材料科学基础作业解答

第一章

1. 简述一次键与二次键各包括哪些结合键？这些结合键各自特点如何？

答：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。

二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。

①离子键：由于正、负离子间的库仑（静电）引力而形成。特点：1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大；
②共价键：是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点：结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。

③金属键：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点：它没有饱和性和方向性；具有良好的塑性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。

④范德瓦耳斯键：一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点：键合较弱，易断裂，可在很大程度上改变材料的性能；低熔点、高塑性。

2. 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。

答：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。

②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。

③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。

3. 晶体与非晶体的区别？稳态与亚稳态结构的区别？

晶体与非晶体区别：
答：性质上，(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。

结构上，晶体原子排列有序，非晶体排列长程无序。

稳态与亚稳态结构的区别
同种材料在不同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。而能量相对较高的结构称为亚稳态结构。

第二章

1.布拉菲将晶体结构共分为哪几大晶系？试画出面心立方、体心四方、简单六 方与简单三斜这四种布拉菲点阵的晶胞，并写出其棱边长度与夹角关系？答：分为七大晶系：立方晶系、四方晶系、菱方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系。

，a＝b＝c，α=β=γ=90°

，a＝b≠c，α=β=γ=90°

简单三斜：，a≠b≠c，α≠β≠γ

2.画出立方晶系中下列晶面和晶向：(010)，(011)，(231)，；[010]， [111]， 。

3.针对体心立方（BCC）晶胞：（1）写出BCC晶体中的配位数(CN)、原子数(N)、原子半径r与点阵常数a的关系式；（2）在晶胞图上画出任一个四面

体和八面体间隙的位置，并指出该四面体间隙和八面体间隙的中心位置。（3）写出BCC晶胞中四面体间隙和八面体间隙的数量。

答：（1）配位数CN=8，致密度K=0.68，原子数N=2，r=31/2a/4。 （2）

图中八面体间隙位于六面体的面中心，四面体间隙位于面平分线1/4处。（3）四面体间隙和八面体间隙的数量分别为12,6。（3分）

4. 针对FCC和BCC晶胞：
（1）分别在晶胞图上画出任一个四面体和八面体间隙的位置。（2）指出该四面体间隙和八面体间隙的中心位置。

（3）写出每种晶胞中四面体间隙和八面体间隙的数量。

答：
①P49图2-15，图2-16

②FCC：图中八面体间隙位于晶胞中心，四面体间隙位于晶胞体对角线上靠结 点1/4处
BCC：图中八面体间隙位于六面体的面中心，四面体间隙位于面平分线1/4 处
③FCC：四面体间隙和八面体间隙的数量分别为8,4；BCC：四面体间隙和八面 体间隙的数量分别为12,6

5.画出下述物质的一个晶胞，并指出5种物质的晶体结构所属的布拉菲点阵类

型。NaCl 金刚石闪锌矿纤锌矿 CsCl

答：NaCl、CsCl、闪锌矿、纤锌矿：课本P59图2-23(a)，(b)，(c)，(d)
金刚石：图2-25
NaCl、CsCl、闪锌矿、纤锌矿、金刚石点阵为：面心立方、简单立方、面心立方、简单六方、面心立方点阵

6.简述离子晶体的结构规则。

答：鲍林第一、第二、第三规则（书本P57-58）

第三章

1.根据链节中主链化学组成的不同，高分子链可以分为碳链高分子、杂

链高分子和元素有机高分子。

3.高分子链的结构形态包括线型、支化、梳形、星形、交联和体

型。

4.高分子链的构象是由于C-C单键内旋转引起的原子在空间据不同位置所

构成的分子链的各种形象。

5.影响高分子链柔顺性的主要因素有主链结构和侧基性质。

6.按照高分子几何排列的特点，固体聚合物的聚集态结构分为晶态结构和非晶 态结构两种。

7.高分子材料的玻璃化温度Tg指的是：当一块玻璃冷却到熔点温度以下时，在某一温度范围内它仍是塑性的．却到某个温度时，发生玻璃硬化，该温度称之为玻璃化温度。

8.热固性塑料和热塑性塑料的区别：热塑件塑料由于具有线型结构，因而具有较好的弹性和组件、易于加工成型和可反复使用等特性；热固性塑料不能进行塑性加工和反复使用。

第四章

1.已知某晶体在500℃时，每1010个原子中可以形成有1个空位，请问该晶体的空位形成能是多少？（已知该晶体的常数A=0.0539，玻尔兹曼常数k=1.381×10-23J/K）
答：

3．位错具有较高的能量，因此它是不稳定的，可能会发生位错反应。请判断下列位错反应能否进行：

a	[ 112 ]		a	[ 11 1 ]		a	[ 111 ]
3			6			2

答：

此反应不满足能量条件，只满足几何条件，故不能进行。

4.试比较肖脱基缺陷与弗兰克尔缺陷的异同？

答：相同：都是点缺陷，都会形成空位。

不同：弗兰克尔缺陷：原子离开平衡位置进入间隙，形成等量的空位和间隙原子。

肖脱基缺陷：由于热运动，晶体中阳离子及阴离子脱离平衡位置，跑到晶体表面

或晶界位置上，只形成空位不形成间隙原子。（构成新的晶面）。

5.试比较刃位错和螺位错的滑移特征？

书本P107

6.画图并叙述变形过程中位错增殖的机制。

书本P341F-R源

7.试列举金属的四种典型强化机制？这四种机制对材料韧性会产生什么影响？

答：（1）细晶强化，固溶强化，加工硬化，第二相强化。

（2）细晶强化可以提高韧性；第二相强化有时能提高，有时降低；其他强化不

能提高。

第五章

1.下图所示为经简化了的铁碳合金相图：
（1）请在图中空白区域标出各相区的相(写在圆括号内)；
（2）写出A、G、S、P、C、E点各自代表的意义；
（3）写出GS线、ES线、PSK线代表的含义；
（4）分析wc＝0.77％（虚线①）的铁—碳合金从液态平衡冷却至室温的结晶 过程；分析wc＝4.30％（虚线②）的铁—碳合金从液态平衡冷却至室温 的结晶过程。

（5）计算45钢(含碳量0.45%)与T10钢(含碳量1%)的相组成物的相对量？并 根据计算结果说明它们机械性能的差别。

答：（1）

（2）课本P178

（3）课本P179

（4）
①wc＝0.77％

②wc＝4.30％

（5）45钢的相组成物为F和Fe3C，其相对量为：
QF=（6.69-0.45）/（6.69-0.0218）ⅹ100%=93.6% QFe3C=1-93.3% = 6.4%
T10钢的相组成物为F和Fe3C，其相对量为：
QF=（6.69-1.0）/（6.69-0.0218）ⅹ100%=85.3% QFe3C=1-85.1% = 14.7%
计算结果表明：

由于45钢中的F含量比T10钢高，因此，45钢的塑性、韧性比T10钢高；

由于T10钢中的Fe3C含量比45钢高，因此，T10钢的硬度比45钢高。

第六章

1.画图并指出典型铸锭（如钢水在砂模中）的组织，并指出其形成原因？要获

得成分、性能、均匀的铸锭往往要扩大什么区？

答：

铸锭的典型组织特点为表层为细晶区，中心为等轴晶区，这两个晶区之间为

柱状晶区。

形成的原因为，表面散热最快，过冷度最大，所以晶粒细小；心部各个方向

上热量散失速度基本相同，故为等轴晶粒；在这两个晶区之间，热量沿垂直于铸

模壁的方向散失最快，所以晶粒为柱状晶粒（晶粒在热量散失最快的方向上长得

最快）。

扩大心部等轴晶区。

2.根据凝固理论，试讨论在凝固过程中细化晶粒的基本途径有哪些？

答：根据凝固理论可知，在凝固过程中决定晶粒度的因素有形核率（N）和长大

速度（G），且N/G越大，晶粒愈细小。因此我们可以从以下几点着手：

（1）增加过冷度：ΔT↑→N/G↑→晶粒愈细小，可以采用降低铸造温度的 方法增加过冷度。

（2）提高冷却速度：冷却速度↑→ΔT↑→N/G↑→晶粒愈细小。可以采用 用金属型铸造代替砂型的方法提高冷却速度。

（3）变质处理：变质处理是在液态金属结晶前，加入一些细小高熔点的物质，促使非自发形核的方法。如钢中加入Ti、V、Al，这种方法易实现、效果明显、最常用。

（4）振动，搅拌方法：破碎作用→提高形核率。

2.假设某纯金属液体按均匀形核方式结晶，晶胚呈半径为r的圆球形。晶胚的 单位面积表面能为σ，液固两相单位体积的吉布斯自由能差为ΔGV。 试问：①该形核过程的驱动力和阻力分别是什么？

②临界形核半径r*的表达式
③临界形核功ΔGV*的表达式
答：（1）驱动力：体积自由能差；阻力：新增表面能
（2）△G＝驱动力（体积自由能差）+阻力（新增表面能） ＝－△Gv+△GS
＝－V*△Gv+σ*A
＝－(4/3)πr3△Gv+ 4πr2σ
两端对r求导，有△G‘=-4πr2△Gv+8πrσ
令△G‘=0有r*=-2σ/△Gv
（3）带入r*，有ΔGk*=16πσ3/[3(△Gv)2]

第七章

1.简述固态相变的一般特点。

答：（1）相变阻力大。相变阻力多出了应变能一项且扩散困难。

（2）新相晶核与母相之间存在一定的晶体学位向关系。沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。

（3）惯习现象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。

（4）母相晶体缺陷促进相变。缺陷处晶格畸变、自由能高，促进形核及相变。（5）易出现过渡相。因为固态相变阻力大，直接转变困难→协调性中间产物（过渡相）。

2.常用的热处理工艺有哪些?试列举出四种常用热处理工艺在机械制造中的目的或作用。

答：常见的热处理工艺有正火，退火，固溶，时效，淬火，回火，退火，渗碳，渗氮，调质，球化，钎焊等。

①正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

②退火：将亚共析钢工件加热至AC3以上20―40度，保温一段时间后，随炉（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。缓慢冷却
③固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。

④时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。

⑤固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。

⑥时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。

⑦淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。

将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随⑧回火：
后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。

⑨钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。

低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

第八章

1．冷加工金属的微观组织见下图，随温度升高(在某一温度下保温足够长时间)会发生从图a—d的变化，试从微观组织(包括驱动力和过程)和宏观性能两个方面，依次对上述变化加以解释。

1．图a所对应的为加工组织，其特点为
(1)存在变形储能和内应力，大量非平衡点缺陷。(2)拉长的晶粒和晶界。

(3)变形织构。

(4)高强度，高硬度，较低的延展性。

2.图b所对应的为回复过程，其特点为：
(1)回复的驱动力为变形储能。

微观二类应力大部分(2)回复过程中变形引起的宏观(一类)内应力全部消除，

消除。

(3)回复过程组织不发生变化，仍保持变形状态伸长的晶粒；但空位浓度下降至平衡浓度，电阻率下降，晶体密度增加；同一滑移面异号位错相互抵消造成

位错密度略有下降。

(4)高温回复阶段刃型位错通过滑移、攀移运动发生多边形过程，造成加工硬化现象保留，强度、硬度略有下降，塑性稍有提高。

3．图c所对应的为再结晶过程，其特点为：
(1)变形储能全部释放，点阵畸变(三类内应力)消除。

(2)组织发生变化，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。

(3)伴随再结晶过程原子的重新排列，位错密度大大降低，变形过程所产生的复杂位错交互作用消失，加工硬化现象消失。

(4)力学性能发生急剧变化，强度、硬度急剧降低．塑性提高，恢复至变形前状态。

4．图d所对应的为晶粒长大过程，其特点为：(1)晶粒长大的驱动力是界面能的降低。

(2)晶粒长大是大晶粒吞并小晶粒的过程。

(3)引起一些性能变化，如强度、塑性、韧性下降。

(4)伴随晶粒长大，还发生其他结构上的变化，如再结晶结构等。

2.将经过大冷变形量（70%以上）的纯铜长棒一端浸入冰水中，另外一端加热至900摄氏度，试分析2小时后该纯铜棒沿长度方向的组织和性能变化。

答：
该长棒沿冰水至高温方向温度逐渐升高，相应会在不同区域分别存在冷变形、回复、再结晶和晶粒长大。

（1）靠冰水端为塑性变形后的冷变形组织，显微结构上缺陷密度明显增加。

原始晶粒被拉长，形成纤维组织。局部可能出现变形织构。性能上表现为强度硬度显著提高、塑性韧性明显下降。

（2）离冰水端稍远的地方，温度逐渐升高，冷变形组织发生回复。此阶段，纤维组织形态基本不变，但点缺陷数量降低至平衡浓度，位错密度稍有下降，变形引起的宏观(一类)内应力全部消除，微观二类应力大部分消除。力学性能中的强度、硬度略有下降，塑性稍有提高，但某些物理性能如电导率明显提高。

（3）离冰水端更远的地方，温度达到再结晶温度，发生再结晶，由冷变形的伸长晶粒变为新的等轴晶粒。位错密度显著降低，材料的强度硬度明显降低，塑性韧性明显提高。

（4）靠近高温端，由于温度很高，原子扩散能力增强，晶界迁移，晶粒长大。此时材料的塑性提高，强度硬度进一步降低。

3.试比较室温下Fe(体心立方结构)与Al（面心立方结构）在外力作用下的塑性变形的能力，并说明理由？试分析金属塑性变形的实质和主要性能的变化？

答：
1）在室温下，Cu的塑性变形的能力比Fe好，原因是虽然它们的滑移系数

目相同为12个，但Cu的滑移方向（3个）比Fe（2个）多。

2）塑性变形的实质：位错运动产生的滑移实现。

3）机械性能的变化：
(1)呈现明显的各向异性：由于形成了纤维组织和变形织构。

(2)产生加工硬化：随着变形量的增加，位错密度升高，导致位错缠结和定轧，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，可使金属的变形抗力显著升高。 （3）产生大量残余应力。