材料科學與工程基礎(chǔ)期末考試復習解答題匯總ppt課件

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1 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子結(jié)構(gòu)有什么共同特點？從左到右或從上到下元素結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別？性質(zhì)如何遞變？ 同一周期元素具有相同原子核外電子層數(shù)，從左到右，核電荷增多，原子半徑逐漸減小，電離能增加，失電子能力降低，得電子能力增加，金屬性減弱，非金屬性增強； 同一主族元素核外電子數(shù)相同，從上向下，電子層數(shù)增多，原子半徑增大，電離能降低，失電子能力增加，得電子能力降低，金屬性增強，非金屬性降低。,1,2 比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復合材料在結(jié)合鍵上的差別。 簡單金屬完全為金屬鍵，過渡族金屬為金屬鍵和共價鍵的混合，但以金屬鍵為主； 陶瓷材料是由一種或多種金屬同非金屬(通常為氧)相結(jié)合的化合物，其主要為離子鍵，也有一定成分的共價鍵； 高分子材料，大分子內(nèi)的原子之間結(jié)合為共價鍵，而大分子與大分子之間的結(jié)合為物理鍵。 復合材料是由二種或二種以上的材料組合而成的物質(zhì)，因而其結(jié)合鍵非常復雜，不能一概而論。,2,3 比較鍵能大小和各種結(jié)合鍵的主要特點。 化學鍵能 物理鍵能， 共價鍵能 ≥離子鍵能 金屬鍵能 氫鍵能 范氏鍵能 共價鍵中：叁鍵鍵能 雙鍵鍵能 單鍵鍵能 金屬鍵，由金屬正離子和自由電子，靠庫侖引力結(jié)合，電子的共有化，無飽和性，無方向性； 離子鍵以離子為結(jié)合單元，無飽和性，無方向性； 共價鍵共用電子對，有飽和性，有方向性； 范德華力，原子或分子間偶極作用，無方向性，無飽和性； 氫鍵，分子間作用力，氫橋，有方向性和飽和性。,3,簡述結(jié)合鍵類型及鍵能大小對材料的熔點﹑密度﹑導電性﹑導熱性﹑彈性模量和塑性有何影響。 1) 結(jié)合鍵類型及鍵能對材料熔點的影響 熔點高低代表材料的穩(wěn)定性程度。加熱時，當熱振動足以破壞相鄰原子間的穩(wěn)定結(jié)合時，材料發(fā)生熔化。結(jié)合鍵類型和結(jié)合(鍵)能大小決定材料熔點的高低。 結(jié)合(鍵)能大小順序： 共價鍵 ≥ 離子鍵 金屬鍵（過渡金屬大） 氫鍵 范德華力。 陶瓷材料（共價鍵 ，離子鍵 ）比金屬（金屬鍵）具有更高的熔點或熱穩(wěn)定性。高分子具有二次鍵，熔點偏低。 2) 結(jié)合鍵類型及鍵能對材料密度的影響 金屬密度高的兩個原因： 第一，金屬有較高的相對原子質(zhì)量。 第二，金屬鍵沒有方向性，金屬原子趨于密集排列。,4,陶瓷材料為共價鍵和離子鍵的結(jié)合，其密度較低： 共價結(jié)合時，相鄰原子的個數(shù)受到共價鍵數(shù)目的限制，離子鍵結(jié)合時，要滿足正、負離子間電荷平衡的要求，它們的相鄰原子數(shù)都不如金屬多。 聚合物多為二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，且其組成原子質(zhì)量較小，聚合物密度最低： 3) 結(jié)合鍵類型及鍵能對材料導電性﹑導熱性的影響 金屬鍵由金屬正離子和自由電子，靠庫侖引力結(jié)合。價電子能在晶體內(nèi)自由運動，金屬有良好導電性；不僅正離子振動傳遞熱能，電子運動也傳遞熱能，金屬有良好導熱性； 非金屬鍵結(jié)合的陶瓷和聚合物在固態(tài)下不導電，導熱性小，作為絕緣體或絕熱體在工程上應用。,5,4) 結(jié)合鍵類型及鍵能對材料力學性能（彈性模量和塑性）的影響 材料受力發(fā)生彈性變形，對應原子間距的變化。結(jié)合鍵能越大,原子之間距離的變化所需的外力越大, 材料的拉伸或壓縮模量越大。 共價鍵 ≥ 離子鍵 金屬鍵（過渡金屬大） 氫鍵 范德華力 陶瓷的模量金屬的模量高分子的模量。 金屬鍵無飽和性，無方向性，正離子之間相對位置的改變不破壞電子與正離子間的結(jié)合力。金屬受力變形，可改變原子之間的相互位置，但金屬鍵不被破壞，使金屬有良好延展性（范性變形）。 共價鍵鍵能高，有方向性和有飽和性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，改變原子間的相對位置很困難，共價鍵結(jié)合的材料，塑性變形能力差，硬而脆。,6,4 氧化鎂與氯化鈉具有相同的結(jié)構(gòu)。已知Mg離子半徑r1為0.066nm，氧離子半徑r2為0.140 nm。 鎂的相對原子質(zhì)量為24.31；氧的相對原子質(zhì)量為16.00。(1)求氧化鎂的晶格常數(shù)? (2)求氧化鎂的密度? (3) 求氧化鎂的致密度?,7,8,面心立方化合物氧化鎂, 氯化鈉的致密度為： 4（4ЛR3/3）+4（4Лr3/3）/（2 R+2 r）3＝ 原子相同時，致密度與原子大小無關(guān)； 當不同種類的原子出現(xiàn)時，其原子的相對大小必然影響致密度。,9,5 （1）面心立方（ fcc ）Face-Centered Cubic 原子位置 立方體的八個頂角 和每個側(cè)面中心,A1、γ-Fe、Ni、Cu、Rh、Pt、Ag 、 Au等,10,（2） bcc 體心立方 Body-centered Cubic 原子位置 立方體的八個頂角和體心,V, Mo, Nb, α-Fe, Cr, W 等,11,（3）hcp 密堆六方 Hexagonal Close-Packed 原子位置 12個頂角、上下底心 和體內(nèi)3處,Be、Mg、Zn、Cd、 α-Ti 、 α -Co．,12,6 歸納總結(jié)3種典型金屬結(jié)構(gòu)（bcc、fcc 和hcp）的晶體學特點（配位數(shù)、每個晶胞中的原子數(shù)、點陣常數(shù)、致密度和最近的原子間距）。 體心立方（bcc）：8；2；a；0.68； 面心立方（fcc）: 12；4；a； 0.74； 密排六方（hcp）: 12；6；a，c，c/a =1.633；0.74；a,13,7 簡述影響置換型固溶體置換的因素 ( 8分 ) 1）離子大小: 同晶型時，Δr ＜15％，有可能完全互溶；Δr = 15～30%，部分互溶；Δr 30%， 難置換，不能形成固溶體。 ( 2分 ) 2）鍵性（極化）：兩元素間電負性相近，有利于固溶體的生成；電負性差別大，固溶度減小，傾向于生成金屬化合物。 ( 2分 ) 3)晶體結(jié)構(gòu)和晶胞大?。合嗤w結(jié)構(gòu)，固溶度較大；晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能形成有限型固溶體。 ( 2分 ) 4)電價：原子價（離子價）相同，固溶度大；價態(tài)差越大，固溶度降低。 ( 2分 ),14,,8． 計算在500℃下每小時通過一塊面積為0.20m2，厚度為5mm的金屬鉑板的氫原子質(zhì)量。假設在穩(wěn)定條件下氫原子的擴散系數(shù)為1.0×10-8m2/s，鉑板高低壓兩側(cè)氫濃度分別為2.4kg/m3和0.6kg/m3。 公式- 代入數(shù)據(jù)- 結(jié)果 (6分) 解：穩(wěn)定條件下，由菲克第一定律可得： ； (3分) 每小時通過面積為0.20m2金屬鉑板的氫原子質(zhì)量為： (3分),15,9. 在鋼棒表面上，每20個鐵的晶胞中有一個碳原子，在離表面1mm處每30個鐵的晶胞中有一個碳原子。溫度為1000℃時擴散系數(shù)為3×10-11 m2s -1，且結(jié)構(gòu)為面心立方(a＝0.365nm)。問每分鐘因擴散通過單位晶胞的碳原子數(shù)有多少個？ (8分) 解：計算鋼棒表面及表面下1mm處的碳濃度 C1 ＝ 1/20(0.365×10-9)3 ＝ 1.03×1027 (個/m3 ) ( 2分) C2 ＝ 1/30(0.365×10-9)3 ＝ 0.68×1027 (個/m3 ) ( 2分) J = - D Δc /Δx ＝-（3×10 - 11 m2s -1 ）×（0.68-1.03） ×1027(個/m3 ) /10-3 m＝1.05×1019 (個/m2×s ) ( 2分) 每一個單位晶胞的面積為(0.365×10-9 m)2 Ja = (1.05×1019個/m2×s) ×(0.365×10-9m)2×60(s/min)＝84個/min ( 2分),16,,10．在912℃時，鐵從bcc轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。此溫度時鐵的兩種結(jié)構(gòu)的原子半徑分別為0.126nm和0.129nm,試求其結(jié)構(gòu)變化時的體積變化率為多少? (9分) 兩個bcc鐵晶胞 (2個鐵原子/晶胞)，一個fcc鐵晶胞(4個鐵原子/晶胞)均含有4個鐵原子 兩個bcc鐵晶胞 : V＝2a3＝2×(4×0.126/ 31/2)3＝0.0493 nm3 ( 2分) 一個fcc鐵晶胞: V＝a3＝(4×0.129/ 21/2)3＝0.0486 nm3 ( 2分) 912℃結(jié)構(gòu)變化時,體積變化率為: ΔV/ V0＝（0.0486- 0.0493/0.0493＝-0.014＝-1.4% ( 2分) 從室溫加熱鐵到912℃時，體積逐漸增大； ( 1分) 912℃時，鐵從bcc轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc，體積減??； ( 1分) 912℃到1000℃，體積逐漸增大； ( 1分),17,bcc鐵的單位晶胞體積，在912℃時是0.02464 nm3；在相同溫度時fcc鐵的單位晶胞體積是0.0486 nm3。問當鐵由bcc轉(zhuǎn)變成fcc時，其密度改變的百分比為多少? 鐵的相對原子質(zhì)量為55.85。,18,11 含0.20%碳的碳鋼在927℃進行氣體滲碳，此時D = 1.28χ10-11m2/s,若表面的碳含量為1.2％，試求滲碳10h后距表面1.5mm處的碳含量。 ( 8分 ) CS =1.2％, C0=0.2% , X=1.5*10-3 m , D = 1.28χ10-11m2/s, t=10*3600 s 由菲克第二定律，在鋼件的滲碳工藝中的應用 ( 3分 ) (1.2% - C)/ (1.2％-0.2%) = erf(1.5*10-3/2 (1.28χ10-11 *10*3600)1/2 = erf(1.105) ( 3分 ) 查誤差函數(shù)表得：(1.2% - Cx)/ (1.2％-0.2%) =0.88 ( 2分 ) C =0.32%,19,,20,含0.18%碳的碳鋼在927℃進行氣體滲碳，D = 1.28χ10-11m2/s,若表面的碳含量為1％，試求距表面0.60mm處的碳含量達到0.30％所需的時間。 ( 8分 ) CS =1％, C0=0.18% , Cx= 0.30％ , X=0.60*10-3 m , D = 1.28χ10-11m2/s,,(1-0.3)/ (1-0.18) =0.8537=erf(0.60*10-3/2 (1.28χ10-11 t)1/2 ( 3分 ) 查誤差函數(shù)表得： 1.025 =0.0839*103 / (t)1/2 t = 6695(s) =1.859(h),21,2．(a) 在每1mm3的固體鉭中含有多少個原子？(b)求其原子堆積因子（密度）？(c) 鉭屬于哪一種立方體結(jié)構(gòu)？(鉭原子序數(shù)=73，原子質(zhì)量=180.95，原子半徑=0.1429nm，密度=16.6g/cm3)。 ( 7分 ) （1）（2）（3）步分別為3,3,1分。,22,23,例1 金剛石為碳的一種晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.357nm，當它轉(zhuǎn)換成石墨( 2.25 g/cm3)結(jié)構(gòu)時，求其體積改變百分數(shù)？ 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為復雜的面心立方結(jié)構(gòu)，每個晶胞共含有8個碳原子。金剛石的密度 ：,g/cm3,對于1g碳，當它為金剛石結(jié)構(gòu)時的體積：,(cm3),當它為石墨結(jié)構(gòu)時的體積：,(cm3),由金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)時，其體積膨脹 ：,24,例 純鈦有兩種同素異構(gòu)體，20℃低溫的密排六方結(jié)構(gòu) 和900℃高溫的β-Ti體心立方結(jié)構(gòu) ，其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為882.5℃，計算純鈦在900℃時晶體中（112）和（001）的晶面間距（900℃時，a =0.3307nm）,900℃時為 β-Ti： bcc結(jié)構(gòu),,奇數(shù)，需要修正公式,25,26,1 分析鐵碳合金的三相平衡轉(zhuǎn)變 (3條水平線)過程；,包晶轉(zhuǎn)變（HJB線），1485℃，含C為0.53%的液相與含C為0.09%的δ相發(fā)生作用,生成含C為0.17%的γ (A)相奧氏體。,共晶轉(zhuǎn)變（ECF線），1148℃，含C為4.3%的液相，生成γ (A)相奧氏體和滲碳體的混合物(Ld，萊氏體),共析轉(zhuǎn)變（PSK線） ，727℃，含C為0.77%的奧氏體，轉(zhuǎn)變?yōu)楹珻為0.0218%的鐵素體和滲碳體的混合物(P， 珠光體),27,2 分析 w(C) ＝0.77％、 w(C)＝1.2％、 w(C)＝ 4.3％、 w(C)＝4.5％的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫的轉(zhuǎn)變過程，用組織示意圖說明各階段的組織變化。,28,并用文字描述,29,如: 亞共晶白口鐵（虛線，碳含量為3.0%）的冷卻過程平衡相圖。請按亞共晶白口鐵的冷卻過程，依次詳細寫出相應的相變過程及產(chǎn)物；,亞共晶白口鐵冷卻到1點時，液體開始結(jié)晶出奧氏體。隨溫度下降，結(jié)晶出的奧氏體量不斷增加，液相不斷減少，到溫度2點時，奧氏體碳含量為2.11%，液相碳含量為4.3%，液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體，先結(jié)晶出的奧氏體保持不變，共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，亞共晶白口鐵組織為 奧氏體和萊氏體; 2~3點之間繼續(xù)冷卻，從先結(jié)晶的奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體, 冷卻到3點時，奧氏體含碳量下降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體。亞共晶白口鐵，室溫組織為，珠光體，二次滲碳體和低溫萊氏體。,30,如圖所示為共析鋼(C%=0.77%)的冷卻過程平衡相圖，按共析鋼的冷卻過程，依次詳細說明各階段的組織變化, 相應的相變過程及產(chǎn)物。 ( 8分 ) 溫度1~2之間，按均晶方式析出奧氏體(2分) ；溫度繼續(xù)冷卻，至2~3之間后，形成單相奧氏體(2分)；奧氏體繼續(xù)冷卻至3時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成組織珠光體（滲碳體和鐵素體相組成）(2分) ；溫度繼續(xù)冷卻，即3~4之間，珠光體中的鐵素體析出三次滲碳體(2分) 。,31,3 計算w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫下的組織組成物和相組成物含量。 任何鐵碳合金 室溫下平衡組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，,w(C) = 0.77%,32,C%= 0.40% 碳鋼組織組成物含量為：,室溫的相組成物含量,33,4 按含碳量，對鐵碳合金進行分類，并表示該鐵碳合金在室溫下的組織組成物。,34,5 硅酸鹽水泥煅燒過程中的物理和化學變化 (1) 干燥和脫水 物料中自由水的蒸發(fā)；粘土礦物（高嶺石）分解脫出化合水。 (2) 碳酸鹽（石灰石質(zhì)原料）分解 (3) 固相反應 石灰石質(zhì)原料分解產(chǎn)物和粘土脫水產(chǎn)物，通過質(zhì)點間的相互擴散，進行固相反應。 (4) 熟料燒結(jié) 水泥生料煅燒到1250℃時，出現(xiàn)液相。液相作用下，物料由疏松狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)致密的灰黑色熟料。硅酸二鈣與氧化鈣溶解在液相中，硅酸二鈣吸收氧化鈣，形成硅酸三鈣。,35,6 從顯微結(jié)構(gòu)看，陶瓷材料主要有哪些相構(gòu)成？各構(gòu)成相的主要作用和對陶瓷性能的影響是什么？為什么外界溫度的急劇變化可以使許多陶瓷器件開裂或破碎? 晶相 ,玻璃相,氣相和晶界 晶粒是陶瓷最主要的組成相，晶相的性質(zhì)是影響陶瓷性能的主要因素；燒成－冷卻過程中，晶界處產(chǎn)生熱應力，出現(xiàn)微裂紋，降低陶瓷強度。 玻璃相的作用，粘結(jié)分散的晶粒，抑止晶粒長大； 填充晶粒間的空隙，填充氣孔，提高致密度，降低燒結(jié)溫度。 氣相會降低陶瓷強度，造成裂紋。保留一定的氣相，陶瓷的比重小，絕熱性好。 因大多數(shù)陶瓷主要由晶相和玻璃相組成，這兩種相的熱膨脹系數(shù)相差較大，由高溫很快冷卻時，每種相的收縮不同，所造成的內(nèi)應力足以使陶瓷器件開裂或破碎。,36,7 簡述高嶺土（石）的結(jié)構(gòu) 三斜晶系，單網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，即硅氧四面體層 + 八面體層； 下層為硅氧四面體層，硅氧四面體中的活性氧向上。上層為八面體層[AlO2(OH)4] （由 1個Al3+ ，2個O2－ , 4個OH－組成）， 每一個活性氧同時連接1個硅氧四面體和2個[AlO2(OH)4]八面體，層與層間為氫鍵結(jié)合，結(jié)合力較弱，層間易解理成片狀，但OH--O之間仍有一定的吸引力，所以單網(wǎng)層之間水分子不易進去，不因水含量增加而膨脹。,37,,,38,10 陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是什么?從結(jié)合鍵的角度解釋陶瓷材料所具有的特殊性能? 陶瓷材料中主要的結(jié)合鍵是離子鍵及共價鍵。 由于離子鍵及共價鍵鍵能很強，故陶瓷的抗壓強度很高，硬度極高。因為原子以離子鍵和共價鍵結(jié)合時，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運動，陶瓷材料的熔點很高，抗氧化性好，耐高溫，化學穩(wěn)定性高。,39,11 分析滑石 Mg 3 [ Si4O10](OH)2的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 單斜晶系，復網(wǎng)層結(jié)構(gòu)( 硅氧四面體層 + 八面體層 + 硅氧四面體層)； 上下層為硅氧四面體層，上層活性氧全向下，下層活性氧全向上，中間夾一鎂氫氧層(1個Mg2+ ，4個O2－ , 2個OH－組成八面體）。 每一個活性氧同時連接1個[SiO4]四面體和3個[MgO4(OH)2] 八面體， 每一層O2－電價飽和。層與層間結(jié)合為范德華鍵，層間鍵合弱，易沿層面解理,受力時會沿層面滑動。,40,12 分析鈣鈦礦CaTiO3晶體的結(jié)構(gòu) 立方晶系 Ca2+ ，為立方體頂角 ，配位數(shù)為12（ O2- ）； O2- ，為面心，配位數(shù)為6 （4 Ca2+ +2 Ti4+ ） ； Ti4+ ，為體心，配位數(shù)為6 （ O2- ）； [TiO6]8-八面體通過頂角共用氧，形成三維網(wǎng)絡；,41,42,