復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)導(dǎo)論課后習(xí)題答案(搭配：石德珂《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教材)

材料科學(xué)導(dǎo)論課后習(xí)題答案材料科學(xué)概論氧化鋁既牢固又堅(jiān)硬且耐磨，但為什么不能用來制造榔頭？答：氧化鋁脆性較高，且抗震性不佳。將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料進(jìn)行分類：黃銅、環(huán)氧樹脂、混泥土、鎂合金、玻璃鋼、瀝青、碳化硅、鉛錫焊料、橡膠、紙杯答：金屬：黃銅、鎂合金、鉛錫焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：環(huán)氧樹脂、瀝青、橡膠、紙杯；復(fù)合材料：混泥土、玻璃鋼下列用品選材時(shí)，哪些性能特別重要？答：汽車曲柄：強(qiáng)度，耐沖擊韌度，耐磨性，抗疲勞強(qiáng)度；電燈泡燈絲：熔點(diǎn)高，耐高溫，電阻大；剪刀：硬度和高耐磨性，足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性；汽車擋風(fēng)玻璃：透光性，硬度；電視機(jī)熒光屏：光學(xué)特性，足夠的發(fā)光亮度。材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)下列電子排列方式中，哪一個(gè)是惰性元素、鹵族元素、堿族、堿土族元素及過渡金屬？(1)1s22s22p63s23p63d74s2(2)1s22s22p63s23p6(3)1s22s22p5(4)1s22s22p63s2(5)1s22s22p63s23p63d24s2(6)1s22s22p63s23p64s1答：惰性元素：(2)；鹵族元素：(3)；堿族：(6)；堿土族：(4)；過渡金屬：(1),(5)稀土族元素電子排列的特點(diǎn)是什么？為什么它們處于周期表的同一空格內(nèi)？答：稀土族元素的電子在填滿6s態(tài)后，先依次填入遠(yuǎn)離外殼層的4f、5d層，在此過程中，由于電子層最外層和次外層的電子分布沒有變化，這些元素具有幾乎相同的化學(xué)性質(zhì)，故處于周期表的同一空格內(nèi)。描述氫鍵的本質(zhì)，什么情況下容易形成氫鍵？答：氫鍵本質(zhì)上與范德華鍵一樣，是靠分子間的偶極吸引力結(jié)合在一起。它是氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)、原子半徑較小的原子（或原子團(tuán)）之間的結(jié)合所形成的物理鍵。當(dāng)氫原子與一個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)的原子（或原子團(tuán)）X結(jié)合成分子時(shí)，氫原子的一個(gè)電子轉(zhuǎn)移至該原子殼層上；分子的氫變成一個(gè)裸露的質(zhì)子，對(duì)另外一個(gè)電負(fù)性較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，與Y之間形成氫鍵。為什么金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價(jià)鍵固體高？答：一是金屬原子質(zhì)量大；二是金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，原子趨于緊密排列，得到簡單的原子排列形態(tài)。離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合的原子，相鄰原子的個(gè)數(shù)受到共價(jià)鍵數(shù)目的限制，離子鍵結(jié)合還要滿足正、負(fù)離子間電荷的平衡，原子不可能緊密堆積，而且存在孔洞缺陷，故金屬鍵結(jié)合的固體材料的密度比離子鍵或共價(jià)鍵固體高。應(yīng)用公式計(jì)算Mg2+O2-離子對(duì)的結(jié)合鍵能，以及每摩爾MgO晶體的結(jié)合鍵能。假設(shè)離子半徑為rMg2+=0.065nm；rO2-=0.140nm；n=7。答：F吸引=-在平衡時(shí)，F(xiàn)吸引=F排斥故e2πε0晶體的結(jié)合鍵能：E轉(zhuǎn)換為每摩爾MgO晶體的結(jié)合鍵能：E原子序數(shù)為12的Mg有三種同位素：78.70%的Mg原子由12個(gè)中子，10.13%的Mg原子由13個(gè)中子，11.17%的Mg原子由14個(gè)中子，試計(jì)算Mg的原子量。答：78.70%×24+10.13%×25+11.17%×26=24.32試計(jì)算原子N殼層內(nèi)的最大電子數(shù)。若K,L,M和N殼層中所有能級(jí)都被填滿，試確定該原子的原子數(shù)。答：N殼層內(nèi)最大電子數(shù)：2×1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p66s2該原子的原子數(shù)是70試寫出Al原子13個(gè)電子的每個(gè)電子的全部量子數(shù)。答：nlmms100±200±210±211±21-1±300±3101如附圖a所示，試求某一晶格參數(shù)為2.5A0的立方金屬刃型位錯(cuò)的burgers矢量的Miller指數(shù)及其長度。答：柏氏矢量b垂直于(220)，故其Miller指數(shù)為[110]b如附圖b所示，寫出在FCC金屬的11答：1第五章固體材料的凝固與結(jié)晶液體金屬在凝固時(shí)必須過冷，而加熱使其融化卻毋需過熱，即一旦加熱到熔點(diǎn)就立即熔化，為什么？答：液體金屬在凝固時(shí)必須克服表面能，形核時(shí)自由能變化大于零，故需要過冷。固態(tài)金屬在熔化時(shí)，液相與氣相接觸，當(dāng)有少量液體金屬在固相表面形成時(shí)，就會(huì)很快覆蓋在整個(gè)表面（因?yàn)橐后w金屬總是潤濕同一種固體金屬）。表面能變化決定過程能否自發(fā)進(jìn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在熔化過程中，表面自由能的變化小于零，即不存在表面能障礙，也就不必過熱。金屬凝固時(shí)的形核率常桉下式做簡化計(jì)算，即N試計(jì)算液體Cu在過冷度為180K、200K和220K時(shí)的均勻形核率。并將計(jì)算結(jié)果與書圖6-4b比較。（已知Lm答：?Gv代入數(shù)據(jù)得，180K時(shí)N均=7.50×10-12；200K時(shí)N均=7.89×10-5；與圖6-4b相比，結(jié)果吻合，表明只有過冷度達(dá)到一定程度，使凝固溫度接近有效成核溫度時(shí)，形核率才會(huì)急劇增加。試解釋凝固與結(jié)晶、晶胚與形核的相互關(guān)系。答：凝固是指物質(zhì)從液態(tài)冷卻成固態(tài)的一種轉(zhuǎn)變過程，可以形成晶態(tài)或非晶態(tài)。若冷卻后成為晶體，這種凝固成為結(jié)晶。根據(jù)熱力學(xué)判斷，在過冷液態(tài)金屬中，短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)尺寸越大，就越穩(wěn)定，只有尺寸較大的短程規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，才能成為晶核。晶胚即是過冷液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列尺寸較大的原子有序排列部分。一定溫度下，最大晶胚有一個(gè)極限值rmax；而液態(tài)金屬的過冷度越大，實(shí)際可能出現(xiàn)的最大晶胚尺寸也越大。當(dāng)液態(tài)金屬中形成的晶胚尺寸大于或等于一定臨界尺寸時(shí)，成為晶核，其有兩種形成方式：均勻成核（依靠液態(tài)金屬本身能量的變化獲得驅(qū)動(dòng)力并由晶胚直接成核的過程）和非均勻成核（晶胚是依附在其他物質(zhì)表面上形核的過程）。金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件是什么？答：過冷度是金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件；結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是結(jié)構(gòu)條件。哪些因素會(huì)影響金屬結(jié)晶時(shí)的非均勻形核率？答：過冷度，固體雜質(zhì)及其表面形貌，物理性能如液相宏觀流動(dòng)，外加電磁場(chǎng)，受機(jī)械作用等。第六章材料的擴(kuò)散與遷移1.把P原子擴(kuò)散到單晶硅中的摻雜工藝是制備n型半導(dǎo)體的常用方法。若將原來的每107個(gè)Si原子中含有一個(gè)P原子的1mm厚的硅片，通過擴(kuò)散摻雜處理后表面達(dá)到每107Si原子中含有400個(gè)P原子，試分別按：(a)原子百分?jǐn)?shù)/cm,(b)原子數(shù)/cm3.cm的表示方法計(jì)算濃度梯度。硅的晶格常數(shù)為5.4307A0。答：(a)(b)硅的晶胞體積為：V單位晶胞中有8個(gè)Si原子，則107Si所占體積為：V2．試說明影響擴(kuò)散的因素。答：溫度，原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)，固溶體類型和濃度，晶體缺陷，第三組元。3．試?yán)霉紻=α2РГ，解釋各因素對(duì)擴(kuò)散的影響。答：D與α2，Р，Г成正比。其中，α為最鄰近的間隙原子距離，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；Р為躍遷幾率，Р=exp(-?GkT),跟溫度,畸變能等4.自擴(kuò)散與空位擴(kuò)散有何關(guān)系？為什么自擴(kuò)散系數(shù)公式要比空位擴(kuò)散系數(shù)Dv小得多？（Dv=D/nv，nv為空位的平衡濃度）答：對(duì)于純金屬或間隙固溶體合金，原子都處于正常的晶格結(jié)點(diǎn)位置。若晶格結(jié)點(diǎn)某處的原子空缺時(shí)，相鄰原子可能躍遷到此空缺位置，之后又留下新的空位，原子的這種擴(kuò)散方式叫空位擴(kuò)散。當(dāng)晶體內(nèi)完全是同類原子時(shí)，原子在純材料中的擴(kuò)散為自擴(kuò)散。自擴(kuò)散是空位擴(kuò)散的一種特殊形式。對(duì)于置換固溶體合金和純金屬，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸和化學(xué)性質(zhì)不同，與空位交換位置的幾率也不同，D=D0exp（-Q/RT），自擴(kuò)散的擴(kuò)散激活能要比空位擴(kuò)散的擴(kuò)散激活能大?？瘴粩U(kuò)散系數(shù)Dv=D/nv，由于空位平衡濃度nv遠(yuǎn)小于1，Dv比D大得多。第七章熱力學(xué)與相圖分析共晶反應(yīng)，包晶反應(yīng)和共析反應(yīng)的異同點(diǎn)。答：（1）不同點(diǎn)：共晶反應(yīng)是一定成分的液體合金，在一定溫度下，同時(shí)結(jié)晶形成另外一種固相的反應(yīng)過程；包晶反應(yīng)是一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另外一種固相的反應(yīng)過程；共析反應(yīng)是由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個(gè)新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相的反應(yīng)過程。（2）相同點(diǎn)：均是在恒溫下發(fā)生，處于三相平衡的狀態(tài)。試分析圖7-6中合金IV的結(jié)晶過程（wsn=70%），計(jì)算室溫下組元成分的含量及顯微組織。答：結(jié)晶過程為勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出，冷卻過程如下圖所示，室溫下組元成分：αII+β+（α+β）共晶室溫下組元成分的含量：鉍（熔點(diǎn)為271.5℃）和銻（熔點(diǎn)為630.7℃）在液態(tài)和固態(tài)時(shí)均能彼此無限互溶，wBi=50%的合金在520時(shí)開始結(jié)晶處成分為wSb=87%的固相。wBi=80%的合金在400℃時(shí)開始結(jié)晶出成分為wSb=64%的固相。根據(jù)上述條件，繪出Bi-Sb相圖，并標(biāo)出各線和各相區(qū)的名稱。從相圖上確定含銻量為wSb=40%合金的開始結(jié)晶和結(jié)晶終了溫度，并求出它在400℃時(shí)的平衡相成分及相對(duì)量。答：（1）（2）根據(jù)相圖，含銻量為40%合金開始結(jié)晶溫度大約為490℃，終了溫度為350℃，液相含量54.5%，固相含量45.5%。4.（1）應(yīng)用相律時(shí)需考慮哪些限制條件？（2）試指出圖5-115中的錯(cuò)誤之處，并用相律說明理由，且加以改正。答：（1）A.相律只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下各相的溫度應(yīng)相等；各相的壓力應(yīng)相等；每一阻元在各相中的化學(xué)位必須相同。B.相律只能表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組元或相的類型和含量。C.相律不能預(yù)告反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。D.自由度的值不得小于零。（2）A.二元體系兩相平衡，自由度為1，故不可為直線。B.單一體系兩相平衡，自由度為0，故應(yīng)為一點(diǎn)。C.二元體系最多只能三相平衡，此處含四相。D.二元體系三相平衡，自由度為0，故應(yīng)為水平線。5.分析wc=0.2%的鐵-碳合金從液態(tài)平衡冷卻至室溫的轉(zhuǎn)變過程，用冷卻曲線和組織示意圖，說明各階段的組織，并分別計(jì)算室溫下的相組織物及組織組成物的相對(duì)量。答：合金在t1~t2之間發(fā)生勻晶反應(yīng)析出δ固溶體，冷卻至t2（1495℃）時(shí)，液相L與δ固溶體發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變生成γ。包晶轉(zhuǎn)