西北工业大学《材料科学基础》课后题答案 下载本文

相 同 点 不同点 晶体结构 机械性能 一般都是由过渡族金属与原子半径较小的C,N,H,O,B等非金属元素所组成 属于固熔体相,保持熔属于金属化合物相,形成不同剂的晶格类型 于其组元的新点阵 用化学分子式MX,M2X等表示 差 表达式 用α、β、γ等表示 韧性好 强度、硬度较低,塑性、高硬度、高熔点,甥性、韧性2. 有序固熔体,其中各组元原子分别占据各自的布拉菲点阵——称为分点阵,整个固熔体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵,也叫超点阵或超结构。 这种排列和原子之间的结合能(键)有关。结合能愈大,原子愈不容易结合。如果异类原子间结合能小于同类原子间结合能,即EAB < (EAA十EBB)/2,则熔质原子呈部分有序或完全有序排列。 有序化的推动力是混合能参量(εm=ε

AB

-1/2(EAA+EBB))ε

m

< 0,而有序化的

阻力则是组态熵;升温使后者对于自由能的贡献(-TS)增加,达到某个临界温度以后,则紊乱无序的固熔体更为稳定,有序固熔体消失,而变成无序固熔体。

3. 在原子尺寸因素相近的情况下,上述元素在Ag中的固熔度(摩尔分数)受原子价因素的影响,即价电子浓度e/a是决定固熔度(摩尔分数)的一个重要因素。它们的原子价分别为2,3,4,5价,Ag为1价,相应的极限固熔度时的电子浓度可用公式c=ZA(1一xB)+ZBxB

计算。式中,ZA,ZB分别为A,B组元的价电子数;xB为B组元的摩尔分数。上述元素在固溶度(摩尔分数)极限时的电子浓度分别为1.43,1.42,1.39,1.31。

4. Α-Fe为体心立方点阵,致密度虽然较小,但是它的间隙数目多且分散,因而间隙半径很小:r四=0.291,R=0.0361nm;r八=0.154,R=0.0191nm。 H,N,C,B等元素熔人。α-Fe中形成间隙固熔体,由于尺寸因素相差很大,所以固熔度(摩尔分数)都很小。例如N在α-Fe中的固熔度(摩尔分数)在590℃时达到最大值,约为WN=0.1/l0-2,在室温时降至WN=0.001/l0-2;C在α-Fe中的固溶度(摩尔分数)在727℃时达最大值,仅为WC=0.02l8/10-2,在室温时降至WC=0.006/10-2。所以,可以认为碳原子在室温几乎不熔于

α-Fe中,微量碳原子仅偏聚在位错等晶体缺陷附近。假若碳原子熔入。α-Fe中时,它的位置多在α-Fe的八面体间隙中心,因为。α-Fe中的八面体间隙是不对称的,形为扁八面体,[100]方向上间隙半径r=0.154R,而在[110]方向上,r=0.633R,当碳原子熔入时只引起一个方向上的点阵畸变。硼原子较大,熔人间隙更为困难,有时部分硼原子以置换方式熔人。氢在α-Fe中的固熔度(摩尔分数)也很小,且随温度下降时迅速降低。

以上元素在γ-Fe。中的固熔度(摩尔分数)较大一些。这是因为γ-Fe具有面心立方点阵,原子堆积致密,间隙数目少,故间隙半径较大:rA=0.414,R=0.0522nm;r四=0.225,R=0.0284 nm。故上述原子熔入时均处在八面体间隙的中心。如碳在γ-Fe中最大固熔度(质量分数)为WC=2.1l/10-2;氮在γ-Fe中的最大固熔度(质量分数)约为WN=2.8/10-2。 5. 密度ρ=5.97 g/cm3。 6. 两离子的中心距离为0.234 nm。

7. 碳原子占据10.2%的八面体间隙位置;氮原子占据12.5%的八面体间隙位置。

8. 这是因为形成固熔体时,熔质原子的熔入会使熔剂结构产生点阵畸变,从而使体系能量升高。熔质与熔剂原子尺寸相差越大,点阵畸变的程度也越大,则畸变能越高,结构的稳定性越低,熔解度越小。一般来说,间隙固熔体中熔质原子引起的点阵畸变较大,故不能无限互溶,只能有限熔解。

9. 9 (1)0.278 nm;(2)0.393 nm(3)0.482 nm;(4)0.622 nm;(5)0.393 nm。 10. (1)WLi+=16/10-2,WMg2+=24/1020,WF-=44/10-2,WO2—=16/10-2 (2)该固熔体的密度ρ=2.9 g/cm3。

0.4E0.4E~64之间,即4900~7000 MPa 11. 故理论强度介于

12. 模子的尺寸l=15.0 mm。

62.110.327.6::?5.2:10.2:1.7?3:6:112.0111.0079715.994

13.

C:H:O?

故可能是丙酮。

14. 画出丁醇(C4H9OH)的4种可能的异构体如下:

15. (1)单体质量为12X2+1X2+35.5X2=97 g/mol;(2)聚合度为 n=60000/97=620。

16. (1)均方根据长度4.65 nm;(2)分子质量m=7125 g。 17. 理论上的最大应变为3380%。

18. 单体的摩尔分数为:X苯烯=20/10-2,X丁二烯=40/10-2,X丙烯晴=40/10-2

19. (1)和(2)如下:

(3)每摩尔的水(0.6X1024)形成时,需要消去0.6X1024的C—O及N—H键,同时形成0.6X1024的C—N及H—O键。 净能量变化为-15 kJ/mol。 20. 硅酸盐结构的基本特点:

(1)硅酸盐的基本结构单元是[Si04]四面体,硅原子位于氧原子四面体的间隙中。硅—氧之间的结合键不仅是纯离子键,还有相当的共价键成分。 (2)每一个氧最多只能被两个[Si04]四面体所共有。

(3)[Si04]四面体可以是互相孤立地在结构中存在,也可以通过共顶点互相连接。

(4)Si—O--Si的结合键形成一折线。 硅酸盐分成下列几类: (1)含有有限硅氧团的硅酸盐; (2)链状硅酸盐; (3)层状硅酸盐; (4)骨架状硅酸盐。

21. 因为大多数陶瓷主要由晶相和玻璃相组成,这两种相的热膨胀系数相差较大,由高温很快冷却时,每种相的收缩不同,所造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。

22. 陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键。由于离子键及共价键很强,故陶瓷的抗压强度很高,硬度极高。因为原子以离子键和共价键结合时,外层电子处于稳定的结构状态,不能自由运动,故陶瓷材料的熔点很高,抗氧化性好,耐高温,化学稳定性高。

1. 分析结晶相变时系统自由能的变化可知,结晶的热力学条件为?G<0;由单位

?GB??Lm?TTm可知,只有?T>0,才有?GB<0。即只有过冷,

体积自由能的变化才能使?G<0。

动力学条件为液—固界面前沿液体的温度T

液体中存在的结构起伏,是结晶时产生晶核的基础。因此,结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。

2. 凝固驱动力?G=一3253.5 J/mol。 3. (1)rk=9.03X10 m; (2)n=261个。

4. 所谓界面的平衡结构,是指在界面能最小的条件下,界面处于最稳定状态。其问题实质是分析当界面粗糙化时,界面自由能的相对变化。为此,作如下假定:

(1) 液、固相的平衡处于恒温条件下; (2) 液、固相在界面附近结构相同; (3) 只考虑组态熵,忽略振动嫡。

设N为液、固界面上总原子位置数,固相原子位置数为n,其占据分数为x=n/N;界面上空位分数为1一x,空位数为N(1一x)。形成空位引起内能和结构熵的变化,相应引起表面吉布斯自由能的变化为

?Gs??H?T?S?(?u?P?S)?T?S??u?T?S

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