材料科学基础第1-2章作业及解答彭.doc

第一章作业材料结构的基本知识1、简述一次键与二次键的差异及各键的特点。2、简述三大类材料中的结合键类型及性能（物性、力性）特点。3、为什么金属材料的密度比陶瓷材料及高分子材料密度高？4、用金属键的特征解释金属材料的性能-良好的导电；良好的导热性；正的电阻温度系数；不透明性及具有金属光泽；良好的塑性金属之间的溶解性（固溶能力）。5、简述晶体与非晶体的主要区别。6、简述原子结构、原子结合键、原子的排列方式及显微组织对材料性能的影响。第一章作业解答1、 述一次键与二次键的差异及各键的特点。解答：（1）一次键结合力较强，包括金属键、离子键、共价键；二次键结合力较弱，包括范德华键和氢键。一次键主要依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层；二次键是借原子之间的偶极吸引力结合而成。（2）金属键电子共有化,没有方向性和饱和性；离子键没有方向性，但要满足正负电荷平衡要求；共价键有明显的方向性和饱和性；范德华键没有方向性、饱和性；氢键（X-HY）有饱和性、方向性。2、简述三大类材料中的结合键类型及性能（物性、力性）特点。解答：（1）三大类材料主要指金属材料、陶瓷材料和高分子材料。（2）金属材料中的结合键主要是金属键，其次是共价键、离子键，使金属材料具有较高的熔点、密度，良好的导电、导热性能及较高的弹性模量、强度和塑性。陶瓷材料中的结合键主要是离子键和共价键，使其熔点高、密度低，具有良好的绝缘性能和绝热性能，高的弹性模量和强度，但塑性差，脆性大。高分子材料中分子链内部虽为共价键结合，但分子链之间为二次键结合，使其具有较低的熔点、密度，良好的绝缘性能、绝热性能及较低的弹性模量、强度和塑性。3、为什么金属材料的密度比陶瓷材料及高分子材料密度高？解答：金属材料的密度较高是因为金属元素具有较高的相对原子质量，金属材料主要以金属键结合，金属键没有方向性和饱和性，使金属原子总是趋于密集排列，达到密堆结构。陶瓷材料主要以离子键和共价键结合，离子键结合时要满足正负电荷平衡要求，共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制使其达不到密堆结构。高分子材料分子链之间为二次键结合，分子链堆垛不紧密，而且组成原子的质量较小，使其具有最低的密度。4、用金属键的特征解释金属材料的性能。解答：金属材料主要以金属键结合，金属键的特征是“电子共有化”且金属键没方向性和饱和性。 良好的导电性共有化电子在很小的外电场作用下作定向运动； 良好的导热性自由电子运动及正离子的热振动可传递热能； 正的电阻温度系数温度升高，离子振动加剧，阻碍电子通过，使其电阻增大； 不透明性及具有金属光泽自由电子很容易吸收可见光的能量，使金属不具有透明性；吸收了能量的电子从激发态回到基态时放出光子而使金属具有光泽； 良好的塑性当受外力作用原子相对移动时，金属正离子始终被包围在电子云中，金属键不会受到破坏，金属便能经受较大的变形而不断裂，表现出良好的塑性；金属之间的溶解性（固溶能力）金属正离子被另一种金属正离子取代时，也不会破坏结合键，使金属之间具有互溶性。5、简述晶体与非晶体的主要区别。解答：晶体与非晶体的主要区别在于原子或分子在空间是否有规则排列，是否具有固定的熔点，是否具有一定的几何外形，是否各向同性。晶体中原子或分子在三维空间是有规则的周期性重复排列的，有固定的熔点，一般情况下具有一定的几何外形，表现为各向异性。而非晶体中原子或分子的排列是无序的，或长程无序而短程有序，没有固定的熔点，无一定的几何外形，表现为各向同性。6、简述原子结构、原子结合键、原子的排列方式及显微组织对材料性能的影响。解答： 原子结构主要是通过影响原子之间的结合键方式而影响材料的性能，对材料的物理性能、化学性能有重要影响；原子结合键对材料的物理性能如熔点、密度、导电、导热性能及力学性能如弹性模量、强度、塑性等有重要的影响；原子的排列方式也影响材料的性能，晶体具有较高的强度、硬度、弹性模量、熔点等，而非晶体反之；组织对材料的性能如强度、塑性有更重要的影响，是影响材料性能非常敏感而重要的因素。第二章作业材料的结构P 89：2-1：晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式空间点阵：一系列规则排列于空间无数几何点构成的三维阵列称为空间点阵，简称点阵。晶格：用一系列相互平行的直线连接起来构成的空间格架，或空间格子(space lattice)晶胞：从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的基本单元作为点阵的组成单元，这种最小的几何单元称晶胞。构成晶格的最基本单元晶体结构和空间点阵的区别：空间点阵：晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，只有种类型。晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。由于组成晶体的物质质点及其排列方式不同，晶体结构是无限的，但总能按其原子（分子或离子）排列的同期性和对称性，归属于14种空间点阵中的一种。晶胞、晶格与空间点阵之间的联系：晶胞是构成晶格的最基本单元，晶胞在三维空间重复堆砌就构成空间点阵。晶系与14种空间点阵根据晶体的对称性和每个阵点周围具有相同的环境，布拉菲运用数学方法推算，将花样繁多的晶体结构归纳为14种空间点阵（称为布拉菲点阵）.根据晶格常数a、b、c及、 是否相等，又将14中空间点阵归属于七大晶系。补充题1：简述间隙固溶体、间隙相和间隙化合物两两之间的区别。间隙固溶体与间隙化合物：固溶体与中间相（性能不同）间隙相与间隙化合物：间隙相结构简单，间隙化合物结构复杂间隙相由过渡族金属与H、O、C、N、B组成；而间隙化合物由过度族金属与C组成。间隙固溶体与间隙相都是由过渡族金属与H、O、C、N、B组成，H、O、C、N、B溶入金属晶体间隙中；间隙固溶体属于固溶体，而间隙相属于中间相（性能不同）。补充题2：典型金属结构的晶体学特征（特点）结构类型结构特征面心立方结构FCC体心立方结构BCC密排六方结构HCP点阵类型面心立方点阵体心立方点阵简单六方点阵点阵常数aaa,c c/a=1.633最近的原子间距(原子直径)d0=2/2 ad0=3/2 ad0=a晶胞中原子数426配位数128(8+6)12致密度0.740.680.74密排面及密排方向11111011011100011120间隙类型及大小(rB/rA)正四面体0.225不规则四面体0.291正四面体0.225正八面体0.414扁八面体0.155正八面体0.4142-20：铁素体、奥氏体属于固溶体，与溶剂结构类型相同，铁素体具有体心立方结构，奥氏体具有面心立方结构。控制因素：溶剂的晶格类型、溶质