材料科学基础一二章答案.doc

1、第一章5.作图表示立方晶系（ 2） （ ） （421）晶面和 2 346晶向01012（ 2） （ ） （421）01210 2 346 01129.在立方晶系中画出112的所有晶面解：112包括（112） ， （121） ， （211） ， （ ） ， （ ） ， （ ）,( ), ( ), ( ), 21212( ), ( ),( );121(112) (121) (211)（ ） （ ） （ ） 122121OabcO( ) ( ) ( ) 211212( ) ( ) ( )12121211.何谓多晶型转变？以 Fe 为例说明之；Fe 加热至 912会发生多晶型转变，如果原子半径不变，试

2、求出此时的体积变化。答：（1）当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变；（2）Fe 在 912以下为体心立方结构，称为 -Fe；在 912-1394时，具有面心立方，称为 -Fe；设 Fe 原子半径为 r,面心立方中看成面对角线上原子直接接触，所以晶胞半径 a=4r/ =2 r。体积为 a3=16 r3,面心立方晶胞含有 4 个 Fe 原子；体心立方体对角线直接接触，所以晶胞半径 b=4r/ =2.31r。体积为 b3=12.3r3，而体心立方有 2 个 Fe 原子，所以 4 个原子占的体积是 12.3r32=24.6r3；面心/体心=16

3、r3/（24.6r3）=0.92综上，由体心变为面心结构，体积减小为原来的 92%。15.何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？答：(1)固溶强化: 在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度硬度提高，而韧性，塑性有所下降的现象（2）间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。因为溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果也就越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大得多，所以其强化效果好。16.何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？答：（1）当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59 时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间

4、隙相；（2）间隙相是一种化合物，它是与其组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体则保持着溶剂组元的晶格类型。非金属与金属的原子半径比是大于 0.59 时，形成具有复杂结构的间隙化合物。间隙相与复杂间隙化合物相比具有比较简单的晶体结构，间隙相硬度更高，更稳定。17.碳可以溶入 -Fe 和 -Fe 间隙中，-Fe 的致密度 k=0.68, -Fe 的 k=0.74，但-Fe 的溶碳能力却比 -Fe 大，通过计算说明原因（-Fe 在 727时原子半径为0.1252nm，-Fe 在 1184时原子半径为 0.1293nm） 。答：-Fe 是体心立方晶体，-Fe 是面心立方晶体，体心立方晶格的最大间隙是四面

5、体间隙，面心立方晶格的最大间隙是八面体间隙；-Fe 最大间隙是四面体间隙为 0.126a ,-Fe 最大间隙是八面体间隙为 0.146a,对于 -Fe，RA= /4.a=0.1252 nm RB=0.126a=0.03643 nm对于 -Fe，RA= /4.a=0.1293 nm RB=0.146a=0.05340 nm-Fe 的致密度虽然比 -Fe 的低，但因它的间隙数量少，间隙直径小，所以它的溶碳能力比 -Fe 的低。第二章2.根据结晶的热力学条件解释为什么金属结晶时一定要有过冷度？冷却速度与过冷度有什么关系？答：由热力学第二定律知道，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的

6、方向进行。液态金属要结晶，其结晶温度一定要低于理论结晶温度 Tm，此时的固态金属自由能低于液态金属的自由能，两相自由能之差构成了金属结晶的驱动力。要获得结晶过程所必须的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，液、固两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快，所以金属结晶必须有过冷度。冷却速度越大，过冷度越大；反之，冷却速度越小，则过冷度越小。5.综述金属的均匀形核过程：（1）证明临界晶核半径 rk=2/Gv晶胚的体积为 V，表面积为 S，液固两相单位体积自由能之差为 Gv，单位面积的表面能为 ，系统自由能变为 G；G=-VGv+S；=-

7、4/3 r3Gv+4r2.对式进行微分并令其等于零，可得：rk=2/Gv（2）证明 rk=2Tm/LmTrk=2/Gv；Gv=Lm.T/Tm；即 rk=2Tm/LmT（3）证明临界形核功 Gk=Sk/3当 r=rk时 G=Gk；G =-4/3r3Gv+4r2. ；rk=2/Gv； Gk=1/34(2/Gv) 2. =1/3 Sk(4)均匀形核的条件是什么？答：要有结构起伏与能量起伏；液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；结晶必须在一定温度下进行（5） 、过冷度对形核率 N 有何影响？答：开始时，形核率随过冷度的增加而增大，当超过极大值之后，形核率又随过冷度的增加而减小，当过冷度非常大时，

8、形核率接近于零。6、何谓非均匀形核？叙述非均匀形核的必要条件答：非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。必要条件：（1）液体必须过冷，提供形核的热力学条件，G0；（2）有结构起伏；（3）有能量起伏GG 但所需的能量起伏小。10.设晶核为一立方体，推导临界晶核半径边长和临界形核功答：设立方体边长为 a，体积为 V（ 3a） ，表面积 S（ 26a） 。则 SGVVG 固- 液单位体积自由能之差， 单位面积表面能236aV令 0G，得 Va4；即立方体晶核的临界边长 VK4；把 Ka带入 236aV中，整理得 23VG因此临界形核功 23VKG。12、常温下晶粒大小对金属性能有何影响？根据凝固理论，试述细化晶粒的方法有哪些？答：金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。细化晶粒的方法：1）控制过冷度，在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小；2）变质处理，在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒；3）振动、搅动，对即将凝固的金属进行振动或搅动，一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加。