材料科学基础课后习题答案

材料科学基础放学后练习题的答案第一章材料结构的基本知识4 .简要叙述一次键和二次键的差异a :根据结合力的强弱，可以将结合键分为一次键和二次键两种。 其中一次键的结合力强，包括离子键、共价键、金属键。 一次键的三种键方式都是通过壳层的电子转移或共享形成稳定的电子壳层，使原子间结合。 二次键的结合力弱，包含范德瓦尔斯键和氢键。 二次键是在原子和分子之间，由感应或永久性的电耦合的相互作用而产生的二次键。6 .为什么金属键的固体材料的密度比离子键和共价键固体高？a :材料的密度与连接键类型有关。 一般金属键的固体材料高密度化有两个原因： (1)金属元素具有高的相对原子质量；(2)金属键的结合方式没有方向性，金属原子总是密集排列。 相反，在离子键和共价键结合的材料中，原子排列不致密。 在共价键结合的情况下，相邻的原子的数量受共价键的数量限制的离子键情况下，由于满足正离子、负离子间的电荷平衡的要求，它们的相邻原子数不比金属多，所以离子键和共价键的材料密度低。9 .什么是单相组织？ 什么是两相组织？ 以这些为例，说明微观组织的意义和微观组织对性能的影响。a :单相组织如名称所示，是具有单相的组织。 即，所有晶粒的化学组成相同，结晶结构也相同。 二相组织是指具有二相的组织。 单相组织的特征主要是晶粒尺寸和形状。 晶粒尺寸对材料的性能有着重要的影响，使晶粒微细化后，材料的强度显着提高，材料的塑性和韧性得到改善。 单相组织中，根据各方向的生长条件，生成等轴晶和柱状晶。 等轴晶的材料在各方向上性能相近，而柱状晶在各方向上显示出性能的差异。 在两相组织中，如果两相的晶粒尺度相等，两者均匀交替分布，合金的力学性能取决于两相或两相或两种组织组合物的相对量和各自的性能。 两相的晶粒尺度大不相同，其中尺寸细的相以球状、点状、板状、针状等形态分散，分布在另一相的晶粒的基体内。 当分散相的硬度明显高于基体相时，在显着提高材料强度的同时，还会降低材料的塑性韧性。说明结构转换的热力学条件和动力学条件的意义，说明稳态结构和准稳态结构的关系。a :相同的材料在不同的条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，能量相对较高的结构称为准稳态结构。 热力学条件是指结构形成时必须沿着能量下降的方向进行，或者如果结构转换中不存在推动力，则过程不会自发进行。 热力学条件只是预言了过程的可能性，过程是否实际实现需要考虑动力学条件，即反应速度。 动力学条件的本质是考虑阻力。 材料最终得到什么样的结构取决于哪一方发挥支配作用。 如果热力学推动力占主导地位，电阻就不大，材料最终得到稳态结构。 原理上，准稳定结构为了达到能量的最低状态，有可能转移到稳定结构，但该转移必须在原子有充分的活动能力的前提下实现，但由于常温下的该转移困难，所以准稳定结构依然比较稳定。第二章材料中的晶体结构1 .回答以下问题(1)在立方晶系的单位晶格内描绘具有以下米勒指数的晶面和结晶方向(001 )和(210 )分别是(111 )和(11 )分别是(10 )和(111 )分别是(32 )和(123 )分别是(2)和(236 )。(2)在立方晶系的一个单位晶格上画出(111 )和(112 )的晶面，写出两晶面的交线的晶体方位指数。解： (1)(2)首先求出(111 )和(112 )的交线。 式(2-7)，即由得因此，(110 )和(112 )两晶面交线的结晶方位指数为110或110。 如下图所示。6 .以米勒指数表示体心立方、面心立方和密排六方结构中的原子密排面和原子密排方向，分别计算这些晶面和结晶上的原子密度。8 .回答以下问题(1)通过计算，判断(10 )、(132 )、(311 )晶面是否属于同一结晶带求出(2)(211 )和(110 )的晶面的结晶轴，列举了属于该晶面的5个晶面的米勒指数。17 .简要叙述离子晶体的结构规律。a :离子晶体的结构规则轮询(L Pauling )离子晶体的结构规则(1)负离子配位多面体规则在离子结晶中，正离子周围形成负离子配位多面体，正离子和负离子的平衡距离依赖于离子半径之和，正离子的配位数依赖于正离子的半径比。(2)电费规则在稳定的离子晶体结构中，各负离子的电价Z-在邻接的各正离子的静电强度s的总和以下式中，Si是第I个正离子的静电耦合强度，z是正离子的电荷，n是其配位数。 这是轮询的第二条规则，也称为电费规则。(3)负离子多面体共享顶、棱、面的规则分析离子结晶中负离子多面体相互间的连接方式时，电气价格规则只能指出共享相同顶点的多面体的数量，并没有指出两个多面体间共享的顶点的数量。 轮询第三规则表示：“在一配位结构中，共同棱，特别是共同面的存在，会降低该结构的稳定性。 对于电费高、配位数低的正离子来说，该效果特别显着。 ”“好吧，这是我的错。”18 .解释以下名词的概念：空间晶格取向指数晶格常数原子半径配位数诱发密度晶格结构晶格间距结晶系带a :空间晶格：构成结晶的粒子(原子、离子或分子)在三维空间中形成规则的对称排列，用点表示构成结晶的粒子时，这些点的空间排列被称为空间晶格。结晶方位指数：表示结晶中晶格方向的指数，结晶方位由出阵点的坐标决定。晶格常数：单位晶格的边缘长度称为晶格常数。原子半径：元素结晶中的原子间距离的一半是原子半径。配位数：离结晶结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的比例。单位晶格：构成晶格的最基本单位称为单位晶格。格子：用相互平行的一系列直线连接格子点形成空间格子架的是格子。结晶结构：结晶中的原子(离子和分子)在三维空间中的具体排列方式称为结晶结构。晶格间距：相邻的两个平行晶面之间的距离。结晶系：结晶学上，根据单位晶格棱边的长度和结晶轴所成的角度来对结晶进行分类，可以把结晶分为七大结晶系。结晶带：平行于某个结晶方向的所有结晶面的组合称为结晶带。第三章高分子材料的结构1 .什么是单体、聚合物和链接？ 有什么样的关系呢？ 请写下面的高分子链的结构式：聚乙烯； 聚氯乙烯； 聚丙烯； 聚苯乙烯； 聚四氟乙烯。a:(1)单体是能与同种或其他种分子聚合的小分子的总称。 是引起聚合反应和缩聚反应等的高分子化合物的简单的化合物。 是合成聚合物的低分子原料。(2)高分子化合物也称为聚合物或高分子化合物，是指将一种或多种单纯的低分子化合物聚合而成的相对分子量大的化合物。(3)构成高分子链的特定结构单元称为链。(4)聚乙烯： nCH2=CH2聚氯乙烯： -CH2CHCl-n聚丙烯：聚苯乙烯：聚四氟乙烯：-CF2-CF2-n2 .加成聚合反应和缩聚反应的区别是什么？a:(1)加成聚合反应即加成聚合反应是指，含有不饱和键(双键、三键、共轭双键)的化合物或环状低分子化合物在催化剂、引发剂或放射线等的施加条件下，同种单体间形成新的共价键而相互加成大分子的反应。 加成聚合反应包括开始、生长、终止三个阶段，是反应的一端和引发剂的自由基结合，另一端的单体分子连锁地各结合一个形成长链的连锁反应，反应时不生成副产物(2)缩聚反应是一种有机化学反应，是具有2个以上官能团的单体，是互相反应生成高分子化合物的同时，生成单纯的分子(H2O、HX、醇等)的化学反应。 缩聚反应不需要引发剂，链的两端是活性的，首先形成很多小链，然后小链构成长链，是多段聚合反应，反应时有副产品。3 .说明官能度与聚合物结构形态的关系。 从线性聚合物得到网状聚合物，单体需要什么特征？a:(1)单体分子的官能度可以决定高分子的结构，具有二官能的单体，只能形成链状结构，如果生成热塑性塑料的单体为三官能，则相互连接时形成三维网状结构，生成热固性塑料。4 .聚合物的分子结构对主链的依从性有什么影响？a :主链结构对聚合物的柔顺性有显着的影响。 例如，Si-O-Si的键角大，Si-O的键大，内转容易，因此，聚二甲基硅氧烷的柔软性非常好，是很好的合成橡胶。 由于芳香族杂环不能内转，主链中含有芳香族杂环结构的高分子链具有柔软性差、耐高温的特征。 侧基极性的强弱对高分子链的柔顺性有很大影响。 侧基的极性越弱，其相互间的力越大，单键的内旋转变得困难，因此链的柔量差。 链的长度也影响柔度，链短的话，内转的单链的数量少，分子的座位数少，必然会出现刚性。第四章结晶缺陷1 .纯Cu的空孔形成能力为1.5aJ/atom、(1aJ=10-18J )，将纯Cu加热至850，骤冷至室温(20)，如果在高温下残留有空孔，则求出过饱和空孔浓度和室温平衡空孔浓度的比。850:20。所以3 .空位对材料行为的主要影响是什么？a :空穴引起材料的物理性能和力学性能的变化，引起电阻的增加，结晶中存在的空穴破坏原子排列的规律，增加电子传导时的散射，增加电阻，另外，空穴的存在使结晶的密度降低，使体积膨胀。7 .在图4-54所示的面心立方晶体的(111 )滑动面上，有两条变位阶梯垂直于(111 )的弯曲的变位线OS和os，它们的柏氏矢量用图中箭头表示。(1)判断转位线上各段位的错误类型。(2)在滑动面受到所有应力且与柏氏矢量平行的情况下，两个位错线的滑动特性如何不同？a:(1)2)在两条变位线上，12、34是刃变位，剩下的是螺旋变位。(2)OS上的各段位的变位可以在该滑动面内滑动，os上的12、34变位不能运动，其馀的各级可以在该滑动面内滑动。10 .判断下一个重排反应是否可以进行(1)(2)(3)(4)a:(1)(2)(3)(4)。11 .面心立方结晶中的全重排及不完全重排，这两人的重排相遇时，发生重排反应，进行试验(1)这个反应会进行吗？ 为什么？(2)写出合成重排的柏氏矢量，说明合成重排的性质。a:(1)该反应是可能的。 因为满足了重排反应的几何条件和能量条件。 重排反应时：写注意事项时如果明显不符合问题，就不能做出这个反应。(2)合成重排的柏氏矢量是不完全重排。19 .为什么表面有吸附作用？物理吸附和化学吸附的主要起源是什么？以现实生活中的吸附粒子为例吧？a:(1)吸附是指外来原子和分子气体在界面蓄积的现象。 为了气体分子和原子分子通过表面吸附在一定程度上抵消表面原子的不平衡力场，使力的分布对称，降低表面能，使系统处于低能量状态，使系统更稳定，吸附过程是自发进行的。(2)物理吸附是由于范德华力的作用相互吸引，物理吸附没有选择性的化学吸附是由于剩馀的不饱和键力，化学吸附有选择性。第五章1按特征分类的话，固溶体可以分为哪些类型？影响置换固溶体固溶度的因素是什么？a :根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置，可以分为置换固溶体和间隙固溶体根据固溶度的大小，固溶体分为有限固溶体和无限固溶体根据溶质原子和溶剂原子的相对分布，可分为无序固溶体和有序固溶体。影响固溶体固溶度的要素有尺寸要素、结晶结构要素、电负性差要素与电子浓度要素。3 (1)间隙化合物和间隙固溶体的根本差异是？(2)下面的中间相分别是什么类型？指出其结果的特征和主要控制因素PS、PS 3c、Mg2Si、PS、Cu31Zn8、Fe4N、PS、Cr23C6a:(1)间隙固溶体是指溶质原子像间隙一样进入晶格，给溶剂晶格带来一定程度的应变，应变提高到一定的容许范围时，原来的结构变得不稳定，形成新的结构形式，即新相。(2) MnS的正常价化合物、钢铁中的有害夹杂物Fe3C间隙化合物、正交晶系结构、钢铁中常见的强化相Mg2Si正常值化合物具有离子键特征，是铝合金中常见的强化相SiC的正常价化合物具有共价键的特点，常被用作复合材料的强化粒子Cu31Zn8电子化合物是复杂的立方，具有金属键的特征Fe4N间隙化合物、面心立方、强化相WC间隙化合物、简单立方、强化相Cr23C6间隙化合物，复杂立方，增强相6.9.相组成：组织结构：10.13. LA B； LB C； LC A；第六章1.为了使之凝固，需要过冷度在熔点，系统的界面降低，自由能也降低是自发的反应在该过程中，即如果液固界面能小于气固界面能，则固体金属有熔融形成液固界面的倾向。4.1 )在慢凝固中，接近平衡凝固，(CS)i为相图上的固相线，(CL)i为相图上的液相线，ke-K0。在快速凝固中，接近非平衡凝固，速度快，因此赶不上扩散，如果考虑到液相成分与开始时不太变化，则由于(CL)bCL0、质量保存的规律是(Cs)bCL0，因此是ke-1。5.1 )平衡凝固，ke=K0在相图中可知，由于液相线和固相线斜率不变化，所以K0相对于任意的温度不变化(CL)b=60%，(CS)i=30%K0=XS/XL=0.3/0/6=0.5Ke=0.52 )样品在2/3L出现共晶。3) 500时，液相完全转变为共晶，共晶