PE0.035，PTFE0.023，PA660.047
2）温度：
温度升高，表面能一般减小。
热运动削弱了质点间的吸引力。
3）杂质：
含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小。
4．三种润湿的数学表达式?
共同点及其规律?
解：
①沾湿：
WA=－ΔG=Sg+Lg－SL
2润湿：
Wi=－ΔG=sg-sL
3铺展：
S=－ΔG=sg-Lg-sL
三种润湿的共同点:
液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气（或液/气）界面消失，被固/液界面取代
三种润湿的规律：
沾湿粘附功Wa=A+LgWa=Sg+Lg－SL
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