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《材料科学与工程基本》习题和思考题及答案

第二章
2-1.按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子电子排布（用方框图表达）。
2-2.镁原子有13个中子，11.17%镁原子有14个中子，试计算镁原子原子量。
2-3.试计算N壳层内最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时，该原子原子序数是多少？
2-4.计算O壳层内最大电子数。并定出K、L、M、N、O壳层中所有能级都被电子填满时该原子原子序数。
2-5.将离子键、共价键和金属键按有方向性和无方向性分类，简朴阐明理由。
2-6.按照杂化轨道理论，阐明下列键合形式：
（1）CO2分子键合 （2）甲烷CH4分子键合
（3）乙烯C2H4分子键合 （4）水H2O分子键合
（5）苯环分子键合 （6）羰基中C、O间原子键合
2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数因素有那些？
2-8.试解释表2-3-1中，原子键型与物性关系？
2-9.0℃时，水和冰密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3，如何解释这一现象？
2-10.当CN=6时，K+离子半径为0.133nm(a)当CN=4时，半径是多少？(b)CN=8时，半径是多少？
2-11.(a)运用附录资料算出一种金原子质量？(b)每mm3 金有多少个原子？(c)依照金密度，某颗具有1021个原子金粒，体积是多少？(d)假设金原子是球形(rAu=0.1441nm),并忽视金原子之间空隙，则1021个原子占多少体积？(e)这些金原子体积占总体积多少比例？
2-12.一种CaO立方体晶胞具有4个Ca2+离子和4个O2-离子，每边边长是0.478nm，则CaO密度是多少？
2-13.硬球模式广泛合用于金属原子和离子，但是为什么不合用于分子？
2-14.计算（a）面心立方金属原子致密度；（ b）面心立方化合物NaCl离子致密度（离子半径rNa+=0.097，rCl-=0.181）；（C）由计算成果，可以引出什么结论？
2-15.铁单位晶胞为立方体，晶格常数 a=0.287nm，请由铁密度算出每个单位晶胞所含原子个数。
2-16.钛单位晶胞具有两个原子，请问此单位晶胞体积是多少？
2-17.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞致密度。
2-18.在体心立方构造晶胞（100）面上按比例画出该面上原子以及八面体和四周体间隙。
2-19.键合类型是如何影响局部原子堆垛？
2-20.厚度0.08mm、面积670mm2薄铝片(a)其单位晶胞为立方体，a=0.4049nm，则此薄片共含多少个单位晶胞？(b)铝密度2.7Mg/m3，则每个单位晶胞质量是多少？
2-21.(a)在每mm3固体钡中具有多少个原子？(b)其原子堆积因子是多少？(c)钡属于哪一种立方体构造？(原子序=56，原子质量=137.3aum，原子半径=0.22nm，离子半径=0.143 nm，密度=3.5Mg/m3)
2-22.由X射线衍射数据显示，MgO立方体单位晶胞尺寸是0.412nm，其密度3.83Mg/m3，请问在每单位晶胞中有多少Mg2+离子和O2-离子?
2-23.钻石构造晶格常数a为0.357nm，当它转变成石墨时，体积变化比例是多少？（石墨密度2.25Mg/m3）
2-24.方向为[111]直线通过1/2，0，1/2点，则在此直线上此外两点坐标是什么？
2-25.(a)在立方体系中，[100]方向和[211]方向夹角是多少？(b)[011]方向和[111]方向夹角是多少？
2-26.一平面与晶体两轴截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行，则此平面米勒指标是什么？
2-27.一平面与三轴截距为a=1,b=-2/3,c=2/3，则此平面米勒指标是什么？
2-28.(a)方向族<111>那些)方向是在铁（101）平面上?(b)方向族<110>那些)方向是在铁（110）平面上?
2-29.氯化钠晶体被用来测量某些X光波长，对氯离子d111间距而言，其绕射角2q为 27°30´(a)X光波长是多少？（NaCl晶格常数为0.563nm）(b)若X光波长为0.058nm，则其衍射角2q是多少？
2-30.某X光波长0.058nm ，用来计算铝d200，其衍射角2q为16.47°，求晶格常数为多少？
2-31.请算出能进入fcc银填隙位置而不拥挤最大原子半径。
2-32.碳原子能溶入fcc 铁最大填隙位置：(a)每个单元晶胞中有多少个这样位置？(b)在此位置四周有多少铁原子环绕？
2-33.一种熔体含30m/o MgO和70m/o LiF： (a) Li+,Mg2+,F-和O2-w/o是多少？(b)密度是多少？
2-34.请找出能进入bcc铁填隙位置最大原子半径（暗示：最大空洞位在1/2，1/4，0位置）。
2-35.碳和氮在γ-Fe中最大固溶度分别为8.9%和10.3%，已知碳、氮原子均占据八面体间隙，试分别计算八面体间隙被碳原子和氮原子占据百分数。
2-36.fcc间隙位置配位数是什么？如果每一种间隙位置都被小原子或离子占满，则会产生什么样构造？
2-37.如果Fe3+/Fe2+比为0.14，则FeO密度是多少？（FeO为NaCl构造；（r0+rFe）平均为0.215nm）
2-38.如果在固溶体中每个Zr离子中加入一种Ca2+离子，就也许形成ZrO2立方体，因而阳离子形成fcc构造，而O2-离子位于四重对称位置，（a）每100个阳离子有多少个O2-离子存在？（b）有多少比例四重对称位置被占据？
2-39.在温度为912℃时，铁从bcc转变到fcc 。此温度时铁两种构造原子半径分别是0.126nm和0.129nm，（1）求其构造变化时体积变化V/O。（2）从室温加热铁到1000℃，铁体积将如何变化？
2-40.固体材料存在哪些构造转变类型？受哪些因素影响？举例阐明。
2-41.某熔化Pb-Sn焊锡具共晶温度，假设此焊锡50g加热到200℃，则有多少克锡能熔进此焊锡中？（参见图2-7-13）
2-42.某65Cu-35Zn黄铜（参见图2-6-1）由300℃加热到1000℃，则每隔100℃有哪些相会浮现？
2-43.为什么金属、金属氧化物、无机化合物（氮化物等）具备高表面能，而有机物（涉及高聚物）表面能很低？
2-44.为什么表面能和表面张力具备相似量纲？影响材料表面能高低实质是什么？
第三章
3-1与金属材料和无机非金属材料比较，高分子材料构成和构造有什么特性？
3-2为什么会浮现高分子链汇集态构造？高分子链汇集态构造包括哪些内容？
3-3为什么高分子链具备一定柔性？
3-4什么是聚合物共混复合材料？其基本特性是什么？
3-5与否可以通过内旋转将无规立构聚丙烯转变为全同立构聚丙烯？为什么？在全同立构聚丙烯晶体中，分子链与否呈无规线团构象？
3-6.下列高聚物中哪些是结晶性，哪些是非晶性？（1）聚乙烯；（2）全顺式1.3聚异戊二烯；（3）尼龙6；（4）聚碳酸酯；（5）乙烯和丙烯无规共聚物；（6）全同立构聚甲基丙烯酸甲酯；（7）间同立构聚氯乙烯；（8）无规立构聚丙烯；（9）固化酚醛塑料；（10）聚对苯二甲酸丁二醇酯；（11）ABS；（12）聚乙烯醇。
3-7.总结一下，与低分子物质相比，高聚物分子构造和分子汇集态构造有哪些重要特点？
3-8.下列s键旋转位能均不大于H2C-CH2 ，请解释
H2C-O O=C-CH2 H2C-NH N2C-S Si-O H2C-CH=
3-9.简要阐明聚合物晶体与金属晶体、离子晶体和无机共价晶体重要差别。
3-10影响多组分体系相分离有那些因素？
3-11.聚合物共聚物形态构造有那些基本类型？其构造是如何？各举一种例子。
3-12.高聚物有几种重要结晶形式？其中高分子链构象是如何？
3-13.从构造分析，为什么PTFE具备极低表面张力，并阐明其粘结性能。
3-14.为什么高分子链具备柔性？试比较下列各组内高分子链柔性大小并简要阐明理由：（1）聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯；（2）聚乙烯、聚乙炔、聚甲醛；（3）聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯；（4）聚甲醛、聚苯醚；（5）尼龙66、聚对苯二甲酰对苯二胺。
3-15聚合物基复合材料界面粘结剂重要影响因素有哪些？如何提高复合材料界面粘结性？
3-16.增混剂和偶联剂作用是什么？有何异同点？
3-17无机玻璃和网络聚合物有何异同之处？从构造及物理状态变化阐明。
3-18归纳金属、陶瓷、高分子材料在构成和构造方面重要异同点。
3-19.一玻璃含80%(wt)SiO2和20%(wt)Na2O，问非桥氧分数为多少？
3-20简述无机非金属材料中不同键合类型对材料性能影响，并举例进行阐明。
3-21在离子晶体中，密堆积负离子正好互相接触并与中心正离子也正好互相接触时，正负离子半径比为临界半径比：（1）立方体配位（2）八面体配位；（3）四周体配位；（4）三角形配位。
3-22.CaTiO3为原则钙钛矿型构造，简述其构造特性，分析其中钙离子、钛离子和氧离子配位数。
3-23黏土、滑石和云母同为层状构造硅酸盐，为什么它们却体现出非常大机械性能差别？
3-24.简要阐明硅酸盐几种构造单元重要特点。
3-25（a）99.8Fe和0.2C钢在800℃是什么相？（b）写出这些相成分,（c）这些相各是多少比例？
3-26解释如下名词
金属键、晶格、晶胞、合金、组元、相、机械混合物、铁素体、奥氏体、渗碳体、马氏体、黄铜、青铜、形变铝合金、非晶态
3-27.最常用金属晶体构造有哪几种？
3-28默画出Fe-Fe3C相图，阐明相图中重要点、线意义，填出各相区重要组织构成物。
3-29总结铁碳合金中渗碳体形态对合金性能影响特点？
3-30钢和铸铁在成分、组织和性能上重要区别是什么？
3-31什么是再结晶？如何选定再结晶退火温度？钢再结晶退火温度是多少？
3-32试比较各类铸铁之间性能差别？
第四章
4-1.铝弹性模量为70GPa，泊松比为0.34，在83MPa静水压时，此单位晶胞体积是多少？
4-2.下列何者压缩性比较大？泊松比为0.29β铁或泊松比为0.37黄铜？
4-3.直径为12.83mm试棒，标距长度为50mm，轴向受200KN作用力后拉长0.456mm，且直径变成12.79mm，（a）此试棒体积模量是多少？（b）剪切模量是多少？
4-4.一硫化橡胶球受到1000psi静水压力，直径减少了1.2%，而相似材质试棒在受到75psi拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒泊松比为多少？
4-5.在聚苯乙烯中加入15-20%丁苯橡胶后抗冲击强度大大提高，请解释因素，并绘出共混先后PSσ-ε曲线示意图。
4-6.已知温度为25℃时五种高聚物性能，用下面列名称来辨认是哪种高聚物，并阐明因素。
a.
拉伸强度 伸长率 冲击强度（悬臂梁） 弹性模量
MPa % N·m MPa×103
（1） 62.1 110 19.04 2.415
(2) 51.8 0 0.41 6.90
(3) 27.6 72 4.08 0.828
(4) 69.0 0 1.09 6.90
（5） 17.3 200 5.44 0.414
名称：环氧树脂、聚四氟乙烯、聚乙烯、酚醛树脂、聚碳酸酯
b.指出上述树脂哪些是不透明。
4-7.一条212cm长铜线，直径是0.76mm。当外加载荷8.7Kg时开始产生塑性变形（a）此作用力是多少牛顿？（b）外加载荷15.2kg时，此线应变是0.011，则除去载荷后，铜线长度是多少？（c）此铜线屈服强度是多少？
4-8冲击实验机摆锤重10kg，自质量中心到摆动支点距离是75cm，摆锤举高到120。后释放。打断试片后，摆锤升高到90。，此试片吸取了多少能量？
4-9从拉伸实验如何获得惯用力学性能数据？
4-10请分别阐明三种弹性模量。
4-11陶瓷材料力学性能有何特点并做出简要解释。
4-12热解决（退火）实质是什么？它对材料拉伸强度、硬度、尺寸稳定性、冲击强度和断裂伸长率有什么影响？
4-13有哪些办法可以改进材料韧性，试举例阐明。
4-14.有哪些途径可以提高材料刚性？
4-15高聚物实际强度大大低于理论强度，你能从哪些方面予以解释？
4-16孪生与滑移有何区别？在哪些状况下可以看到金属中变形孪晶？
4-17画出bcc金属（112）平面，并指出<111>滑动方向在这平面上。
4-18请解释杂质原子会制止差排移动。
4-19某钢板屈服强度为690MPa，KIC值为70MPa·m1/2，如果可容许最大裂缝是2.5mm，且不许发生塑性变形，则此钢设计极性强度是多少？
4-20玻璃理论强度超过7000MPa。一块平板玻璃在60MPa弯曲张力下破坏。咱们假定裂纹尖端为氧离子尺寸（即裂纹尖端曲率半径为氧离子半径，RO2-=0.14nm），问相应这种低应力断裂，相应裂纹深度为多大？
4-21某钢材屈服强度为1100MPa,抗拉强度为1200MPa，断裂韧性（KIC）为90MPa·m1/2。（a）在一钢板上有2mm边裂，在她产生屈服之前与否会先断裂？（b）在屈服发生之前，不产生断裂可容许断裂缝最大深度是多少？（假设几何因子Y等于1.1，试样拉应力与边裂纹垂直）
4-22.简要阐明金属断裂类型及其特性。
4-23冷变形金属在加热过程中要发生哪些变化？简要阐明再结晶过程普通规律。
4-24.按照粘附摩擦机理，阐明为什么极性高聚物与金属材料表面间摩擦系数较大，而非极性高聚物则较小。
4-25.SN曲线是如何得到？它有何特点和用途？
4-26.写出下列物理量量纲：（1）摩尔热容；（2）比热容；（3）线膨胀系数和体膨胀系数；（4）热导率
4-27为什么非晶态高聚物在玻璃化转变先后热膨胀系数不同？
4-28有一块面积为0.25m2、厚度为10mm25#钢板，两表面温度分别为300℃和100℃，试计算该钢板每小时损失热量？
4-29.试从金属、陶瓷和高聚物材料构造差别解释它们在热容、热膨胀系数和热导率等性能方面差别。
4-30何为半分解温度？它与高分子化学键之间有什么关系？
4-31为什么耐热塑料分子主链上多有苯环或杂环？为什么天然橡胶、顺丁橡胶不耐老化而乙丙橡胶却具备良好耐老化性能？
4-32讨论影响材料热膨胀性重要因素？
4-33为什么高分子材料是热不良导体？
4-34高分子材料阻燃性重要由哪几种指标表达？
4-35增长高分子材料阻燃性普通有哪些办法？
4-36写出下列物理量量纲：（1）电阻率；（2）电导率；（3）迁移率；（4）禁带宽度；（5）极化率；（6）相对介电常数；（7）介电损耗；（8）介电强度
4-37试述导体、半导体和绝缘体电子能带构造区别。
4-38已知硅和锗在300K电阻率分别为2.3×103μΩ·m和0.46μΩ·m，试分别计算硅和锗在250℃电导率。
4-39为什么金属材料电导率随温度升高而减少，半导体和绝缘材料电阻率却随着温度升高而下降？为什么非本征半导体电阻率对温度依赖性比本征半导体电阻率对温度依赖性小？当温度足够高时，为什么非本征半导体电导率与本征基材电导率趋于一致？
4-40试述介电材料在电场中极化机理，写出介电常数与极化强度之间关系。
4-41分别画出非极性分子和极性分子构成介电材料与电场频率关系曲线，指出不同频率范畴内极化机理。
4-42.在下列高聚物材料中，哪些有也许运用高频塑化法加工成型？（1）酚醛树脂；（2）聚乙烯；（3）聚苯乙烯；（4）聚氯乙烯
4-43同一聚合物处在高弹态时电阻率远低于玻璃态时电阻率，从材料构造因素解释这一现象。
4-44产生介电损耗因素是什么？重要影响因素有哪些？
4-45写出下列物理量量纲：（1）磁感应强度；（2）磁化强度；（3）磁导率和相对磁导率；（4）磁化率；
4-46铁磁性材料和稀土磁性材料磁性来源有何异同点？
4-47软磁材料和硬磁材料在构造上重要区别是什么？列举几种常用软磁材料和硬磁材料。
4-48为什么金属对可见光是不透明？元素半导体硅和锗对可见光与否透明？
4-49已知碲化锌Eg=2.26eV，它对哪一某些可见光透明？
4-50当可见光垂直入射并透过20mm厚某种透明材料时，透射率为0.85，当该种透明材料厚度增长到40mm时，透射率为多少？已知该透明材料折射率为1.6。
4-51金属颜色取决于什么？
4-52为什么有些透明材料是带色，有些是无色？
4-53为什么聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等非晶态塑料是透明，而向聚乙烯、聚四氟乙烯等结晶性塑料往往是半透明或不透明？
4-54为什么常用诸多陶瓷材料是不透明？
4-55试述磷光和荧光区别。
4-56有哪些办法可以改进材料透明性。
4-57化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀有哪些区别？试举例阐明。
4-58何谓原则电极电位？如何用原则氢电极测定一种金属原则电极电位？
4-59将两个锌电极分别浸在氧含量较低和较高水溶液中并用铜导线将两个锌电极连接起来时哪个电极受腐蚀？写出两个电极上半电池反映。
4-60什么样金属氧化膜对金属具备良好防氧化保护作用？
第五章
5-1解释如下名词
锻造、合金流动性、焊接性、碳当量
5-2炼铁过程重要物理化学变化有哪些？写出反映式？
5-3为什么在炼铁过程中要造渣？
5-4炼钢过程有哪些？要清除钢水中杂质，应采用什么样工艺办法？
5-5简述铜制备原理及制备办法？
5-6简述铝制备原理及制备办法？
5-7影响金属材料可锻性因素有哪些？
5-8如何评估金属材料可焊性？
5-9简述惯用焊接办法？
5-10影响金属材料切削加工性因素有哪些？
5-11简述粉末冶金加工工艺？
5-12为什么在聚合物成型加工中，多采用耗散混合熔融熔融方式？
5-13聚合物加工中也许产生哪些物理变化和化学变化？
5-14聚合物加工普通要经历哪些基本过程，举例阐明。
5-15.将低分子单体变为聚合物，可通过哪些聚合机理合成？采用哪些聚合实行办法实现？为什么？
5-16.制备高分子材料涉及哪些过程？每一过程作用和控制因素是什么？
5-17简述陶瓷制备基本过程。分析各工序对陶瓷性能影响。
5-18玻璃共性有哪些？简述玻璃生成普通过程。
5-19分析浮法玻璃生产线工作原理。

中文思考题、习题某些答案
2-2： 12Mg： 25.1117
2-3： N 壳层： 共32个电子；K、L、M、N全满时： 70个
2-4 O壳层： 共50个电子
K、L、M、N、O全满时： 102个
2-6： CO2： C sp 杂化，
CH4： C sp3杂化，
CH2=CH2： C sp2杂化，
H2O： O sp3杂化，
苯环： C sp2杂化，
羰基： C sp2杂化。
2-10：若(按K+半径不变) 求负离子半径，则：
CN=6 r- = 0.321 nm
CN=4 r- = 0.591 nm
CN=8 r- = 0.182 nm

2-11：（a）：一种Au原子： 3.274×10-22（g）
（b） 5.895×1019(个)
（c） v = 1.696×10-2（cm3）
(d) v’ = 1.253×10-2 (cm3)
(e) v’/ v = 73.88%
2-12 3.41 (g/cm3)
2-14 （a） PF = 0.74
（b） PF = 0.64
结论：(1) 同种原子晶体致密度只与晶胞类型有关,与原子尺寸无关
(2) 化合物晶体离子致密度与离子大小有关
2-15 ： x = 2 (个)
2-16： V = 35.3 (A0)3
2-17 面心立方： 0.74
体心立方： 0.68
密排六方： 0.74

2-18

八面体间隙

四周体间隙

2-20 (a) 8.07×1020 (个)
(b) 1.79×10-22 (g)
2-21 (a) 1.5346 ×1019个
(b) 0.6845mm
(c) 钡属于 体心立方构造(致密度0.68)
2-22 x = 4 (4个Mg2+， 4个O2-)
2-24 过 (0，-1/2 ，0) ， (1，1/2 ，1) 点
2-25 (a)θ=35.3°
(b)θ=35.3°
2-26 (3 2 0)
2-27 (2 3 3)
2-28 (a) [1 1 1] 和 [1 1 1]
(b) [1 1 0]
2-29 (a) λ= 0.154 (nm)
(b) 2θ= 10.24°
2-30 d200= 0.2×10-9m a =0.4nm
2-31 0.598 (A0)
2-33 Li:6.94 F:19 Mg:24.31 O:16
MgO： 40 (w%)
LiF： 60 (w%)
(a) Li+： 16 (w%) F-： 44 (w%)
Mg2+： 24.1 (w%) O2-： 15.9 (w%)
2-37 ρ= 5.73 (g/cm3)
2-39 (1) ΔV / V = (0.0486-0.0493)/0.0493 = - 0.014 = - 1.4%
(2) 室温至912℃，体积增大； 912℃，体积减小；912℃至1000℃，体积增大
2-41 溶入Sn重量为 45.25(g)
2-42 300 ~ 700℃：α相；800℃： β相；1000℃： 液相
2-45 J= 1.05×1019/m2s
JuC= 84原子/min

2-46

正刃型

滑移矢量垂直位错线

负刃型

滑移矢量

右螺型 左螺型
滑移矢量平行位错线
2-49 D =1.13×10-17 (m2/s)
2-50 x=75%
a=5%
y=15%

β+L
α+L

a
y
X

3-6 结晶性： 1，2，3，6，7，10
非结晶性：5，8，9，11，（12，4）
3-19 非桥氧分数0.215
3-21 临界半径比： r/R
(1) 立方体配位： 0.732
(2) 八面体配位： 0.414
(3) 四周体配位： 0.255
(4) 三角形配位： 0.155
3-22立方晶系：Ca2+占立方体顶角，O2-占立方体面心，Ti4+占立方体体心
配位数：Ca2+为12（12个O2-），Ti4+为6（6个O2-），
O2-为（4个Ca2++2个Ti4+）
3-25（a）：F （铁素体）+ A（奥氏体）
（b）：F 0.01%C； A 0.4%C.
(c)： A是48.7%； F是51.3%.
3-37 1.01×106g/m3 (1.01g/m3)
4.1 V= 0.06638(nm3)
4.2 0.37黄铜大。
4.3 体积模量：K= 178.10MPa
切弹性模量：E=63GPa
4.4 n =0.043
4.5 PS是脆性聚合物，抗冲击强度小。加入丁苯橡胶后，增大材料断裂伸长而增大s-e曲线下面积。

前 后

s-e 曲线
4.6 （1） 为PC；（2）环氧树脂（3）HDPE；（4）酚醛（5）PTFE
4.7 F=85.26N；长度=214.332cm；屈服强度s=188MPa
4.8 W= 36.75N.M
4.9 拉伸强度等，公式可计算。
4.17

4.19 KIC=1117MPa
4.21 sc =1460Mpa,不断裂。
3.52mm。
4-28 Q=934.2MJ
4-55 M=119A/m
4-61 λ=0.55μm
4-62 T=0.808
4-63 α2=45.72°