材料學(xué)科基礎(chǔ)試題答案

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)試題及答案一、出題形式一：填空類1 .在立方系中，晶面族123中有 24 組平面,晶面族100中有 3 組平面。2 .獲得高能量的原子離開原來的平衡位置，進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面，形成肖脫基空位。如果離位原子進(jìn)入晶體間隙，形成費(fèi)侖克爾空位。3 .點(diǎn)缺陷的類型分為空位和間隙原子;當(dāng)相遇時(shí)兩者都消失，這一過程稱為復(fù)合或湮滅。4.刃型位錯(cuò)的柏氏矢量b與位錯(cuò)線t互相垂直， 刃型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與b方向一致。螺型位錯(cuò)的移動(dòng)方向與柏氏矢量b垂直，螺型位錯(cuò)的柏氏矢量b方向與位錯(cuò)線t的方向平行。5 .由于界面能的存在，當(dāng)晶體中存在能降低界面能的異類原子時(shí)，這些原子將向境界偏聚，這種現(xiàn)象叫內(nèi)吸附

2、。6 .均勻形核必須具備的條件是：1.必須過冷；2.必須具備與一定多冷度相適應(yīng)的能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。7 .面心立方結(jié)構(gòu)的滑移面是111,共有 4 組,每組滑移面上包含 3 個(gè)滑移方向,共有 12 個(gè)滑移系。8 .由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng),使多晶體的變形抗力比單晶體大，其中，取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因。9 .滑移面應(yīng)是面間距最大的密排面,滑移方向是原子最密排方向。10 .金屬塑性變形時(shí)，外力所作的功除了轉(zhuǎn)化為熱量之外，還有一小部分被保留在金屬內(nèi)部，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力。11 .金屬的熱變形是指金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的加工變形，在此過程中，金屬內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化和回復(fù)再結(jié)晶軟化兩個(gè)

3、過程。12 .擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)位梯度;再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力為冷變形所產(chǎn)生的儲(chǔ)存能的釋放；再結(jié)晶后晶粒的長大的驅(qū)動(dòng)力是：晶粒長大前后的界面能差，純金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是溫度梯度。13 .晶體中原子在表面、晶界、位錯(cuò)處的擴(kuò)散速度比原子在晶內(nèi)的擴(kuò)散速度快，這種現(xiàn)象叫短路擴(kuò)散。14 .回復(fù)的初始階段回復(fù)機(jī)制以空位遷移為主,后期以位錯(cuò)攀移為主。15 .材料的結(jié)合方式有共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵和范德華力四種化學(xué)鍵結(jié)合方式。21 .細(xì)化鑄件晶粒的方法有：1、提高過冷度 2、變質(zhì)處理 3、振動(dòng)、攪拌。22 .金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是近程有序，此結(jié)構(gòu)原子團(tuán)稱為晶胚。23 .材料中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散機(jī)制主要有間隙擴(kuò)散機(jī)制和置換擴(kuò)散機(jī)制兩

4、種。24.在過冷度不很大時(shí)，形核率主要受形核功因子的控制，當(dāng)過冷度非常大時(shí)，形核率主要受擴(kuò)散因子的控制。1 .柏氏矢量與回路起點(diǎn)選擇無關(guān)，但與柏氏回路的具體路徑，大小有關(guān)。（X）2 .對(duì)稱傾側(cè)晶界中同號(hào)位錯(cuò)垂直排列，刃型位錯(cuò)產(chǎn)生的壓應(yīng)力場與拉應(yīng)力場可互相抵消，不產(chǎn)生長程應(yīng)力場，其能量很低。（V）3 .非均勻形核所需要的形核功大于均勻形核所需要的形核功。（x）4 .在粗糙界面和負(fù)溫度梯度下易生長形成樹枝狀晶體。（V）5 .雖然體心立方金屬滑移系多于面心立方，但面心立方金屬的可塑性好。（X）6 .作用于位錯(cuò)的力只是一種組態(tài)力，它不代表位錯(cuò)附近原子實(shí)際所受到的力。（V）7 .回復(fù)不能使金屬性能恢復(fù)到

5、冷變形前的水平。（V）8 .超塑性不靠滑移進(jìn)行，而是由晶界的滑動(dòng)和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)所致。（V）9 . .擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)部由于熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原子或分子定向遷移的過程。（V）10 .如果固體中不存在擴(kuò)散流，則說明原子沒有擴(kuò)散。（x）11 .幾何結(jié)晶學(xué)通過幾何學(xué)的方法把晶體材料中的質(zhì)點(diǎn)抽象出來并設(shè)想為結(jié)點(diǎn)，通過空間格子構(gòu)造的概念來描述晶體的結(jié)構(gòu)。（V）12 .攣晶關(guān)系指相鄰兩晶?；蛞粋€(gè)晶粒內(nèi)部相鄰兩部分沿一個(gè)公共晶面（攣晶界）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系。（V）一、出題形式一：名詞解釋，如：1 1 . .滑移系：一個(gè)滑移面（面距最大白密排面）與其面上的一個(gè)滑移方向（原子的最密排方向）組合。2 2 . .顯微結(jié)構(gòu)：在顯

6、微鏡下看到白尺寸級(jí)別在 0.1100 個(gè)微米的晶體的結(jié)構(gòu)。3 3 .柯氏（Cottrell）氣團(tuán)：為降低交互作用能，在溫度和時(shí)間許可的條件下，溶質(zhì)原子傾向于聚集到位錯(cuò)周圍，形成比較穩(wěn)定的分布。通常把溶質(zhì)原子在位錯(cuò)周圍的聚集叫柯氏氣團(tuán)。4 4 . .交滑移：交滑移是指兩個(gè)或多個(gè)滑移面沿同一個(gè)擴(kuò)散方向滑移。5 5 .柯肯達(dá)爾效應(yīng)：將一塊純銅和純饃對(duì)焊起來，焊接面上嵌幾根鴇絲，加熱到接近熔點(diǎn)的高溫長時(shí)間保溫，再冷卻。經(jīng)擴(kuò)散后，惰性鴇絲向純饃一側(cè)移動(dòng)了一段距離。原因是饃原子向銅一側(cè)擴(kuò)散的多，銅原子向饃一側(cè)擴(kuò)散的少，使銅一側(cè)伸長，饃一側(cè)縮短。這種現(xiàn)象就是柯肯達(dá)效應(yīng)。6 6、幾何軟化：經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)后，一些

7、原來角度遠(yuǎn)離 45。的晶面將轉(zhuǎn)到接近 45。，使滑移變得容易進(jìn)行。7 7 . .應(yīng)力（材料科學(xué)或者材料力學(xué)學(xué)科所定義的）：應(yīng)力定義為單位面積上所承受的附加內(nèi)力8 8 .臨界晶核形核功：形成臨界晶核時(shí)自由能的變化 AG*0,這說明形成臨界晶核是需要能量的。形成臨界晶核所需的能量 AG*稱為臨界形核功。9 9 .彈性滯后：在材料中產(chǎn)生給定的應(yīng)力所需的應(yīng)變能與那個(gè)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的彈性能之間的差值。若在彈性范圍內(nèi)加載或去載，應(yīng)變不是瞬時(shí)達(dá)到其平衡值，而是通過一種弛豫過程完成的，即隨時(shí)間的延長，逐步趨于平衡值的彈性應(yīng)變叫滯彈性應(yīng)變。1、簡要論述稀土金屬微觀結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。答：稀土原子的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。銃

8、和鈕遵循原子構(gòu)造原理，其價(jià)電子層結(jié)構(gòu)分別為 3d14s2 和4d15s2。5771 號(hào)的例系原子出現(xiàn)反常，它們的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)不是從 4f16s2 到 4f146s2,其中 57La、58Ce、64Gd 和 71Lu 原子的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn) 5d1。稀土原子的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)具有下列 3 個(gè)明顯的特點(diǎn)：（1）最外層是 ns2 電子，與周期表中 s 區(qū)元素的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)相似，是活潑金屬。（2）次外層是（n1）d01（n1）s2（n1）p6 結(jié)構(gòu)。（3）次次外層是 4f014（Sc 和丫除外）。特點(diǎn)：1）稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，而比其他金屬元素活潑。2）稀

9、土元素能形成化學(xué)穩(wěn)定的氧化物、鹵化物、硫化物。3）稀土易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點(diǎn)高的化合物，因此在鋼水中加入稀土，可以起到凈化鋼的效果。4）稀土元素具有未充滿的 4f 電子層結(jié)構(gòu)，并由此而產(chǎn)生多種多樣的電子能級(jí)。因此，稀土可以作為優(yōu)良的熒光，激光和電光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。5）稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成結(jié)合物，使稀土廣泛用于印染行業(yè)。6）稀土具有類似微量元素的性質(zhì)，可以促進(jìn)農(nóng)作物的種子萌發(fā)，促進(jìn)根系生長，促進(jìn)植物的光合作用。2、根據(jù)下面的派-納力公式:2G2aeeexpI(1-v)-(1-v)b.解釋晶體滑移為什么多是沿著晶體中原子密度最大的面和原子密排方向進(jìn)行。G：

10、切變*II 量，v：泊松比，a 為面間距。答：由公式可知，a 最大，b 最少時(shí)派一納力最少，故滑移面應(yīng)是晶面間距最大的最密排面，滑移方向應(yīng)是原子最密排方向，此方向 b 一定最少。3、用弗蘭克-瑞德源機(jī)制解釋位錯(cuò)的增值過程。答：若某滑移面上有一段刃型位錯(cuò) AB,它的兩端被位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘彳不能運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)沿位錯(cuò) b 方向加切應(yīng)力，使位錯(cuò)沿滑移面向前滑移運(yùn)動(dòng)，形成一閉合的位錯(cuò)環(huán)河位錯(cuò)環(huán)內(nèi)的一小段彎曲位錯(cuò)線。只要外加應(yīng)力繼續(xù)作用，位錯(cuò)環(huán)便繼續(xù)向外擴(kuò)張。同時(shí)環(huán)內(nèi)的彎曲位錯(cuò)在線張力作用下又被拉直，恢復(fù)到原始狀態(tài)，并重復(fù)以前的運(yùn)動(dòng)，絡(luò)繹不絕地產(chǎn)生新的位錯(cuò)環(huán)，從而造成位錯(cuò)的增殖，并使晶體產(chǎn)生可觀的滑移量。4 4、（

11、1）晶體的特性；答：1）自限性；2）均一性；3）各向異性；4）對(duì)稱 f5）最小內(nèi)能性；6）穩(wěn)定性 1）晶體有整齊規(guī)則的幾何外形；2）晶體有固定的熔點(diǎn)，在熔化過程中，溫度始終保持不變；3）晶體有各向異性的特點(diǎn)。（2）晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)差別。答：晶體：長程有序，短程有序；非晶體：長程無序，短程有序；準(zhǔn)晶體材料：長程有序不完善，短程有序；不能平移 5 5、（1）材料的分類:答：1）金屬材料；2）高分子材料；3）無機(jī)非金屬材料 3）陶瓷材料；4）復(fù)合材料；5）功能材料式中 b 為柏氏矢量的模,答：陶瓷是典型的脆性材料。上圖是典型金屬與陶瓷材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比。金屬能夠發(fā)生較大的塑性形變，

12、而陶瓷只有很小的彈性形變，看不到屈服點(diǎn)。所以金屬有較好的韌性，而陶瓷的韌性較低。6、再結(jié)晶的形核機(jī)制。答：1）小變形量的弓出形核機(jī)制；2）亞晶合并機(jī)制；3）亞晶蠶食機(jī)制晶界弓出形核機(jī)制：對(duì)于冷變形程度較小的金屬，由于變形不均勻，相鄰晶粒的位錯(cuò)密度相差很大，此時(shí)，晶界中的一小段會(huì)向密度高的一側(cè)突然弓出，成為再結(jié)晶核心。亞晶合并形核機(jī)制：若變形量較大、具有高層錯(cuò)能的金屬再結(jié)晶時(shí)則以亞晶合并機(jī)制形核。它是由相鄰亞晶的轉(zhuǎn)動(dòng)，使小亞晶逐步合并成大亞晶成為再結(jié)晶核心。亞晶蠶食形核機(jī)制：若變形量很大、具有低層錯(cuò)能的金屬則以亞晶蠶食機(jī)制形核。它是在位錯(cuò)密度很大的小區(qū)域，形成位錯(cuò)密度很低的亞晶，這個(gè)亞晶便會(huì)向周

13、圍位錯(cuò)密度生長，最終由小角度晶界演變成大角度晶界。請(qǐng)闡述材料內(nèi)部合理的再結(jié)晶對(duì)材料力學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)的影響。答：冷變形后的金屬加熱到一定溫度之后，在變形基體中，重新生成無畸變的新晶粒的過程叫再結(jié)晶。 材料內(nèi)部合理的再結(jié)晶對(duì)材料力學(xué)性能的影響為： 消除殘余應(yīng)力； 提高材料斷裂韌性和強(qiáng)度；提高材料的物理性能和化學(xué)性能。對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響為：細(xì)化晶粒。（2）再結(jié)晶后晶粒的尺寸伺變形程度和原始晶粒大M語很大關(guān)系.原始晶粒越小， 越能促進(jìn)晶核的生成，使再結(jié)晶晶粒變細(xì).變形程度越大，則經(jīng)再結(jié)晶后新晶粒尺寸越小，分布也越均勻.計(jì)算題。已知銅晶體的切變模量G=41010Nrr2,位錯(cuò)的柏氏矢量等于原子間距，b=

14、2.0X10-1”取a=0.75,計(jì)算(1)單位長度位錯(cuò)線的應(yīng)變能。(2)單位體積的嚴(yán)重變形銅晶體內(nèi)部存儲(chǔ)的位錯(cuò)應(yīng)變能。(設(shè)位錯(cuò)密度為10%/器)解：(1)單位長度位錯(cuò)線的應(yīng)變能為：W/L=a*Gl2=0.75*4X1010Nm2*(2.0 x1012=1.2*109J一3(2)設(shè)體積為 V=1cm,則單位體積的嚴(yán)重變形銅晶體內(nèi)部存儲(chǔ)的位錯(cuò)應(yīng)變能為：E=1.2*1o*10%/益=12J標(biāo)注題，如：在單位晶胞中標(biāo)出立方晶系的晶面和晶向：110),(110),(011),(421)晶向111。V、第四大類知識(shí)要點(diǎn)：結(jié)合本地產(chǎn)業(yè)來應(yīng)用理論分析問題出題形式：小論文方式的闡述題，如1、結(jié)合佛山支柱材料工

15、業(yè)情況對(duì)一具體材料產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀談?wù)勀愕囊娊?。答：陶瓷產(chǎn)業(yè)是佛山傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一。佛山正大力弘揚(yáng)陶瓷歷史文化，大力發(fā)展陶瓷產(chǎn)業(yè)總部經(jīng)濟(jì)。就目前情況來看，佛山陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)新的格局：一是陶瓷產(chǎn)品向高檔化、國際化發(fā)展；二是企業(yè)品牌意識(shí)增強(qiáng)，品牌知名度高，品牌向高端化、國際化發(fā)展；三是產(chǎn)業(yè)配套體系完善，具備國內(nèi)最為強(qiáng)大的生產(chǎn)、銷售、流通配套能力；四是民營陶企迅猛發(fā)展；五是環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)；六是產(chǎn)業(yè)投資活躍，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移加快；七是新產(chǎn)品科技含量提高，門類齊全；八是產(chǎn)品銷售國內(nèi)、國際并駕齊驅(qū)，外貿(mào)出口強(qiáng)勁增長。佛山陶瓷產(chǎn)業(yè)在保持穩(wěn)步、快速發(fā)展的同時(shí)，也存在不少問題。主要有：1）行業(yè)同質(zhì)化嚴(yán)重，存在產(chǎn)品、品牌、營銷理念、企業(yè)運(yùn)營等多面的嚴(yán)重同質(zhì)化；2）企業(yè)管理粗放，家族式的管理已難適應(yīng)市場發(fā)展的需要；3）環(huán)保問題，如何協(xié)調(diào)和擇地轉(zhuǎn)移成為產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要課題；4）企業(yè)數(shù)量多但規(guī)模小，存在大則不強(qiáng)；5）人才問題，高素質(zhì)的研發(fā)、營銷、管理、外貿(mào)等人才嚴(yán)重不足，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大制約。2、闡述稀土金屬材料在一具體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。答：稀土元素在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：第一方面是用于生產(chǎn)特種陶瓷，如氧化鋪陶瓷稱為固體電解質(zhì)離子篩，可以透過氧離子，用于水蒸氣發(fā)生氧、測定廢氣和人體中的氧等。第二方面是用于制作陶瓷顏料。由于稀土元素具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，即不充滿的 4f 電子層存在，當(dāng)受到不同波長的光照射時(shí)，