材料物理試題與答案

1、材料物理試題(卷面80分+平時(shí)20分)1、解釋下列概念 （20分）1.2 空位、間隙原子和異類原子； 空位：在晶格結(jié)點(diǎn)位置應(yīng)有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。【從晶體點(diǎn)陣中原來應(yīng)有原子存在的一個(gè)陣點(diǎn)處取走了原子，就形成了一個(gè)原子空位，這部分缺陷晶體被稱為空位，這種空位也叫肖特基空位】間隙原子：在晶格非結(jié)點(diǎn)位置，往往是晶格的間隙，出現(xiàn)了多余的原子。它們可能是同類原子，也可能是異類原子?！具M(jìn)入晶體點(diǎn)陣間隙位置的原子稱為間隙原子，這種間隙位置的特點(diǎn)是：在一般的情況下不應(yīng)該有原子存在，且是晶體點(diǎn)陣的最大空隙位置。晶體在高能粒子輻照下，正常位置的原子被打入到晶體的間隙位置，在形成間隙原子的同時(shí)，形

2、成等量的空位，稱為弗倫克耳空位。】異類原子（雜質(zhì)原子）：在一種類型的原子組成的晶格中，不同種類的原子替換原有的原子占有其應(yīng)有的位置?！炯词乖诩兘饘俚那闆r下，也仍然包含有雜質(zhì)原子，若雜質(zhì)原子與基體原子相比，其體積大于一定值，則雜質(zhì)原子以置換的形式存在；而若其體積相對(duì)較小時(shí)，則有可能以間隙原子的形式出現(xiàn)?！?.3 晶界、大角晶界和小角晶界；晶界：晶界就是空間取向(或位向)不同的相鄰晶粒之間的分界面。小角度晶界：大致地把晶粒位向差小于十度的晶界稱為小角度晶界。大角度晶界：當(dāng)相鄰晶粒之間的位向差大于10-15度，晶粒間的界面叫大角度晶界。1.4 上坡擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散；擴(kuò)散是由低濃度處向高濃度處進(jìn)行的，如

3、固溶體中某些偏聚或調(diào)幅分解，這種擴(kuò)散被稱為“上坡擴(kuò)散”。通過擴(kuò)散使固溶體中的溶質(zhì)組元超過固溶度而不斷形成新相的擴(kuò)散過程，又稱相變擴(kuò)散?！驹S多合金狀態(tài)圖中往往有中間相，因而在擴(kuò)散過程中也可能出現(xiàn)中間相，這種擴(kuò)散即為多相擴(kuò)散。多相擴(kuò)散包括兩個(gè)過程，一個(gè)是擴(kuò)散過程；另一個(gè)是界面上達(dá)到一定的濃度發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成新相的過程。多相擴(kuò)散通常也被稱為反應(yīng)擴(kuò)散?！?.5 一級(jí)相變和二級(jí)相變。 一級(jí)相變：由相轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄷r(shí)，G=G, i=i，但自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)不相等，稱為一級(jí)相變。一級(jí)相變有體積和熵的突變，V0，S0?！景l(fā)生相變時(shí)，平衡兩相的化學(xué)位1=2應(yīng)相等。如果相變滿足此條件，且兩相的化學(xué)位對(duì)溫度及壓力的

4、一階偏微分不等，那么這種相變稱為一級(jí)相變。發(fā)生一級(jí)相變時(shí)，將發(fā)生熵S的變化及體積V的變化，即在相變時(shí)除有體積變化外，還有潛熱的釋放。一級(jí)相變的形式：物質(zhì)的三態(tài)轉(zhuǎn)變及固態(tài)相變中的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等】。 二級(jí)相變：若相變時(shí)，GG，i=i ，并且自由焓的一階偏導(dǎo)數(shù)也相等，但自由焓的二階偏導(dǎo)數(shù)不相等，稱為二級(jí)相變。 二級(jí)相變時(shí)無體積效應(yīng)和熱效應(yīng)，材料的壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及比定壓熱容均有突變。例：磁性轉(zhuǎn)變、有序無序轉(zhuǎn)變多為二級(jí)相變?！径?jí)相變的熱力學(xué)特點(diǎn)是發(fā)生相變時(shí)平衡兩相的化學(xué)位相等，且兩相化學(xué)位的一階偏微分也相等，但二階偏微分不等。二級(jí)相變時(shí)沒有相變潛熱（即相變時(shí)的熵值不變化）及體積變化，但是比熱、壓

5、縮系數(shù)及體積膨脹系數(shù)發(fā)生變化。磁性轉(zhuǎn)變及部分有序無序轉(zhuǎn)變是屬于二級(jí)相變?！?、簡(jiǎn)答下列問題 （20分）2.1 確定核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)及其意義；主量子數(shù)n：描述電子的能量高低，n越大，能量越高； 角量子數(shù)l：角量子數(shù)決定電子空間運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量，以及原子軌道或電子云的形狀；磁量子數(shù)m：磁量子數(shù)是軌道角動(dòng)量的z分量量子數(shù)，因?yàn)樾D(zhuǎn)量子相當(dāng)于圓圈電流，它必定會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，形成軌道磁矩，在磁場(chǎng)作用下將有不同取向；自旋量子數(shù)ms：描述電子的自旋方向，正自旋+1/2，反自旋-1/2。2.2 點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響；（1）空位對(duì)電阻的影響：在金屬晶體中存在空位時(shí)，將使在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子發(fā)生散射，因此增加了電

6、阻。電阻增加與空位濃度成比例關(guān)系?！径ㄏ蛄鲃?dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力（陷阱），增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度（發(fā)熱）。金屬的電阻主要來自離子對(duì)傳導(dǎo)電子的散射。在完整晶體中，電子基本上是在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，而在有缺陷的晶體中，在缺陷區(qū)點(diǎn)陣的周期性被破壞，電場(chǎng)急劇變化，因此對(duì)在晶體 內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子發(fā)生強(qiáng)烈散射，因此增加了電阻?！浚?）空位對(duì)體積的影響：在晶體中有空位存在時(shí)，晶體體積就要增加。為了在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)空位，需要將該處的原子移到晶體表面上的新原子位置，這就導(dǎo)致了晶體體積的增加。2.3 高溫蠕變機(jī)理；晶界機(jī)理-多晶體的蠕變。晶界對(duì)蠕變速率有兩種影響：第一 ，高溫下，晶界能彼此相對(duì)滑動(dòng)，使

7、剪應(yīng)力得到弛豫。第二 ，晶界本身是位錯(cuò)源，離晶界約為一個(gè)障礙物間距內(nèi)的位錯(cuò)會(huì)消失。晶格機(jī)理-單晶蠕變，但也可能控制著多晶的蠕變過程。在一定溫度下，熱運(yùn)動(dòng)的晶體中存在一定數(shù)量空位和間隙原子；位錯(cuò)線處一列原子由于熱運(yùn)動(dòng)移去成為間隙原子或吸收空位而移去；位錯(cuò)線移上一個(gè)滑移面。或其他處的間隙原子移入而增添一列原子，使位錯(cuò)線向下移一個(gè)滑移面。位錯(cuò)在垂直滑移面方向的運(yùn)動(dòng)-位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)。2.4 金屬對(duì)材料的增韌所應(yīng)該具備的條件；1在顯微結(jié)構(gòu)方面金屬相與無機(jī)相能否均勻分散成彼此交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，決定著能否在裂紋尖端區(qū)域起到吸收部分能量的作用；2金屬對(duì)材料具有很好的潤(rùn)濕性。否則，材料自成為連續(xù)相，金屬成為分散于

8、基體中的粒子，材料的力學(xué)行為仍為陶瓷相所控制，脆性改善有限。2.5 相變熱力學(xué)中晶體缺陷的作用?？瘴唬嚎瘴煌ㄟ^影響擴(kuò)散而促進(jìn)生核，或利用本身能量提供生核驅(qū)動(dòng)力，此外空位群可凝聚成位錯(cuò)而促進(jìn)生核。位錯(cuò)：位錯(cuò)促進(jìn)生核，有三種形式。第一種為新相在位錯(cuò)線上生核，新相形成處，位錯(cuò)線消失，這部分位錯(cuò)的能量被釋放出來作為相變驅(qū)動(dòng)力以克服形成功而促進(jìn)生核。第二種形式是位錯(cuò)不消失，而依附在新相界上，構(gòu)成半共格界面中的位錯(cuò)部分，這也使生核能量降低。第三種形式是溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線上偏聚，促使位錯(cuò)分解，形成兩個(gè)分位錯(cuò)與中間層錯(cuò)部分組成的擴(kuò)展位錯(cuò)，此層錯(cuò)部分可能成為新相的晶核。晶界：大角度晶界具有較高的能量，此處形成新相

9、可使晶界能量釋放，使形成功降低，生核容易，因此固態(tài)相變易在晶界上生核。 3. 采用示意圖說明刃型位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)。(10分)在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有使晶體上部向有發(fā)生移動(dòng)的趨勢(shì)。假如晶體中有一刃型位錯(cuò)，顯然位錯(cuò)在晶體中發(fā)生移動(dòng)比整個(gè)晶體移動(dòng)要容易。因此，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；位錯(cuò)移動(dòng)的方向和位錯(cuò)線垂直；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)掃過的區(qū)域晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑移)；位錯(cuò)移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺(tái)階。4. 玻爾理論成功地解釋了單電子原子氫光譜的規(guī)律性。雖然該理論在解釋其他復(fù)雜多電子原子光譜時(shí)遭遇了失敗，但它對(duì)一些簡(jiǎn)單多電子原子光譜的解釋仍然是成功的。請(qǐng)判斷這段話的正誤并說明原因。 (5分)錯(cuò)誤。玻爾理論的局限性：（1）只限于解釋氫原子或類氫離子（單電子體系）的光譜，不能解釋多電子原子的光譜。（2）人為地允許某些物理量（電子運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量和電子能量）“量子化”，以修正經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）。5. 下圖1是晶體二維圖形，內(nèi)含有一個(gè)正刃位錯(cuò)和一個(gè)負(fù)刃位錯(cuò)，(a) 采用示意圖說明圍繞每個(gè)位錯(cuò)分別做柏格斯回路，得柏格斯矢量各若干？ (b) 采用示意圖說明圍繞兩個(gè)位錯(cuò)作柏格斯回路，其結(jié)果又怎樣？(5分)6. 下圖2為晶核的G與r間的關(guān)系，現(xiàn)有不同溫度的三條曲線，請(qǐng)指出哪條溫度最高？哪條溫度最低？為什么？(5分) 圖1