材料科学期末复习题

1、.Crystal structure is the real arrangement of atom in crystals Crystal structure Space lattice + Basis or structure unit要点Packing fraction To determine, The atom is looked as a hard sphere, and the nearest neighbours touch each other. For BCC, 68. 0)43(34233aaStructurea0 vs. rAtoms per cellCoordinat

2、ion NumberPacking factorExamplesSC160.52Polonium (Po),-MnBCC280.68Fe,Ti,W,Mo,Nb,Ta,K,Na,V,Zr,CrFCC4120.74Fe,Cu,Au,Pt,Ag,Pb,NiHCP2120.74Ti,Mg,Zn,Be,Co,Zr,Cdra20ra340ra240000633. 12acraHCP74. 012CN633. 1382332)2(222acaca Example: Be, Mg, Zn, Cd, Zr, Hf Ti( low temperature) n CN12 0.74632211261uIIII De

3、termination of the sizes of interstitialsDefinition: By size of an interstitial we mean diameter of the maximum hard sphere which can be accommodated in the interstitial without distorting the lattice.didadiameter of interstitial atomdiameter of atom in lattice point1.Octahedral interstitial conditi

4、on for touching addai1aaidaddFor BCCFor FCC15.012323addadaia41.012222addadaia2.Tetrahedral interstitial222)2()2()2(HLddia22HLddai122aaidHLdd2iadd For BCCada23aL 2aH 29.0aidd22. 0aiddaL22ada222aH For FCC3.Summaryn CNintersticesdi/daoct.tete.oct.tete.BCC280.6866/2=3 1212/2=60.150.29FCC4120.7444/4=188/

5、4=20.410.22HCP6120.7466/6=1 1212/6=20.410.22 For a BCC cell, Atoms/cell = 2 a0 = 0.2866nm = 2.866108cm Atomic mass = 55.847g/mol Volume of unit cell = a03 = 23.5410 24cm3/cell Density32324-cm/g882. 7 )10)(6.0210(23.54)847.55)(2()numbersAvogadro)(cellunitofvolume()ironofmassatomic)(cell/atomsofnumber

6、(金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨( =2.25g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？解：金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。金刚石的密度 (g/cm3) 对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积 (cm3)当它为石墨结构时的体积 (cm3)故由金刚石转变为石墨结构时其体积膨胀 铯与氯的离子半径分别为0.167nm，0.181nm,试问a)在氯化铯内离子在或方向是否相接触？b)每个单位晶胞内有几个离子？c)各离子的配位数是多少？d) 和K？ 解答： CsCl型结构系离子晶体结构中最简单一种，属立方晶系，简单立方点阵。 离子半径之比

7、为0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图所示。从图中可知，在 方向离子相接处，方向不接触。每个晶胞有一个Cs+和一个Cl-，的配位数均为8。 第二章 晶体缺陷1、基本概念 结构缺陷、点缺陷、线缺陷、面缺陷、固溶体（置换型和间隙型固溶体）、非化学计量缺陷、色心；2、晶体结构缺陷的分类；3、掌握热缺陷的两种基本类型及特点；掌握点缺陷的符号表示；掌握缺陷反应方程式的写法，会利用化学平衡方法计算缺陷浓度；4、位错的两种基本类型，各自有何特点，柏格斯矢量的物理意义；位错的两种运动及特征，位错的增殖（F-R)5、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可作为一般了解。6、位错交互作用、位错

8、反应的条件；位错与点缺陷交互作用，材料的时效硬化。第二章 晶体缺陷6、面缺陷概念及主要类型；小角度晶界的位错模型；相界的概念；表面、界面的概念。7、细晶强化机制；材料主要强化方式。8、固溶体的分类及影响置换型和间隙型固溶体形成的因素，固溶体类型的判别，简单分析形成固溶体后对晶体性质的影响。9、非化学计量化合物的特点，能够解释为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料。 1 已知位错环已知位错环ABCD的柏氏矢量为的柏氏矢量为b,外应力为外应力为 和和 ，求：，求： （1）位错环的各边分别是什么位错？）位错环的各边分别是什么位错？ （2）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？）设想在晶体中怎样才

9、能得到这个位错？ （3）在足够大的切应力）在足够大的切应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何运动？ （4）在足够大的拉应力）在足够大的拉应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何运动？解答：(1)AB右螺（平行） CD左螺（反平行） BC 正刃（位错线垂直柏矢，符合右手法则） DA 负刃（位错线垂直柏矢，不符合右手法则） (2)设想在完整晶体中有一个贯穿晶体的上、下表面的正四棱柱，它和滑移面交与ABCDA，让 ABCDA上部柱体相对于下部柱体滑移b，柱体外各部分不滑移。这样在已滑移区与未滑移区间形成柏矢为b的的位错环ABCDA(3)位错环扩张；(4)BC段向下攀移，DA

10、段向上攀移。2 如图所示，若在切压力如图所示，若在切压力 的作用下，位错环发生收缩。要使该位的作用下，位错环发生收缩。要使该位错环在晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？错环在晶体中稳定不动，其最小半径应该是多大？3. 比较比较MgO 、TiO2 、萤石、沸石结构说明形成填隙固溶体、萤石、沸石结构说明形成填隙固溶体固溶度的大小。固溶度的大小。 在面心立方结构中，例如在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间隙都中，氧八面体间隙都已被已被Mg离子占离子占满，只有氧四面体间隙是空的满，只有氧四面体间隙是空的。在。在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤石结构中，

11、氟离子作简单立方排列，而正离子空的。在萤石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+只占据了只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较大的间隙位置。在沸石之类的有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。具有网状结构的硅酸盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此，因此，对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固溶体的可能性或固溶对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸度大小的顺序将是沸石石萤石萤石TiO2MgO实验证明是符合的。实验证明是符合的。第三章第二章第三章 熔体

12、结构要点及习题晶体与非晶体的比较内能、密度、相变潜热、结构比较第一节概述第二节 熔体的结构理论1近程有序理论：2核前群理论3 聚合物理论（1）硅酸盐(Silicate)熔体的基本结构（2） Na2O加入对硅酸盐熔体结构影响（3）聚合物理论的基本过程（4）熔体结构与温度、组成关系第三节 熔体的性质1粘度(Viscosity)（1）粘度的意义（2）粘度的定义（3）粘度的单位（4粘度的测试方法第四节 玻璃的通性1各向同性（非等轴晶系具有各向异性）2介稳性(Metastable)（系统含内能并不处于最低值）3可逆与渐变性4熔融态向玻璃转变时，物理化学性质随温度/成分变化的连续性具有以上四个特征的物质，

13、不论其化学组成如何，都称为玻璃（glass）5 和玻璃相关的几个概念脆性温度（Tg）:软化温度（Tf）:反常间距： 3形成玻璃的动力学(Kinetics)手段3T图的意义（时间温度转变，TTTTimeTemperatureTransfermation）1. 临界冷却速度（dT/dt）cTn/n，Tn=TM-Tn，Tn和n分别是三T图曲线头部(Nose of Curve)之点的温度和时间。特征值临界冷却速度越大，越难形成玻璃，而析晶容易。形成玻璃的临界冷却速率(Critical cooling rate)是随熔体组成变化而变化，因为3T曲线上任何温度下的时间仅仅随着（V/V）1/4次方变化。2.

14、 粘度在熔点附近高，易形成玻璃，析晶位垒高。 3.Tg和Tm也是一个特征值，大约为2/3。 4.粘度和熔点是生成下班的重要标志，冷却速率是形成玻璃的重要条件。4玻璃形成的结晶化学条件。键强(1)单键能(Single-Bond Strength)：(2) 网络形成体(Network former)：(3)网络变性体(Network modifier)(4) 网络中间体(Intermediates)：介于玻璃形成体和网络变性两者之间。(5)键强愈强的氧化物熔融后负离子也愈牢固，因此键的破坏和重新组合也愈困难，成核位垒也愈高，故不易析晶而易形成玻璃。键型A. 离子键化合物(Ionic bonds)B

15、金属键(Metal bonds) C.纯粹共价键(Covalent bonds)：D极性共价键：离子键向共价键过渡的混合键，混合键既有离子键易改变键角，易形成无对称变形的趋势，又具有共价键的方向性和饱性，不易改变键长和键角，前者有利于造成玻璃的远程无序，后者则造成的玻璃的近程有序，易形成玻璃。E.金属共价键：加入半径小，电荷高或极化较大过渡元素，形成spd,spdf杂化，形成金属和加入元素组成原子团，类似SiO4，形成近程有序，但金属键的无方向性和无饱和性则使这些原子团之间可以自由连接，形成无对称变形的趋势从而产生金属玻璃的无程序。F形成玻璃的条件：电负性X=1.52.5，阳离子较强极化，单键

16、强度335kJ/mol，成键时SP杂化，利于形成低配位负离子团。第六节 玻璃结构的模型1 晶子假说(Crystalline Models)(：硅酸盐玻璃是由无数“晶子”组成，晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成。所谓“晶子”是不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心，则变形程度愈大。“晶子”分散在无定形介质中，并从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。主要体现了微不均匀性和近程有序性。2 无规则网络学说(Random Network Models)：凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是一个三度空间网络(three d

17、imensional network)所构成，这样网络是离子多面体(Polyhedra)构筑起来。晶体结构网是由多面体无数次有规律的重复而构成，而玻璃中结构多面体重复没有规律。2 硼酸盐玻璃(Borate Glass)A 硼反常现象随着R2O的加入硼配位数的改变，使硼酸盐玻璃的各种物理性质与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，出现异常现象。这种异常现象是由硼配位数由三配位变为四配位引起的称为“硼反常”。所谓异常：加入碱金属，随着碱金属增加，粘度上升，再加入碱金属，粘度下降。B 硼反常现象的原因在石英玻璃中引入R+，会破坏相邻四面体的桥氧，形成两个非桥氧，网络分开，Y降低。在硼玻璃中加入R+，开始加R2

18、O时，和硅酸盐相反，非但不破坏桥氧，反而会加固网络，Y不会小，而是增加，因而粘度升高，膨胀系数等明显降低。因为在硼玻璃中开始加入R2O时会增加硼配位数，使一部分硼变化成BO4，另一部分仍为三角体配位。当R2O进一步增加（Na2O为16.7%，Y=3.2）, 由于BO4带负电，不能直接连接，而通常是由BO3或另一种偶而存在的多面体来相隔，一般认为R2O提供的氧不是用于形成BO4，而是以非桥氧形式出现于三角体之中，从而使结构网络连接减弱，导致一系列变化。第四章 相平衡总结及习题1. 基本概念：相图、自由度、组元数与独立组元数、吉布斯向律、杠杆规则、初晶区规则、三角形规则、背向线规则、切线规则；2.

19、 掌握相图的表示方法，包括单元系统相图、二元系统相图、三元系统相图；3. 对于单元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子；对于二元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算；对于三元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算。4. 专业相图应用：SiO2、ZrO、Al2O3-SiO2、铁碳合金相图。知识要点1、下图是最简单的三元系统投影图，图中等温线从高温到低温的次序是：t5t4t3t2t1，根据此投影图回答： （1）三个组元A、B、C熔点的高低次序是怎样排

20、列的？ （2）各液相面的陡势排列如何？哪个最陡？哪个最平坦？ （3）指出组成为65A、15B、20C的熔体在什么温度下开始析晶？析晶过程怎样？（表明液、固相组成点的变化及结晶过程各阶段中发生的变化过程） 解：（1）熔点：TBTATC （2）B最陡，C次之，A最平坦； （3）如图所示，在M点所在的温度下开始析晶， 析晶过程如下：2、如图，考虑40B的合金。1）平衡凝固时，画出冷却曲线与结晶过程示意图；2）计算平衡凝固时共晶组织所占比例3）若合金在细长的熔舟中进行不平衡定向凝固，固液界面保持平直；液相中溶质原子可以充分混合，凝固中始终成分保持均匀；固相中的扩散可忽略不计。计算合金的平衡分配系数K0

21、及凝固后金属棒中共晶体所占的比例。3.下图是具有多晶转变的某物质的相图，其中 DEF 线是熔体的蒸发曲线。 KE 是晶型 I 的升华曲线； GF 是晶型 II 的升华曲线； JG 是晶型的升华曲线，回答下列问题： (1) 在图中标明各相的相区，并把图中各无变点的平衡特征用式子表示出来。 (2) 系统中哪种晶型为稳定相 ? 那种晶型为介稳相 ? (3) 各晶型之间的转变是单向转变还是双向转变 ? 解：(1) KEC 为晶型的相区， EFBC 过冷液体的介稳区， AGFB 晶型的介稳区， JGA 晶型的介稳区； (2)晶型为稳定相，晶型、为介稳相；因为晶型、的蒸汽压高于晶型的，即它们的自由能较高，有自发转变为自由能较低的晶型的趋势； 多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点； 、转变可逆的，双向的，多晶转变点温度低于、的熔点。4、 SiO2具有很高的熔点，硅酸盐玻璃的熔制温度也很高。现要选择一种氧化物与SiO2在800的低温下形成均一的二元氧化物玻璃，