湖南大学2009年材料科学基础真题及答案简析

2009年材料科学基础真题一、名词解释（任选8题，每题5分，合计40分）1.位错：点阵原子排列局部不规则的一维区域，是晶体内的一种线缺陷。2.点阵常数：晶胞的大小取决于其三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角α，β，γ，我们把a，b，c，α，β，γ这六个参量称为点阵常数。3.晶界：在两个晶粒接触区间原子错排的区域，同一固相但位相不同。4.柏氏矢量：用来描述位错引起晶格畸变的物理量。该矢量的模是层错的强度，表示晶格总畸变的大小，其方向表示晶格点畸变的方向。一般情况下，该矢量越大，晶体畸变的程度越大。5.固溶体：以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相。6.玻璃转变温度：当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度2/3~1/2温度附近出现热膨胀、比热容等性能的突变。该温度称为玻璃转变温度。7.共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。8.临界分切应力：晶体中的某个滑移系是否发生滑移，决定于力在滑移面内沿滑移方向的分切应力，当分切应力达到某一临界值时，滑移才能开始，此应力即为临界分切应力，它是滑移系开动的最小分切应力。材料的临界分切应力取决于材料的本身性质，但和温度以及材料的纯度等也有关系。9.聚合物的构型：单体通过聚合反应相互连接构成链状聚合物。连接单体的化学反应往往不是唯一的，因此链节在分子链上可以有不同的键接方式。不同的键接方式都是通过化学键固定，不破坏化学键就不能改变链节的键接方式。换句话说，化学键确定了链节中原子的空间排布方式。由化学键固定的原子空间排布方式称作构型。10.应变硬化：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。二、简答题（任选5题，每题10分，合计50分）(2)一次键的种类及其本质是什么？价电子的转移或共用，原子或电子云达到稳定结构。(3)给出FCC(面心立方）、BCC(体心立方）、HCP(密排六方)、晶胞中的原子数，间隙的种类和数量FCC：484BCC：2126HCP：6126(4)在MgO中晶体中掺入Li2O后，晶体中的空位浓度怎么变化？氧空位浓度变大。(5)简述菲克第一定律和菲克第二定律的含义，写出表达式，指明其字母的物理意义。答：菲克第一定律。J：扩散流量，即单位时间通过单位面积的物质量，g/㎡·s；D：扩散系数，㎡/s；dcdx：浓度梯度，g/m4。菲克第二定律dcddcdc=Ddtdxdxdt（）。：浓度随时间的变化率，g/m3·s；dJdx：流量的梯度，g/m3·s。(6)写出体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、密排六方(HCP)晶体中的主要滑移数。FCC110{111}12个BCC111{110}48个HCP11-20{0001}3个(7)已知金刚石晶胞中最近邻的原子间距为0.154mm,试求出金刚石的点阵常数、配位数和致密度。答：3a=0.154nm4，所以点阵常数a=0.3566nm配位数C.N.=8-N=4致密度3311864482=r=0.34a3(8)简述热塑性聚会物和热固性聚会物的结构及性能特点。答：热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工成形。热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。(9)二元相图中肯能发生的固固相平衡的反应有哪些？写出相应的平衡反应式。共晶、单析、包晶三、论述题（任选4题，每题15分，合计60分）1.什么是键能曲线？利用键能曲线可以得到材料的哪些特性参量。采用哪些方法可以改变键能曲线的形状？场外作用、制造缺陷、加热冷却可以改变键能曲线。2.离子晶体中的扩散机制有哪些？影响因素有哪些？间隙、空位、交换机制3.材料的主要强化机制有哪几种？其强化机制是什么？答：固溶强化、弥散强化、第二相强化、细晶强化、加工硬化、马氏体强化（钢铁）、有序强化。其机理均是通过阻碍位错的运动来提高材料的强度。不同的强化方法的机理有其特殊性。一、固溶强化：固溶在点阵间隙或结点上的合金元素原子由于其尺寸不同于基体原子，故产生一点的应力场，阻碍位错运动；柯氏气团和铃木气团，前者是间隙原子优先分布于BCC金属刃型位错的拉应力区，对位错产生钉扎作用，后者是合金元素优先分布于FCC金属扩展位错的层错区，降低层错能，扩大层错区，使扩展位错滑移更加困难。二、沉淀强化和弥散强化：合金通过相变过程得到的合金元素与基体元素的化合物和机械混掺于基体材料中的硬质颗粒都会引起合金强化。沉淀强化和弥散强化的效果远大于固溶强化。位错在运动过程中遇到第二相时，需要切过（沉淀强化的小颗粒和弥散强化的颗粒）或者绕过（沉淀强化的大尺寸颗粒）第二相，因而第二相（沉淀相和弥散相）阻碍了位错运动。三、晶界强化：按照Hall-Petch公式，屈服点σs同晶粒直径d之间的关系是σs=σo+kd-1/2，其实质是位错越过晶界需要附加附加的应力。因此低温用钢往往采用细晶粒组织。有序强化：有序合金的位错是超位错，要使金属发生塑性变形就需要使超位错的两个分位错同时运动，因而需要更大的外应力。异类元素原子间的结合力大于同类元素原子间的结合力，所以异类原子的有序排列赋予有序合金较高的强度。4.决定聚合物结晶度的因素有哪些？链分支的程度、立构的规整度、侧基的尺寸、重复单元的复杂度，平行链段的二次键合程度5.试从结合键的角度分析工程材料的分类及特点。答：金属材料：主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。陶瓷材料：以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高。高分子材料：分子内部以共价键为主，分之间为分子键和氢键为主。复合材料：是以上三种基本材料的人工复合物，结合键种类繁多，性能差异很大。