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1 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？ 同一周期元素具有相同原子核外电子层数，从左到右，核电荷增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强； 同一主族元素核外电子数相同，从上向下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增强，非金属性降低。,1,2 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。 简单金属完全为金属键，过渡族金属为金属键和共价键的混合，但以金属键为主； 陶瓷材料是由一种或多种金属同非金属(通常为氧)相结合的化合物，其主要为离子键，也有一定成分的共价键； 高分子材料，大分子内的原子之间结合为共价键，而大分子与大分子之间的结合为物理键。 复合材料是由二种或二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。,2,3 比较键能大小和各种结合键的主要特点。 化学键能 物理键能， 共价键能 离子键能 金属键能 氢键能 范氏键能 共价键中：叁键键能 双键键能 单键键能 金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性； 离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性； 共价键共用电子对，有饱和性，有方向性； 范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性； 氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。,3,简述结合键类型及键能大小对材料的熔点密度导电性导热性弹性模量和塑性有何影响。 1) 结合键类型及键能对材料熔点的影响 熔点高低代表材料的稳定性程度。加热时，当热振动足以破坏相邻原子间的稳定结合时，材料发生熔化。结合键类型和结合(键)能大小决定材料熔点的高低。 结合(键)能大小顺序： 共价键 离子键 金属键（过渡金属大） 氢键 范德华力。 陶瓷材料（共价键 ，离子键 ）比金属（金属键）具有更高的熔点或热稳定性。高分子具有二次键，熔点偏低。 2) 结合键类型及键能对材料密度的影响 金属密度高的两个原因： 第一，金属有较高的相对原子质量。 第二，金属键没有方向性，金属原子趋于密集排列。,4,陶瓷材料为共价键和离子键的结合，其密度较低： 共价结合时，相邻原子的个数受到共价键数目的限制，离子键结合时，要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多。 聚合物多为二次键结合，分子链堆垛不紧密，且其组成原子质量较小，聚合物密度最低： 3) 结合键类型及键能对材料导电性导热性的影响 金属键由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合。价电子能在晶体内自由运动，金属有良好导电性；不仅正离子振动传递热能，电子运动也传递热能，金属有良好导热性； 非金属键结合的陶瓷和聚合物在固态下不导电，导热性小，作为绝缘体或绝热体在工程上应用。,5,4) 结合键类型及键能对材料力学性能（弹性模量和塑性）的影响 材料受力发生弹性变形，对应原子间距的变化。结合键能越大,原子之间距离的变化所需的外力越大, 材料的拉伸或压缩模量越大。 共价键 离子键 金属键（过渡金属大） 氢键 范德华力 陶瓷的模量金属的模量高分子的模量。 金属键无饱和性，无方向性，正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力。金属受力变形，可改变原子之间的相互位置，但金属键不被破坏，使金属有良好延展性（范性变形）。 共价键键能高，有方向性和有饱和性，结构稳定，改变原子间的相对位置很困难，共价键结合的材料，塑性变形能力差，硬而脆。,6,4 氧化镁与氯化钠具有相同的结构。已知Mg离子半径r1为0.066nm，氧离子半径r2为0.140 nm。 镁的相对原子质量为24.31；氧的相对原子质量为16.00。(1)求氧化镁的晶格常数? (2)求氧化镁的密度? (3) 求氧化镁的致密度?,7,8,面心立方化合物氧化镁, 氯化钠的致密度为： 4（4R3/3）+4（4r3/3）/（2 R+2 r）3 原子相同时，致密度与原子大小无关； 当不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密度。,9,5 （1）面心立方（ fcc ）Face-Centered Cubic 原子位置 立方体的八个顶角 和每个侧面中心,A1、-Fe、Ni、Cu、Rh、Pt、Ag 、 Au等,10,（2） bcc 体心立方 Body-centered Cubic 原子位置 立方体的八个顶角和体心,V, Mo, Nb, -Fe, Cr, W 等,11,（3）hcp 密堆六方 Hexagonal Close-Packed 原子位置 12个顶角、上下底心 和体内3处,Be、Mg、Zn、Cd、 -Ti 、 -Co,12,6 归纳总结3种典型金属结构（bcc、fcc 和hcp）的晶体学特点（配位数、每个晶胞中的原子数、点阵常数、致密度和最近的原子间距）。 体心立方（bcc）：8；2；a；0.68； 面心立方（fcc）: 12；4；a； 0.74； 密排六方（hcp）: 12；6；a，c，c/a =1.633；0.74；a,13,7 简述影响置换型固溶体置换的因素 ( 8分 ) 1）离子大小: 同晶型时，r 15，有可能完全互溶；r = 1530%，部分互溶；r 30%， 难置换，不能形成固溶体。 ( 2分 ) 2）键性（极化）：两元素间电负性相近，有利于固溶体的生成；电负性差别大，固溶度减小，倾向于生成金属化合物。 ( 2分 ) 3)晶体结构和晶胞大小：相同晶体结构，固溶度较大；晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体。 ( 2分 ) 4)电价：原子价（离子价）相同，固溶度大；价态差越大，固溶度降低。 ( 2分 ),14,8 计算在500下每小时通过一块面积为0.20m2，厚度为5mm的金属铂板的氢原子质量。假设在稳定条件下氢原子的扩散系数为1.010-8m2/s，铂板高低压两侧氢浓度分别为2.4kg/m3和0.6kg/m3。 公式- 代入数据- 结果 (6分) 解：稳定条件下，由菲克第一定律可得： ； (3分) 每小时通过面积为0.20m2金属铂板的氢原子质量为： (3分),15,9. 在钢棒表面上，每20个铁的晶胞中有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中有一个碳原子。温度为1000时扩散系数为310-11 m2s -1，且结构为面心立方(a0.365nm)。问每分钟因扩散通过单位晶胞的碳原子数有多少个？ (8分) 解：计算钢棒表面及表面下1mm处的碳浓度 C1 1/20(0.36510-9)3 1.031027 (个/m3 ) ( 2分) C2 1/30(0.36510-9)3 0.681027 (个/m3 ) ( 2分) J = - D c /x -（310 - 11 m2s -1 ）（0.68-1.03） 1027(个/m3 ) /10-3 m1.051019 (个/m2s ) ( 2分) 每一个单位晶胞的面积为(0.36510-9 m)2 Ja = (1.051019个/m2s) (0.36510-9m)260(s/min)84个/min ( 2分),16,10在912时，铁从bcc转变为fcc。此温度时铁的两种结构的原子半径分别为0.126nm和0.129nm,试求其结构变化时的体积变化率为多少? (9分) 两个bcc铁晶胞 (2个铁原子/晶胞)，一个fcc铁晶胞(4个铁原子/晶胞)均含有4个铁原子 两个bcc铁晶胞 : V2a32(40.126/ 31/2)30.0493 nm3 ( 2分) 一个fcc铁晶胞: Va3(40.129/ 21/2)30.0486 nm3 ( 2分) 912结构变化时,体积变化率为: V/ V0（0.0486- 0.0493/0.0493-0.014-1.4% ( 2分) 从室温加热铁到912时，体积逐渐增大； ( 1分) 912时，铁从bcc转变为fcc，体积减小； ( 1分) 912到1000，体积逐渐增大； ( 1分),17,bcc铁的单位晶胞体积，在912时是0.02464 nm3；在相同温度时fcc铁的单位晶胞体积是0.0486 nm3。问当铁由bcc转变成fcc时，其密度改变的百分比为多少? 铁的相对原子质量为55.85。,18,11 含0.20%碳的碳钢在927进行气体渗碳，此时D = 1.2810-11m2/s,若表面的碳含量为1.2，试求渗碳10h后距表面1.5mm处的碳含量。 ( 8分 ) CS =1.2, C0=0.2% , X=1.5*10-3 m , D = 1.2810-11m2/s, t=10*3600 s 由菲克第二定律，在钢件的渗碳工艺中的应用 ( 3分 ) (1.2% - C)/ (1.2-0.2%) = erf(1.5*10-3/2 (1.2810-11 *10*3600)1/2 = erf(1.105) ( 3分 ) 查误差函数表得：(1.2% - Cx)/ (1.2-0.2%) =0.88 ( 2分 ) C =0.32%,19,20,含0.18%碳的碳钢在927进行气体渗碳，D = 1.2810-11m2/s,若表面的碳含量为1，试求距表面0.60mm处的碳含量达到0.30所需的时间。 ( 8分 ) CS =1, C0=0.18% , Cx= 0.30 , X=0.60*10-3 m , D = 1.2810-11m2/s,(1-0.3)/ (1-0.18) =0.8537=erf(0.60*10-3/2 (1.2810-11 t)1/2 ( 3分 ) 查误差函数表得： 1.025 =0.0839*103 / (t)1/2 t = 6695(s) =1.859(h),21,2(a) 在每1mm3的固体钽中含有多少个原子？(b)求其原子堆积因子（密度）？(c) 钽属于哪一种立方体结构？(钽原子序数=73，原子质量=180.95，原子半径=0.1429nm，密度=16.6g/cm3)。 ( 7分 ) （1）（2）（3）步分别为3,3,1分。,22,23,例1 金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨( 2.25 g/cm3)结构时，求其体积改变百分数？ 金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。金刚石的密度 ：,g/cm3,对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积：,(cm3),当它为石墨结构时的体积：,(cm3),由金刚石转变为石墨结构时，其体积膨胀 ：,24,例 纯钛有两种同素异构体，20低温的密排六方结构 和900高温的-Ti体心立方结构 ，其同素异构转变温度为882.5，计算纯钛在900时晶体中（112）和（001）的晶面间距（900时，a =0.3307nm）,900时为 -Ti： bcc结构,奇数，需要修正公式,25,26,1 分析铁碳合金的三相平衡转变 (3条水平线)过程；,包晶转变（HJB线），1485，含C为0.53%的液相与含C为0.09%的相发生作用,生成含C为0.17%的 (A)相奥氏体。,共晶转变（ECF线），1148，含C为4.3%的液相，生成 (A)相奥氏体和渗碳体的混合物(Ld，莱氏体),共析转变（PSK线） ，727，含C为0.77%的奥氏体，转变为含C为0.0218%的铁素体和渗碳体的混合物(P， 珠光体),27,2 分析 w(C) 0.77、 w(C)1.2、 w(C) 4.3、 w(C)4.5的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组织示意图说明各阶段的组织变化。,28,并用文字描述,29,如: 亚共晶白口铁（虚线，碳含量为3.0%）的冷却过程平衡相图。请按亚共晶白口铁的冷却过程，依次详细写出相应的相变过程及产物；,亚共晶白口铁冷却到1点时，液体开始结晶出奥氏体。随温度下降，结晶出的奥氏体量不断增加，液相不断减少，到温度2点时，奥氏体碳含量为2.11%，液相碳含量为4.3%，液相发生共晶转变，形成莱氏体，先结晶出的奥氏体保持不变，共晶转变结束，亚共晶白口铁组织为 奥氏体和莱氏体; 23点之间继续冷却，从先结晶的奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体, 冷却到3点时，奥氏体含碳量下降到0.77%，发生共析转变，奥氏体转变成珠光体。亚共晶白口铁，室温组织为，珠光体，二次渗碳体和低温莱氏体。,30,如图所示为共析钢(C%=0.77%)的冷却过程平衡相图，按共析钢的冷却过程，依次详细说明各阶段的组织变化, 相应的相变过程及产物。 ( 8分 ) 温度12之间，按均晶方式析出奥氏体(2分) ；温度继续冷却，至23之间后，形成单相奥氏体(2分)；奥氏体继续冷却至3时，发生共析转变，形成组织珠光体（渗碳体和铁素体相组成）(2分) ；温度继续冷却，即34之间，珠光体中的铁素体析出三次渗碳体(2分) 。,31,3 计算w(C) = 0.77%和w(C) = 0.40%的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织组成物和相组成物含量。 任何铁碳合金 室温下平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，,w(C) = 0.77%,32,C%= 0.40% 碳钢组织组成物含量为：,室温的相组成物含量,33,4 按含碳量，对铁碳合金进行分类，并表示该铁碳合金在室温下的组织组成物。,34,5 硅酸盐水泥煅烧过程中的物理和化学变化 (1) 干燥和脱水 物料中自由水的蒸发；粘土矿物（高岭石）分解脱出化合水。 (2) 碳酸盐（石灰石质原料）分解 (3) 固相反应 石灰石质原料分解产物和粘土脱水产物，通过质点间的相互扩散，进行固相反应。 (4) 熟料烧结 水泥生料煅烧到1250时，出现液相。液相作用下，物料由疏松状转变为结构致密的灰黑色熟料。硅酸二钙与氧化钙溶解在液相中，硅酸二钙吸收氧化钙，形成硅酸三钙。,35,6 从显微结构看，陶瓷材料主要有哪些相构成？各构成相的主要作用和对陶瓷性能的影响是什么？为什么外界温度的急剧变化可以使许多陶瓷器件开裂或破碎? 晶相 ,玻璃相,气相和晶界 晶粒是陶瓷最主要的组成相，晶相的性质是影响陶瓷性能的主要因素；烧成冷却过程中，晶界处产生热应力，出现微裂纹，降低陶瓷强度。 玻璃相的作用，粘结分散的晶粒，抑止晶粒长大； 填充晶粒间的空隙，填充气孔，提高致密度，降低烧结温度。 气相会降低陶瓷强度，造成裂纹。保留一定的气相，陶瓷的比重小，绝热性好。 因大多数陶瓷主要由晶相和玻璃相组成，这两种相的热膨胀系数相差较大，由高温很快冷却时，每种相的收缩不同，所造成的内应力足以使陶瓷器件开裂或破碎。,36,7 简述高岭土（石）的结构 三斜晶系，单网层结构，即硅氧四面体层 + 八面体层； 下层为硅氧四面体层，硅氧四面体中的活性氧向上。上层为八面体层AlO2(OH)4 （由 1个Al3+ ，2个O2 , 4个OH组成）， 每一个活性氧同时连接1个硅氧四面体和2个AlO2(OH)4八面体，层与层间为氢键结合，结合力较弱，层间易解理成片状，但OH-O之间仍有一定的吸引力，所以单网层之间水分子不易进去，不因水含量增加而膨胀。,37,38,10 陶瓷材料中主要结合键是什么?从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能? 陶瓷材料中主要的结合键是离子键及共价键。 由于离子键及共价键键能很强，故陶瓷的抗压强度很高，硬度极高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好，耐高温，化学稳定性高。,39,11 分析滑石 Mg 3 Si4O10(OH)2的结构与性能的关系 单斜晶系，复网层结构( 硅氧四面体层 + 八面体层 + 硅氧四面体层)； 上下层为硅氧四面体层，上层活性氧全向下，下层活性氧全向上，中间夹一镁氢氧层(1个Mg2+ ，4个O2 , 2个OH组成八面体）。 每一个活性氧同时连接1个SiO4四面体和3个MgO4(OH)2 八面体， 每一层O2电价饱和。层与层间结合为范德华键，层间键合弱，易沿层面解理,受力时会沿层面滑动。,40,12 分析钙钛矿CaTiO3晶体的结构 立方晶系 Ca2+ ，为立方体顶角 ，配位数为12（ O2- ）； O2- ，为面心，配位数为6 （4 Ca2+ +2 Ti4+ ） ； Ti4+ ，为体心，配位数为6 （ O2- ）； TiO68-八面体通过顶角共用氧，形成三维网络；,41,42,
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