材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)期末考試復(fù)習(xí)解答題匯總ppt課件

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1 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子結(jié)構(gòu)有什么共同特點(diǎn)？從左到右或從上到下元素結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別？性質(zhì)如何遞變？ 同一周期元素具有相同原子核外電子層數(shù)，從左到右，核電荷增多，原子半徑逐漸減小，電離能增加，失電子能力降低，得電子能力增加，金屬性減弱，非金屬性增強(qiáng)； 同一主族元素核外電子數(shù)相同，從上向下，電子層數(shù)增多，原子半徑增大，電離能降低，失電子能力增加，得電子能力降低，金屬性增強(qiáng)，非金屬性降低。,1,2 比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料在結(jié)合鍵上的差別。 簡(jiǎn)單金屬完全為金屬鍵，過(guò)渡族金屬為金屬鍵和共價(jià)鍵的混合，但以金屬鍵為主； 陶瓷材料是由一種或多種金屬同非金屬(通常為氧)相結(jié)合的化合物，其主要為離子鍵，也有一定成分的共價(jià)鍵； 高分子材料，大分子內(nèi)的原子之間結(jié)合為共價(jià)鍵，而大分子與大分子之間的結(jié)合為物理鍵。 復(fù)合材料是由二種或二種以上的材料組合而成的物質(zhì)，因而其結(jié)合鍵非常復(fù)雜，不能一概而論。,2,3 比較鍵能大小和各種結(jié)合鍵的主要特點(diǎn)。 化學(xué)鍵能 物理鍵能， 共價(jià)鍵能 ≥離子鍵能 金屬鍵能 氫鍵能 范氏鍵能 共價(jià)鍵中：叁鍵鍵能 雙鍵鍵能 單鍵鍵能 金屬鍵，由金屬正離子和自由電子，靠庫(kù)侖引力結(jié)合，電子的共有化，無(wú)飽和性，無(wú)方向性； 離子鍵以離子為結(jié)合單元，無(wú)飽和性，無(wú)方向性； 共價(jià)鍵共用電子對(duì)，有飽和性，有方向性； 范德華力，原子或分子間偶極作用，無(wú)方向性，無(wú)飽和性； 氫鍵，分子間作用力，氫橋，有方向性和飽和性。,3,簡(jiǎn)述結(jié)合鍵類型及鍵能大小對(duì)材料的熔點(diǎn)﹑密度﹑導(dǎo)電性﹑導(dǎo)熱性﹑彈性模量和塑性有何影響。 1) 結(jié)合鍵類型及鍵能對(duì)材料熔點(diǎn)的影響 熔點(diǎn)高低代表材料的穩(wěn)定性程度。加熱時(shí)，當(dāng)熱振動(dòng)足以破壞相鄰原子間的穩(wěn)定結(jié)合時(shí)，材料發(fā)生熔化。結(jié)合鍵類型和結(jié)合(鍵)能大小決定材料熔點(diǎn)的高低。 結(jié)合(鍵)能大小順序： 共價(jià)鍵 ≥ 離子鍵 金屬鍵（過(guò)渡金屬大） 氫鍵 范德華力。 陶瓷材料（共價(jià)鍵 ，離子鍵 ）比金屬（金屬鍵）具有更高的熔點(diǎn)或熱穩(wěn)定性。高分子具有二次鍵，熔點(diǎn)偏低。 2) 結(jié)合鍵類型及鍵能對(duì)材料密度的影響 金屬密度高的兩個(gè)原因： 第一，金屬有較高的相對(duì)原子質(zhì)量。 第二，金屬鍵沒(méi)有方向性，金屬原子趨于密集排列。,4,陶瓷材料為共價(jià)鍵和離子鍵的結(jié)合，其密度較低： 共價(jià)結(jié)合時(shí)，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)合時(shí)，要滿足正、負(fù)離子間電荷平衡的要求，它們的相鄰原子數(shù)都不如金屬多。 聚合物多為二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，且其組成原子質(zhì)量較小，聚合物密度最低： 3) 結(jié)合鍵類型及鍵能對(duì)材料導(dǎo)電性﹑導(dǎo)熱性的影響 金屬鍵由金屬正離子和自由電子，靠庫(kù)侖引力結(jié)合。價(jià)電子能在晶體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，金屬有良好導(dǎo)電性；不僅正離子振動(dòng)傳遞熱能，電子運(yùn)動(dòng)也傳遞熱能，金屬有良好導(dǎo)熱性； 非金屬鍵結(jié)合的陶瓷和聚合物在固態(tài)下不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性小，作為絕緣體或絕熱體在工程上應(yīng)用。,5,4) 結(jié)合鍵類型及鍵能對(duì)材料力學(xué)性能（彈性模量和塑性）的影響 材料受力發(fā)生彈性變形，對(duì)應(yīng)原子間距的變化。結(jié)合鍵能越大,原子之間距離的變化所需的外力越大, 材料的拉伸或壓縮模量越大。 共價(jià)鍵 ≥ 離子鍵 金屬鍵（過(guò)渡金屬大） 氫鍵 范德華力 陶瓷的模量金屬的模量高分子的模量。 金屬鍵無(wú)飽和性，無(wú)方向性，正離子之間相對(duì)位置的改變不破壞電子與正離子間的結(jié)合力。金屬受力變形，可改變?cè)又g的相互位置，但金屬鍵不被破壞，使金屬有良好延展性（范性變形）。 共價(jià)鍵鍵能高，有方向性和有飽和性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，改變?cè)娱g的相對(duì)位置很困難，共價(jià)鍵結(jié)合的材料，塑性變形能力差，硬而脆。,6,4 氧化鎂與氯化鈉具有相同的結(jié)構(gòu)。已知Mg離子半徑r1為0.066nm，氧離子半徑r2為0.140 nm。 鎂的相對(duì)原子質(zhì)量為24.31；氧的相對(duì)原子質(zhì)量為16.00。(1)求氧化鎂的晶格常數(shù)? (2)求氧化鎂的密度? (3) 求氧化鎂的致密度?,7,8,面心立方化合物氧化鎂, 氯化鈉的致密度為： 4（4ЛR3/3）+4（4Лr3/3）/（2 R+2 r）3＝ 原子相同時(shí)，致密度與原子大小無(wú)關(guān)； 當(dāng)不同種類的原子出現(xiàn)時(shí)，其原子的相對(duì)大小必然影響致密度。,9,5 （1）面心立方（ fcc ）Face-Centered Cubic 原子位置 立方體的八個(gè)頂角 和每個(gè)側(cè)面中心,A1、γ-Fe、Ni、Cu、Rh、Pt、Ag 、 Au等,10,（2） bcc 體心立方 Body-centered Cubic 原子位置 立方體的八個(gè)頂角和體心,V, Mo, Nb, α-Fe, Cr, W 等,11,（3）hcp 密堆六方 Hexagonal Close-Packed 原子位置 12個(gè)頂角、上下底心 和體內(nèi)3處,Be、Mg、Zn、Cd、 α-Ti 、 α -Co．,12,6 歸納總結(jié)3種典型金屬結(jié)構(gòu)（bcc、fcc 和hcp）的晶體學(xué)特點(diǎn)（配位數(shù)、每個(gè)晶胞中的原子數(shù)、點(diǎn)陣常數(shù)、致密度和最近的原子間距）。 體心立方（bcc）：8；2；a；0.68； 面心立方（fcc）: 12；4；a； 0.74； 密排六方（hcp）: 12；6；a，c，c/a =1.633；0.74；a,13,7 簡(jiǎn)述影響置換型固溶體置換的因素 ( 8分 ) 1）離子大小: 同晶型時(shí)，Δr ＜15％，有可能完全互溶；Δr = 15～30%，部分互溶；Δr 30%， 難置換，不能形成固溶體。 ( 2分 ) 2）鍵性（極化）：兩元素間電負(fù)性相近，有利于固溶體的生成；電負(fù)性差別大，固溶度減小，傾向于生成金屬化合物。 ( 2分 ) 3)晶體結(jié)構(gòu)和晶胞大?。合嗤w結(jié)構(gòu)，固溶度較大；晶體結(jié)構(gòu)不同，最多只能形成有限型固溶體。 ( 2分 ) 4)電價(jià)：原子價(jià)（離子價(jià)）相同，固溶度大；價(jià)態(tài)差越大，固溶度降低。 ( 2分 ),14,,8． 計(jì)算在500℃下每小時(shí)通過(guò)一塊面積為0.20m2，厚度為5mm的金屬鉑板的氫原子質(zhì)量。假設(shè)在穩(wěn)定條件下氫原子的擴(kuò)散系數(shù)為1.0×10-8m2/s，鉑板高低壓兩側(cè)氫濃度分別為2.4kg/m3和0.6kg/m3。 公式- 代入數(shù)據(jù)- 結(jié)果 (6分) 解：穩(wěn)定條件下，由菲克第一定律可得： ； (3分) 每小時(shí)通過(guò)面積為0.20m2金屬鉑板的氫原子質(zhì)量為： (3分),15,9. 在鋼棒表面上，每20個(gè)鐵的晶胞中有一個(gè)碳原子，在離表面1mm處每30個(gè)鐵的晶胞中有一個(gè)碳原子。溫度為1000℃時(shí)擴(kuò)散系數(shù)為3×10-11 m2s -1，且結(jié)構(gòu)為面心立方(a＝0.365nm)。問(wèn)每分鐘因擴(kuò)散通過(guò)單位晶胞的碳原子數(shù)有多少個(gè)？ (8分) 解：計(jì)算鋼棒表面及表面下1mm處的碳濃度 C1 ＝ 1/20(0.365×10-9)3 ＝ 1.03×1027 (個(gè)/m3 ) ( 2分) C2 ＝ 1/30(0.365×10-9)3 ＝ 0.68×1027 (個(gè)/m3 ) ( 2分) J = - D Δc /Δx ＝-（3×10 - 11 m2s -1 ）×（0.68-1.03） ×1027(個(gè)/m3 ) /10-3 m＝1.05×1019 (個(gè)/m2×s ) ( 2分) 每一個(gè)單位晶胞的面積為(0.365×10-9 m)2 Ja = (1.05×1019個(gè)/m2×s) ×(0.365×10-9m)2×60(s/min)＝84個(gè)/min ( 2分),16,,10．在912℃時(shí)，鐵從bcc轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc。此溫度時(shí)鐵的兩種結(jié)構(gòu)的原子半徑分別為0.126nm和0.129nm,試求其結(jié)構(gòu)變化時(shí)的體積變化率為多少? (9分) 兩個(gè)bcc鐵晶胞 (2個(gè)鐵原子/晶胞)，一個(gè)fcc鐵晶胞(4個(gè)鐵原子/晶胞)均含有4個(gè)鐵原子 兩個(gè)bcc鐵晶胞 : V＝2a3＝2×(4×0.126/ 31/2)3＝0.0493 nm3 ( 2分) 一個(gè)fcc鐵晶胞: V＝a3＝(4×0.129/ 21/2)3＝0.0486 nm3 ( 2分) 912℃結(jié)構(gòu)變化時(shí),體積變化率為: ΔV/ V0＝（0.0486- 0.0493/0.0493＝-0.014＝-1.4% ( 2分) 從室溫加熱鐵到912℃時(shí)，體積逐漸增大； ( 1分) 912℃時(shí)，鐵從bcc轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc，體積減??； ( 1分) 912℃到1000℃，體積逐漸增大； ( 1分),17,bcc鐵的單位晶胞體積，在912℃時(shí)是0.02464 nm3；在相同溫度時(shí)fcc鐵的單位晶胞體積是0.0486 nm3。問(wèn)當(dāng)鐵由bcc轉(zhuǎn)變成fcc時(shí)，其密度改變的百分比為多少? 鐵的相對(duì)原子質(zhì)量為55.85。,18,11 含0.20%碳的碳鋼在927℃進(jìn)行氣體滲碳，此時(shí)D = 1.28χ10-11m2/s,若表面的碳含量為1.2％，試求滲碳10h后距表面1.5mm處的碳含量。 ( 8分 ) CS =1.2％, C0=0.2% , X=1.5*10-3 m , D = 1.28χ10-11m2/s, t=10*3600 s 由菲克第二定律，在鋼件的滲碳工藝中的應(yīng)用 ( 3分 ) (1.2% - C)/ (1.2％-0.2%) = erf(1.5*10-3/2 (1.28χ10-11 *10*3600)1/2 = erf(1.105) ( 3分 ) 查誤差函數(shù)表得：(1.2% - Cx)/ (1.2％-0.2%) =0.88 ( 2分 ) C =0.32%,19,,20,含0.18%碳的碳鋼在927℃進(jìn)行氣體滲碳，D = 1.28χ10-11m2/s,若表面的碳含量為1％，試求距表面0.60mm處的碳含量達(dá)到0.30％所需的時(shí)間。 ( 8分 ) CS =1％, C0=0.18% , Cx= 0.30％ , X=0.60*10-3 m , D = 1.28χ10-11m2/s,,(1-0.3)/ (1-0.18) =0.8537=erf(0.60*10-3/2 (1.28χ10-11 t)1/2 ( 3分 ) 查誤差函數(shù)表得： 1.025 =0.0839*103 / (t)1/2 t = 6695(s) =1.859(h),21,2．(a) 在每1mm3的固體鉭中含有多少個(gè)原子？(b)求其原子堆積因子（密度）？(c) 鉭屬于哪一種立方體結(jié)構(gòu)？(鉭原子序數(shù)=73，原子質(zhì)量=180.95，原子半徑=0.1429nm，密度=16.6g/cm3)。 ( 7分 ) （1）（2）（3）步分別為3,3,1分。,22,23,例1 金剛石為碳的一種晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=0.357nm，當(dāng)它轉(zhuǎn)換成石墨( 2.25 g/cm3)結(jié)構(gòu)時(shí)，求其體積改變百分?jǐn)?shù)？ 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞共含有8個(gè)碳原子。金剛石的密度 ：,g/cm3,對(duì)于1g碳，當(dāng)它為金剛石結(jié)構(gòu)時(shí)的體積：,(cm3),當(dāng)它為石墨結(jié)構(gòu)時(shí)的體積：,(cm3),由金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)時(shí)，其體積膨脹 ：,24,例 純鈦有兩種同素異構(gòu)體，20℃低溫的密排六方結(jié)構(gòu) 和900℃高溫的β-Ti體心立方結(jié)構(gòu) ，其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為882.5℃，計(jì)算純鈦在900℃時(shí)晶體中（112）和（001）的晶面間距（900℃時(shí)，a =0.3307nm）,900℃時(shí)為 β-Ti： bcc結(jié)構(gòu),,奇數(shù)，需要修正公式,25,26,1 分析鐵碳合金的三相平衡轉(zhuǎn)變 (3條水平線)過(guò)程；,包晶轉(zhuǎn)變（HJB線），1485℃，含C為0.53%的液相與含C為0.09%的δ相發(fā)生作用,生成含C為0.17%的γ (A)相奧氏體。,共晶轉(zhuǎn)變（ECF線），1148℃，含C為4.3%的液相，生成γ (A)相奧氏體和滲碳體的混合物(Ld，萊氏體),共析轉(zhuǎn)變（PSK線） ，727℃，含C為0.77%的奧氏體，轉(zhuǎn)變?yōu)楹珻為0.0218%的鐵素體和滲碳體的混合物(P， 珠光體),27,2 分析 w(C) ＝0.77％、 w(C)＝1.2％、 w(C)＝ 4.3％、 w(C)＝4.5％的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫的轉(zhuǎn)變過(guò)程，用組織示意圖說(shuō)明各階段的組織變化。,28,并用文字描述,29,如: 亞共晶白口鐵（虛線，碳含量為3.0%）的冷卻過(guò)程平衡相圖。請(qǐng)按亞共晶白口鐵的冷卻過(guò)程，依次詳細(xì)寫出相應(yīng)的相變過(guò)程及產(chǎn)物；,亞共晶白口鐵冷卻到1點(diǎn)時(shí)，液體開始結(jié)晶出奧氏體。隨溫度下降，結(jié)晶出的奧氏體量不斷增加，液相不斷減少，到溫度2點(diǎn)時(shí)，奧氏體碳含量為2.11%，液相碳含量為4.3%，液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成萊氏體，先結(jié)晶出的奧氏體保持不變，共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，亞共晶白口鐵組織為 奧氏體和萊氏體; 2~3點(diǎn)之間繼續(xù)冷卻，從先結(jié)晶的奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體, 冷卻到3點(diǎn)時(shí)，奧氏體含碳量下降到0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體。亞共晶白口鐵，室溫組織為，珠光體，二次滲碳體和低溫萊氏體。,30,如圖所示為共析鋼(C%=0.77%)的冷卻過(guò)程平衡相圖，按共析鋼的冷卻過(guò)程，依次詳細(xì)說(shuō)明各階段的組織變化, 相應(yīng)的相變過(guò)程及產(chǎn)物。 ( 8分 ) 溫度1~2之間，按均晶方式析出奧氏體(2分) ；溫度繼續(xù)冷卻，至2~3之間后，形成單相奧氏體(2分)；奧氏體繼續(xù)冷卻至3時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成組織珠光體（滲碳體和鐵素體相組成）(2分) ；溫度繼續(xù)冷卻，即3~4之間，珠光體中的鐵素體析出三次滲碳體(2分) 。,31,3 計(jì)算w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的鐵碳合金從液態(tài)平衡冷卻到室溫下的組織組成物和相組成物含量。 任何鐵碳合金 室溫下平衡組織均由鐵素體和滲碳體兩相組成，,w(C) = 0.77%,32,C%= 0.40% 碳鋼組織組成物含量為：,室溫的相組成物含量,33,4 按含碳量，對(duì)鐵碳合金進(jìn)行分類，并表示該鐵碳合金在室溫下的組織組成物。,34,5 硅酸鹽水泥煅燒過(guò)程中的物理和化學(xué)變化 (1) 干燥和脫水 物料中自由水的蒸發(fā)；粘土礦物（高嶺石）分解脫出化合水。 (2) 碳酸鹽（石灰石質(zhì)原料）分解 (3) 固相反應(yīng) 石灰石質(zhì)原料分解產(chǎn)物和粘土脫水產(chǎn)物，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)間的相互擴(kuò)散，進(jìn)行固相反應(yīng)。 (4) 熟料燒結(jié) 水泥生料煅燒到1250℃時(shí)，出現(xiàn)液相。液相作用下，物料由疏松狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)致密的灰黑色熟料。硅酸二鈣與氧化鈣溶解在液相中，硅酸二鈣吸收氧化鈣，形成硅酸三鈣。,35,6 從顯微結(jié)構(gòu)看，陶瓷材料主要有哪些相構(gòu)成？各構(gòu)成相的主要作用和對(duì)陶瓷性能的影響是什么？為什么外界溫度的急劇變化可以使許多陶瓷器件開裂或破碎? 晶相 ,玻璃相,氣相和晶界 晶粒是陶瓷最主要的組成相，晶相的性質(zhì)是影響陶瓷性能的主要因素；燒成－冷卻過(guò)程中，晶界處產(chǎn)生熱應(yīng)力，出現(xiàn)微裂紋，降低陶瓷強(qiáng)度。 玻璃相的作用，粘結(jié)分散的晶粒，抑止晶粒長(zhǎng)大； 填充晶粒間的空隙，填充氣孔，提高致密度，降低燒結(jié)溫度。 氣相會(huì)降低陶瓷強(qiáng)度，造成裂紋。保留一定的氣相，陶瓷的比重小，絕熱性好。 因大多數(shù)陶瓷主要由晶相和玻璃相組成，這兩種相的熱膨脹系數(shù)相差較大，由高溫很快冷卻時(shí)，每種相的收縮不同，所造成的內(nèi)應(yīng)力足以使陶瓷器件開裂或破碎。,36,7 簡(jiǎn)述高嶺土（石）的結(jié)構(gòu) 三斜晶系，單網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，即硅氧四面體層 + 八面體層； 下層為硅氧四面體層，硅氧四面體中的活性氧向上。上層為八面體層[AlO2(OH)4] （由 1個(gè)Al3+ ，2個(gè)O2－ , 4個(gè)OH－組成）， 每一個(gè)活性氧同時(shí)連接1個(gè)硅氧四面體和2個(gè)[AlO2(OH)4]八面體，層與層間為氫鍵結(jié)合，結(jié)合力較弱，層間易解理成片狀，但OH--O之間仍有一定的吸引力，所以單網(wǎng)層之間水分子不易進(jìn)去，不因水含量增加而膨脹。,37,,,38,10 陶瓷材料中主要結(jié)合鍵是什么?從結(jié)合鍵的角度解釋陶瓷材料所具有的特殊性能? 陶瓷材料中主要的結(jié)合鍵是離子鍵及共價(jià)鍵。 由于離子鍵及共價(jià)鍵鍵能很強(qiáng)，故陶瓷的抗壓強(qiáng)度很高，硬度極高。因?yàn)樵右噪x子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，外層電子處于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不能自由運(yùn)動(dòng)，陶瓷材料的熔點(diǎn)很高，抗氧化性好，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性高。,39,11 分析滑石 Mg 3 [ Si4O10](OH)2的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 單斜晶系，復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)( 硅氧四面體層 + 八面體層 + 硅氧四面體層)； 上下層為硅氧四面體層，上層活性氧全向下，下層活性氧全向上，中間夾一鎂氫氧層(1個(gè)Mg2+ ，4個(gè)O2－ , 2個(gè)OH－組成八面體）。 每一個(gè)活性氧同時(shí)連接1個(gè)[SiO4]四面體和3個(gè)[MgO4(OH)2] 八面體， 每一層O2－電價(jià)飽和。層與層間結(jié)合為范德華鍵，層間鍵合弱，易沿層面解理,受力時(shí)會(huì)沿層面滑動(dòng)。,40,12 分析鈣鈦礦CaTiO3晶體的結(jié)構(gòu) 立方晶系 Ca2+ ，為立方體頂角 ，配位數(shù)為12（ O2- ）； O2- ，為面心，配位數(shù)為6 （4 Ca2+ +2 Ti4+ ） ； Ti4+ ，為體心，配位數(shù)為6 （ O2- ）； [TiO6]8-八面體通過(guò)頂角共用氧，形成三維網(wǎng)絡(luò)；,41,42,