大学材料科学基础课后习题答案_第二版_张联盟.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流大学材料科学基础课后习题答案_第二版_张联盟.精品文档.作业答案晶体学2、解：（1）h:k:l=1/2:1/3:1/6=3:2:1,该晶面的米勒指数为（321）；（2）（321）5、解：MgO为NaCl型，O2-做密堆积，Mg2+填充空隙。rO2- =0.140nm，rMg2+=0.072nm，z=4，晶胞中质点体积：(4/3r O2-3+4/3rMg2+ 3)4，a=2(r+r-)，晶胞体积=a3，堆积系数=晶胞中MgO体积/晶胞体积=68.5%，密度=晶胞中MgO质量/晶胞体积=3.49g/cm3。6、解：体心：原子数 2，配位数 8，堆

2、积密度 55.5%； 面心：原子数 4，配位数 6，堆积密度 74.04%； 六方：原子数 6，配位数 6，堆积密度 74.04%。7、解：u=z1z2e2N0A/r0(1-1/n)/40，e=1.60210-19，0=8.85410-12，N0=6.0221023，NaCl：z1=1，z2=1，A=1.748，nNa+=7，nCl-=9，n=8，r0=2.81910-10m，u NaCl=752KJ/mol；MgO：z1=2，z2=2，A=1.748，nO2-=7，nMg2+=，n=7，r0=2.1010m，uMgO=392KJ/mol；uMgO uNaCl，MgO的熔点高。9、解：设球半径

3、为a，则球的体积为4/3a3，求的z=4，则球的总体积（晶胞）44/3a3，立方体晶胞体积：(2a)3=16a3，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。10、解：=m/V晶=1.74g/cm3，V=1.3710-22。11、解：Si4+4；K+12；Al3+6；Mg2+6。13、解：MgS中a=5.20?，阴离子相互接触，a=2r-，rS2-=1.84?；CaS中a=5.67?，阴-阳离子相互接触，a=2(r+r-)，rCa 2+=0.95?；CaO中a=4.80?， a=2(r+r-)，rO2-=1.40?；MgO中a=4.20?， a=2(r+r

4、-)，rMg2+=0.70?。14、解：LiF为NaCl型结构，z=4，V=a3，=m/V=2.6g/cm3，a=4.05?，根据离子半径a1=2(r+r-)=4.14?，a0.301?，O2-不能互相接触;（2）体对角线=a=4(r+r-)，a=4.665?；（3）=m/V=1.963g/cm3. 17、解：rMg2+与rCa2+不同，rCa2+ rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。18. 19.20。（2）四面体空隙数/O2-数=2:1，八面体空隙数/O2-数=1:1；（3）(a)CN=4，z+/48=2，z+=1，Na2O，Li2O；(b)CN=6，z+/66

5、=2，z+=2，FeO，MnO；（c）CN=4，z+/44=2，z+=4，ZnS，SiC；(d)CN=6，z+/63=2，z+=4，MnO2。21、解：岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。22、解：（1）有两种配位多面体，SiO4，MgO6，同层的MgO6八面体共棱，如59MgO6和49MgO6共棱75O2-和27O2-，不同层的MgO6八面体共顶，如1MgO6和51MgO6共顶是22O2-，同层的MgO6与SiO4共顶，如TMgO6和7SiO4共顶22O2-，不同层的MgO6与SiO4共棱，TMgO6和43SiO4共28O2-和28O2-；（3）z=4；（4）Si4+占四面体空

6、隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。23、解：透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个SiO4层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。24、解：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大键，每一层都是六边形网状结构。由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。25、解：（1）Al3+可与O2-形成AlO45-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与S

7、i4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元AlSiO4ASiO5，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；（3）设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/41+4/41=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然1/4，造成结构不稳定。晶体结构缺陷1、解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成

8、的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。2、解：（1）NaClNaCa+ ClCl + VCl（2）CaCl2CaNa + 2ClCl + VNa（3）OVNa + VCl（4）AgAgVAg + Agi3、解：设有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子数为x，晶胞体积V=(4.20)3，x=VN0/M=3.96,单位晶胞的肖脱基缺陷数=4-x=0.04。4、解：（a）根据热缺陷浓度公式 n/N=exp(-E/2RT)，E=6eV=61.60210-19=9.61210-19J,T=298k：n/N=1.9210-51，T=1873k：n/

9、N=8.010-9；（b）在MgO中加入百万分之一的AL2O3，AL2O32ALMg + VMg + 3OO，AL2O3= 10-6，杂质缺陷=310-6/2=1.510-6，比较可知，杂质缺陷占优。5、解：n/N=exp(-E/2RT)，R=8.314，T=1000k：n/N=6.410-3；T=1500k：n/N=3.510-2。6、解：Fe2O32FeFe + 3OO + VFey2yyFe3+2yFe2+1-3yO，X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565OVFe=2.2210-27、解：Zn(g)Zni + e, Zn(g) + 1/2O2 = ZnO , Zni

10、 + e+ 1/2O2 ZnO , ZnO=e，PO2ZniO2(g) OO + VFe + 2hk=OO VFeh/PO21/2=4OO VFe3/ PO21/2 , VFe PO2-1/6，PO2 VFe8、解：刃位错：位错线垂直于位错线垂直于位错运动方向；螺位错：位错线平行于 位错线平行于位错运动方向。10、解：排斥，张应力重叠，压应力重叠。11、解：晶界对位错运动起阻碍作用。12、解：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于无序的状态，而位错之间的距离可能只有一、两个原子的大小，不适用于大角度晶界。13、解：（1）原子或离子尺寸的影响，r30%很难或不能形成固溶体；r愈大，固溶度愈小；（2

11、）晶体结构类型的影响，只有两种结构相同和r0kOVM+ VxMMMi+ VMMXMX只受温度控制固溶体无限，有限，置换，间隙搀杂溶解大小，电负性，电价，结构无：受温度控制有：搀杂量固溶度 受固溶度控制非化学计量化合物阳缺阴间阳间阴缺环境中气愤性质和压力变化Fe1-xOUO2+xZn1+xOTiO2_xhPO2-1/6Oi PO2-1/6Zni PO2-1/6VO PO2-1/617、解：设AL2O3、MgO总重量为100g，则AL2O318g，MgO82g，溶入MgO中AL2O3的mol数：AL2O3 mol%=0.08=8%, MgO mol%=1-8%=92%,固溶体组成：8% AL2O3

12、，92%MgO，固溶体组成式：Al0.16Mg0.92O1.16(a)AL2O32ALMg + 2OO + OiX2xx固溶体化学式：Al2xMg1-2xO1+x将化学式与组成式一一对应，求出待定参数x，由于O2-的量不同，将O2-的量化为1Al0.16/1.16Mg0.92/1.16OAl2x/1+xMg1-2x/1+xOx=0.074，化学式Al0.148Mg0.852O1.074d理想=，=1.04（b）AL2O32ALMg + 3OO + OMgx2xxAl2xMg1-3xOAl0.16/1.16Mg0.92/1.16Ox=Al0.138Mg0.793O=0.97 18、解：Fe1-x

13、S中存在Fe空位，VFe非化学计量，存在h P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e，N型半导体；因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。19、解：（1）晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力10%；（2）间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。20、解：TaWr大-r小/ r大=4.2%15%电负性差=2.2-2.2=0结构类型：面心立方形成有限固溶体CoNir大-r小/ r大=0.4%15%电负性差：1.8-1.

14、6=0.2当T427，Co Zn结构类型相同可形成连续固溶体TiTar大-r小/ r大=2.12%883，Ti Ta结构类型相同可形成连续固溶体21、解：（a）r大-r小/ r大=10%90 ，不能润湿。9 、解： lg =500erg/cm 2 ，求氧化物表面张力 sg ，sg =lgcos45 + ls，2xlscos45 =ss ss=1000dyn/cm=10-2 N/cm=1N/m=1J/m2 =103erg/cm2sg=500cos45 + =1060.5erg/cm2。10 、解：(1)gs=glcos70.52 +lsgs=900cos70.52 +600=900erg/cm2

15、(2)ss=2cos 900=848.5erg/cm2扩散2、解：扩散的基本推动力是化学位梯度，只不过在一般情况下以浓度梯度的方式表现出来；扩散是从高化学位处流向低化学位处，最终系统各处的化学位相等。如果低浓度处化学势高，则可进行负扩散，如玻璃的分相过程。3、解：看成一维稳定扩散，根据菲克第一定律 扩散系数宏观表达式 D=D0exp(-Q/RT) D0=0.3410-14m2/s Q=4.5kcal/mol=4.51034.1868J/mol=1.85104J/mol R=8.314J/mol?K， T=300+273=573K D=0.3410-14exp(-3.88)=0.3410-140

16、.02=6.810-17m2/s cx=2.51017/10-6=2.51023 c2=cx-2.941019=2.510234、解： 20个Fe的晶胞体积：20a3m3 ， 30个Fe的晶胞体积：30a3m3 浓度差： J=1.021019个/S?m2 1个晶胞面积a2， n=Jx60a2=82个5、解：根据恒定源扩散深度 要得到两倍厚度的渗碳层，需4h。 6、解：不稳定扩散中恒定源扩散问题 已知x不变， D1t1=D2t2 已知D1，D2，t1，则可求t2=480s 7、解：不稳定扩散恒定源半无限扩散 已知x=10-3cm，D，求解t=1.25105s=34.7h 8、解：(1) D=D0

17、exp(-Q/RT) T=563+273=836K时，D=310-14cm2/s T=450+273=723K时，D=1.010-14cm2/s 代入上式可求 Q=48875J，D0=3.3910-15cm2/s (2)略。 10、解：晶界扩散 Dgb=2.00210-10exp(-19100/T) 体扩散 DV=1.0010-4exp(-38200/T) T增大，exp(-19100/T)减小，Dgb减小，DV减小； T减小，exp(-19100/T)增大，Dgb增大，DV增大； 计算有 T=1455.6K Dgb= DV T1455.6K时，DgbDV，高温时，体积扩散占优； T DV，低

18、温时，晶界扩散占优。 11、解：T=800+273=1073K时 D=0.0079exp(-83600/RT)=6.7710-7cm2/s D=0.21exp(-141284/RT)=2.110-8 cm2/s D D 扩散介质结构对扩散有很大影响，结构疏松，扩散阻力小而扩散系数大，体心较面心疏松；-Fe 体心立方，-Fe 面心立方。13 解：离子晶体一般为阴离子作密堆积，阳离子填充在四面体或八面体空隙中。所以阳离子较易扩散。如果阴离子进行扩散，则要改变晶体堆积方式，阻力大。从而就会拆散离子晶体的结构骨架。 14 解：固体表面质点在表面力作用下，导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来的晶格畸

19、变，表面结构不同于内部，并使表面处于较高的能量状态。晶体的内部质点排列有周期性，每个质点力场是对称的，质点在表面迁移所需活化能较晶体内部小，则相应的扩散系数大。同理，晶界上质点排列方式不同于内部，排列混乱，存在着空位、位错等缺陷，使之处于应力畸变状态，具有较高能量，质点在晶界迁移所需的活化能较晶内小，扩散系数大。 但晶界上质点与晶体内部相比，由于晶界上质点受两个晶粒作用达到平衡态，处于某种过渡的排列方式，其能量较晶体表面质点低，质点迁移阻力较大因而D晶界D表面。相变 2. 解：特征： 母相与马氏体之间不改变结晶学方位关系（新相总是沿一定的结晶学面形成，新相与母相之间有严格的取向关系） 相变时不

20、发生扩散，是一种无扩散相变，马氏体在化学组成上与母体完全相同 转变速度极快 马氏体相变过程需要成核取动力，有开始温度和终了温度。 区别： 成核生长过程中存在扩散相变，母相与晶相组成可相同可不同，转变速度较慢，无明显的开始和终了温度。 .解： 4.解: 5.解: Tm:相变平衡温度；相变热 温度时，系统处于不平衡状态，则 对方热过程如结晶，凝聚0 ,Tm0，必须过冷 对吸热过程如蒸发，熔融则T0，必须过热 .解： 均匀成核在均匀介质中进行，在整体介质中的核化可能性相同，与界面，缺陷无关 非均匀成核在异相界面上进行，如容器壁，气泡界面或附着于外加物（杂质或晶核剂） 7.解: 8.解: 9.解: 1

21、0.解: 12解：r相同时G1G2G3 T1T2T3 13解:斯宾纳多分解，是由于组成起伏引起的热力学上的不稳定性产生的，又称不稳定分解两种相变机理的主要差别成核 - 生长机理 斯宾纳多机理 1 、温度不变时，第二相组成不随时间而改变 1 、组成发生连续的变化，直至达到平衡为止 2 、成核相与基质之间的界面始终是清除的 2 、界面起初是很散乱的，最后才明显起来 3 、平衡相的尺寸和位置存在着混乱倾向 3 、相的尺寸和分布有一定的规律性 4 、第二相分离成孤立的球形颗粒 4 、第二相分离成有高度连续性的非球形颗粒 5 、分相所需时间长，动力学障碍大 5 、分相所需时间极短，动力学障碍小 14解：

22、登山扩散-负扩散，爬坡扩散，扩散的结果是增大浓度梯度。15.解：在后期是无法区分的。但观察整个相变过程的变化情况可以区分。 对于成核-生长机理的相变，在相分离早期，由于新相核的产生必须达到临界尺寸，因此在形态上就看不到同相之间的连接性，新相倾向于以球形析出。在相分离早期，系统出现孤立的分立颗粒。在中期，颗粒产生聚结，在后期，可能呈现高度的连续性。 斯宾纳多分解可由微小的成分波动产生，在相变初期不必形成明显的新相界面，系统中各组分之间逆浓度梯度方向进行登山扩散，促进了组成的波动。因此，其分解产物组织没有固定的周期性，但存在着高度的连续性。这样，就可以用小角度x-ray散射方法研究相变组织，用场离

23、子显微镜加原子探针技术研究早期斯宾纳多分解及有序化。还可以用电子显微镜对等温下相生长随时间变化进行观察。固相反应1.解：（a）1 反应物是半径为R0的等径球粒B,x为产物层厚度。 2.反应物A是扩散相，即A总是包围着B的颗粒，且A，B同产物C是完全接触的，反应自球表面向中心进行 3.A在产物层中的浓度梯度是线性的，且扩散截面积一定。 （b）整个反应过程中速度最慢的一步控制产物生成D小的控制产物生成，即DMg2+小，Mg2+扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散慢，整个反应由Mg2+的扩散控制。 2 .解：（1）将重量增量平方对t做图，呈抛物线关系，则符合 X2=kt3.解: 代入 T=1400 G=

24、10% t=1h Q=50kcal/mol 求得k及c c=3.3510-7 代入杨德方程 T=1500 t=1h 4h 求出 G=0.0999 0.1930 5 解：根据表9-1 （P324P325）部分重要的固相反应动力学方程 及图9-18各种类型反应中G-t/t0.5曲线 分析 G50%，G-t小于线性规律，是由扩散控制的反应，G2=kt 将T1 =451，T2=493 G1=G，G2=10G， 代入求得Q 6. 解： （1） 已知t=1h，G=0.15 求G=100% t=？ （2）影响扩散的因素： 减小粒度 采用活性反应物，如Al2O3?3H2O 适当加压等等 8 .解：选择MgCO

25、3或Mg(OH)2及Al2O3?3H2O较好。 其活性较高。 这些原料在反应中进行热分解和脱水，获得具有较大比表面和晶格缺陷的初生态或无定形物质从而提高了反应活性，加剧了固相反应的进行烧结1.解: 烧结的推动力从广义上讲是化学位移梯度,具体的是系统的表面能 主要以流动传质,扩散传质,气象传质,溶解 - 沉淀方式推动物质迁移。 其中：固相烧结中传质机理：(1) 流动传质 (2) 扩散传质 (2) 气相传质液相烧结中的传质机理 (1) 流动传质 (2) 溶解-沉淀2.解：烧结过程是经过成型的固体粉状颗粒在加热到低于熔点温度的温度下,产生颗粒粘结；通过物质传递,使成型题逐渐变成具有一定几何形状和性能

26、的整体的过程。 烧结初期：颗粒仅发生重排和键和,颗粒和空隙形状变化很小,颈部相对变化 x/r0.3 ,线收缩率小于0.06 。 烧结中期:(1) 烧结中期,颈部进一步扩大,颗粒变形较大,气孔由不规则的形状逐渐变成由三个颗粒包围的,近似圆柱形的气孔,且气孔是联通的。 (2) 晶界开始移动,颗粒正常长大。与气孔接触的颗粒表面为空位源,质点扩散以体积扩散和晶界扩散为主而扩散到气孔表面,空位返乡扩散而消失。 (3)坯体气孔率降为5%左右,收缩达90%。 烧结末期：(1) 进入烧结末期,气孔封闭,相互孤立,理想情况为四个颗粒包围,近似球状。 (2) 晶粒明显长大,只有扩散机理是重要的,质点通过晶界扩散和

27、体积扩散,进入晶界间近似球状的气孔中。 (3) 收缩率达90100%, 密度达理论值的95% 以上。 3.解： a,d能使烧结体强度增大,而不会产生肧体宏观上的收缩。应为这两种物质传递仅涉及肧体表面形状的变化,而并没有涉及到肧体内部气孔体积的变化。这样,陪体表面颗粒间接触面积增大,粘附力增加,从而使烧结体强度增大,但不产生肧体宏观上的收缩。 4.解：粉料立方体1mm=10-4cm1cm3压块中有1/（10-4）3=1012个颗粒 最初表面能=6*（10-4）2*1000erg/cm3*1012个/cm3=6*107erg/cm3最后晶界能=1/2*6 *（10-4）2*550erg/cm3*1

28、012个/cm3=1.65*107 erg/cm3推动力D=6*107erg/cm3-1.65*107erg/cm3 =5.35*107 erg/cm35.解： 初次再结晶晶粒长大二次再结晶推动力来源基质塑性变形而储存于基质中的能量 晶界过剩的界面能推动力大小 小 0.51cal/g较大很大在陶瓷系统中重要性影响不大关键尽量避免6.解：延长烧结时间一般都为不同程度地促使烧结完成,但对粘性流动机理的烧结较为明显,而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。对体积扩散和表面扩散,低温下以表面扩散为主,高温下以体积扩散为主,而表面扩散并不改变为肧体的致密度,因此,可适当延长高温烧结时间。另外,在烧结后期,不

29、合理的延长烧结时间,有时会加剧二次再结晶作用,反而得不到充分致密的制品。 7.解：P=g(1/r1+1/r2) P=0.8大气压 g=280达因/厘米 r1=5m 求r29.解：线收缩率： 1200,对NiO和Cr2O3粉末,其则可求出K1473,同理,可求出 K1673,代入上式,即可求出式中g=600erg/cm2,=0.59T=1473K,1673K,r=0.5m 10.解:(1) 晶粒的大小取决于起始晶粒的大小,烧结温度和烧结时间 (2) 防止二次再结晶引起的晶粒异常长大 11.解：二次再结晶发生后,由于个别晶粒异常长大,气孔进入晶粒内部,成为孤立闭气孔,不易排除,使烧结速率降低甚至停止,肧体不再致