材料科学基础一二章答案

1、第一章5.作图表示立方晶系（1 0 2）（ 012 ）（ 421）晶面和 10 2 2 11 346 晶向cbOOa（ 102）（ 012）（421） 102 211 3469.在立方晶系中画出 112 的所有晶面解： 112 包括（ 112），（ 121），（211），（ 1 12），（ 1 1 2 ），（ 112 ）,( 1 21),( 121 ),(121),( 211 ), ( 211 ),( 211 );(112)(121)(211)（ 112）（11 2）（ 112 ）( 121)(121 )(121)(211)( 211 )( 211)11.何谓多晶型转变？以 Fe 为例说明之；

2、 Fe 加热至 912会发生多晶型转变，如果原子半径不变，试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/=2r。体积为a3=16r3,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12.3

3、r3×2=24.6r3 ；面心 /体心 =16r3/ （ 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

4、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）。

5、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=0.1252nmRB =0.126a=0.03643 nm对于-Fe ， RA =/4.a=0.1293nmRB =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：

6、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

7、之差为Gv，单位面积的表面能为，系统自由能变为G；G=-VGv+ S；=-4/3r 3Gv+4r2.对式进行微分并令其等于零，可得：rk=2 /Gv（ 2）证明 rk=2 Tm/Lm Trk=2 /Gv；Gv=Lm.T/Tm；即 r k=2 Tm/Lm T（ 3）证明临界形核功G=S /3kk当 r=r k 时 G= Gk ；G =-4/3 r3Gv+4r2.；rk =2 / Gv；Gk=1/34 (2 /Gv) 2. =1/3 S k(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

8、？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，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，G<0；（ 2） 有结构起伏；（ 3）有能量起伏 G <G 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 （ Va3 ），表面积 S （ S6a 2 ）。则GVGVSGV固 -液单位体积自由能之差，单位面积表面能a4G a3 GV6a 2令 G 'GV ；0 ，得aK4GV即立方体晶核的临界边长；323把 aK 带入Ga 3 GV6a 2GV2中，整理得GVGK323GV2因此临界形核功。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