《材料科學(xué)基礎(chǔ)》作業(yè)題.doc

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第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 1、說明量子力學(xué)中有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型和幾率波模型。 2、給出下列離子的電子組態(tài)：Fe2+, Fe3+, Cu+, Ba2+, Br-, S2-。 3、對(duì)于K+—Cl-離子對(duì)，吸引能EA和排斥能ER分別表示為： 計(jì)算平衡距離r0和結(jié)合能E0。（提示：凈能對(duì)原子間距r的微分為0時(shí)，r= r0。r的單位為nm） 4、凈能有時(shí)可表示為 其中，r為離子間距，C，D和r為常數(shù)。試推出結(jié)合能E0對(duì)于平衡距離r0的表達(dá)式。 5、計(jì)算下列化合物中，離子鍵的百分含量： TiO，ZnTe，CsCl，InSb，MgCl。 6、下列物質(zhì)含有何種鍵：黃銅（brass）、橡膠（rubber）、金剛石（diamond）、SiO2、單晶Si、NaCl。 7、 HF （hydrogen fluoride）的分子量小于 HCl （hydrogen chloride），為什么HF具有比HCl更高的沸點(diǎn)。 8、畫出下列物質(zhì)單體單元的結(jié)構(gòu)圖： （1）聚乙烯（polyethylene PV）； （2）聚四氟乙烯（polytetrafluorethylene PTFE）； （3）聚苯乙烯（polystyrene PS）； （4）聚甲基丙烯酸甲酯 [俗]有機(jī)玻璃 （polymethyl methacrylate PMMA）。 9、（1）計(jì)算聚乙烯結(jié)構(gòu)單元的分子量； （2）聚乙烯的數(shù)均分子重量為1,000,000 g/mol，計(jì)算其數(shù)均聚合度。 10、兩種聚四氟乙烯樣品的密度及其晶化率如下： i) 2.144 g/cm3, 51.3%; ii) 2.215 g/cm3, 74.2%. 計(jì)算晶態(tài)聚四氟乙烯和非晶態(tài)聚四氟乙烯的密度。 11、簡(jiǎn)述高分子鏈結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征以及與性能的定性關(guān)系。 第二章 固體結(jié)構(gòu) 1、鋯（Zr，Zirconium）具有HCP結(jié)構(gòu)，密度為6.51 g/cm3， （a）計(jì)算晶胞體積； （b）如果c/a為1.593，計(jì)算c和a。 2、銠（Rh，Rhodium）的原子半徑為0.1345 nm，密度為12.41 g/cm3。判定其晶體結(jié)構(gòu)屬于FCC，還是BCC？ 3、在立方晶胞中畫出下列晶向： 4、在立方晶胞中畫出下列晶面： 5、確定下圖中晶向和晶面的指數(shù)。 6、計(jì)算比較FCC中[100]、[110]、[111]晶向的線密度。 7、計(jì)算比較BCC中（100）、（110）晶面的面密度。 8、確定FCC鉑（Platinum，Pt）的（113）晶面的一級(jí)衍射角（即n=1），X射線波長(zhǎng)為0.1542 nm。 9、說明原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的差別。 10、解釋為什么多晶材料的性質(zhì)通常是各項(xiàng)同性。 11、解釋以下基本概念 合金、相、固溶體、極限電子濃度、電子化合物、超結(jié)構(gòu)。 12、試比較間隙固溶體、間隙相和間隙化合物的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。 7、FeAl為電子化合物，計(jì)算其電子濃度，畫出晶胞及（112）面的原子排列圖。 13、下列合金相為何種類型 FeCo、 Cr7C3 、Mg2Pb、 WC 、FeAl、Cu3Al、Fe4N、Fe3C。 第三章 缺陷 第三章 缺陷 1、解釋以下基本概念 肖脫基空位、弗侖克爾空位、刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、柏氏矢量、位錯(cuò)密度、位錯(cuò)的滑移及攀移、弗蘭克-瑞德源、湯普森四面體、位錯(cuò)反應(yīng)、擴(kuò)展位錯(cuò)、表面能、界面能、重整位置點(diǎn)陣、失配度、對(duì)稱傾側(cè)晶界、非共格晶界。 2、計(jì)算Fe在 850o 時(shí)，每立方米體積中的空位數(shù)。 已知Fe在850o 時(shí)的空位形成能、密度及原子重量分別為1.08 eV/atom、7.65 g/cm3、55.85 g/mol。 3、如圖，在晶體的滑移面上有一柏氏矢量為b的位錯(cuò)環(huán)，并受到一均勻切應(yīng)力t。 （1）分析該位錯(cuò)環(huán)各段位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)類型； （2）分析各段位錯(cuò)線的受力情況； （3）在 t 的作用下，該位錯(cuò)環(huán)將如何運(yùn)動(dòng)？ 4、面心立方晶體中，在（111）面上的單位位錯(cuò) 在（111）面上分解為兩個(gè)肖克萊不全位錯(cuò)，請(qǐng)寫出該位錯(cuò)反應(yīng)，并證明所形成的擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度由下式給出： （G切變模量，g 層錯(cuò)能） 5、判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行？若能進(jìn)行，試在晶胞上作出矢量圖。 6、試分析在（111）面上運(yùn)動(dòng)的柏氏矢量為 的螺型位錯(cuò)受阻時(shí)，能否通過交滑移轉(zhuǎn)移到 面中的某個(gè)面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)？為什么？ 7、根據(jù)晶粒的位相差及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，晶界有哪些類型？有何特點(diǎn)屬性？ 8、直接觀察鋁試樣，在晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度為 5 x 1013/m2，如果亞晶間的角度為5o，試估算界面上的位錯(cuò)間距（鋁的晶格常數(shù)為 a = 2.8 x 10-10 m）。 第五章 二元相圖 1. 合金系統(tǒng)的自由度F的含義是：（單選） A、可以使合金狀態(tài)改變的因素?cái)?shù)； B 、保持合金平衡狀態(tài)不變的前提下，可以獨(dú)立改變的因素?cái)?shù)； C 、夠使系統(tǒng)發(fā)生變化的最大因素?cái)?shù)。 2. 自由度F= 0的含義是：（單選） A、任何因素的變化都會(huì)造成系統(tǒng)平衡狀態(tài)的變化； B、沒有任何因素可以引起系統(tǒng)狀態(tài)變化； C、這樣的系統(tǒng)狀態(tài)不存在。 3. 純金屬凝固時(shí)，(多選) A、冷卻曲線(溫度-時(shí)間)是水平的； B、系統(tǒng)自由度F = 0； C、純金屬凝固是在恒溫下進(jìn)行的。 4. 在平衡條件下，100?C的純水處于（單選） A、液態(tài)； B、氣態(tài)； C、氣、液二相共存狀態(tài)。 5、下列說法哪些是正確的？(多選) A、溫度高于液相線的合金為液態(tài)； B、溫度低于液相線的合金為固態(tài)； C、溫度低于固相線的合金為固態(tài); D、溫度高于固相線的合金為液態(tài)。 6、非平衡凝固的勻晶合金一般會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？。（單選） A 、組織、成分均勻化； B 、成分不均勻，出現(xiàn)樹枝狀偏析； C 、與平衡凝固的合金組織、成分一樣，沒有區(qū)別。 7、在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。（單選） A 是 B 否 8、發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相，其成分一定是共晶成分。（單選） A 是 B 否 9、根據(jù)Pb-Sn相圖，應(yīng)用杠桿定律計(jì)算40%Sn合金的共晶組織中的a相占全部合金的相對(duì)量。（單選） A、22.16%；B、45.5%；C、40% 提示：40%Sn合金由初生的a相（先共晶a）和共晶體組成， 共晶體又由a相和b相組成（見示意圖）。 10、勻晶、共晶和包晶轉(zhuǎn)變有何共同特點(diǎn)？（單選） A、這三個(gè)轉(zhuǎn)變都是在恒溫下進(jìn)行的； B、這三個(gè)轉(zhuǎn)變的反應(yīng)相中都有液相，而生成相都是固相； C、這三個(gè)轉(zhuǎn)變都不是恒溫轉(zhuǎn)變。 11、共晶和共析轉(zhuǎn)變有何共同特點(diǎn)？（多選） A、都是由一個(gè)相同時(shí)轉(zhuǎn)變成二個(gè)相； B、都是恒溫轉(zhuǎn)變； C、生成相都是固相。 12、共析與包析轉(zhuǎn)變有何不同？（單選） A、都是固態(tài)轉(zhuǎn)變； B、都是恒溫轉(zhuǎn)變； C、共析轉(zhuǎn)變是由一個(gè)固相轉(zhuǎn)變成二個(gè)固相，包析轉(zhuǎn)變則相反。 13、熔晶與偏晶轉(zhuǎn)變都是恒溫轉(zhuǎn)變嗎？（單選） A 是 B 否 14、在分析相圖時(shí)可以將穩(wěn)定化合物看作一個(gè)組元，從而將復(fù)雜相圖分成若干個(gè)簡(jiǎn)單相圖。你認(rèn)為分析復(fù)雜相圖時(shí)這是必須的嗎？（單選） A 是 B 否 1、說明下列基本概念 工業(yè)純鐵、碳鋼、鑄鐵、包晶轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、a-Fe、鐵素體、g-Fe、奧氏體、一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、珠光體、萊氏體。 2、下列說法正確的是：（多選） A、鐵素體是碳溶解于α-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)； B、 滲碳體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)； C 、奧氏體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)。 3、亞共析鋼的含碳量范圍是：（單選） A、0.0218% ~ 0.77%C；B、0.77% ~ 2.11%C；C、2.11% ~ 4.3%C。 4、共析鋼的室溫組織是：（單選） A、珠光體P +二次滲碳體Fe3CII；B、珠光體P（100%）； C 萊氏體Ld’ (100%)。 5、計(jì)算1148℃共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時(shí)萊氏體中滲碳體Fe3C的相對(duì)量。（單選） A、52%；B、60%；C、48%。 6、計(jì)算室溫時(shí)萊氏體中滲碳體Fe3C的相對(duì)量(室溫鐵素體的含碳量看作0)。 （單選） A、48.23%C；B、52.77%C；C、64.47%。 7、隨著含碳量的增高，亞共析鋼的。 （單選） A 強(qiáng)度、硬度升高，塑性下降； B 塑性升高，強(qiáng)度、硬度下降； C 強(qiáng)度、硬度和塑性都升高。 8、對(duì)于過共析鋼，含碳量越高。（單選） A 鋼的強(qiáng)度、硬度越高，塑性越低； B 鋼的強(qiáng)度、硬度越低，塑性越高； C 鋼的硬度越高，強(qiáng)度和塑性越低。 第六章 擴(kuò)散與凝固 一、 概念 結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏、過冷度、晶胚、臨界晶核、臨界形核功、均勻形核、非均勻形核、光滑界面、粗糙界面；質(zhì)量濃度、自擴(kuò)散、互擴(kuò)散、下坡擴(kuò)散、上坡擴(kuò)散、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散、非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散通量、柯肯達(dá)爾效應(yīng)。 二、選擇題 第六章 凝固與擴(kuò)散 1、金屬液體在熔點(diǎn)溫度保溫，則(c) a 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能結(jié)晶； b 到熔點(diǎn)溫度就會(huì)結(jié)晶； c 永不結(jié)晶。 2、下述哪些現(xiàn)象結(jié)晶時(shí)出現(xiàn)？（多選） a 在低于熔點(diǎn)的溫度下結(jié)晶才能進(jìn)行； b 結(jié)晶時(shí)有熱量放出； c 液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)時(shí)就開始結(jié)晶。 3、形成臨界晶核時(shí)需要的形核功由什么提供？（單選） a由外界加熱提供； b由能量起伏提供； c由體積自由能提供。 4、臨界晶核有可能繼續(xù)長(zhǎng)大，也有可能消失（熔化）。 a 是 b 否 5、在相同過冷度的條件下，（下述說法哪些正確？）（多選） a 非均勻形核比均勻形核的形核率高； b 均勻形核與非均勻形核具有相同的臨界晶核半徑； c 非均勻形核比均勻形核的形核功??； d 非均勻形核比均勻形核的臨界晶核體積小。 6 非均勻形核時(shí)，θ角越小，形核越容易。這是因?yàn)椋ㄏ率稣f法哪些正確？）（多選） a 臨界晶核的體積和表面積越?。? b 形核需要的過冷度越?。? c 需要的形核功越小。 7、在負(fù)的溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)以平面狀前推進(jìn)。(單選) a 是 b 否 c 不能確定 8、形核率越高、晶體生長(zhǎng)速率越小，最后得到的晶粒越細(xì)小。(單選) a 是 b 否 c 不能確定 9、快速凝固技術(shù)能獲得的新材料有：非晶態(tài)合金，超細(xì)晶態(tài)金屬或合金。 a 是 b 否 10、單向凝固要求不僅具有正溫度梯度，而且溫度梯度要很大。 a 是 b 否 11、制取單晶體的技術(shù)關(guān)鍵是保證液體結(jié)晶時(shí)只有一個(gè)晶核。 a 是 b 否 12、對(duì)于濃度不均勻的固溶體中的擴(kuò)散，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散屬于互擴(kuò)散，溶劑（基體）原子的擴(kuò)散則屬于自擴(kuò)散。 a 是 b 否 13、在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散組元的濃度C只隨距離x變化，而不隨時(shí)間t變化。 a 是 b 否 14、在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，擴(kuò)散組元的濃度C也是只隨距離x變化，而不隨時(shí)間t變化。 a 是 b 否 15、擴(kuò)散系數(shù)D是描述擴(kuò)散速度的重要物理量，D值越大則擴(kuò)散越慢。 a 是 b 否 16、已知Mg(鎂)在Al(鋁)中的擴(kuò)散常數(shù)D0 = 1.210-4 m2/s，擴(kuò)散激活能Q =131000 J/mol, 500℃時(shí)擴(kuò)散系數(shù)D = 1.810-13 m2/s，問400℃時(shí)Mg在Al中的擴(kuò)散系數(shù)D是多少？ a 8.110-15 m2/s b 1.810-13 m2/s c 2.810-11 m2/s 17、怎樣理解擴(kuò)散原子對(duì)基體造成的晶格畸變?cè)酱?，擴(kuò)散則越容易。（單選） a 擴(kuò)散原子具有更低的能量，需要的擴(kuò)散激活能變大，擴(kuò)散系數(shù)變小，所以擴(kuò)散容易； b 擴(kuò)散原子具有更高的能量，需要的擴(kuò)散激活能變小，擴(kuò)散系數(shù)變大，所以擴(kuò)散容易； c 基體原子具有更高的能量，造成的勢(shì)壘變小，擴(kuò)散系數(shù)變小，所以擴(kuò)散容易。 18、 在相同的溫度下，碳在α-Fe中的擴(kuò)散比在γ-Fe中的擴(kuò)散更容易，速度更快。這主要是因?yàn)? （單選） a 碳原子在α-Fe中固溶造成的晶格畸變更大; b 其它合金元素的影響所致； c 溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響所致。 第七章 相變與熱處理 1. 擴(kuò)散形的固態(tài)相變中如果新相是在加熱過程中產(chǎn)生的，試分析轉(zhuǎn)變的速度與轉(zhuǎn)變溫度間是否還有極值關(guān)系？ 答案：不存在極值關(guān)系。因?yàn)殡S加熱溫度的提高新相與母相的自由能差加大，同時(shí)擴(kuò)散的速度也加快。所以不存在極值關(guān)系。 2. 根據(jù)馬氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律并聯(lián)系固態(tài)相變的TTT圖分析，馬氏體的轉(zhuǎn)變TTT圖是否也是C形？ 答案：馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線不會(huì)是C型。因?yàn)轳R氏體轉(zhuǎn)變不是擴(kuò)散形相變。 3. 根據(jù)貝氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律為了得到下貝氏體應(yīng)從哪幾方面進(jìn)行控制？ 答案：控制母相（奧氏體）中化學(xué)成分，要保證含碳量達(dá)到中碳或高碳水平，同時(shí)要控制轉(zhuǎn)變溫度較低。 4. 請(qǐng)根據(jù)珠光體的轉(zhuǎn)變規(guī)律分析在Fe3C兩側(cè)形成鐵素體后有無可能鐵素體迅速的長(zhǎng)大將Fe3C包圍起來？ 答案：因?yàn)殍F素體是低碳相，在它向縱向長(zhǎng)大時(shí)必向Fe3C片前端的奧氏體中排碳，這就給Fe3C片的縱向長(zhǎng)大創(chuàng)造了條件，所以Fe3C片馬上也向縱向長(zhǎng)大，因此不可能發(fā)生包圍現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)變規(guī)律的說明中我們已經(jīng)強(qiáng)調(diào)Fe3C片與鐵素體片同時(shí)向縱向長(zhǎng)大。 5. 分析比較共析鋼的CCT圖與TTT圖有何差別？說明了什么？ 答案：對(duì)比可以知道： 兩種曲線均為C形，說明等溫冷卻轉(zhuǎn)變與連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變機(jī)理與動(dòng)力學(xué)規(guī)律均類似。 CCT曲線比TTT曲線向右下移動(dòng)且沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域。 在CCT曲線上有許多的冷卻曲線，表明了冷卻的速度，末端表明了以此冷速冷卻后的硬度值。 碳與合金元素對(duì)CCT曲線的影響規(guī)律與對(duì)TTT曲線的影響規(guī)律基本一致，也是曲線向右下方移動(dòng)，表明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變比等溫轉(zhuǎn)變的孕育期更長(zhǎng)。 6. 回火溫度與性能有什么關(guān)系？為什么有這種關(guān)系？ 答案：性能變化的規(guī)律是：隨回火溫度的上升，強(qiáng)度與硬度下降，塑性與韌性上升。因?yàn)樵诨鼗疬^程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變主要是碳以碳化物的形式從馬氏體中析出，基體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過程。顯然隨回火溫度的提高，碳的擴(kuò)散能力增加，碳從馬氏體中析出的就多，基體就越接近鐵素體，組織也就越接近平衡組織，馬氏體的強(qiáng)化效果就越弱，因此硬度也就越低。 7. 請(qǐng)說明在時(shí)效過程中為什么一般均是先出現(xiàn)亞穩(wěn)過渡相而不直接形成穩(wěn)定相？ 答案：因?yàn)榉€(wěn)定相與基體的濃度差較大，溶質(zhì)原子必須充分的擴(kuò)散才能達(dá)到成分要求。為了保證高硬度時(shí)效的溫度一般較低，所以在短時(shí)間內(nèi)難于充分?jǐn)U散。而亞穩(wěn)相與基體的濃度差較少，因此較易通過擴(kuò)散來形核與長(zhǎng)大。另一方面形成亞穩(wěn)相時(shí)所需要的界面能也較小，所以一般均是先出現(xiàn)亞穩(wěn)過渡相。 第八章 形變、回復(fù)、再結(jié)晶 一、概念 彈性變形、彈性后效、彈性滯后、泊松比、屈服強(qiáng)度、塑性變形、滑移、滑移系、滑移帶、滑移線、臨界分切應(yīng)力、施密特因子、派-納力、孿生、固溶強(qiáng)化、加工硬化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、Hall-Petch公式、應(yīng)變時(shí)效、形變織構(gòu)、殘余應(yīng)力、回復(fù)、再結(jié)晶、多邊化、晶粒長(zhǎng)大、二次再結(jié)晶、弓出形核、再結(jié)晶溫度。 二、計(jì)算題 1、 設(shè)一長(zhǎng)度為10mm的鋁合金試樣承受6000 N的拉伸載荷，且其屈服極限＝145MPa，波桑比υ＝0.33，試計(jì)算試樣承載后的直徑。 答案：拉伸后的直徑d1=9.9964 mm。 2、 設(shè)采用細(xì)化晶粒的方法來強(qiáng)化低碳鋼。它的σi=130 MPa。在晶粒大小d(1)=1 mm時(shí)的屈服強(qiáng)度為276 MPa，試計(jì)算晶粒細(xì)化到d(2)=0.32 mm 后的屈服強(qiáng)度σs 。 答案：383 MPa。 3、設(shè)有同一種鋼的兩個(gè)試樣，園棒試樣由直徑為15 mm經(jīng)冷加工至直徑11 mm；125 x175mm的長(zhǎng)方截面試樣則加工至截面為75 x 200 mm，試問冷加工后哪一個(gè)硬度更高？如果都在450 C再結(jié)晶退火，硬度還有區(qū)別嗎？ 提示：先求出各自的CW％，再比較。 答案：園棒的變形量大于長(zhǎng)方截面的試樣，所以冷加工后硬度高些。再結(jié)晶退火后硬度基本相同。 4、試說明回復(fù)與再結(jié)晶的主要區(qū)別。 答案：回復(fù)使殘余內(nèi)應(yīng)力減少或消除，晶粒保持原來的形狀和大小。再結(jié)晶階段則有新的尺寸更小的等軸晶粒形成。  第九章 三元相圖 1、概念 等邊成分三角形、水平截面、垂直截面、投影圖、三元?jiǎng)蚓Х磻?yīng)、三元包共晶反應(yīng)、三元包晶反應(yīng)、三元共晶反應(yīng) 。 2、某三元合金K在溫度為t1時(shí)分解為B組元和液相，兩個(gè)相的相對(duì)量WB/WL=2。已知合金K中A組元和C組元的重量比為3，液相含B量為40%，試求合金K的成分。 第2題圖 第3題圖 3、已知A、B、C三組元固態(tài)完全不互溶，成分為80％A、10％B、10％C的O合金在冷卻過程中將進(jìn)行二元共晶反應(yīng)和三元共晶反應(yīng)，在二元共晶反應(yīng)開始時(shí)，該合金液相成分(a點(diǎn))為60%A、20%B、20%C，而三元共晶反應(yīng)開始時(shí)的液相成分(E點(diǎn))為50％A、10％B、40％C。 (a) 試計(jì)算A初％、(A+B)%和(A+B+C)%的相對(duì)量。 (b) 寫出圖中I和P合金的室溫平衡組織。 4、根據(jù)圖中的合金X，在四相反應(yīng)前為Q+R+U三相平衡，四相反應(yīng)后為U+Q+V三相平衡。試證明該反應(yīng)為R→Q+U+V類型反應(yīng)。 5、根據(jù)所示Fe-W-C三元系的低碳部分的液相面的投影圖，試標(biāo)出所有四相反應(yīng)。 第5題圖 第4題圖