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《材料科学与工程基础》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原子的电子排布(用方框图表示)。 2-2.的镁原子有13个中子,11.17%的镁原子有14个中子,试计算镁原子的原子量。 2-3.试计算N壳层内的最大电子数。若K、L、M、N壳层中所有能级都被电子填满时,该原子的原子序数是多少? 2-4.计算O壳层内的最大电子数。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的原子序数。 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,简单说明理由。 2-6.按照杂化轨道理论,说明下列的键合形式:
(1)CO2的分子键合 (2)甲烷CH4的分子键合 (3)乙烯C2H4的分子键合 (4)水H2O的分子键合 (5)苯环的分子键合 (6)羰基中C、O间的原子键合 2-7.影响离子化合物和共价化合物配位数的因素有那些? 2-8.试解释表2-3-1中,原子键型与物性的关系?
2-9.0℃时,水和冰的密度分别是1.0005 g/cm3和0.95g/cm3,如何解释这一现象? 2-10.当CN=6时,K+离子的半径为0.133nm(a)当CN=4时,半径是多少?(b)CN=8时,半径是多少? 2-11.(a)利用附录的资料算出一个金原子的质量?(b)每mm3的金有多少个原子?(c)根据金的密度,某颗含有1021个原子的金粒,体积是多少?(d)假设金原子是球形(rAu=0.1441nm),并忽略金原子之间的空隙,则1021个原子占多少体积?(e)这些金原子体积占总体积的多少百分比? 2-12.一个CaO的立方体晶胞含有4个Ca2+离子和4个O2-离子,每边的边长是0.478nm,则CaO的密度是多少? 2-13.硬球模式广泛的适用于金属原子和离子,但是为何不适用于分子?
2-14.计算(a)面心立方金属的原子致密度;(b)面心立方化合物NaCl的离子致密度(离子半径rNa+=0.097,rCl-=0.181);(C)由计算结果,可以引出什么结论?
2-15.铁的单位晶胞为立方体,晶格常数 a=0.287nm,请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子个数。 2-16.钛的单位晶胞含有两个原子,请问此单位晶胞的体积是多少? 2-17.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度。
2-18.在体心立方结构晶胞的(100)面上按比例画出该面上的原子以及八面体和四面体间隙。 2-19.键合类型是怎样影响局部原子堆垛的?
2-20.厚度0.08mm、面积670mm2的薄铝片(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)铝的密度2.7Mg/m3,则每个单位晶胞的质量是多少? 2-21.(a)在每mm3的固体钡中含有多少个原子?(b)其原子堆积因子是多少?(c)钡属于哪一种立方体结构?(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立方体的单位晶胞尺寸是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.钻石结构的晶格常数a为0.357nm,当它转变成石墨时,体积变化的百分比是多少?(石墨密度2.25Mg/m3) 2-24.方向为[111]的直线通过1/2,0,1/2点,则在此直线上的另外两点的坐标是什么? 2-25.(a)在立方体系中,[100]方向和[211]方向的夹角是多少?(b)[011]方向和[111]方向的夹角是多少? 2-26.一平面与晶体两轴的截距为a=0.5,b=0.75,并且与Z轴平行,则此平面的米勒指标是什么? 2-27.一平面与三轴的截距为a=1,b=-2/3,c=2/3, 则此平面的米勒指标是什么?
2-28.(a)方向族<111>的那些)方向是在铁的(101)平面上?(b)方向族<110>的那些)方向是在铁的(110)平面上? 2-29.氯化钠晶体被用来测量某些X光的波长,对氯离子的d111间距而言,其绕射角2?为 27°30′(a)X光的波长是多少?(NaCl晶格常数为0.563nm)(b)若X光的波长为0.058nm,则其衍射角2?是多少? 2-30.某X光波长0.058nm ,用来计算铝的d200, 其衍射角2?为16.47°,求晶格常数为多少? 2-31.请算出能进入fcc银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。
2-32.碳原子能溶入fcc 铁的最大填隙位置:(a)每个单元晶胞中有多少个这样的位置?(b)
在此位置四周有多少铁原子围绕?
2-33.一个熔体含30m/o MgO和70m/o LiF: (a)Li+,Mg2+,F-和O2-的w/o是多少?(b)密度是多少? 2-34.请找出能进入bcc铁填隙位置的最大原子的半径(暗示:最大空洞位在1/2,1/4,0位置)。 2-35.碳和氮在γ-Fe中的最大固溶度分别为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的百分数。 2-36.fcc间隙位置的配位数是什么?如果每一个间隙位置都被小原子或离子占满,则会产生什么样的结构? 2-37.如果Fe3+/Fe2+比为0.14,则FeO的密度是多少?(FeO为NaCl结构;(r0+rFe)平均为0.215nm) 2-38.如果在固溶体中每个Zr离子中加入一个Ca2+离子,就可能形成ZrO2的立方体,因此阳离子形成fcc结构,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)有多少百分比的四重对称位置被占据? 2-39.在温度为912℃时,铁从bcc转变到fcc 。此温度时铁的两种结构的原子半径分别是0.126nm和0.129nm,(1)求其结构变化时的体积变化V/O。(2)从室温加热铁到1000℃,铁的体积将如何变化? 2-40.固体材料存在哪些结构转变类型?受哪些因素的影响?举例说明。
2-41.某熔化的Pb-Sn焊锡具共晶温度,假设此焊锡50g加热到200℃,则有多少克的锡能熔进此焊锡中?(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℃有哪些相会出现?
2-43.为什么金属、金属氧化物、无机化合物(氮化物等)具有高的表面能,而有机物(包括高聚物)表面能很低?
2-44.为什么表面能和表面张力具有相同的量纲?影响材料表面能高低的实质是什么?
第三章
3-1与金属材料和无机非金属材料比较,高分子材料的组成和结构有什么特征? 3-2为什么会出现高分子链聚集态结构?高分子链聚集态结构包含哪些内容? 3-3为什么高分子链具有一定柔性?
3-4什么是聚合物共混复合材料?其基本特征是什么?
3-5是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,分子链是否呈无规线团构象?
3-6.下列高聚物中哪些是结晶性的,哪些是非晶性的?(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)乙烯和丙烯的无规共聚物;(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,高聚物的分子结构和分子聚集态结构有哪些重要特点? 3-8.下列?键的旋转位能均小于H2C-CH2 ,请解释
H2C-O O=C-CH2 H2C-NH N2C-S Si-O H2C-CH=
3-9.简要说明聚合物晶体与金属晶体、离子晶体和无机共价晶体的主要差别。 3-10影响多组分体系相分离有那些因素?
3-11.聚合物共聚物形态结构有那些基本类型?其结构是怎样的?各举一个例子。 3-12.高聚物有几种主要结晶形式?其中的高分子链的构象是怎样的? 3-13.从结构分析,为什么PTFE具有极低的表面张力,并说明其粘结性能。
3-14.为什么高分子链具有柔性?试比较下列各组内高分子链柔性的大小并简要说明理由:(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聚合物基复合材料的界面粘结剂的主要影响因素有哪些?如何提高复合材料的界面粘结性?
3-16.增混剂和偶联剂的作用是什么?有何异同点?
3-17无机玻璃和网络聚合物有何异同之处?从结构及物理状态的变化说明。 3-18归纳金属、陶瓷、高分子材料在组成和结构方面的主要异同点。 3-19.一玻璃含80%(wt)的SiO2和20%(wt)的Na2O,问非桥氧的分数为多少? 3-20简述无机非金属材料中不同键合类型对材料性能的影响,并举例进行说明。
3-21在离子晶体中,密堆积的负离子恰好互相接触并与中心正离子也恰好相互接触时,正负离子的半径比为临界半径比:(1)立方体配位(2)八面体配位;(3)四面体配位;(4)
三角形配位。
3-22.CaTiO3为标准钙钛矿型结构,简述其结构特征,分析其中钙离子、钛离子和氧离子的配位数。
3-23黏土、滑石和云母同为层状结构硅酸盐,为什么它们却表现出非常大的机械性能差异? 3-24.简要说明硅酸盐的几种结构单元的主要特点。
3-25(a)99.8Fe和0.2C钢在800℃是什么相?(b)写出这些相的成分,(c)这些相各是多少百分比? 3-26解释以下名词
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.最常见的金属晶体结构有哪几种?
3-28默画出Fe-Fe3C相图,说明相图中的主要点、线的意义,填出各相区的主要组织组成物。
3-29总结铁碳合金中渗碳体的形态对合金性能影响的特点? 3-30钢和铸铁在成分、组织和性能上的主要区别是什么?
3-31什么是再结晶?如何选定再结晶退火温度?钢的再结晶退火温度是多少? 3-32试比较各类铸铁之间的性能差别?
第四章
4-1.铝的弹性模量为70GPa,泊松比为0.34,在83MPa的静水压时,此单位晶胞体积是多少?
4-2.下列何者的压缩性比较大?泊松比为0.29的β铁或泊松比为0.37的黄铜?
4-3.直径为12.83mm的试棒,标距长度为50mm,轴向受200KN的作用力后拉长0.456mm,且直径变成12.79mm,(a)此试棒的体积模量是多少?(b)剪切模量是多少? 4-4.一硫化的橡胶球受到1000psi的静水压力,直径减少了1.2%,而相同材质的试棒在受到75psi的拉应力时伸长2.1%,则此橡胶棒的泊松比为多少?
4-5.在聚苯乙烯中加入15-20%的丁苯橡胶后抗冲击强度大大提高,请解释原因,并绘出共混前后PS的σ-ε曲线示意图。
4-6.已知温度为25℃时五种高聚物的性能,用下面列的名称来识别是哪种高聚物,并说明原因。