材料学科基础试题答案

1材料科学基础试题及答案一、出题形式一：填空类1．在立方系中，晶面族{123}中有24组平面，晶面族{100}中有3组平面。2．获得高能量的原子离开原来的平衡位置，进入其它空位或迁移至晶界或表面，形成肖脱基空位。如果离位原子进入晶体间隙，形成费仑克尔空位。3．点缺陷的类型分为空位和间隙原子；当相遇时两者都消失，这一过程称为复合或湮灭。4．刃型位错的柏氏矢量b与位错线t互相垂直，刃型位错移动的方向与b方向一致。螺型位错的移动方向与柏氏矢量b垂直，螺型位错的柏氏矢量b方向与位错线t的方向平行。5．由于界面能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向境界偏聚，这种现象叫内吸附。6．均匀形核必须具备的条件是：1.必须过冷；2.必须具备与一定多冷度相适应的能量起伏和结构起伏。7．面心立方结构的滑移面是{111}，共有4组，每组滑移面上包含3个滑移方向，共有12个滑移系。8．由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因。9．滑移面应是面间距最大的密排面，滑移方向是原子最密排方向。10．金属塑性变形时，外力所作的功除了转化为热量之外，还有一小部分被保留在金属内部，表现为残余应力。11．金属的热变形是指金属材料在再结晶温度以上的加工变形，在此过程中，金属内部同时进行着加工硬化和回复再结晶软化两个过程。12.扩散的驱动力是化学位梯度；再结晶的驱动力为冷变形所产生的储存能的释放；再结晶后晶粒的长大的驱动力是：晶粒长大前后的界面能差，纯金属结晶的驱动力是温度梯度。13.晶体中原子在表面、晶界、位错处的扩散速度比原子在晶内的扩散速度快，这种现象叫短路扩散。14.回复的初始阶段回复机制以空位迁移为主，后期以位错攀移为主。15．材料的结合方式有共价键、离子键、金属键和范德华力四种化学键结合方式。21．细化铸件晶粒的方法有：1、提高过冷度2、变质处理3、振动、搅拌。22．金属液态结构特点是近程有序，此结构原子团称为晶胚。23．材料中质点的扩散机制主要有间隙扩散机制和置换扩散机制两种。24.在过冷度不很大时，形核率主要受形核功因子的控制，当过冷度非常大时，形核率主要受扩散因子的控制。21．柏氏矢量与回路起点选择无关，但与柏氏回路的具体路径，大小有关。（×）2．对称倾侧晶界中同号位错垂直排列，刃型位错产生的压应力场与拉应力场可互相抵消，不产生长程应力场，其能量很低。（√）3．非均匀形核所需要的形核功大于均匀形核所需要的形核功。（×）4．在粗糙界面和负温度梯度下易生长形成树枝状晶体。（√）5．虽然体心立方金属滑移系多于面心立方，但面心立方金属的可塑性好。（×）6．作用于位错的力只是一种组态力，它不代表位错附近原子实际所受到的力。（√）7．回复不能使金属性能恢复到冷变形前的水平。（√）8．超塑性不靠滑移进行，而是由晶界的滑动和晶粒的转动所致。（√）9．扩散是物质内部由于热运动导致原子或分子定向迁移的过程。（√）10．如果固体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散。（×）11．几何结晶学通过几何学的方法把晶体材料中的质点抽象出来并设想为结点，通过空间格子构造的概念来描述晶体的结构。（√）12．孪晶关系指相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面（孪晶界）构成镜面对称的位向关系。（√）一、出题形式一：名词解释，如：1．滑移系：一个滑移面(面距最大的密排面)与其面上的一个滑移方向（原子的最密排方向）组合。2．显微结构：在显微镜下看到的尺寸级别在0.1~100个微米的晶体的结构。3．柯氏（Cottrell）气团：为降低交互作用能，在温度和时间许可的条件下，溶质原子倾向于聚集到位错周围，形成比较稳定的分布。通常把溶质原子在位错周围的聚集叫柯氏气团。4．交滑移：交滑移是指两个或多个滑移面沿同一个扩散方向滑移。5．柯肯达尔效应：将一块纯铜和纯镍对焊起来，焊接面上嵌几根钨丝，加热到接近熔点的高温长时间保温，再冷却。经扩散后，惰性钨丝向纯镍一侧移动了一段距离。原因是镍原子向铜一侧扩散的多，铜原子向镍一侧扩散的少，使铜一侧伸长，镍一侧缩短。这种现象就是柯肯达效应。6、几何软化：经滑移和转动后，一些原来角度远离45°的晶面将转到接近45°，使滑移变得容易进行。7．应力（材料科学或者材料力学学科所定义的）：应力定义为“单位面积上所承受的附加内力”。8．临界晶核形核功：形成临界晶核时自由能的变化ΔG*0，这说明形成临界晶核是需要能量的。形成临界晶核所需的能量ΔG*称为临界形核功。9．弹性滞后：在材料中产生给定的应力所需的应变能与那个应力对应的弹性能之间的差值。若在弹性范围内加载或去载，应变不是瞬时达到其平衡值，而是通过一种弛豫过程完成的，即随时间的3延长，逐步趋于平衡值的弹性应变叫滞弹性应变。1、简要论述稀土金属微观结构和性能特点。答：稀土原子的价电子层结构比较复杂。钪和钇遵循原子构造原理，其价电子层结构分别为3d14s2和4d15s2。57～71号的镧系原子出现反常，它们的价电子层结构不是从4f16s2到4f146s2，其中57La、58Ce、64Gd和71Lu原子的价电子层结构中出现5d1。稀土原子的价电子层结构具有下列3个明显的特点：（1)最外层是ns2电子，与周期表中s区元素的价电子层结构相似，是活泼金属。(2)次外层是(n－1)d0～1(n－1)s2(n－1)p6结构。(3)次次外层是4f0～14(Sc和Y除外）。特点：1）稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，而比其他金属元素活泼。2）稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物。3）稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，因此在钢水中加入稀土，可以起到净化钢的效果。4）稀土元素具有未充满的4f电子层结构，并由此而产生多种多样的电子能级。因此，稀土可以作为优良的荧光，激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。5）稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物，使稀土广泛用于印染行业。6)稀土具有类似微量元素的性质，可以促进农作物的种子萌发，促进根系生长，促进植物的光合作用。2、根据下面的派－纳力公式：解释晶体滑移为什么多是沿着晶体中原子密度最大的面和原子密排方向进行。式中b为柏氏矢量的模，G：切变模量，v：泊松比，a为面间距。答：由公式可知，a最大，b最少时派－纳力最少，故滑移面应是晶面间距最大的最密排面，滑移方向应是原子最密排方向，此方向b一定最少。3、用弗兰克－瑞德源机制解释位错的增值过程。答：若某滑移面上有一段刃型位错AB，它的两端被位错网节点钉住不能运动。现沿位错b方向加切应力，使位错沿滑移面向前滑移运动，形成一闭合的位错环河位错环内的一小段弯曲位错线。只要外加应力继续作用，位错环便继续向外扩张。同时环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，络绎不绝地产生新的位错环，从而造成位错的增殖，并使晶体产生可观的滑移量。4、(1)晶体的特性；答：1）自限性；2）均一性；3)各向异性；4)对称性；5)最小内能性；6)稳定性1)晶体有整齐规则的几何外形；2)晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；3)晶体有各向异性的特点。(2)晶体、非晶体和准晶体的结构差别。答：晶体：长程有序，短程有序；非晶体：长程无序，短程有序；准晶体材料：长程有序不完善，短程有序；不能平移5、（1）材料的分类：bvavG)1(2exp)1(24答：1）金属材料；2）高分子材料；3）无机非金属材料3）陶瓷材料；4）复合材料；5）功能材料（2）用σ-ε曲线解释陶瓷材料和金属材料韧性的差别。答：陶瓷是典型的脆性材料。上图是典型金属与陶瓷材料的应力-应变曲线的对比。金属能够发生较大的塑性形变，而陶瓷只有很小的弹性形变，看不到屈服点。所以金属有较好的韧性，而陶瓷的韧性较低。6、再结晶的形核机制。答：1）小变形量的弓出形核机制；2）亚晶合并机制；3）亚晶蚕食机制晶界弓出形核机制：对于冷变形程度较小的金属，由于变形不均匀，相邻晶粒的位错密度相差很大，此时，晶界中的一小段会向密度高的一侧突然弓出，成为再结晶核心。亚晶合并形核机制：若变形量较大、具有高层错能的金属再结晶时则以亚晶合并机制形核。它是由相邻亚晶的转动，使小亚晶逐步合并成大亚晶成为再结晶核心。亚晶蚕食形核机制：若变形量很大、具有低层错能的金属则以亚晶蚕食机制形核。它是在位错密度很大的小区域，形成位错密度很低的亚晶，这个亚晶便会向周围位错密度生长，最终由小角度晶界演变成大角度晶界。请阐述材料内部合理的再结晶对材料力学性能和晶体结构的影响。答：冷变形后的金属加热到一定温度之后，在变形基体中，重新生成无畸变的新晶粒的过程叫再结晶。材料内部合理的再结晶对材料力学性能的影响为：消除残余应力；提高材料断裂韧性和强度；提高材料的物理性能和化学性能。对晶体结构的影响为：细化晶粒。5计算题。已知铜晶体的切变模量G=4×1010Nm-2，位错的柏氏矢量等于原子间距，b=2.0×10-10m，取α=0.75，计算（1）单位长度位错线的应变能。（2）单位体积的严重变形铜晶体内部存储的位错应变能。（设位错密度为1010m/cm3）解：（1）单位长度位错线的应变能为：W/L=a*Gb2=0.75*4×1010Nm-2*（2.0×10-10m）2=1.2*10-9J（2）设体积为V=1cm3，则单位体积的严重变形铜晶体内部存储的位错应变能为：E=1.2*10-9*1010m/cm3=12J标注题，如：在单位晶胞中标出立方晶系的晶面和晶向：晶面(110)，（110），（011），（421）晶向[111]。(110)（421）（011）（110）[111]6Ⅴ、第四大类知识要点：结合本地产业来应用理论分析问题出题形式：小论文方式的阐述题，如1、结合佛山支柱材料工业情况对一具体材料产业的现状谈谈你的见解。答：陶瓷产业是佛山传统支柱产业之一。佛山正大力弘扬陶瓷历史文化,大力发展陶瓷产业总部经济。就目前情况来看，佛山陶瓷产业发展呈现新的格局：一是陶瓷产品向高档化、国际化发展；二是企业品牌意识增强，品牌知名度高，品牌向高端化、国际化发展；三是产业配套体系完善，具备国内最为强大的生产、销售、流通配套能力；四是民营陶企迅猛发展；五是环保意识增强；六是产业投资活跃，产业转移加快；七是新产品科技含量提高，门类齐全；八是产品销售国内、国际并驾齐驱，外贸出口强劲增长。佛山陶瓷产业在保持稳步、快速发展的同时，也存在不少问题。主要有：1）行业同质化严重，存在产品、品牌、营销理念、企业运营等多面的严重同质化；2）企业管理粗放，家族式的管理已难适应市场发展的需要；3）环保问题，如何协调和择地转移成为产业可持续发展的重要课题；4）企业数量多但规模小，存在大则不强；5）人才问题，高素质的研发、营销、管理、外贸等人才严重不足，成为产业发展的一大制约。2、阐述稀土金属材料在一具体产业中的应用。答：稀土元素在陶瓷生产中的应用主要有两个方面:第一方面是用于生产特种陶瓷,如氧化铈陶瓷称为固体电解质离子筛,可以透过氧离子,用于水蒸气发生氧、测定废气和人体中的氧等。第二方面是用于制作陶瓷颜料。由于稀土元素具有独特的原子结构,即不充满的4f电子层存在,当受到不同波长的光照射时,4f电子层表现出对光的选择性吸收和反射,或者吸收一种波长的光后,又放出另一种波长的光。因此可利用稀土作为色剂或助色剂来制造各种发色稳定,色调纯正的陶瓷颜料。稀土元素镧、铈、镨、铒、钕、钐等氧化物用于陶瓷釉料,色彩鲜艳、稳定,耐高温性能好,遮盖力强,呈色均匀,对陶瓷颜料系统的开发与应用具有广阔前景。7（方法仅供参考）晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。8