材料物理试题与答案.doc

精品材料物理试题(卷面80分+平时20分)1、解释下列概念 （20分）1.2 空位、间隙原子和异类原子； 空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。【从晶体点阵中原来应有原子存在的一个阵点处取走了原子，就形成了一个原子空位，这部分缺陷晶体被称为空位，这种空位也叫肖特基空位】间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。【进入晶体点阵间隙位置的原子称为间隙原子，这种间隙位置的特点是：在一般的情况下不应该有原子存在，且是晶体点阵的最大空隙位置。晶体在高能粒子辐照下，正常位置的原子被打入到晶体的间隙位置，在形成间隙原子的同时，形成等量的空位，称为弗伦克耳空位。】异类原子（杂质原子）：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置。【即使在纯金属的情况下，也仍然包含有杂质原子，若杂质原子与基体原子相比，其体积大于一定值，则杂质原子以置换的形式存在；而若其体积相对较小时，则有可能以间隙原子的形式出现。】1.3 晶界、大角晶界和小角晶界；晶界：晶界就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒之间的分界面。小角度晶界：大致地把晶粒位向差小于十度的晶界称为小角度晶界。大角度晶界：当相邻晶粒之间的位向差大于10-15度，晶粒间的界面叫大角度晶界。1.4 上坡扩散和反应扩散；扩散是由低浓度处向高浓度处进行的，如固溶体中某些偏聚或调幅分解，这种扩散被称为“上坡扩散”。通过扩散使固溶体中的溶质组元超过固溶度而不断形成新相的扩散过程，又称相变扩散。【许多合金状态图中往往有中间相，因而在扩散过程中也可能出现中间相，这种扩散即为多相扩散。多相扩散包括两个过程，一个是扩散过程；另一个是界面上达到一定的浓度发生化学反应，从而形成新相的过程。多相扩散通常也被称为反应扩散。】1.5 一级相变和二级相变。 一级相变：由相转变为相时，G=G, i=i，但自由焓的一阶偏导数不相等，称为一级相变。一级相变有体积和熵的突变，V0，S0。【发生相变时，平衡两相的化学位1=2应相等。如果相变满足此条件，且两相的化学位对温度及压力的一阶偏微分不等，那么这种相变称为一级相变。发生一级相变时，将发生熵S的变化及体积V的变化，即在相变时除有体积变化外，还有潜热的释放。一级相变的形式：物质的三态转变及固态相变中的同素异构转变等】。 二级相变：若相变时，GG，i=i ，并且自由焓的一阶偏导数也相等，但自由焓的二阶偏导数不相等，称为二级相变。 二级相变时无体积效应和热效应，材料的压缩系数、热膨胀系数及比定压热容均有突变。例：磁性转变、有序无序转变多为二级相变。【二级相变的热力学特点是发生相变时平衡两相的化学位相等，且两相化学位的一阶偏微分也相等，但二阶偏微分不等。二级相变时没有相变潜热（即相变时的熵值不变化）及体积变化，但是比热、压缩系数及体积膨胀系数发生变化。磁性转变及部分有序无序转变是属于二级相变。】2、简答下列问题 （20分）2.1 确定核外电子运动状态的量子数及其意义；主量子数n：描述电子的能量高低，n越大，能量越高； 角量子数l：角量子数决定电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云的形状；磁量子数m：磁量子数是轨道角动量的z分量量子数，因为旋转量子相当于圆圈电流，它必定会产生磁场，形成轨道磁矩，在磁场作用下将有不同取向；自旋量子数ms：描述电子的自旋方向，正自旋+1/2，反自旋-1/2。2.2 点缺陷对材料性能的影响；（1）空位对电阻的影响：在金属晶体中存在空位时，将使在晶体内运动的电子发生散射，因此增加了电阻。电阻增加与空位浓度成比例关系。【定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力（陷阱），增加了阻力，加速运动提高局部温度（发热）。金属的电阻主要来自离子对传导电子的散射。在完整晶体中，电子基本上是在均匀电场中运动，而在有缺陷的晶体中，在缺陷区点阵的周期性被破坏，电场急剧变化，因此对在晶体 内运动的电子发生强烈散射，因此增加了电阻。】（2）空位对体积的影响：在晶体中有空位存在时，晶体体积就要增加。为了在晶体内部产生一个空位，需要将该处的原子移到晶体表面上的新原子位置，这就导致了晶体体积的增加。2.3 高温蠕变机理；晶界机理-多晶体的蠕变。晶界对蠕变速率有两种影响：第一 ，高温下，晶界能彼此相对滑动，使剪应力得到弛豫。第二 ，晶界本身是位错源，离晶界约为一个障碍物间距内的位错会消失。晶格机理-单晶蠕变，但也可能控制着多晶的蠕变过程。在一定温度下，热运动的晶体中存在一定数量空位和间隙原子；位错线处一列原子由于热运动移去成为间隙原子或吸收空位而移去；位错线移上一个滑移面。或其他处的间隙原子移入而增添一列原子，使位错线向下移一个滑移面。位错在垂直滑移面方向的运动-位错的攀移运动。2.4 金属对材料的增韧所应该具备的条件；1在显微结构方面金属相与无机相能否均匀分散成彼此交错的网络结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用；2金属对材料具有很好的润湿性。否则，材料自成为连续相，金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制，脆性改善有限。2.5 相变热力学中晶体缺陷的作用。空位：空位通过影响扩散而促进生核，或利用本身能量提供生核驱动力，此外空位群可凝聚成位错而促进生核。位错：位错促进生核，有三种形式。第一种为新相在位错线上生核，新相形成处，位错线消失，这部分位错的能量被释放出来作为相变驱动力以克服形成功而促进生核。第二种形式是位错不消失，而依附在新相界上，构成半共格界面中的位错部分，这也使生核能量降低。第三种形式是溶质原子在位错线上偏聚，促使位错分解，形成两个分位错与中间层错部分组成的扩展位错，此层错部分可能成为新相的晶核。晶界：大角度晶界具有较高的能量，此处形成新相可使晶界能量释放，使形成功降低，生核容易，因此固态相变易在晶界上生核。 3. 采用示意图说明刃型位错的滑移运动。(10分)在图示的晶体上施加一切应力，当应力足够大时，有使晶体上部向有发生移动的趋势。假如晶体中有一刃型位错，显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易。因此，位错的运动在外加切应力的作用下发生；位错移动的方向和位错线垂直；运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移)；位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。4. 玻尔理论成功地解释了单电子原子氢光谱的规律性。虽然该理论在解释其他复杂多电子原子光谱时遭遇了失败，但它对一些简单多电子原子光谱的解释仍然是成功的。请判断这段话的正误并说明原因。 (5分)错误。玻尔理论的局限性：（1）只限于解释氢原子或类氢离子（单电子体系）的光谱，不能解释多电子原子的光谱。（2）人为地允许某些物理量（电子运动的轨道角动量和电子能量）“量子化”，以修正经典力学（牛顿力学）。5. 下图1是晶体二维图形，内含有一个正刃位错和一个负刃位错，(a) 采用示意图说明围绕每个位错分别做柏格斯回路，得柏格斯矢量各若干？ (b) 采用示意图说明围绕两个位错作柏格斯回路，其结果又怎样？(5分)6. 下图2为晶核的G与r间的关系，现有不同温度的三条曲线，请指出哪条温度最高？哪条温度最低？为什么？(5分) 图1 图27. 当锌向铜内扩散时，已知在X点处锌