材料科學(xué)基礎(chǔ)作業(yè)解答

1、1. 簡(jiǎn)述一次鍵與二次鍵各包括哪些結(jié)合鍵？這些結(jié)合鍵各自特點(diǎn)如何？ 答：一次鍵結(jié)合力較強(qiáng),包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵結(jié)合力較弱,包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。 離子鍵：由于正、負(fù)離子間的庫(kù)侖（靜電）引力而形成。特點(diǎn)：1）正負(fù)離子相間排列，正負(fù)電荷數(shù)相等； 2）鍵能最高,結(jié)合力很大； 共價(jià)鍵：形成。特點(diǎn)：是由于相鄰原子共用其外部?jī)r(jià)電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結(jié)構(gòu)而 結(jié)合力很大，硬度高、強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高，延展性和導(dǎo)電性都很差， 具有很好的絕緣性能。 金屬鍵：貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子成為正離子，與公有化的自由電子間產(chǎn)生靜電 作用而結(jié)合的方式。特點(diǎn)：它沒有飽和性和方向性；具有良好的塑性；良好的導(dǎo) 電性、導(dǎo)熱性

2、、正的電阻溫度系數(shù)。 范德瓦耳斯鍵： 一個(gè)分子的正電荷部位和另一個(gè)分子的負(fù)電荷部位間的微弱 靜電吸引力將兩個(gè)分子結(jié)合在一起的方式。也稱為分子鍵。特點(diǎn)：鍵合較弱，易 斷裂，可在很大程度上改變材料的性能；低熔點(diǎn)、高塑性。2. 比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料在結(jié)合鍵上的差別。答：金屬材料：簡(jiǎn)單金屬（指元素周期表上主族元素）的結(jié)合鍵完全為金屬鍵, 過渡族金屬的結(jié)合鍵為金屬鍵和共價(jià)鍵的混合，但以金屬鍵為主。陶瓷材料： 陶瓷材料是一種或多種金屬同一種非金屬 （通常為氧） 相結(jié)合的化 合物,其主要結(jié)合方式為離子鍵,也有一定成分的共價(jià)鍵。高分子材料： 高分子材料中, 大分子內(nèi)的原子之間結(jié)合方式為共價(jià)鍵,

3、而大分子與大分子之間的結(jié)合方式為分子鍵和氫鍵。復(fù)合材料：復(fù)合材料是由二種 或者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(fù)雜，不能一概而論。3. 晶體與非晶體的區(qū)別？穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)別？ 晶體與非晶體區(qū)別：答：性質(zhì)上, （1） 晶體有整齊規(guī)則的幾何外形； （2） 晶體有固定的熔點(diǎn) , 在熔化過 程中, 溫度始終保持不變； （3） 晶體有各向異性的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上，晶體原子排列有序，非晶體排列長(zhǎng)程無序。穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的區(qū)別 同種材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱為穩(wěn)態(tài)結(jié) 構(gòu)。而能量相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)稱為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。第二章1. 布拉菲將晶體結(jié)構(gòu)共分為哪幾大晶系？試畫出面心立

4、方、體心四方、簡(jiǎn)單六方與簡(jiǎn)單三斜這四種布拉菲點(diǎn)陣的晶胞，并寫出其棱邊長(zhǎng)度與夾角關(guān)系？ 答：分為七大晶系：立方晶系、四方晶系、菱方晶系、六方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系。面心立方：,a= b= c,a =3 = Y 二 90 °體心四方：,a= bMc,a =3 = Y = 90 °簡(jiǎn)單六方：,a= bMc,a =3 = 90°,Y =120 °簡(jiǎn)單三斜：, aM bM c,aMpM 丫2. 畫出立方晶系中下列晶面和晶向： （010） , （011） , （231） ,；010 ,111 ,3.針對(duì)體心立方（BCC晶胞：（1）寫出BCC晶體中的配位數(shù)

5、（CN）、原子數(shù)（N）、原子半徑r與點(diǎn)陣常數(shù)a的關(guān)系式；（2）在晶胞圖上畫出任一個(gè)四面體和八面體間隙的位置,并指出該四面體間隙和八面體間隙的中心位置。3）寫出BCC晶胞中四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量。答：（1）配位數(shù)CN=8致密度K=原子數(shù)N=2, r=3"2a/4。（ 2）圖中八面體間隙位于六面體的面中心,四面體間隙位于面平分線（3）四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量分別為 12,6。（3分）1/4 處。4. 針對(duì)FCC和BCC晶胞:(1) 分別在晶胞圖上畫出任一個(gè)四面體和八面體間隙的位置。(2) 指出該四面體間隙和八面體間隙的中心位置。(3) 寫出每種晶胞中四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量

6、。P49 圖 2-15，圖 2-16答：FCC圖中八面體間隙位于晶胞中心，四面體間隙位于晶胞體對(duì)角線上靠結(jié)點(diǎn)1/4處BCC圖中八面體間隙位于六面體的面中心，四面體間隙位于面平分線1/4處FCC四面體間隙和八面體間隙的數(shù)量分別為 8,4 ； BCC四面體間隙和八面 體間隙的數(shù)量分別為12,65.畫出下述物質(zhì)的一個(gè)晶胞，并指出 5種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)所屬的布拉菲點(diǎn)陣類型。NaCI金剛石閃鋅礦纖鋅礦CsCl答：NaCI、CsCI、閃鋅礦、纖鋅礦：課本 P59 圖 2-23(a)，(b)，(c)，(d) 金剛石：圖2-25金剛石點(diǎn)陣為：面心立方、簡(jiǎn)單立方、面心立方、NaCI、CsCI、閃鋅礦、纖鋅礦、簡(jiǎn)單

7、六方、面心立方點(diǎn)陣6. 簡(jiǎn)述離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則。答：鮑林第一、第二、第三規(guī)則（書本P57-58）第三章1. 根據(jù)鏈節(jié)中主鏈化學(xué)組成的不同，高分子鏈可以分為碳鏈高分子、雜鏈高分子和元素有機(jī)高分子。2. 二元共聚物單體的連接方式包括無規(guī)共聚、交替共聚、嵌段共聚和接枝共聚。3. 高分子鏈的結(jié)構(gòu)形態(tài)包括線型、支化、梳形、星形、交聯(lián)和體型。4.高分子鏈的構(gòu)象是由于C-C單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在空間據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。5. 影響高分子鏈柔順性的主要因素有主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)基性質(zhì)。6. 按照高分子幾何排列的特點(diǎn)，固體聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)結(jié)構(gòu)和非晶 態(tài)結(jié)構(gòu) 兩種。7. 高分子材料的玻璃化溫度 T

8、g指的是：當(dāng)一塊玻璃冷卻到熔點(diǎn)溫度以下時(shí)，在某一溫度范圍內(nèi)它仍是塑性的.卻到某個(gè)溫度時(shí)，發(fā)生玻璃硬化，該溫度稱之為玻璃化溫度。8. 熱固性塑料和熱塑性塑料的區(qū)別：熱塑件塑料由于具有線型結(jié)構(gòu)，因而具有較好的彈性和組件、易于加工成型和可反復(fù)使用等特性；熱固性塑料不能進(jìn)行塑性加工和反復(fù)使用。第四章A=玻爾茲曼常數(shù)k=xiO-23J/K)1.已知某晶體在500r時(shí)，每1O10個(gè)原子中可以形成有1個(gè)空位，請(qǐng)問該晶體 的空位形成能是多少？(已知該晶體的常數(shù)答:3.位錯(cuò)具有較高的能量，因此它是不穩(wěn)定的,可能會(huì)發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)。請(qǐng)判斷下列位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行:aa-112 - 11136|111答:幾何條件:反應(yīng)后|

9、11|a111 -111，與反應(yīng)前一致，滿足幾何條件6 2能量條件:反應(yīng)前 b2(aJ12 12 22 )2 (旦 J12 12 ( 1)2)2 宜364反應(yīng)后b2 (|JiT 12)2芋反應(yīng)前此反應(yīng)不滿足能量條件，只滿足幾何條件，故不能進(jìn)行。4. 試比較肖脫基缺陷與弗蘭克爾缺陷的異同？ 答：相同：都是點(diǎn)缺陷，都會(huì)形成空位。不同：弗蘭克爾缺陷： 原子離開平衡位置進(jìn)入間隙， 形成等量的空位和間隙原子 。肖脫基缺陷：由于熱運(yùn)動(dòng)， 晶體中陽(yáng)離子及陰離子脫離平衡位置， 跑到晶體表面 或晶界位置上， 只形成空位 不形成間隙原子。（構(gòu)成新的晶面）。5. 試比較刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)的滑移特征？書本 P1076.

10、畫圖并敘述變形過程中位錯(cuò)增殖的機(jī)制。書本 P341 F-R 源7. 試列舉金屬的四種典型強(qiáng)化機(jī)制？這四種機(jī)制對(duì)材料韌性會(huì)產(chǎn)生什么影 響？ 答：（1）細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化，加工硬化，第二相強(qiáng)化。2）細(xì)晶強(qiáng)化可以提高韌性；第二相強(qiáng)化有時(shí)能提高，有時(shí)降低；其他強(qiáng)化不能提高。1. 下圖所示為經(jīng)簡(jiǎn)化了的鐵碳合金相圖：（1）（2）（3）（4）第五章寫出 A、 G、 寫出GS線、 分析wc=% 分析wt=%請(qǐng)?jiān)趫D中空白區(qū)域標(biāo)出各相區(qū)的相 （寫在圓括號(hào)內(nèi) ） ；S、P、C、E點(diǎn)各自代表的意義；ES線、PSK線代表的含義；（虛線）的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的結(jié)晶過程;（虛線）的鐵一碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫

11、的結(jié)晶過程。計(jì)算45鋼（含碳量與T10鋼（含碳量1%）的相組成物的相對(duì)量？并根據(jù)計(jì)算結(jié)果說明它們機(jī)械性能的差別。答：（1）2）課本 P1783）課本 P1794） wc=% wc=%（5） 45鋼的相組成物為F和FaC,其相對(duì)量為:Q = () / ()x 100% =%QFe3C = % = %T10鋼的相組成物為F和FqC,其相對(duì)量為:QF =() /()x 100% =%QFe3C = % = %計(jì)算結(jié)果表明:由于45鋼中的F含量比T10鋼高，因此，45鋼的塑性、韌性比T10鋼高;由于T10鋼中的FeC含量比45鋼高，因此，T10鋼的硬度比45鋼高。第六章1. 畫圖并指出典型鑄錠（如鋼水

12、在砂模中）的組織，并指出其形成原因？要獲得成分、性能、均勻的鑄錠往往要擴(kuò)大什么區(qū)？答：鑄錠的典型組織特點(diǎn)為表層為細(xì)晶區(qū)， 中心為等軸晶區(qū)， 這兩個(gè)晶區(qū)之間為柱狀晶區(qū)。形成的原因?yàn)椋砻嫔嶙羁?，過冷度最大，所以晶粒細(xì)小;心部各個(gè)方向上熱量散失速度基本相同， 故為等軸晶粒; 在這兩個(gè)晶區(qū)之間， 熱量沿垂直于鑄模壁的方向散失最快， 所以晶粒為柱狀晶粒 （晶粒在熱量散失最快的方向上長(zhǎng)得最快）。擴(kuò)大心部等軸晶區(qū)。2. 根據(jù)凝固理論，試討論在凝固過程中細(xì)化晶粒的基本途徑有哪些？ 答:根據(jù)凝固理論可知，在凝固過程中決定晶粒度的因素有形核率（N）和長(zhǎng)大速度（G）,且N/G越大，晶粒愈細(xì)小。因此我們可以從以下

13、幾點(diǎn)著手:1)增加過冷度： TT- N/G T -晶粒愈細(xì)小，可以采用降低鑄造溫度的方法增加過冷度。2)提高冷卻速度：冷卻速度TT- N/G T T晶粒愈細(xì)小?？梢圆捎糜媒饘傩丸T造代替砂型的方法提高冷卻速度。變質(zhì)處理:變質(zhì)處理是在液態(tài)金屬結(jié)晶前，加入一些細(xì)小高熔點(diǎn)的物質(zhì)， 促使非自發(fā)形核的方法。如鋼中加入 Ti、 V、 Al ，這種方法易實(shí)現(xiàn)、效果 明顯、最常用。4)振動(dòng)，攪拌方法:破碎作用提高形核率。2. 假設(shè)某純金屬液體按均勻形核方式結(jié)晶，晶胚呈半徑為 r 的圓球形。晶胚的單位面積表面能為c,液固兩相單位體積的吉布斯自由能差為 Gv。試問：該形核過程的驅(qū)動(dòng)力和阻力分別是什么? 臨界形核半徑

14、 r* 的表達(dá)式 臨界形核功Gv*的表達(dá)式答：（1）驅(qū)動(dòng)力：體積自由能差；阻力：新增表面能（2）A G=驅(qū)動(dòng)力（體積自由能差）+阻力（新增表面能）= Gv +G S=(4/3) nr3Gv + 4 nr2c兩端對(duì)r求導(dǎo)，有G =-4nr2Gv+8冗r c令G =0 有 r*=- 2 c / Gv(3) 帶入 r*，有Gk*=16 nc 3/3( Gv)2第七章1. 簡(jiǎn)述固態(tài)相變的一般特點(diǎn)。答：（1）相變阻力大。相變阻力多出了應(yīng)變能一項(xiàng)且擴(kuò)散困難。2）新相晶核與母相之間存在一定的晶體學(xué)位向關(guān)系。沿應(yīng)變能最小的方向和界面能最低的界面發(fā)展。3）慣習(xí)現(xiàn)象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。4）母相

15、晶體缺陷促進(jìn)相變。缺陷處晶格畸變、自由能高，促進(jìn)形核及相變。（5）易出現(xiàn)過渡相。因?yàn)楣虘B(tài)相變阻力大，直接轉(zhuǎn)變困難-協(xié)調(diào)性中間產(chǎn)物（過渡相）。2. 常用的熱處理工藝有哪些 ?試列舉出四種常用熱處理工藝在機(jī)械制造中的目的或作用。答：常見的熱處理工藝有正火，退火，固溶，時(shí)效，淬火，回火，退火，滲碳， 滲氮，調(diào)質(zhì)，球化，釬焊等。 正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn) AG或Asm以上的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。 退火：將亞共析鋼工件加熱至 AG以上2040度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩 慢冷卻(或埋在砂中或石灰中冷卻)至 500 度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。 固溶熱處

16、理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶 體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。 時(shí)效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后， 在室溫放置或稍高于室溫保持時(shí)， 其性能隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。 固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能， 消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工成型。 時(shí)效處理： 在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫， 使強(qiáng)化相沉淀析出， 得以硬化， 提高強(qiáng)度。 淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻， 使工件在橫截面內(nèi)全部或一定 的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。 回火：將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)Agi以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，

17、隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。 鋼的碳氮共滲： 碳氮共滲是向鋼的表層同時(shí)滲入碳和氮的過程。 習(xí)慣上碳氮共 滲又稱為氰化， 以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲 (即氣體軟氮化) 應(yīng)用 較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。第八章1 冷加工金屬的微觀組織見下圖， 隨溫度升高 ( 在某一溫度下保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間 ) 會(huì)發(fā)生從圖ad的變化，試從微觀組織(包括驅(qū)動(dòng)力和過程)和宏觀性能兩個(gè)方 面，依次對(duì)上述變化加以解釋。1 圖 a 所對(duì)應(yīng)的為加工組織，其特點(diǎn)為(1) 存在變形儲(chǔ)

18、能和內(nèi)應(yīng)力，大量非平衡點(diǎn)缺陷。(2) 拉長(zhǎng)的晶粒和晶界。(3) 變形織構(gòu)。(4) 高強(qiáng)度，高硬度，較低的延展性。2. 圖 b 所對(duì)應(yīng)的為回復(fù)過程，其特點(diǎn)為：回復(fù)的驅(qū)動(dòng)力為變形儲(chǔ)能。(1)(2)回復(fù)過程中變形引起的宏觀 （一類） 內(nèi)應(yīng)力全部消除，微觀二類應(yīng)力大部分消除。(3)回復(fù)過程組織不發(fā)生變化，仍保持變形狀態(tài)伸長(zhǎng)的晶粒；但空位濃度下降至平衡濃度， 電阻率下降， 晶體密度增加； 同一滑移面異號(hào)位錯(cuò)相互抵消造成位錯(cuò)密度略有下降。（4） 高溫回復(fù)階段刃型位錯(cuò)通過滑移、攀移運(yùn)動(dòng)發(fā)生多邊形過程，造成加工 硬化現(xiàn)象保留，強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性稍有提高。3圖 c 所對(duì)應(yīng)的為再結(jié)晶過程，其特點(diǎn)為：(1)變

19、形儲(chǔ)能全部釋放，點(diǎn)陣畸變 （三類內(nèi)應(yīng)力 ）消除。(2)組織發(fā)生變化，由冷變形的伸長(zhǎng)晶粒變?yōu)樾碌牡容S晶粒。(3)伴隨再結(jié)晶過程原子的重新排列，位錯(cuò)密度大大降低，變形過程所產(chǎn)生的復(fù)雜位錯(cuò)交互作用消失，加工硬化現(xiàn)象消失。（4） 力學(xué)性能發(fā)生急劇變化，強(qiáng)度、硬度急劇降低塑性提高，恢復(fù)至變形 前狀態(tài)。4圖 d 所對(duì)應(yīng)的為晶粒長(zhǎng)大過程，其特點(diǎn)為：(1)晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是界面能的降低。(2)晶粒長(zhǎng)大是大晶粒吞并小晶粒的過程。(3)(4)引起一些性能變化，如強(qiáng)度、塑性、韌性下降。伴隨晶粒長(zhǎng)大，還發(fā)生其他結(jié)構(gòu)上的變化，如再結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。2.將經(jīng)過大冷變形量（ 70%以上）的純銅長(zhǎng)棒一端浸入冰水中，另外一端加熱 至 900 攝氏度，試分析 2 小時(shí)后該純銅棒沿長(zhǎng)度方向的組織和性能變化。 答：該長(zhǎng)棒沿冰水至高溫方向溫度逐漸升高，相應(yīng)會(huì)在不同區(qū)域分別存在冷變 形、回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。1）靠冰水端為塑性變