材料科学导论习题解答

6. 试比较间隙固溶体、间隙相和间隙化合物的结构和性能特点。

[答] 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体成为间隙固溶体。当溶质原子半径很小，使溶质与溶剂的原子半径差Δr > 41%时，溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中而形成间隙固溶体。溶质原子通常是原子半径小于0.1 mm的一些非金属元素。溶质原子引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

原子半径较小的非金属元素如C，H，N，B等可与金属元素（主要是过度族金属）形成间隙相或间隙化合物。这主要取决于非金属(X)和金属(M)原子半径的比值rX/rM；当rX/rM < 0.59时，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相；当rX/rM > 0.59时，形成具有复杂晶体结构的相，通常称为间隙化合物。

间隙相具有比较简单的晶体结构，如FCC，HCP，少数为BCC或简单六方结构，与组元的结构均不相同。间隙相可以用化学分子式表示。间隙相不仅可以溶解其组成元素，而且间隙相之间还可以相互溶解。间隙相中原子间结合键为共价键和金属键，即使大于非金属组元的原子数分数大于50%时，仍具有明显的金属特性，而且间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是高合金钢和硬质合金中的重要强化相。

间隙化合物的晶体结构都很复杂，原子间结合键位共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。

7. 简述陶瓷材料的相组成及常见相结构。

[答] 陶瓷材料中的相组成较为复杂，常见的相有晶相、玻璃相和气相。它们对陶瓷性能都有很大影响。

晶相是陶瓷材料的主要组成相，常见结构有氧化物结构和硅酸盐结构。氧化物结构包括AB型结构(NaCl型)、AB2型结构(金红石型)、A2B3型结构(刚玉型)以及其它一些结构。硅酸盐的结构特点是硅、氧离子组成四面体，硅离子位于四面体中心。硅氧四面体SiO44-之间又以共有顶点的氧离子相互连接起来。由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。

玻璃相是在陶瓷烧结时形成的一种非晶态物质，其结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成的无规则排列的空间网络，如非晶态石英的结构。玻璃相热稳定性差，在较低温度下即开始软化。玻璃相的作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的粗化。

气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。

8. 简述高分子材料的键结构和聚集态结构以及高、低分子聚集态结构的差异。

[答] 高分子材料的结构主要包括二个微观层次：高分子链结构（分子内结构）和高分子链的聚集态结构（分子间结构）。

高分子链的结构是指结构单元的化学组成、键接方式、空间构型以及高分子链的长短、几何形状及其构象。简言之，高分子链结构指的是单个分子的结构和形态，并可分为近程结构和远程结构。近程结构包括构造与构型。构造是指链中的原子种类和排列、取代基和端基的种类，单体单元的排列顺序，支链的类型和长度等。构型是指某一原子的取代基在空间的排列。因此，近程结构实质为化学结构，又称一

级结构。远程结构包括分子链的大小与形态、链的柔顺性及其高分子链在各个环境中采取的构象，又称二级结构。

聚集态结构是指高聚物整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构及织态结构。也就是高分子链间是如何堆砌的，又称为三级结构。

高分子聚集态结构与低分子物质聚集态结构的差别主要有：1）晶态高分子始终包含一定量的非晶相；2）高分子的结晶除与化学结构有关外，还强烈地依赖于外界条件，如温度、压力等；3）一个高分子链可以贯穿若干个晶胞，甚至可从结晶区到非晶区再穿过晶区。

习题 ：

1. 单体就是合成聚合物的原料，即重复出现的结构单元

聚合物是指一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量和大的化合物，又称高聚物。称重复出现的结构相同的单元叫链节。

4. 影响柔顺性的高分子结构因素主要有以下两个方面：

1）主链结构：主链全由单键组成时，分子链的柔顺性最好。主链中含有芳杂环时，由于它不能旋转，所以柔顺性很低，而刚性较好，耐高温。主链中含有孤立双键时，柔顺性增大

2）侧基性质：极性的侧基使分子间的作用力增大，内旋受阻，柔顺性降低，侧基体积越大，内旋受阻程度越大，侧链的柔顺性越低。侧基分布的对称性对柔顺性的影响显著。侧基对称分布能使主链间距增大，有利于内旋，所以柔顺性增大。

9. 线性聚合物的结构是整个分子链呈细长线条状，属线性结构，因而具有较好的弹性和塑性，易于加工成型和反复使用等特征。

网状聚合物即热固性塑料，是由于在成型时线型分子链间产生严重交联而形成了三维网状结构，由于整个聚合物实质上就是一个由化学键固结起来的不规则网状大分子，所以非常稳定，从而具有较好的耐热性、刚性和化学稳定性，具有较高的硬度和弹性模量，但强度低，脆性大，材料不能进行塑性加工和反复使用。

弹性体一般具有很大的相对分子质量，分子链段很大，具有很大的柔性，在使用条件下不结晶或结晶度很小；受力时分子链间要能相对滑移，变形小时可以他弹性恢复。由于其在线型分子链间形成了少量交联，因而具有高的弹性。

11 高弹性是指在材料经受很大的变形量时也能弹性恢复。

一般来说，对线型聚合物进行少量的交联，可使之充分表现出高弹性，若交联度过深，则其弹性降低，脆性增大。 19

1）线型聚乙烯是链状结构，属热塑性塑料，其结构简单，规整度高，对称性好，所以结晶度高。而支化聚乙烯属支链结构，破坏分子的规整排列，链接构的对称性被打乱，所以其结晶能力下降。

2）全同立构聚丙烯的结晶度高是因为等规聚合物结晶能力强，侧基在空间排列是规整的，而无规聚丙烯的侧基排列混乱。

3）线型聚乙烯和全同立构聚丙烯的不规则聚合物，虽然它们每个单体均聚时结晶度高，但在形成无规共聚时，大分子排列没有规则，所以结晶度低。

第四章 晶体材料的缺陷

1. 如附图所示，试求某一晶格参数为2.5 ?的立方金属刃型位错的Burgers矢量的Miller指数及其长度。

[答] 因为是一个刃型位错，所以：b垂直(220)，所以b的方向必为[110]。

2. 如附图所示，写出在FCC金属的(111)滑移方向的晶向指数。

b= d220。2.5???0.8839 A

222222?2?0a0

[答] 由上图知(111)上滑移方向必为密堆积方向[101]或[101]或[011]或[110]或[110]或[011]。

3. 实际晶体中存在哪几类缺陷。

[答] 根据晶体缺陷的几何特征，可将它们分为四种基本缺陷类型：点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷和体缺陷。

(1)点缺陷：点缺陷是指在三维尺度上不超过几个原子直径大小的哪些微小的缺陷，也就是说，微小的点缺陷可以涉及一个原子，也可以是几个原子范围内的点阵结构的局部缺陷。主要有两种基本类型： 空位和间隙原子

(2)线缺陷：线缺陷是指晶体中二维尺度方向很小但在第三维尺度方向上存在较大的缺陷。位错是理想空间点阵中存在的一种最典型缺陷。

(3)面缺陷：面缺陷是指晶体中一维尺度很小而其它二维尺度很大的缺陷。晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类，其中的内界面包括晶界、亚晶界、孪晶

界、堆垛层错和相界等。

(4)体缺陷：如果在任意方向上缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比，那么这种缺陷称为体缺陷。例如：空洞、杂质、气泡、亚结构、沉淀相等。这些缺陷和基质晶体已经不属于同一物相，是异相缺陷。

4. 阐述位错理论的重要性，并举例在工程中的应用。

[答] 陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。

首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。

其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。

第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。

第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。

第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 习题

3 利用空位和间隙原子的扩散效应进行材料的表面成分的改性，提高材料的加工工艺，空位还可引起电阻率的增加，使材料的密度下降，体积膨胀。从高温快速冷却时保留的空位聚集成空位片或与其他晶体缺陷相互作用，可以提高材料的强度。

第五章 固体材料的凝固与显微结构

1. 试解释凝固与结晶、晶胚与形核的相互关系。

[答] 物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。凝固的物质可以成为晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。

根据热力学判断，在过冷的液态金属中，短程规则排列结构越大，则越稳定，那些尺寸比较大的短程规则排列结构才有可能成为晶核。因此，把过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构称为晶胚。一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值 rmax, 而且，液态金属的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。在母相中形成等于或大于一定临界尺寸大小的新相晶核的过程称为形核。在过冷液态金属中，依靠液体金属本身能量的变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程叫均匀形核；若晶胚是依附在其他物质表面上形核的过程，叫做非均匀形核。晶胚成核的条件，就