第一章金属的晶体结构(金属学与热处理崔忠圻课后答案).doc

（金属学与热处理崔忠圻课后答案）

第一章 金属的晶体结构
1-1 作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6]等晶向。
答：

1-2 立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
答：
{1 1 1}晶面共包括（1 1 1）、（-1 1 1）、（1 -1 1）、（1 1 -1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。
1-3 某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。
答：
由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/3=2a。
取截距的倒数，分别为
1/5a，1/2a，1/2a
化为最小简单整数分别为2，5，5
故该晶面的晶面指数为（2 5 5）
1-4 体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：
H（1 0 0）==a/2
H（1 1 0）==√2a/2
H（1 1 1）==√3a/6
面间距最大的晶面为（1 1 0）
1-5 面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。
答：
H（1 0 0）==a/2
H（1 1 0）==√2a/4
H（1 1 1）==√3a/3
面间距最大的晶面为（1 1 1）
注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：
体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=
面心立方晶格晶面间距：当指数不全为奇数是H=，当指数全为奇数是H=。
1-6 试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。
答：

1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。
证明：
理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，将各原子中心相连接形成一个正四面体，如图所示：

此时c/a=2OD/BC
在正四面体中：
AC=AB=BC=CD ,OC=2/3CE
所以：
OD2=CD2-OC2=BC2- OC2
OC=2/3CE，OC2=4/9CE2，CE2=BC2-BE2=3/4BC2
可得到OC2=1/3 BC2，OD2= BC2- OC2=2/3 BC2
OD/BC=√6/3
所以c/a=2OD/BC=2√6/3≈1.633
1-8 试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R，四面体间隙半径r=0.225R；体心立方晶格的八面体间隙半径：<1 0 0>晶向的r=0.154R，<1 1 0>晶向的r=0.633R，四面体间隙半径r=0.291R。（R为原子半径）
证明：
一、面心立方晶格

二、体心立方晶格

注意：解答此题的关键：
1、要会绘制面心立方晶格和体心立方晶格的八面体间隙和四面体间隙的示意图。
2、间隙半径是指顶点原子至间隙中心的距离再减去原子半径R。
1-9 a）设有一钢球模型，球的直径不变，当有面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算器体积膨胀。b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转变为α-Fe，试求其体积膨胀，并与a）相比较，说明其差别的原因。
答：

由此可以说明在面心立方晶格向体心立方晶格转变过程中，Fe原子的原子半径发生了变化，并不遵守刚体模型，从而导致实际体积膨胀率要远小于钢球模型的理论膨胀率。
1-10 已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为0.286nm和0.3607nm，求1cm3中铁和铜的原子数。
解：
已知铁在室温下是体心立方晶格，每个体心立方晶胞共占有2个Fe原子
铜在室温下是面心立方晶格，每个面心立方晶胞共占有4个Cu原子。
已知铁在室温下的晶格常数为0.286nm，
所以每个体心立方晶胞的体积=（0.286）3=0.0234nm3
1cm3中的晶胞数n=1 cm3/0.0234nm3≈4.27×1022
1cm3中的原子数N=2n≈8.54×1022
已知铜在室温下的晶格常数为0.3607nm，
所以每个体心立方晶胞的体积=（0.3607）3=0.0469nm3
1cm3中的晶胞数n=1 cm3/0.0469nm3≈2.13×1022
1cm3中的原子数N=4n≈8.52×1022
1-11 一个位错环能否各部分都是螺型位错或各部分都是刃型位错，试说明之。
答：
不能。
从二维空间来看，位错环的每一部分不可能都属于螺型位错，也不可能都属于刃型位错。然而由于位错是存在于晶体内部的线缺陷，所以从三维角度来看，假定在晶体中存在不分叉位错线，有且仅有一个柏氏矢量。则由于刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，如果柏氏矢量垂直位错环所在的平面，则位错环处处都是刃位错
1-12 在一个简单立方的二维晶体中，画出一个正刃型位错和一个负刃型位错，
1）用柏氏回路求出正负刃型位错的柏氏矢量
2）若将正负刃型位错反向时，其柏氏矢量是否也随之改变？
3）具体写出该柏氏矢量的方向和大小。
答：
1） 参考书本图1.33和1.36
2）不会。一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。
3）柏氏矢量大小均为1个原子间距，正刃型位错柏氏矢量方向为垂直于位错线指向右，负刃型位错柏氏矢量方向为垂直于位错线指向左。
1-13 试计算出体心立方晶格{ 1 0 0 }、{ 1 1 0 }、{ 1 1 1 }等晶面的原子密度和< 1 0 0 >、< 1 1 0 >、< 1 1 1 >等晶向的原子密度，并指出其最密晶面和最密晶向。（提示：晶面的原子密度为单位面积上的原子数，晶向的原子密度为单位长度上的原子数）
解：
令晶格常数为a
则{ 1 0 0 }等晶面的面积S=a2，{ 1 0 0 }等晶面的原子数N=4×1/4=1，
所以：ρ{ 1 0 0 }=N/S=1/ a2
则{ 1 1 0 }等晶面的面积S=√2a2，{ 1 1 0 }等晶面的原子数N=4×1/4+1=2，
所以：ρ{ 1 10 }=N/S=√2/ a2
则{ 1 1 1 }等晶面的面积S=（√3/ 2）a2，{ 1 1 1 }等晶面的原子数N=3×1/6=1/2，
所以：ρ{ 1 1 1 }=N/S=√3/ 3a2
则< 1 0 0 >等晶向的长度L=a，< 1 0 0 >等晶向的原子数N=2×1/2=1
所以：ρ< 1 0 0 >=N/L=1/ a
则< 1 1 0 >等晶向的长度L=√2a，< 1 1 0 >等晶向的原子数N=2×1/2=1
所以：ρ< 1 1 0 >=N/L=1/√2 a
则< 1 1 1 >等晶向的长度L=√3a，< 1 1 1 >等晶向的原子数N=2×1/2+1=2
所以：ρ< 1 1 1 >=N/L=2/ √3a
最密晶面为：{ 1 1 0 }等晶面，最密晶向：< 1 1 1 >
1-14 当晶体为面心立方晶格时，重复回答上体所提出的问题。
解：
令晶格常数为a
则{ 1 0 0 }等晶面的面积S=a2，{ 1 0 0 }等晶面的原子数N=4×1/4+1=2，
所以：ρ{ 1 0 0 }=N/S=2/ a2
则{ 1 1 0 }等晶面的面积S=√2a2，{ 1 1 0 }等晶面的原子数N=4×1/4=1，
所以：ρ{ 1 1 0 }=N/S=1/√2 a2
则{ 1 1 1 }等晶面的面积S=（√3/ 2）a2，{ 1 1 1 }等晶面的原子数N=3×1/6+3×1/2
=2，所以：ρ{ 1 1 1 }=N/S=4/ √3a2
则< 1 0 0 >等晶向的长度L=a，< 1 0 0 >等晶向的原子数N=2×1/2=1
所以：ρ< 1 0 0 >=N/L=1/ a
则< 1 1 0 >等晶向的长度L=√2a，< 1 1 0 >等晶向的原子数N=2×1/2+1=2
所以：ρ< 1 1 0 >=N/L=2/√2 a
则< 1 1 1 >等晶向的长度L=√3a，< 1 1 1 >等晶向的原子数N=2×1/2=1
所以：ρ< 1 1 1 >=N/L=1/ √3a
最密晶面为：{ 1 1 1 }等晶面，最密晶向：< 1 1 0 >
1-15 有一正方形位错线，其柏氏矢量及位错线的方向如图所示。试指出图中各段位错线的性质，并指出刃型位错额外串排原子面所处的位置。

答：
位错线性质：
AD：负刃型位错 BC：正刃型位错
AB：左螺型位错 DC：右螺型位错
刃型位错额外半原子面位置：
AD：垂直纸面向里，因为负刃型位错的额外半原子面在位错线下方
BC：垂直纸面向外，因为正刃型位错的额外半原子面在位错线上方
注意：
刃型位错的正负可用右手法则来判定，即用食指指向位错线的方向，中指指向柏氏矢量的方向，则拇指的方向就是额外半原子面的位向。
柏氏矢量与螺型位错线正向平行着为右螺型位错，反向平行者为左螺型位错。