材料科学与工程基础 阿黄的梦想作.docx
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材料科学与工程基础阿黄的梦想作
FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering
Chaptertwo原子结构及原子间作用力
1.了解所学的两种原子模型,并能区别其不同。
玻尔模型1913年,年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现(普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等)的基础上建立了氢原子核外电子运动模型,提出了原子结构理论上的三点假设
(1)任意轨道上绕核运动,而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动;
(2)电子轨离核越远,原子所含的能量越高,电子尽可能处在离核最近的轨道上;(3)只有电子从较高能级跃迁到较低能级时,原子才会以光子形式释放能量。
玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱,存在局限性。
量子力学模型量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上,在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中,最基本的方程叫做薛定谔方程,是由奥地利科学家薛定谔(E.Schrödinger1887-1961)在1926年提出来的。
薛定谔方程是一个二阶偏微分方程,它的自变量是核外电子的坐标,它的因变量是电子波的振幅(ψ)。
给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时,薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态,它具有一定的能量,具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式ψ=f(x,y,z),称为振幅方程或波动方程。
2.能够描述有关电子能量的量子力学法则。
能量最低原理,Pauli不相容原理,Hund规则。
4.(a)能够简单描述离子键,共价键,金属键,氢键和范德华键。
(b)能够列出以这些化学键结合的典型物质。
离子键:
原子之间发生电子转移,形成正、负离子,并通过静电作用而形成的化学键。
离子键的本质是静电作用,无方向性、无饱和性。
离子键程度与元素的电负性有关。
共价键:
不同原子依靠共享电子,或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。
共价键的本质是电性的,是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负电区域的吸引力,不是正负离子间的静电力。
共价键有方向性和饱和性。
金属键:
在固态或液态金属中,价电子可以自由地在不同原子间移动,使其成为多个原子所共有,这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用,被称为是金属键。
氢键:
分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。
氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性,同时,分子中带有孤对电子,电负性大和半径小的元素所构成。
氢键具有方向性和饱和性。
范德华键:
由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Vanderwaals键。
Chapterthree金属和陶瓷的结构(三种典型晶体结构、晶面、晶向)重点!
重点为第三章。
特别是三种常见的晶体结构以及晶面和晶向及其指数。
LearningObjectives
1.描述晶体与非晶体在原子核分子结构上的不同
晶体:
是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体,其质点在空间的分布具有周期性和对称性。
非晶体:
是指原子在空间的排布没有长程有序的固体
2.画出面心立方(FCCface-centeredcubic),体心立方(BCCbody-centeredcubic),密排六方(HCPhexagonalclose-packed)晶体结构的晶胞
3.推算面心立方FCC和体心立方BCC晶胞的边长a与原子半径R之间的关系
FCC:
BCC:
4.已知晶胞尺寸,计算面心立方FCC和体心立方BCC结构金属的密度
5.草绘并描述各种晶体结构的晶胞,如sodiumchlorideNaCl,cesiumchlorideCsCl,zincblendeZnS,diamondcubic金刚石立方,fluoriteCaF,andperovskite钙钛矿CaTiO3。
类似的还有C和硅酸玻璃原子结构
sodiumchlorideNaCl
cesiumchlorideCsCl
blendeZnS
diamondcubic金刚石立方
fluoriteCaF,
硅酸玻璃原子结构
perovskite钙钛矿
C(graphite石墨)
6.已知陶瓷复合材料的化学式,组成离子及离子半径,确定其晶体结构
由阳离子和阴离子的半径比RC/RA对比上表确定其配位数CN,再确定其晶体结构
7.已知晶向指数,在晶胞中标出其晶向
8.具体说明密勒指数(晶面指数)并在晶胞中标出
9.描述面心立方(FCC)密排六方(HCP)密排面的堆聚方式,类似通过阴离子的密排面描述NaCl的晶体结构
面心立方(FCC):
ABCABCABC密排六方(HCP):
ABABAB
10.区别单晶和多晶材料
单晶:
整体内原子排布呈在周期性和对称性,没有错排的晶体
多晶:
如果材料内部有许多晶粒,则为多晶,每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性
11.考虑材料的特性,定义各向同性和各向异性
各向同性:
指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性,即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同
各向异性:
沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不尽相同,由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同,这就是晶体的各向异性。
晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。
各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。
常用密勒指数来标志晶体的不同取向。
Chapterfour高分子结构(基本概念)
1、根据聚合物的链的结构能够描述典型的聚合物分子,以及由重复的链节产生怎样的分子。
2、画出polyethylenePE聚乙烯,polyvinylchloridePVC聚氯乙烯,polytetrafluoroethylenePTFE聚四氟乙烯,polypropylenePP聚丙烯,andpolystyrenePS聚苯乙烯和它们的链节结构。
个聚合物的链节的结构如下:
PE聚乙烯
PVC聚氯乙烯
PTFE聚四氟乙烯
PP聚丙烯
PS聚苯乙烯
4、命名和简要说明(a)聚合物四种通常的分子结构
LinearPolymers:
线型聚合物
BranchedPolymers:
支链型聚合物
CrosslinkedPolymers:
交联型聚合物
NetworkPolymers:
网络型
5、叙述热固性和热塑性聚合物的分子和表现行为上的区别。
ThermoplasticPolymers热塑性聚合物:
这种聚合物当加热时变软冷却时变硬。
所以当这种颗粒壮的物质处于软态时能够由模具成型或挤压成型。
ThermosettingPolymers热固型聚合物:
这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化,再进行加热时将不能变软或熔化。
6、简要描述聚合物材料的晶体结构
聚合物链呈排列有序就会结晶,但还是存在很多的非晶态,晶态中包含一定的非晶态
Chapterfive固体缺陷
Learningobjectives
1.描述空位和自空隙原子晶体缺陷。
Vacancy:
空位一个缺失原子或离子的晶格节点位置。
Self-interstitial:
自间隙原子处于自身晶格间隙中的原子或离子。
2.已知相关的常数,计算具体温度下材料中的平衡空位数。
6.对于刃型位错、螺型位错和混合位错:
(a)描述并且画出每一种位错;(b)标出位错线的位置;(c)标明位错线的延伸方向。
Dislocation:
位错晶体材料中的线状缺陷,在其附近,原子发生错排。
在外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。
可能存在的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。
Edgedislocation:
刃型位错一种一维线型晶体缺陷,形态上可是描述为晶体中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。
刃型位错的矢量垂直与其位错线。
位错延伸方向与柏氏矢量平行
dislocation:
螺型位错一种一维线型晶体缺陷,形态上可是描述为当相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所形成的原子错排组态。
螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。
位错延伸方向与柏氏矢量垂直
Mixeddislocation:
混合位错同时含有刃型分量和螺型分量的位错。
位错延伸方向与柏氏矢量既不垂直也不平行
7.描述(a)晶界(b)孪晶界附近区域内的原子结构。
Grainboundary:
晶界把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。
TwinGrain:
孪晶是指两个晶体或一个晶体的两部分都沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系的晶体
QuestionsandProblems
5.9ForbothFCCandBCCcrystalstructures,therearetwodifferenttypesofinterstitialsites.Ineachcase,onesiteislargerthantheother,whichsiteisnormallyoccupiedbyimpurityatoms.ForFCC,thislargeroneislocatedatthecenterofeachedgeoftheunitcell;itistermedanoctahedralinterstitialsite.Ontheotherhand,withBCCthelargersitetypeisfoundat0,1/2,1/4positions—thatis,lyingon{100}faces,andsituatedmidwaybetweentwounitcelledgesonthisfaceandone-quarterofthedistancebetweentheothertwounitcelledges;itistermedatetrahedralinterstitialsite.ForbothFCCandBCCcrystalstructures,computetheradiusrofanimpurityatomthatwilljustfitintooneofthesesitesintermsoftheatomicradiusRofthehostatom.FCC八面体间隙r=0.41RBCC四面体间隙r=0.29R
解:
FCC:
BCC:
5.29CitetherelativeBurgersvector–dislocationlineorientationsforedge,screw,andmixeddislocations.
刃型位错的矢量垂直与其位错线。
螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。
混合位错柏氏矢量既不垂直也不平行其位错线。
5.D1*Aluminum-lithiumalloyshavebeendevelopedbytheaircraftindustryinordertoreducetheweightandimprovetheperformanceofitsaircraft.Acommercialaircraftskinmaterialhavingadensityof2.55g/cm3isdesired.ComputetheconcentrationofLi(inwt%)thatisrequired.
ρAl=2.702g/cm3,ρLi=0.534g/cm3
Chaptersix扩散
1.说出并描述两种原子扩散机制。
Vacancydiffusion:
空位扩散一种扩散机制,这时候原子的净迁移过程是从晶格结点位置移动到邻近的空位中。
Interstitialdiffusion:
间隙扩散晶体扩散机制的一种。
间隙原子由一个间隙位置迁移至邻近的间隙位置所构成的扩散。
2.区别恒稳态扩散和非恒稳态扩散。
Steady-statediffusion:
恒稳态扩散扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩散过程是稳定态扩散。
也可以描述为:
扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定态扩散。
Nonsteady-statediffusion:
非稳态扩散扩散过程中,扩散组元存在净堆积或净亏空的扩散过程是非稳定态扩散。
也可以描述为:
扩散通量与时间有关的扩散过程是非稳定态扩散。
Self-diffusion:
自扩散纯金属中的原子迁移过程。
3.(a)用方程的形式写出菲克第一定律和第二定律,并解释所有的参数。
(b)指出每个方程通常用在什么类型的扩散中。
菲克第一定律
恒稳态扩散
菲克第二定律
如果扩散系数不受成分影响,则
非稳态扩散
4.向半无限长固体中扩散,并且固体表面扩散原子的浓度保持不变,写出这种情况下,菲克第二定律的解法。
,
Constant,
Constant
5.已知扩散常数的近似值,计算一些材料在给定温度下的扩散系数。
Importanttermsandconcepts
Diffusion扩散
Steady-statediffusion稳定态扩散
Diffusionflux(J)扩散通量
Nonsteady-statediffusion非稳定态扩散
Diffusioncoefficient(D)扩散系数
Self-diffusion自扩散
Fick’sfirstlaw菲克第一定律
Interstitialdiffusion间隙扩散
Fick’ssecondlaw菲克第二定律
Vacancydiffusion空位扩散
Activationenergy(Q)激活能,Q
Carburizing渗碳
QuestionsandProblems
6.5(a)explaintheconceptofadrivingforce.
(b)Whatisthedrivingforceforsteadystatediffusion?
驱动力:
6.18Atwhattemperaturewillthediffusioncoefficientforthediffusionofcopperinnickelhaveavalueof6.5×10-17m2/s?
UsethediffusiondatainTable6.2T=1152K(879℃)
解:
由表6.2知:
D0=2.7×10-5m2/sQd=256kJ/mol
由公式
得:
(879℃)
6.D3Thewearresistanceofasteelshaftistobeimprovedbyhardeningitssurface.Thisistobeaccomplishedbyincreasingthenitrogencontentwithinanoutersurfacelayerasaresultofnitrogendiffusionintothesteel.Thenitrogenistobesuppliedfromanexternalnitrogen-richgasatanelevatedandconstanttemperature.Theinitialnitrogencontentofthesteelis0.002wt%,whereasthesurfaceconcentrationistobemaintainedat0.50wt%.Inorderforthistreatmenttobeeffective,anitrogencontentof0.10wt%mustbeestablishedataposition0.40mmbelowthesurface.Specifyappropriateheattreatmentsintermsoftemperatureandtimefortemperaturesbetween475℃and625℃.Thepreexponentialandactivationenergyforthediffusionofnitrogeninironare3×10-7m2/sand76,150J/mol,respectively,overthistemperaturerange.
解:
C0=0.002wt%N
Cs=0.50wt%N
Cx=0.10wt%N
z
erf(z)
0.90
0.7970
z
0.8032
0.95
0.8209
x=0.40mm=4.0×10-4m
Dt=4.7986×10-8m2
又D0=3×10-7m2/s
Qd=76,150J/mol
4.7986×10-8m2
=4.7986×10-8m2
T(℃)
t
s
h
475
33386
9.27
525
15500
4.31
575
7877
2.19
625
4317
1.20
Chapterseven机械性能
1.定义工程应力与工程应变。
Engineeringstrain:
工程应变工程应变ε由方程ε=(li-l0)/l0=Δl/l0定义,这里l0是样品加载前的初始长度,li是加载瞬间的长度,有时li-l0也用Δl来表示,即代表与初始长度相比较,某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。
工程应变是没有单位的。
Engineeringstress:
工程应力工程应力σ的定义为σ=F/A0,这里F是加载在垂直样品横截面的瞬间载荷,单位为牛顿,A0是加载前样品的初始横截面积(单位m2),工程应力单位为MPa。
4.已知工程应力-应变曲线图,确定(a)弹性模量;(b)屈服强度(残余应变0.002时);(c)拉伸强度;(d)估算延伸百分比。
(a)弹性模量E=σ/ε(b)屈服强度TSσ
(c)拉伸强度TS(d)估算延伸百分比
5.对于一个延性柱体样品的拉伸形变,描述样品直至断裂的剖面的变化过程。
(弹性阶段—屈服阶段—强化阶段—局部变形阶段)先弹性变形后塑性变形,最后拉断
6.对于一个承受张力并直至断裂的材料,根据其延展百分比与面积还原率来计算材料的延展度。
7.根据三点负荷法,计算陶瓷棒弯曲至断裂的弯曲强度。
8.描绘出聚合物材料中所观察到的三种典型应力-应变特性的示意图。
A
Brittle脆性高分子材料
B
Plastic塑性高分子材料
C
Highlyelastic完全弹性高分子材料
完全弹性体,人造橡胶
9.给出两种最常见的硬度测量技术,并指出二者的不同。
洛氏硬度洛氏硬度试验采用三种试验力,三种压头,它们共有9种组合,对应于洛氏硬度的9个标尺。
这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。
最常用标尺是HRC、HRB和HRF,其中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。
这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。
HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。
HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合金。
HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属,但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。
布氏硬度用一定直径的淬硬钢球,在一定的载荷(p)作用下,压入试件表面,停留一段时间,然后除去载荷,测量压痕的面积,压痕越小表示抵抗塑性变形能力(即硬度)越大,越大硬度越小,用“HB”来表示。
QuestionsandProblems
7.24Acylindricalrod380mmlong,havingadiameterof10.0mm,istobesubjectedtoatensileload.Iftherodistoexperienceneitherplasticdeformationnoranelongationofmorethan0.9mmwhentheappliedloadis24,500N,whichofthefourmetalsoralloyslistedbelowarepossiblecandidates?
Steel
解:
故选steel
7.35(a)Makeaschematicplotshowingthetensiletruestress–strainbehaviorforatypicalmetalalloy.
(b)Superimposeonthisplotaschematiccurveforthecompressivetruestress–strainbehaviorforthesamealloy.Explainanydifferencebetweenthiscurveandtheoneinparta.
(c)Nowsuperimposeaschematiccurveforthecompressiveengineeringstress–strainbehaviorforthissamealloy,andexplainanydifferencebetweenthiscurveandtheoneinpartb.
7.D1Alargetoweristobesupposedbyaseriesofsteelwires.Itisestimatedthattheloadoneachwirewillbe11,100N.Determinetheminimumrequiredwirediameterassumingafactorofsafetyof2andayieldstrengthof1030MPa.
解:
Chaptereight变形与强化机理
1.从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。
刃型位错运动是在施加切应力作用下,半原子面的沿切应力方向重组和断裂发生移动
螺型位错运动是在施加切应力作用下,沿切应力垂直方向发生移动
2.
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