材料科学基础一二章答案

第一章5.作图表示立方晶系（102）（012）（421）晶面和[102][211][346]晶向9.在立方晶系中画出｛112｝的所有晶面解：｛112｝包括（112），(121)(解：｛112｝包括（112），(121)(211),(112)，(112)（112）,（121）,（121）,（121）,（211）,（211）,（211）；(112)(121)(211)(112)(112)(121)(121)(121)(112)(112)(121)(121)(121)(211) (211) (211)11.何谓多晶型转变？以Fe为例说明之；Fe加热至912°C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912C以下为体心立方结构，称为a-Fe；在912-1394C时，具有面心立方，称为Y-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aA3=16rA3,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bA3=12.3rA3，而体心立方有2个Fe原子，所以4个原子占的体积是12.3rA3x2=24.6rA3；面心/体心=16rA3/（24.6rA3）=0.92综上，由体心变为面心结构，体积减小为原来的92%。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。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。碳可以溶入a-Fe和y-Fe间隙中，a-Fe的致密度k=0.68,y-Fe的k=0.74，但y-Fe的溶碳能力却比a-Fe大，通过计算说明原因（a-Fe在727°C时原子半径为0.1252nm，y-Fe在1184C时原子半径为0.1293nm）。答：a-Fe是体心立方晶体，y-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；a-Fe最大间隙是四面体间隙为0.126a,Y-Fe最大间隙是八面体间隙为0.146a,对于a-Fe，Ra=/4.a=0.1252nm RB=0.126a=0.03643nm对于y-Fe，Ra=/4.a=0.1293nm RB=0.146a=0.05340nma-Fe的致密度虽然比y-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y-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。综述金属的均匀形核过程：（1） 证明临界晶核半径rk=2o/△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AGv，单位面积的表面能为。，系统自由能变为^G；△G=-VAGv+aS；=-4/3nrA3^Gv+4nrA2.a对式进行微分并令其等于零，可得：Q/△Gv（2） 证明rk=2aTm/LmAT'Q/△Gv；△Gv=Lm.△T/Tm；即rk=2aTm/LmAT（3） 证明临界形核功乙Gk=Ska/3当r=rk时△G=AGk△G=-4/3*3乙Gv+4nrA2.a；rk=2a/△Gv；△Gk=1/3[4n（2a/△Gv）人2.a]=1/3Ska（4）均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③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，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（V=a3），表面积s（S=6a2）。AGV固-液单位体积自由能之差，° 单位面积表面能AG=a3AG+6AG=a3AG+6a2°令AG‘=0，得 AGv；即立方体晶核的临界边长—4°a即立方体晶核的临界边长—4°a= kAGV；把"/带入AG=a3AGV+6a2°中，整理得AGV32°3AGv2AG广空因此临界形核功 KAGv之。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