石德珂材料科學簡答題

1、材料科學基礎 簡答題第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識1、說明結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學條件與動力學條件的意義。答：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱力學條件決定轉(zhuǎn)變是否可行，是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的推動力，是轉(zhuǎn)變的必要條件；動力學條件決定轉(zhuǎn)變速度的大小，反映轉(zhuǎn)變過程中阻力的大小。2、說明穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關系。答：穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關系：兩種狀態(tài)都是物質(zhì)存在的狀態(tài)，材料得到的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)，取決于轉(zhuǎn)交過程的推動力和阻力(即熱力學條件和動力學條件)，阻力小時得到穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，阻力很大時則得到亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量最低，熱力學上最穩(wěn)定，亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)能量高，熱力學上不穩(wěn)定，但向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速度慢，能保持相對穩(wěn)定甚至長期存在。但在一定

2、條件下，亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)向穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。3、說明離子鍵、共價鍵、分子鍵和金屬鍵的特點。 答：離子鍵、共價鍵、分子鍵和金屬鍵都是指固體中原子(離子或分子)間結(jié)合方式或作用力。離子鍵是由電離能很小、易失去電子的金屬原子與電子親合能大的非金屬原于相互作用時，產(chǎn)生電子得失而形成的離子固體的結(jié)合方式。 共價鍵是由相鄰原子共有其價電子來獲得穩(wěn)態(tài)電子結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式。 分子鍵是由分子(或原子)中電荷的極化現(xiàn)象所產(chǎn)生的弱引力結(jié)合的結(jié)合方式。 當大量金屬原子的價電子脫離所屬原子而形成自由電子時，由金屬的正離子與自由電子間的靜電引力使金屬原子結(jié)合起來的方式為金屬鍵。4、原子中的電子按照什么規(guī)律排列？答：原子核周圍的電子按

3、照四個量子數(shù)的規(guī)定從低能到高能依次排列在不同的量于狀態(tài)下，同一原子中電子的四個量子數(shù)不可能完全相等。第二章 材料的晶體結(jié)構(gòu)1、在一個立方晶胞中確定6個表面面心位置的坐標。6個面心構(gòu)成一個正八面體，指出這個八面體各個表面的晶面指數(shù)、各個棱邊和對角線的晶向指數(shù)。 解 八面體中的晶面和晶向指數(shù)如圖所示。圖中A、B、C、D、E、F為立方晶胞中6個表面的面心，由它們構(gòu)成的正八面體其表面和棱邊兩兩互相平行。ABF面平行CDE面，其晶面指數(shù)為；ABE面平行CDF面，其晶面指數(shù)為；ADF面平行BCE面，其晶面指數(shù)為；ADE面平行BCF面，其晶面指數(shù)為(111)。 棱邊， ，其晶向指數(shù)分別為110，011，10

4、1。對角線分別為，其晶向指數(shù)分別為100，010，001圖 八面體中的晶面和晶向指數(shù)2、標出圖2中ABCD面的晶面指數(shù)，并標出AB、BC、AC、BD線的晶向指數(shù)。解：晶面指數(shù)： ABCD面在三個坐標軸上的截距分別為3/2a,3a,a,截距倒數(shù)比為 ABCD面的晶面指數(shù)為 （213） 4分晶向指數(shù)：AB的晶向指數(shù)：A、B兩點的坐標為 A（0，0，1），B（0，1,2/3） (以a為單位) 則 ，化簡即得AB的晶向指數(shù) 二（2）圖同理：BC、AC、BD線的晶向指數(shù)分別為，。 各2分3、如圖所示立方晶胞晶格常數(shù)為，AO的長度為2/3a， BD的長度為1/2a，CF的長度為1/3a，標出圖中ABC面的

5、晶面指數(shù)，并標出AB、BC、AC的晶向指數(shù)。解：ABC面的晶面指數(shù)： ABC面在x、y、z三個坐標軸上的截距分別為4，2，2/3，（1分）截距倒數(shù)比為 （1分）ABC面的晶面指數(shù)為 （126） （1分）晶向指數(shù)：AB的晶向指數(shù)：A、B、C點的坐標為 A（0，0，2/3），B（1，0，1/2），C（0，1，1/3） (以a為單位) 則AB的晶向指數(shù)或 （1分） BC的晶向指數(shù)或 （1分） AC的晶向指數(shù)或 （1分） 、求圖中所示立方晶胞中面的指數(shù)；并求該晶面與晶胞所交的四邊形四條邊和對角線的晶向指數(shù)。解：晶面指數(shù)： ABCD面在三個坐標軸上的截距分別為2a,a,2a截距倒數(shù)比為 ABCD面的晶面

6、指數(shù)為 （121） 2分晶向指數(shù)：AB的晶向指數(shù)：A、B兩點的坐標為 A（1，1/2，0），B（0，1,0） (以a為單位) 則 ， AB的晶向指數(shù) 2分 同理：BC、AC、BD線的晶向指數(shù)分別為，。 各2分回答下列問題：(1)在立方晶系的晶胞內(nèi)畫出具有下列密勒指數(shù)的晶面和晶向： (001）與210，(111）與，與 111,與123,與236(2)在立方晶系的一個晶胞中畫出（111)和 （112)晶面，并寫出兩晶面交線的晶向指數(shù)。(3)在立方晶系的一個晶胞中畫出同時位于（101). (011)和（112)晶面上的晶向。解：1、 面心立方結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)中有幾種間隙，各有幾個？答：面心立方結(jié)

7、構(gòu)包含4個正八面體間隙和8個正四面體間隙；體心立方結(jié)構(gòu)包含6個正八面體間隙和12個正四面體間隙。（數(shù)目：每個2分，類型：每個1分）5、簡述同素異構(gòu)產(chǎn)生原因。 答：與該類原子的電子層結(jié)構(gòu)的變化有關，即在不同的溫度或壓力下，通過參與鍵和的外層數(shù)分布狀態(tài)的改變，而引起原子間結(jié)合能以致點陣的形式發(fā)生改變，過渡族金屬多型性傾向較大，與此結(jié)構(gòu)中的s能級和d能級十分接近有關性能：發(fā)生多型性轉(zhuǎn)變，由于晶體點陣致密度不同 ，伴隨熱漲，6、在離子(陶瓷)晶體中正、負離子的堆積方式取決于哪些因素？答：(1)正、負離子的電荷大小晶體必須保持電的中性，即所有正離子的正電荷應等于所有負離子的負電荷。 (2)正、負離子的相

8、對大小由于正、負離子的外層電子形成閉合的殼層，因此可以把離子看成具有一定半徑的剛性圓球。在離子晶體中，一些原子失去其外層電子而成為正離子另一些則得到外層電子而成為負離子。（答對（1）、（2）中的任一點5分）7、簡要說明硅酸鹽的幾種結(jié)構(gòu)單元的主要特點。答：第三章 高分子材料的結(jié)構(gòu)1簡要說明加聚反應和縮聚反應的區(qū)別？答：加聚反應是由不飽和的單體聚合成高分子的反應，其產(chǎn)物只有種高分子化合物。參加縮聚反應的單體一般含有兩種或兩種以上能相互作用的官能團(兩個或兩個以上易斷裂的共價鍵)的化合物，產(chǎn)物中除一種高分子化合物外，還生成有小分子。如H2O、HCl、NH3等。產(chǎn)物的組成與參加反應的任何一種單體均不相

9、同。從反應機理上看，加聚反應是不飽和分子中的雙鍵或叁鍵發(fā)生的，實質(zhì)還是加成反應。所以，雙鍵、叁鍵是發(fā)生加聚反應的內(nèi)因?？s聚反應是通過單體中的官能團相互作用經(jīng)縮合生成小分子，同時又聚合成大分子的雙線反應。發(fā)生縮聚反應的內(nèi)因是相互能作用的官能團(或較活動的原子)。發(fā)生加聚反應的單體不一定是一種物質(zhì)，也可以是兩種或兩種以上。如丁苯橡膠就是由單體1，3丁二烯和苯乙烯加聚而成，縮聚反應的單體不一定就是兩種，也有一種的，如單糖縮聚成多糖、氨基酸縮聚成多肽，也可以是兩種以上的。2寫出下列化合物的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，并指出有無氫鍵，若有，是分子內(nèi)還是分子間的？ （1）聚氯乙烯；（2）聚乙烯醇；（3）尼龍-6；（4）滌綸

10、；（5）纖維素答：（1）-CH2CHCl- 、分子間氫鍵（2）-CH2CHOH-、 分子間氫鍵（3）-HN(CH)5CO-、 分子間氫鍵（4） 分子間氫鍵（5） 分子內(nèi)和分子間都有氫鍵3聚合物的分子結(jié)構(gòu)對主鏈的柔順性有什么影響？答：主鏈結(jié)構(gòu)對高分子鏈的柔順性的影響(1)主鏈雜原子使柔性增大，其中按照SiO、CO、CC鍵的順序柔性遞減；(2)主鏈芳環(huán)使柔性下降；(3)共軛雙鍵使柔性大為下降；(4)孤立雙鍵使柔性大為增加。當主鏈結(jié)構(gòu)相同時，可根據(jù)側(cè)基情況來比較或判斷鏈柔性大小。側(cè)基對高分子鏈的柔順性的影響(1)側(cè)基極性越大柔性越??；(2)側(cè)基對稱取代會使柔性大大增加；(3)側(cè)基不對稱取代時的柔性會

11、顯著下降；(4)一般來說，側(cè)基體積較大，柔性下降。但柔性側(cè)基隨著側(cè)基增長，柔性增加。4試解釋下列實驗現(xiàn)象：將一個砝碼系于聚乙烯醇纖維的一端，把砝碼和部分纖維浸入盛有沸水的燒杯中。如果砝碼懸浮在水中，則體系是穩(wěn)定的；如果砝碼挨著燒杯底部，則纖維被溶解了？答：當砝碼懸在水中時，聚乙烯醇纖維被拉伸取向，耐熱性提高，纖維不被溶解，如果砝碼挨著燒杯的底部，聚乙烯醇纖維未被拉伸取向，耐熱性未提高，因此在沸水中溶解了。5高聚物主要有哪幾種聚集態(tài)？什么樣的聚集狀態(tài)是高聚物獨有的？答：高聚物的聚集態(tài)有：液態(tài)、高彈態(tài)、玻璃態(tài)、取向態(tài)、結(jié)晶態(tài)、液晶態(tài)。其中高彈態(tài)是高分子所特有的。6提高高分子材料強度的方法有哪些？答

12、：提高高分子材料強度的方法有： 1改變高分子材料的結(jié)晶度，結(jié)晶度增加，則高分子材料的強度提高； 2改變側(cè)基的性質(zhì)，側(cè)基體積越大、極性越大則高分子材料的強度提高； 3改變主鏈結(jié)構(gòu)，主鏈剛性越大，則高分子材料的強度提高； 4共聚，與其他高強度高分子材料單體共聚，可提高高分子材料的強度； 5拉拔強化，一些高分子材料在Tg溫度附近冷拉，可提高其強度。7為什么聚乙烯容易結(jié)晶，而聚氯乙烯則難以結(jié)晶？為什么在熱塑性塑料中完全結(jié)晶不大可能？答：因為聚乙烯高分子鏈結(jié)構(gòu)簡單、對稱所以容易結(jié)晶，而聚氯乙烯分子的對稱結(jié)構(gòu)被打亂，而且CHCl體積比CH2大，因此結(jié)晶能力下降。由于高聚物分子鏈很長，不能象小分子化合物那樣

13、可以實現(xiàn)整個分子都進入“結(jié)晶區(qū)”而達到完全結(jié)晶。因此在熱塑性塑料中完全結(jié)晶不太可能。8說明交聯(lián)的作用，它如何改變聚合物的結(jié)構(gòu)和性能？答：交聯(lián)作用是分子鏈之間生成化學鍵，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。線型聚合物經(jīng)適度交聯(lián)后，其力學強度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐溶劑性等均有改善。第四章 晶體缺陷1、為什么位錯沒有平衡濃度？ 答：自由能分析：位錯是由大量點缺陷串成線，混亂程度受到限制，熵的作用大減，主要考慮內(nèi)能，位錯總是增加內(nèi)能，位錯越多，越不穩(wěn)定，熱力學要求位錯越少越好，故位錯沒有平衡濃度。雖然熱力學不穩(wěn)定，但因其呈網(wǎng)狀分布，故力學上是穩(wěn)定的。2、簡述大角晶界特點； 答：1.過渡層厚度僅23個原子直徑；2.原子排列混

14、亂；3.相對稀疏。3、簡述物理吸附機理及特點。答：物理吸附是由范德華耳斯力作用而相互吸引的特點：任何固體對任何氣體或其他原子都有這類吸附作用，（1、吸附無選擇性、多層吸附），只是吸附的程度隨氣體或其他原子的性質(zhì)不同而有所差異。2、物理吸附的吸附熱較小。4、某晶體中有一條柏氏矢量為a 001的位錯線，位錯線的一端露頭于晶體表面，另一端與兩條位錯線相連接，其中一條的柏氏矢量為，求另一條位錯線的柏氏矢量。答：根據(jù)柏氏矢量的守恒性，另一條位錯的柏氏矢量為：5、在圖 4-52所示的晶體中，ABCD滑移面上有一個位錯環(huán)，其柏氏矢量b平行于AC (1)指出位錯環(huán)各部分的位錯類型。 (2)在圖中表示出使位錯環(huán)

15、向外運動所需施加的切應力方向。 (3)該位錯環(huán)運動出晶體后，晶體外形如何變化？答：（1）位錯環(huán)和與AC平行的直線相切的部分為純螺位錯，位錯環(huán)和與AC垂直的直線相切的部分為純?nèi)形诲e，其余部分為混合位錯，作圖（2）切應力與b平行，作用在晶體上下兩面上。tb多余原子面，作圖（3）沿b方向滑出一個柏氏矢量單位的距離第五章 材料的相結(jié)構(gòu)及相圖1、應用相律時須考慮哪些限制條件？解：（1)相律只適用于熱力學平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下各相的溫度應相等 （熱量平衡）；各相的壓力應相等 （機械平衡）；每一組元在各相 中的化學位必須相同 （化學平衡 ）。 2)相律只能表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組元或相的類型和含量

16、。 3)相律不能預告反應動力學 （速度）。 4)自由度的值不得小于零 。2、影響固溶體的無序、有序和偏聚的主要因數(shù)是什么？答：溶質(zhì)原子在溶劑品格中的分布狀態(tài)，主要取決于因溶體中同類原子結(jié)合能與異類原子間結(jié)合能的相對大?。寒斖愒娱g結(jié)合能人于異類原子間結(jié)合能時溶質(zhì)原子便傾向于聚集在一起，呈偏聚狀念；當同類原子間結(jié)合能小于異類原子結(jié)合能時，溶質(zhì)原子便傾向于按一定規(guī)則有序排列。如果溶質(zhì)原子的有序分布只在短距離小范圍內(nèi)存在，稱為短程有序；如果全部都達到有序狀態(tài)，則稱為長程有序。3、影響有序化的因數(shù)有哪些？答（1）、結(jié)合能小于零，必要條件，降低內(nèi)能（2）、T: TTc（ 臨界溫度），熵作用降低，內(nèi)能起

17、主導作用（3）、成分：1：1或1：3（即AB或AB3），不是上述比時，一部分形成有序固溶體，另一部分由純A或純B構(gòu)成；例當Cu：Zn=1：3時，多出的Zn以純Zn晶體存在（4）、冷速：冷速過快，有序化來不及進行，因為有序化是原子遷移過程4、影響置換式固溶體的固溶度的因素有哪些？答：（1）尺寸因數(shù)：當一個溶質(zhì)原子引起的點陣畸變能越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑中的數(shù)量便越少，固溶體的溶解度就愈?。?2)晶體結(jié)構(gòu)因素：組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時，固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若組元間晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能形成有限固溶體（3）電負性差因素：兩元素間電負性差越小，則越易形成固溶體，而且所形成的固溶體的溶

18、解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大，固溶度減小，當溶質(zhì)與溶劑的電負性差很大時，往往形成比較穩(wěn)定的金屬化合物；（4）電子濃度因素：以貴金屬Cu、Au、Ag為基的固溶體在尺寸因素有利的情況下，溶質(zhì)元素的原子價越高，則其在Cu、Au、Ag中的溶解度越小。5、影響陶瓷材料中離子代換或固灣度的因素有哪些?答：影響陶瓷材料中離子代換或固溶度的因素，有些與金屬固溶體類似，如原子半徑差越小，溫度越高電負性差越小離子間的代換越易進行其固溶度也就越大，當兩化合物的晶體結(jié)構(gòu)相同且在其他條件有利的情況下相同電價的離子間有可能完全互換而形成無限固溶體，除以上因素以外、還須考慮以下情況：(1)為了保持晶格的電中性，代換

19、前后離子的總電價必須相等；(2)晶格能量：當一種離子置換另種離子而有利于降低晶體內(nèi)能時這樣的代換就容易發(fā)生，而相反方向則不能進行。6、陶瓷材料中的固溶方式與金屬相比有何不同?答：1)雖然離子型晶體也會產(chǎn)生弗蘭克爾空位及肖脫基空位，但多數(shù)離子型晶體因其排列緊密，形成弗蘭克爾空位的可能性較小，運成肖脫基空位時必須是電價總和為零的正、負離子同時移出晶體，在晶體中形成正、負離子的空位對；2)為了保持電中性，離子間數(shù)量不等的置換會在晶體內(nèi)部形成點缺陷；3)若此類化合物中存在變價離子，當其電價改變時，也會在晶體中產(chǎn)生空位。第六章 材料凝固與氣相沉積1、對于有可能進行結(jié)晶的材料，決定液體冷卻時是否能結(jié)晶或形

20、成玻璃的主要因素有哪些？答：首先，如果冷卻速率足夠高任何液體原則上都可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?。其次，如果晶體結(jié)構(gòu)的基元很難由液相形成，結(jié)晶就會延緩而有利于玻璃的形成。例如：金屬、陶瓷和聚合物在這方面有本質(zhì)上的差別。金屬晶體的基元只包含幾個原子，而且大多只含有一個原子，因此很容易進行結(jié)晶。陶瓷晶體一般比較復雜，盡管大多數(shù)陶瓷材料可進行結(jié)晶，形成玻璃也是常見的，最后，長鏈高分子的結(jié)晶在結(jié)構(gòu)上有以下兩個困難：(1)難得會有簡單的基元；(2)已有鏈段在既不使鍵斷開也不重新形成的條件下進行重排，只能通過所有各鏈段的緩慢擴散來完成。（答對一項5分）2、固溶體凝固與純金屬凝固相比有哪些不同？、固溶體凝固時，結(jié)晶出來的

21、固相成分與原液相成分不同，所以固溶體凝固形核時，除需要能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏外，還需要成分起伏，因而固溶體凝固形核比純金屬困難；3分、固溶體凝固需要一定的溫度范圍，在此溫度范圍的每一溫度下，只能凝固出來一定數(shù)量的固相，即固溶體凝固必須依賴異類原子的互相擴散，這需要時間，所以凝固速率比純金屬慢。2分、簡述鑄錠典型組織 答：通常鑄錠的晶粒組織由三個區(qū)域組成：最外層由細小的等軸晶粒組成，即細晶粒區(qū)；接著是垂直于模壁、長而粗的柱狀晶粒區(qū)；中心部分也是由等軸晶粒組成，但是比表層的晶粒大，這個區(qū)域叫做等軸晶粒區(qū)。細晶粒區(qū)總是很薄的一層，對性能的影響很小。3分根據(jù)凝固條件的不同及其它因素的影響，有時只能見到一個

22、或兩個晶粒區(qū)。例如，不銹鋼錠通常只有柱狀晶粒區(qū)，而沒有中心等軸晶粒區(qū)，細晶粒區(qū)也很薄或沒有；而經(jīng)過晶粒細化處理的鋁合金鑄錠，其組織全部是等軸晶粒。2分6、簡述二元合金平衡凝固的特點。答：二元合金平衡凝固的特點：1、液相中溶質(zhì)原子通過遷移（對流+擴散）而分布均勻，固相中溶質(zhì)原子通過擴散也分布均勻；2、固相及液相的成分隨溫度變化而變化，但在任一溫度下都達到平衡狀態(tài)；3、結(jié)晶后晶粒內(nèi)成分均勻，無宏觀偏析及微觀偏析。第七章 擴散與固態(tài)相變1、簡述晶體結(jié)構(gòu)對擴散的影響。答：晶體結(jié)構(gòu)反映了原子（離子）在空間排列的情況；擴散時原子要發(fā)生移動就必需克服周圍原子對它的作用力。原子排列越緊密，原子間的結(jié)合力愈強，

23、此時擴散激活能就越大，而擴散系數(shù)D就愈??；因此，晶體結(jié)構(gòu)緊密的物質(zhì)，擴散激活能就大，擴散系數(shù)?。?分）。金屬的熔點高低和熔化時潛熱的大小都能反映金屬內(nèi)部原子間作用力的大小，反映激活能的高低。金屬的熔點越高、熔化時潛熱越大，原子排列就越緊密，擴散激活能就越大，擴散系數(shù)就越小。2分2、簡述影響擴散激活能的因素。答：1）擴散機制，間隙擴散激活能比空位激活能小很多；2）晶體結(jié)構(gòu)，密排結(jié)構(gòu)的激活能要大一些；3）原子結(jié)合力，原子結(jié)合力越強，擴散激活能越大；4）合金成分，凡是使材料熔點降低的金屬元素都使擴散激活能降低。3、調(diào)幅分解反應和一般的形核長大機制有何不同？ 答：調(diào)幅分解反應不需要形核，新相成分變化、

24、結(jié)構(gòu)不變，界面寬泛(初期無明顯分界面)，組織均勻規(guī)則，原子擴散為上坡擴散，形核轉(zhuǎn)變率高；形核不需克服能壘，但長大需要克服梯度能和表面能；一般的形核長大需要形核，新相成分、結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，界面明晰，組織均勻性差、不規(guī)則，原子擴散為下坡擴散，形核轉(zhuǎn)變率低。形核、長大均需克服能壘。4、簡述原子結(jié)合鍵對擴散的影響 答：從擴散的微觀機制可以看到，原了遷移到新位置上去時，必須擠開通路上的原子引起局部的點陣畸變，也就是說要部分地破壞原子結(jié)合鍵才能通過。因此，原子鍵力越強，擴散激活能Q值越高，擴散越困難，擴散系數(shù)小。反映原子結(jié)合能的宏觀參量，如熔點、熔化潛熱、升華潛熱和膨脹系數(shù)等與擴散激活能Q成正比關系。5、

25、簡述晶體缺陷的影響答：原子沿晶界擴散比晶內(nèi)擴散要快得多。擴散元素沿著晶界快速擴散到金屬的內(nèi)部，擴散元素在晶界處的濃度高于晶內(nèi)，擴散元素又進一步由晶界向晶內(nèi)擴散。晶界在這里好像是一個快速擴散的短路通道。晶內(nèi)擴散是體擴散，晶內(nèi)擴散速率小于晶界擴散速率是由于晶界處原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，空位密度和空位遷移率均比晶內(nèi)為高所致。沿晶體表面的擴散激活能，比晶界擴散激活能還小，擴散速率還要大，但除少數(shù)情況外表面擴散并不重要。位錯是晶體中的線缺陷，在位錯線周圍的點陣發(fā)生畸變，特別是刀型仿錯線還存在著一條有一定空隙度的管道。擴散元素沿位錯管道遷移，遷移激活能小，只有體擴散激活能的12，擴散速率較高。但是由

26、于位錯在整個晶體的橫截面上只占極小的比例，所以仔較高的溫度下，位錯對晶體總的擴散的貢獻并不大，而在較低的溫度時，沿位錯的擴散將起到重要的作用。第八章 材料的變形與斷裂1、簡述孿生的主要特點有哪些? 答1. 孿生是滑移受阻而引起的應力集中區(qū)，臨界切應力比滑移大，如Mg的孿生臨界切應力為5.424.3Mpa,滑移:0.49 Mpa;2.高速形成、爆發(fā)式，同時伴隨應力集中松弛；3.孿生本身對晶體形變量小，但改變晶體位向，使不利的滑移面有利于滑移。2、簡述孿生和滑移的主要區(qū)別答：滑移主要特點： 一部分晶體沿滑移面相對于另一部分晶體作切晶體作切變，切變時原子移動的距離是滑移方向原子間距的整數(shù)倍；滑移面兩

27、側(cè)晶體位向不變； 滑移所造成的臺階經(jīng)拋光后，即使侵蝕也不會重現(xiàn)； 滑移是一種不均勻切變，它只集中在某一些晶面上大量進行，而各滑移帶之間的晶體并沒發(fā)生滑移。 與之相對應，孿生主要區(qū)別如下： 一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切晶變，切變時原子移動距離不是孿生方向原子間距的整數(shù)倍；孿生面兩邊晶體位向不同，成鏡面對稱；孿晶經(jīng)拋光后仍能顯現(xiàn)，孿生改變晶體取向；孿生是一種均勻切變，即在切變區(qū)內(nèi)，與孿晶面平行的每一層原子面均相對于其比鄰晶面沿孿生方向位移了一定距離。 3、影響金屬及合金再結(jié)晶過程的重要因素有哪些？答：影響金屬及合金再結(jié)晶過程的重要因素：(1)為了能夠進行再結(jié)晶，必須有一個最小變形量，又

28、稱臨界變形量。 (2)變形量愈小(超過臨界變形量)，再結(jié)晶溫度愈高。 (3)提高再結(jié)晶退火溫度可以縮短再結(jié)晶完成的時間 (4)再結(jié)晶后的晶粒尺寸取決于變形量。變形量愈大晶溫度愈低，再結(jié)晶后的晶粒愈細。(5)原始晶粒尺寸愈大，為了得到相同再結(jié)晶溫度所需的變形量也愈大： (6)再結(jié)晶溫度隨著金屬純度的提高而降低。固溶合金元素的加入總是提高再結(jié)晶溫度。（答錯1、2點，扣1分，其余扣2分）4、簡述影響再結(jié)晶的因數(shù)有那些? 答：1、溫度溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度V再越快，完成再結(jié)晶所需時間也越短；2、變形程度。 金屬變形程度越大，儲存能量越多，再結(jié)晶驅(qū)動力，因此，再結(jié)晶溫度也越低，同時，V再也越快，變形量

29、增加至某一程度，再結(jié)晶溫度基本穩(wěn)定不變，純金屬變形后，Tmin0.4Tm（熔點）3、原始晶粒尺寸 其他條件相同，晶粒越細，變形抗力越大，冷變形后儲能越多，再結(jié)晶溫度越低； 相同變形度，晶粒越細，晶界總面積越大，可供形核場所越多，形核率越大，故再結(jié)晶速率加快。4、金屬或合金成分影響 再結(jié)晶溫度隨金屬純度的提高而降低，固溶合金元素的加入總是提高再結(jié)晶溫度；微量溶質(zhì)原子的存在對再結(jié)晶有巨大影響，溶質(zhì)與雜質(zhì)原子和位錯、晶界存在交互作用，偏聚在位錯及晶界，對位錯及晶界的遷移起阻礙作用，因此不利于在結(jié)晶晶核的形核與長大，使再結(jié)晶溫度上升。5、簡述影響疲勞壽命的因數(shù)答：1、應力集中：如果存在應力集中處，如缺

30、口、孔、鍵槽或截面突變處，疲勞強度會大大降低。圖824所示的疲勞失效就起源于鋼軸的鍵楷。如果精心設計，盡可能避免出現(xiàn)應力集中處，就可以使疲勞失效減到最少。2、 表面粗糙度：一般地說，金屬試樣表面加工愈光滑，疲勞強度就愈高。租糙的表面會造成應力集中處，有利于疲勞裂紋的形成。3、 表面狀態(tài)（化學成分）：由于大多數(shù)疲勞失效起源于金屬表面，任何表面狀態(tài)的主要變化都會影響到疲勞強度e例如，鋼的表面硬化處理(滲碳、氮化)使表面硬度提高，從而提高了疲勞壽命。反之，脫碳造成熱處理鋼件表面軟化而使疲勞強度降低。在金屬表面形成殘余壓應力層也會提高疲勞壽命。4、 環(huán)境：如果金屬在承受周期應力時還有一個腐蝕性環(huán)境，所

31、造成的腐蝕會大大加速裂紋擴展速率。腐蝕和周期應力對金屬的綜合作用又稱腐蝕疲勞。6、陶瓷材料力學性能的特點.特點：1、脆、硬； 2、抗拉強度差別大，0.697Gpa，同一材料抗拉、抗壓差別大。7、從拉伸試驗如何獲得常用的力學性能數(shù)據(jù)？答：拉伸試驗可用來測定金屬材料的力學性能。在拉伸試驗中，試樣在比較短的時間內(nèi)，以恒定的速率受到拉伸直至斷裂。拉伸試驗時由記錄紙得出的負荷伸長曲線可以轉(zhuǎn)換為應力一應變曲線(又稱應力一應變圖)。（5分）從拉伸試驗可以獲得以下幾項力學性能：彈性模量；規(guī)定非比例伸長應力；抗拉強度；斷后伸長率；斷面收縮率。（各1分）這些性能數(shù)據(jù)對于工程上的結(jié)構(gòu)設計和金屬材料檢驗是很重要的。8

32、、簡述金屬或合金成分對再結(jié)晶影響? 答：再結(jié)晶溫度隨金屬純度的提高而降低，固溶合金元素的加入總是提高再結(jié)晶溫度；微量溶質(zhì)原子的存在對再結(jié)晶有巨大影響，溶質(zhì)與雜質(zhì)原子和位錯、晶界存在交互作用，偏聚在位錯及晶界，對位錯及晶界的遷移起阻礙作用，因此不利于在結(jié)晶晶核的形核與長大，使再結(jié)晶溫度上升。9、從拉伸試驗得來的表征材料的力學性能數(shù)據(jù)有哪些？答：拉伸試驗可用來測定金屬材料的力學性能。從拉伸試驗可以獲得以下幾項力學性能：彈性模量；規(guī)定非比例伸長應力；抗拉強度；斷后伸長率；斷面收縮率。（各1分）、簡述延性斷裂的典型斷裂過程及特點。答：金屬的延性斷裂是在進行了大量塑性變形后發(fā)生的，當加在試樣上的應力超過

33、其抗拉強度，經(jīng)過一定時間，試祥就會斷裂。延性斷裂可以分為三個截然不同的階段：試樣形成縮頸，隨后孔洞在頸縮區(qū)形成；頸縮處的孔洞在試樣的中心處聚集形成裂紋，并沿垂直于外加應力的方向向試樣表面擴展；當裂紋接近表面時，其方向改變并與拉伸軸成45。角，結(jié)果形成了杯錐狀斷口。其特征是裂紋擴展緩慢，斷口呈杯錐狀。11、一低碳鋼拉伸試樣進行試驗，如圖 (a)所示。拉伸時，其應力-應變曲線如曲線1所示，當變形到點E時卸載、應力-應變曲線沿曲線2下降。試問： (1)1，2，3各表示什么意義? 32說明了什么?(2)若卸載后又立即加載，應力-應變曲線應如何變化?解 (1) 1表示應力去陳后不能恢復的變形，即塑性變形

34、。2表示應力去除后能夠消除的變形，即彈性變形；3表示屈服前的最大彈性變形量。32說明材料屈服以后，產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，強度提南，使得彈性交形量增大。 (2)若卸載以后又立即加載，其應力應變曲線如圖b中曲線3所示，在第次拉伸時，已經(jīng)產(chǎn)生了冷塑性變形，引起了工硬化效應，在第2次拉伸時，應力應變曲線應沿原卸載路線上升。12 、陶瓷晶體塑性變形有何特點？ 解： 作為一類材料，陶瓷是比較脆的。晶態(tài)陶瓷缺乏塑性是由于其離子鍵和共價鍵造成的。在共價鍵合的陶瓷中，原子之間的鍵合是特定的并具有方向性，如圖76(a)所示。當位錯以水平方向運動時，必須破壞這種特殊的原子鍵合，而共價鍵的結(jié)合力是很強的，位錯運動有很高

35、的點陣阻力。因此，以共價鍵鍵合的陶瓷，無論是單晶體還是多晶體，都是脆的。具有離子鍵的單晶體，如氧化鐵和氯化鈉，在室溫受壓應力作用時可以進行相當多的塑性變形，但是具有離子鍵的多晶陶瓷則是脆的，并在晶界形成裂紋。這是因為可以進行變形的離子晶體，如圖76(b)所示，當位錯運動一個原子間距時，同號離子的巨大斥力，使位錯難以運動；但位錯如果沿450方向而不是水平方向運動，則在滑移過程中相鄰晶粒面始終由庫侖力保持相吸，因而具有相當好的塑性。但是多晶陶瓷變形時，相鄰晶必須協(xié)調(diào)地改變形狀，由于滑移系統(tǒng)較少而難以實現(xiàn)，結(jié)果沿晶界產(chǎn)生開裂，最終導致脆性斷裂。13、金屬鑄件能否通過再結(jié)晶退火來細化晶粒? 解 再結(jié)晶

36、退火必須用于經(jīng)冷塑性變形加工的材料其目的是改善冷變形后材料的組織和性能。再結(jié)晶退火的溫度較低，一般都在臨界點以下，若對鑄件采用再結(jié)晶退火，其組織不會發(fā)生相變，也沒有形成新晶核的驅(qū)動力(如冷變形儲存能等)，所以不會形成新晶粒，也就不能細化晶粒。第九章 固體材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能1、簡述絕緣體和半導體的電子能帶結(jié)構(gòu).在絕緣體和半導體中，原子的價電子被共價鍵或離子鍵緊緊地束縛在鍵合原子上。從能帶結(jié)構(gòu)模型來看，在絕緣體和半導體中，能量較低的、被價電子所充滿的價帶與能量較高的未填充電子的導帶之間，在原子平衡間距處沒有交疊，即價帶與導帶之間被能量間隙為Eg的禁帶所隔開。要使價帶中的一個價電子參與導電，首

37、先必須有足夠的能量激發(fā)它，使之越過禁帶進入導帶。絕緣體的禁帶寬度約為510 ev，在通常條件下，絕緣體中自由電子的數(shù)目寥寥無幾，電導率極低。與絕緣體相比半導體的禁帶寬度比較窄，約為0.23ev，在通常條件下，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)目為個m；，因此其電導率介于金屬與絕緣體之間。（答對一項5分）2、簡述影響材料電阻率的因數(shù); 答： 溫度影響 為電阻溫度系數(shù)，溫度愈高，金屬的電阻率愈高。圖10.8 雜質(zhì)的影響雜質(zhì)增加電子的散射，使增加；晶格畸變、雜質(zhì)原子散射 塑性變形的影響形變上升，導致位錯密度上升，使增加3、用能帶理論解釋n型半導體導電機理。 答：n型半導體由5價原子摻入Si制成，如取代Si，多1

38、個非鍵合電子，就以很弱的靜電作用松散地與雜質(zhì)原子相結(jié)合。每個松散結(jié)合的電子能級正好位于本征硅靠近導帶的禁帶中，它的能量與本征硅導帶最低能級之差很小(0.1 lev，)，很容易被激發(fā)到導帶中去。這種在激發(fā)中能向本征硅導帶供給電子的雜質(zhì)稱為施主，其能級稱為施主能級。只需很小能量就可將電子激發(fā)進入導帶，不產(chǎn)生空穴。因而在外電場作用下，這些電子在導帶中向較高的空能級轉(zhuǎn)移時，沒有反向電子轉(zhuǎn)移與之抵消，可形成電流，因此表現(xiàn)出導電性。 4、試述導體、半導體與絕緣體的電子能帶結(jié)構(gòu)區(qū)別。答：在絕緣體和半導體中，原子的價電子被共價鍵或離子鍵緊緊地束縛在鍵合原子上。從能帶結(jié)構(gòu)模型來看，在絕緣體和半導體中，能量較低的

39、、被價電子所充滿的價帶與能量較高的未填充電子的導帶之間，在原子平衡間距處沒有交疊，即價帶與導帶之間被能量間隙為Eg的禁帶所隔開。要使價帶中的一個價電子參與導電，首先必須有足夠的能量激發(fā)它，使之越過禁帶進入導帶。絕緣體的禁帶寬度約為510 ev，在通常條件下，絕緣體中自由電子的數(shù)目寥寥無幾，電導率極低。與絕緣體相比半導體的禁帶寬度比較窄，約為0.23ev，在通常條件下，單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)目為個m；，因此其電導率介于金屬與絕緣體之間。（答對導體4分，其余每項3分）5、用能帶理論解釋p型半導體導電機理。 答：在半導體中加入三價雜質(zhì)原子(如Al，B，Ga等)、則在這類原子周圍的共價鍵就缺一個電子，

40、這種缺電子位置可看作與雜質(zhì)原子微弱結(jié)合的空穴。每個三價雜質(zhì)原子在本征半導體的禁帶中引進一個靠近其價帶的能級，很容易接受從價帶激發(fā)出來的電子，從而在價帶中留下一個空穴。這類雜質(zhì)原子稱為受主，所在能級為受主能級，它的能量與本征硅價帶能級之差很小。只需很小能量就可將價帶電子激發(fā)進入受主能級，同時在價帶中產(chǎn)生等同數(shù)量的空穴。因而在外電場作用下，這些電子和空穴同時參與導電，因此表現(xiàn)出導電性。6、半導體摻雜的離子注入技術有哪些優(yōu)點？ 答：該技術的一個優(yōu)點是摻雜在室溫下進行。首先把摻雜原子離子化，并使離子在50l00 kv的電場下被加速。當離子打到晶片上時，它們進人晶體內(nèi)部，其深度取決于離子質(zhì)量、能量、晶片

41、表面保護的類型。高速離子可能引起硅晶片的損傷，但大多數(shù)損傷可通過適當?shù)臒崽幚韥砘謴?。離子注入技術常用于注入摻雜需要精確控制的元器件上。離子注入的另一個優(yōu)點是可以通過薄的氧化層進行。這種技術使調(diào)整金屬一氧化物一半導體晶體管的閡值電壓成為可能。7、簡述金屬材料的電子能帶結(jié)構(gòu)答：晶體的能帶結(jié)構(gòu)隨材料而異，有些能帶的能量范圍發(fā)生交叉，部分交疊，交疊程度隨材料而異；有的不重疊，形成能隙。以每個能帶可容納的最大電子數(shù)與實際容納的電子數(shù)的異同，將能帶劃分作滿帶、空帶和導帶。滿帶對導電沒有貢獻；導帶中有未被電子占據(jù)的能級，電子可以在不同能級間改變其分布狀態(tài)，在外場作用下可以得到凈電子流，從而具有導電性；空帶中沒有電子，對導電沒有貢獻。如果空帶與相鄰的滿帶部分重疊，滿帶中的電子可以流入空帶，使原來的空帶成了導帶，而原來的滿帶形成空帶，也就成了導帶，具有這樣能帶結(jié)構(gòu)的材料也是導體。因此，導體有兩種能帶結(jié)構(gòu)：一種有部分填充帶；另一種的空帶與相鄰的滿帶部分重疊。、描述超導體宏觀性質(zhì)的指標有哪些？答：完全導電性完全抗磁性個重要性能： 2分臨界電流臨界磁場強度臨界電流密度個性能指