材料科学基础 复习题

绪论

一、填空题

1、材料科学主要研究的核心问题是 结构 和 性能 的关系。

材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是 原子结构 ，第二个水平是 原子排列方式 ，第三个水平是 显微组织 。

2. 根据材料的性能特点和用途，材料分为 结构材料 和 功能材料 两大类。 根据原子之间的键合特点，材料分为 金属 、 陶瓷 、 高分子 和复合材料四大类。

第一章 材料的原子结构

一、填空题

1. 金属材料中原子结合以 金属 键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以

共价键 和 离子键 结合键为主，聚合物材料以 共价键 和 氢键以及范德华 键为主。

第二章 材料的结构

一、填空题

1、晶体是 基元（原子团）以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列的固体 。 2、晶体与非晶体的最根本区别是 晶体原子排布长程有序，而非晶体是长程无序短程有序 。

3、晶胞是 晶体结构中的最小单位 。

4、根据晶体的对称性，晶系有 三 大晶族， 七 大晶系， 十四 种布拉菲Bravais点阵， 三十二 种点群， 230 种空间群。

5、金属常见的晶格类型有 体心立方 、 面心立方 、 密排六方 。 6、fcc晶体的最密排方向为 <110> ，最密排面为 {111} ，最密排面的堆垛顺序为 ABCABCABCABC…… 。

7、fcc晶体的致密度为 0.74 ，配位数为 12 ，原子在（111）面上的原子配位数为 6 。

8、bcc晶体的最密排方向为 <111> ，最密排面为 {110} ，致密度为 0.68 ，配位数为 8 。

9、晶体的宏观对称要素有 对称点 、 对称轴 、 对称面 。

10、CsCl型结构属于 简单立方格子 ，NaCl型结构属于 面心立方格子 ，CaF2

型结构属于 面心立方格子 。

11、MgO晶体具有 NaCl型结构，其对称型是3 L4 4L36L29PC ，晶族是 高级晶族 ，晶系是 立方晶系 ，晶体的键型是 离子键 。

12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是 硅氧四面体[SiO4]。

13、几种硅酸盐晶体的络阴离子分别为[Si2O7]6-、[Si2O6]4-、[Si4O10]4-、[AlSi3O8]1-，它们的晶体结构类型分别为 组群状 ， 链状 ， 层状 ，和 架状 。

14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。

二、分析计算

1、Ni为面心立方结构，原子半径r=0.1243nm，求Ni的晶格常数和密度。

;

2、Mo为体心立方结构，晶格常数a=0.3147nm，求Mo的原子半径r 。

3、CsCl中铯与氯的离子半径分别为0.167nm、0.181nm。 试问（1）在CsCl内离子在<100>或<111>方向是否相接触？ （2）每单位晶胞内有几个离子？ （3）各离子的配位数是多少？

（4）密度 ρ和堆积系数（致密度）K？

4、MgO具有NaCl型结构。Mg2+的离子半径为0.072nm，O2-的离子半径为0.140 nm。试求MgO的密度ρ和堆积系数（致密度）K。

5、下列硅酸盐化合物属于什么结构类型？

?MgFe?2?SiO4?， Zn4?Si2O7??OH?2，BaTi?Si3O9? ，Be3Al2?Si4O28?，

Ca3?Si3O8?，KCa4?Si4O10?2F8H2O，Ca?Al2Si2O8?，K?AlSi2O6?

解：第一种，Si：O=1：4所以是岛状，共顶数为0；第二种共顶数一个，成对硅氧团；第三种Si：O=1：3，共顶数为两个，三节环；第四种Si：O=1：3六节环；第五种三节环，这几种都是组群状；第六种Si：O=2：5为层状，第七种第八种Si（Al）：O=1：2为架状。

第三章 晶体结构缺陷

一、填空题

1、按几何组态，晶体中的缺陷分为 点缺陷 、 线缺陷 、面缺陷 和体缺陷。 2、点缺陷主要包括 空位、 间隙原子、置换原子 ；线缺陷有 位错 ；面缺陷包括 晶界、相界、表面 等。

3、描述位错性质及特征的是 柏氏矢量b 。

4、位错的类型有 刃位错 、 螺位错 和 混合位错 。

5、位错线与柏氏矢量垂直的位错为 刃位错 ，位错线与柏氏矢量平行的位错称为 螺位错 。

6、位错的基本运动方式有 滑移 和 攀移 。

7、 刃位错 可以滑移和攀移， 螺位错 可以滑移而不攀移，能进行交滑移的位错必然是 螺位错 。

8、位错滑移一般沿着晶体的 密排（面）和 密排（方向）进行。 9、柏氏矢量实际上反应了位错线周围区域 晶格畸变 的大小和方向。 10、两平行同号螺位错间的作用力为 斥力 。 11、全位错是柏氏矢量等于点阵矢量的位错 ； 不全位错是柏氏矢量不等于点阵矢量的位错 。

12、面心立方晶体的不全位错类型主要有Shockley不全位错 和 Franker不全位错 ，柏氏矢量分别为b=a/6<112> ， b=a/3 <111> 。只能发生攀移运动的位错是 Franker不全位错。

13、位错间转化（位错反应）要满足的条件有几何条件：柏氏矢量守恒 和能量条件：反应后位错的总能量降低 。

14、两个不全位错夹一片层错的位错称为 扩展 位错。 二、分析题

1、画一个方形位错环，（1）在此平面上画出柏氏矢量，使其平行于位错环的其中一边，任意选择并画出位错线方向，据此指出位错环各段的性质。（2）能否使该位错环处处为刃位错？（3）能否使该位错环处处为螺位错？

2、试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?并指出其中三个位错的性质类型？反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

111??a?111?a?101??a?12126??33、比较刃位错和螺位错的异同点。

第四章 晶态固体中的扩散 一、填空题

1、稳态扩散是指单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（扩散通量/浓度）不随时间变化 ；非稳态扩散是指 单位时间内通过垂直于给定方向的单位面积的净原子数（扩散通量/浓度）随时间变化。

2、Fick扩散第二方程的高斯解适合求解总量为M的扩散元素沉积为一薄层扩散问题 ；Fick扩散第二方程的误差函数解适合求解 无限长棒（扩散偶）或半无限长棒的扩散问题。

3、扩散的微观机理有 空位扩散 、 间隙扩散、 位错扩散 、 表面扩散、晶界扩散 等。

4、空位扩散的阻力比间隙扩散 大 ，激活能 高。

5、在表面扩散、晶界扩散、体扩散、位错扩散方式中，扩散系数D最大的是 表面扩散 。

6、在间隙固溶体中，H、O、C等原子以 间隙扩撒机制 方式扩散。 7、Cu-Al合金和Cu组成的扩散偶发生柯肯达尔效应，标记向Cu-Al合金一侧漂移，则 Al 的扩散通量大。

8、上坡扩散是指 物质从低浓度向高浓度处聚集的反向扩散。 9、扩散的驱动力是 化学位梯度 。 10、伴随有反应的扩散称为 反应扩散 。

第五章 相平衡与相图

一、填空题

1. 组元是组成材料最基本的、独立存在的物质，组元一般是化学元素或化合物 。 2. 相是 系统中成分、结构相同，性能一致的均匀组成部分，不同相之间有界面分开，相界处物质的性能发生突变。相平衡是指各相的 化学热力学平衡。 3. 组织是 由各种不同形貌及含量的相或组元所构成的微观图像。 。 平衡凝固是指 极其缓慢 冷却条件下的凝固。 4. 在二元系合金相图中，杠杆法则只能用于 两 相区。

5. 根据渗碳体的形状，钢中珠光体分为 片状珠光体 和 球状珠光体 两种。 6. 根据含碳量，钢分类为 亚共析钢 、 共析钢 和 过共析 钢。随着碳含量的增加，钢的硬度和塑性的变化规律是 硬度提高，塑性下降 。

7. 在三元系浓度三角形中，凡成分位于 过一顶点直线 上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量之比相等。平行于一边的任一直线上的合金，其成分共性为 含这个边对应顶点的组元含量均相等 。

8. 根据三元相图的垂直截面图，可以分析 合金的凝固过程 。

9. 根据三元相图的水平（等温）截面图，可以 用杠杆法则计算各相的相对量。 10. 二元合金相图三相平衡转变的类型主要有 共晶（析）反应和 包晶（析）反应 。三元合金相图四相平衡转变的类型主要有 共晶反应 ， 包共晶反应 和 包晶反应 。

二、计算分析题

1、指出ω(C)=0.2%、ω(C)=0.6%、ω(C)=1.0% 的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的相组成物和组织组成物，并分别计算相和组织的相对含量。

2、某三元合金K在温度为T时分解为B组元和液相，两个相的相对量WB/WL=2。已知合金K中A组元和C组元的重量比为3，液相含B的量为40%，试求合金K的成分。

3、下图为A-B-C 三元共晶相图的投影图，指出n1、n2、n3(E)、n4点从液态平衡冷却结晶的室温相和组织组成物，并分别计算相和组织的相对含量。

4、下图为某三元相图投影图上3条液相单变量线及其温度走向，判断四相平衡反应类型，写出反应式。

共晶反应 包共晶反应 包晶反应

L??+?+?L+???+?L+?+???第六章 材料的凝固

1、凝固过程包括 形核 和 长大 2个过程。

2、材料的凝固的驱动力是 液固相变自由能差 ，阻力是 界面能 。 3、凝固形核的方式有 均匀形核 和 非均匀形核 ，其中 非均匀形核 的临界形核功较小。

4、均匀形核时液、固两相自由能差只能补偿表面能的（2/3），其他靠系统中的 （能量起伏）补偿。

5、液/固界面的微观结构分为 粗糙界面 和 光滑界面 。

6、在正温度梯度下，晶体生长成 平直 界面；负温度梯度下成长时，一般金属

界面都呈 树枝 状。

7、在正的温度梯度下，纯金属以 平面 状形式长大，固溶体合金由于存在 成分过冷 以 树枝 状形式长大。

8、固溶体结晶的形核条件是 结构起伏 、 能量起伏 、 温度场 、 成分

过冷 和 过冷度 。

9、固溶体结晶与纯金属结晶的差异表现为温度场、 浓度场 及成分过冷现象。

10、平衡结晶是指 无限缓慢 冷却，组元间互扩散 充分，每个阶段都达到 平衡相均匀成份。

11、晶内偏析（枝晶偏析）是一个晶粒内部出现的成份不均匀现象 。 消除晶内偏析（枝晶偏析）方法扩散退火或均匀化退火。

12、对于液-固相变过程可通过控制过冷度来获得数量和尺寸不等的晶体，要获得晶粒多而尺寸小的细晶，则△T 大 。

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