材料科學(xué)基礎(chǔ)A習(xí)題-1答案北理工考研基礎(chǔ)復(fù)習(xí)資料全

...wd......wd......wd...材料科學(xué)根基A習(xí)題1、在立方晶系晶胞中畫出以下晶面和晶向：(102)、(11)、(1)、[110]、[11]、[10]和[21]。xxyz1/2(102)(11)xyz1/31/2xyz(1)[110][11][10]1/2[21]2/31/32、標(biāo)注圖中所示立方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)。xxyz1/2xyzxyz1/21/21/3(211)(111)(121)(323)3、寫出六方晶系的{110}、{102}晶面族和<20>、<011>晶向族中的各等價晶面及等價晶向的具體指數(shù)。在六方晶胞圖中畫出以下晶面和晶向：(0001)、〔010〕、〔110〕、〔102〕、〔012〕、[0001]、[010]、[110]、和[011]?！病?10〕[0001][0001][0[011]〔01〔010〕[010][010](0001)標(biāo)注圖中所示的六方晶胞中的各晶面及晶向指數(shù)?！病?210〕[22][22][[112]〔〔1102〕[01[010][110]6、分別計算體心立方晶體中〔001〕、〔111〕晶面的原子面密度。7、金剛石晶胞中〔以以下列圖〕最近鄰的原子間距為0.1544nm，試求金剛石的點陣常數(shù)a，配位數(shù)CN和致密度K。8、判斷、〔132〕、〔311〕是否屬于同一晶帶第二章固體構(gòu)造1、面心立方、體心立方、密排六方晶格中，哪些是空間點陣，哪些不是空間點陣答：面心立方、體心立方晶格是空間點陣，密排六方晶格不是空間點陣。2、為什么單晶體具有各向異性，而多晶體一般卻不顯示各向異性答：在單晶體中，不可能沿所有的晶體學(xué)方向，原子的排列都一樣，從而使沿原子排列不同的晶體學(xué)方向，晶體的性質(zhì)不同。一般情況下，在多晶體中，各晶粒空間取向隨機分布，沿多晶體不同方向測出的其性質(zhì)是沿各種晶體學(xué)取向的性質(zhì)的平均值，故多晶體一般卻不顯示各向異性。3、說明以下簡單立方晶格中有幾種宏觀對稱元素答：簡單立方晶格中的宏觀對稱元素有：三次和四次旋轉(zhuǎn)對稱軸，反演對稱中心，對稱面。4、在置換固溶體和間隙固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度若何變化，為什么答：在置換固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度下降，這是因為隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，晶格的畸變增大，為維持溶劑晶格的穩(wěn)定存在，溶劑中可溶入的溶質(zhì)最大固溶度下降；在間隙固溶體中，隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶質(zhì)的飽和固溶度上升，這是因為隨著溶劑、溶質(zhì)原子半徑差增大，溶劑晶格的畸變減小，致使溶劑中可溶入的溶質(zhì)最大固溶度上升。5、有序合金的原子排列有何特點有序合金的形成和結(jié)合鍵能有什么關(guān)系為什么許多有序合金在高溫下變成無序答：有序合金中原子排列的特點是各組元原子按一定的排列規(guī)則和周期性占據(jù)各自的晶格結(jié)點，長程有序。其形成與組元之間結(jié)合鍵強度的大小有關(guān)，當(dāng)合金組元原子之間的結(jié)合鍵強度高于每個組元各自的原子之間結(jié)合鍵強度時，則將形成有序合金。隨溫度升高，原子的熱運動增強，當(dāng)溫度足夠高時，熱運動將使原子脫離原來的結(jié)點位置，破壞原子的有序排列，則合金的原子由有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序排列。6、有A、B兩種元素形成了合金，該合金較其組元具有熔點高、硬度高的特點，問該合金是固溶體還是中間相，為什么假設(shè)該合金較其組元硬度高，但熔點低于其一組元，問該合金是固溶體還是中間相，為什么答：該合金是中間相，因為所形成的合金熔點高于其組元，說明合金的結(jié)合鍵較其組元更強，應(yīng)含有離子鍵或共價鍵，故其為中間相。假設(shè)該合金較其組元硬度高，但熔點低于其一組元，說明該合金的結(jié)合鍵并未得到增強，其硬度高是固溶強化的結(jié)果，所以合金應(yīng)為固溶體。7、有一種晶體物質(zhì)，其化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化，問是否可以由此判斷該物質(zhì)為中間相或固溶體，為什么答：不能由此判斷該物質(zhì)為中間相或固溶體，因為固溶體成分可在一定范圍內(nèi)變化，而中間相假設(shè)形成二次固溶體，其成分也可在一定范圍內(nèi)變化。8、為什么拓?fù)涿芏严嗫梢跃哂泻芨叩呐湮粩?shù)答：拓?fù)涿芏严嗑w是以半徑大小不同的原子匹配所形成的密堆構(gòu)造，故可具有很高的配位數(shù)。9、鮑林第三規(guī)則從什么角度反映了離子晶體的構(gòu)造穩(wěn)定性答：鮑林第三規(guī)則反映了在離子晶體中，相鄰正離子之間的距離不能太近，否則，因其之間的靜電排斥力將使晶體構(gòu)造的穩(wěn)定性下降。10、為什么金屬往往具有較高的密度，而陶瓷卻具有較低的密度答：金屬以金屬鍵結(jié)合，金屬鍵無方向性、無飽和性，使得金屬原子可以實現(xiàn)密堆排列，因而使得金屬往往具有較高的密度。陶瓷以離子鍵或共價鍵結(jié)合，離子鍵結(jié)合的陶瓷中，同號離子之間具有排斥性，使得離子晶體中離子不能到達(dá)密堆排列；共價鍵具有飽和性和方向性，使得共價鍵晶體中的原子也不能實現(xiàn)密堆排列，故以離子鍵或共價鍵結(jié)合的陶瓷具有較低的密度。11、按照硅氧四面體的不同組合，硅酸鹽的晶體構(gòu)造可分為哪幾種類型答：分為孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀構(gòu)造幾種類型。12、為什么在鎂橄欖石晶體〔Mg2[SiO4]〕中，硅氧四面體是通過鎂氧八面體而連接其物理意義為何答：根據(jù)鮑林第四規(guī)則，在鎂橄欖石晶體〔Mg2[SiO4]〕中，具有高電價、配位數(shù)較低的正離子硅氧四面體趨于不結(jié)合，因此，硅氧四面體通過鎂橄欖石中的鎂氧八面體而結(jié)合。其物理意義在于高電價、配位數(shù)較低的硅氧四面體之間的正離子靜電排斥力較強，因此，硅氧四面體直接結(jié)合將導(dǎo)致晶體能量升高。假設(shè)硅氧四面體通過具有較低電價、配位數(shù)較高的正離子鎂氧八面體相連，則將降低正離子配位多面體之間的靜電排斥力，提高晶體構(gòu)造的穩(wěn)定性。13、在ZrO2離子晶體中，假設(shè)以一個Ca2+置換一個Zr4+，則在Ca2+附近將形成一個什么離子空位，為什么答：在ZrO2離子晶體中，假設(shè)以一個Ca2+置換一個Zr4+，則在Ca2+附近將形成一個氧離子空位。這是為了保持晶體局部正、負(fù)電荷的平衡所需。14、為什么高分子材料不能在較高的溫度下使用答：高分子材料的大分子之間是依靠分子鍵或氫鍵結(jié)合，由于分子鍵或氫鍵結(jié)合力較小，很容易受到高溫的破壞，故高分子材料不能在較高的溫度下使用第三章晶體缺陷1、為什么說點缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷，而位錯則不是答：在晶體中形成點缺陷將導(dǎo)致晶格畸變，使內(nèi)能增加△U，并導(dǎo)致自由能增加，同時點缺陷形成也可使熵增加△S，導(dǎo)致自由能降低。由于在一定點缺陷濃度范圍內(nèi)，熵增△S導(dǎo)致的負(fù)的自由能增量可抵消內(nèi)能增量△U導(dǎo)致的正的自由能增量，由△G=△U-T△S，△U-T△S可在點缺陷為某濃度時到達(dá)平衡，二者共同作用可使晶體自由能在晶體中存在一定濃度的點缺陷時最低，故點缺陷是熱力學(xué)平衡缺陷。對于位錯而言，其存在也使內(nèi)能和熵增加，但熵增△S遠(yuǎn)低于內(nèi)能增量△U，熵增△S導(dǎo)致的負(fù)的自由能增量不能抵消內(nèi)能增量△U導(dǎo)致的正的自由能增量，故位錯不是熱力學(xué)平衡缺陷。2、同一金屬中，間隙原子的平衡濃度和空位的平衡濃度哪一個高金屬與陶瓷相比，哪一個中的點缺陷濃度高為什么答：由于形成一個間隙原子所產(chǎn)生的晶格畸變能高于產(chǎn)生一個空位的畸變能，由點缺陷平衡濃度公式可知，同一金屬中，間隙原子的平衡濃度比空位的平衡濃度高。金屬與陶瓷相比，由于陶瓷為鍵能高于金屬鍵的離子鍵或共價鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一個點缺陷所產(chǎn)生的畸變能高于金屬中，同時，在離子陶瓷晶體中，點缺陷還必須成對出現(xiàn)，其形成較金屬中更為困難，故陶瓷中的點缺陷濃度低于金屬中。3、為什么在固溶體中，當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差太大時，不能形成置換固溶體，而當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差不大時，不能形成間隙固溶體答：在固溶體中，當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差太大時，以小原子置換大原子造成的晶格畸變高于小原子處于大原子構(gòu)成的晶格間隙中時所造成的晶格畸變，故二者不能形成置換固溶體。而當(dāng)溶劑、溶質(zhì)原子半徑相差不大時，假設(shè)小原子處于大原子晶格的間隙中，造成的晶格畸變比小原子置換大原子造成的晶格畸變更高，故二者不能形成間隙固溶體。4、為什么陶瓷中位錯的密度低于金屬中，且陶瓷中位錯的滑移系少于金屬中答：由于由于陶瓷為鍵能高于金屬鍵的離子鍵或共價鍵結(jié)合，因此，在陶瓷中形成一條位錯所產(chǎn)生的畸變能高于金屬中，另外在離子晶體中，為保持電荷平衡，刃位錯還必須以正、負(fù)半離子面同時出現(xiàn)，增加了形成刃位錯的難度，故陶瓷中的位錯密度低于金屬中。又由于在離子鍵晶體中，一些位錯滑移面和滑移方向因位錯沿其的滑移受到靜電排斥力的阻礙，使得其不能成為位錯真正的滑移系，在共價晶體中由于共價鍵的方向性也限制了晶體中位錯可進(jìn)展滑移的晶面和晶向的數(shù)量，故陶瓷中位錯的滑移系少于金屬中。5、如圖，在晶體中的同一滑移面上有兩個柏氏矢量和半徑分別為b1、r1和b2、r2的位錯環(huán)，r1＜r2,b1=b2?！?〕在圖示切應(yīng)力τ的作用下，哪一個位錯環(huán)先開場滑移。為什么〔2〕滑移開場后，兩個位錯環(huán)將若何變化τττb1b2答：〔1〕柏氏矢量為b2的位錯環(huán)先開場滑移，這是因為對于彎曲的位錯線，其線張力與外加切應(yīng)力τ平衡時有τ≈Gb/2r，要使位錯運動，τ應(yīng)大于Gb/2r，因柏氏矢量為b2的位錯環(huán)半徑大于柏氏矢量為b1的位錯環(huán)半徑，故使其開場滑移的最小外加應(yīng)切力τ2＜τ1,因此，其先開場滑移?！?〕兩個位錯環(huán)開場滑移后，兩個位錯環(huán)在應(yīng)力作用下將向外擴展并接觸，在接觸點處，兩根位錯為異號位錯，故其將發(fā)生合并，最后兩個位錯環(huán)合并為一個大的位錯環(huán)。6、為什么位錯線總是力圖保持為直線答：位錯導(dǎo)致晶格畸變，從而具有能量，為使其能量最低，位錯總是盡量保持最短，故其總是力圖保持為直線。7、答復(fù)以下問題〔1〕什么是肖脫基空位與弗蘭克爾空位?〔2〕一個位錯環(huán)能否各局部都是螺型位錯或都是刃型位錯請說明之?！?〕請指出面心立方晶體中單位位錯和不全位錯的柏氏矢量?答：〔1〕當(dāng)脫離其平衡位置的原子、離子遷移至晶界、外表等處消失，則因該原子、離子脫離平衡位置而形成的空位稱為肖脫基空位。假設(shè)原子、離子脫離平衡位置遷移至晶格的間隙中，則因原子、離子脫離平衡位置而形成的空位與處于晶格間隙的原子、離子合稱弗蘭克爾空位?！?〕一個位錯環(huán)可以各局部都為刃位錯，如當(dāng)柏氏矢量垂直于一個位錯環(huán)時。由于柏氏矢量不可能與位錯環(huán)各處都保持平行狀態(tài)，故位錯環(huán)不可能各局部都是螺位錯?！?〕面心立方晶體中單位位錯的柏氏矢量為a<110>/2，肖克來不全位錯的柏氏矢量為a<112>/6，弗蘭克不全位錯的柏氏矢量為a<111>/3。8、在面心立方晶體中，〔111〕面上有一根柏氏矢量b1=a[]/2的位錯，另在〔001〕面上有一根柏氏矢量b2=a[]/2的位錯，在外力作用下，兩位錯滑移并在〔111〕面與〔001〕面相交處相遇，問：〔1〕兩根位錯能否發(fā)生位錯反響，為什么寫出反響形成的新位錯柏矢矢量?！?〕新位錯能否在〔111〕面上滑移，為什么答：〔1〕設(shè)新形成的位錯柏氏矢量為b=b1+b2=a[]/2，由于b2=a2/2＜b12+b22=a2/2+a2/2，故過兩個位錯能發(fā)生位錯反響?！?〕位錯反響形成的位錯柏氏矢量位于〔111〕面上，故該位錯可以在〔111〕面上滑移。9、肖克萊不全位錯和弗蘭克不全位錯的運動形式是什么假設(shè)溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處發(fā)生平衡偏聚，對層錯面的擴大或縮小有何影響，為什么答：肖克萊不全位錯的運動形式是滑移。假設(shè)溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處發(fā)生平衡偏聚，則將在肖克萊不全位錯處形成低能態(tài)的溶質(zhì)原子分布，從而阻礙肖克萊不全位錯的運動。由于層錯面的擴大或縮小來自于肖克萊不全位錯的滑移運動，故溶質(zhì)原子在肖克萊不全位錯處平衡偏聚將阻礙層錯面的擴大或縮小。10、為什么位錯的攀移運動通常只能發(fā)生在高溫下答：位錯的攀移依賴于原子的擴散，而原子的明顯擴散通常只能發(fā)生在高溫下，故位錯的攀移運動通常只能發(fā)生在高溫下。11、以以下列圖為兩根處于不同滑移面上的位錯線相向運動?！?〕請畫出兩個位錯線交割后各自的形狀?！?〕交割后，哪根位錯線的滑移會變得更加困難，為什么b1b1b2位錯線運動方向答：〔1〕兩個位錯線交割后各自的形狀如下：bb2bb1〔2〕交割后，柏氏矢量為b2的位錯線的滑移會變得更加困難。這是因為交割后在此位錯線上形成了一段刃型割階，該割階不在位錯原滑移面上，并因此阻礙原位錯在其原滑移面上的滑移。12、金屬固溶體的強度與其組元相比有何不同，為什么答：固溶體的強度高于其組元。因為形成固溶體后，溶質(zhì)原子在位錯處會形成低能態(tài)分布阻礙位錯的運動，從而提高固溶體的強度。13、為什么層錯沒有造成晶格畸變，但卻具有層錯能答：由于層錯的形成破壞了晶體原子排列的周期性，故其也導(dǎo)致晶體的能量升高，故層錯具有層錯能。14、假設(shè)溶質(zhì)原子在不全位錯處發(fā)生平衡偏聚，問對擴展位錯的交滑移有何影響，為什么答：溶質(zhì)原子在不全位錯處發(fā)生的平衡偏聚將釘扎不全位錯阻礙其運動，從而使擴展位錯不易發(fā)生束集，導(dǎo)致擴展位錯交滑移困難。15、為什么固體外表易吸附氣體分子溶質(zhì)原子在晶界處的平衡偏析對晶粒的長大〔晶界的遷移〕有何影響，為什么答：固體外表的原子、離子等具有不飽和結(jié)合鍵，為降低其能量，故其易