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广东工业大学-材料结构与性能-材料科学导论-习题.doc

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满足的组合只有三种233、432、532三 种,分别为四面体

类群、八面体类群、二十面体类群

C60分子:讲二十面体的顶角全部削去得截角二十面 体,出现20个正五边形得到C60结构,因为原先的20 个三角

形变成20个正五边形,顶点共有60个,棱边 共有90

根,仍保留二十面体群的对称性。

3、何为居里点温度Tc?从磁性材料的Tc 温度处的性 能转

变模式分析材料结构的有序无序突变?

答:在高温下,原子自旋的取向完全无序,表现出顺 磁

性。当低于某温度时,磁矩作顺向排列呈现铁磁性, 此时,

我们将该临界温度称为房里疝。

高温的顺磁相中,自旋取向具有任意性,对称性 表现为三维空间内的球面对称,而转变为铁

磁性后,

1、 共价键与金属键有何异同?从它们的差异性简要说明共价键型晶体材料与金属型晶体 材料的性

能差异? 答:共价键:原子间通过共用电子对(电子云重叠)形成的化学键,有方向性,有饱和性。 金属键:金属晶体中金属原子(或离子)与自由电子形成的化学键,无方向性,无饱和性。 二者的相同点是:都是外层电子公有化的结果。 共价键型晶体材料与金属键型晶体材料由于共价键和金属键的存在将表现出不同的性 能,共价键材料由于晶体内各个键之间有确定的方位、配位数外,公用的电子对不能移动, 此类材料表现出结构稳定、熔点高、质硬脆、导电性差,一-般为绝缘体。

金剧1料由于晶体内自由电子的存在使得材料具有良好的导电性和导热性,晶体中的原 子在受外力作用时,有可能形成低能量的密堆结构而不易受到破坏,使金属具有良好的延展 性。 2、 分别示意性画出描述材料结构的五种空间正多面体模型,他们分别属于哪三类群?以此 进一步

分析C60分子的结构特点?

自旋具有特定的方向,丧失无穷多个对称元素,产生对称破缺,导致有序相的产生,因为对 称性的改变不是渐变式的,故使得有序无序转变也是突变的。

4、分别画出CuZn 及AuCu3合金的可能的晶体结构图,

从热力学定律F =U.TS 分析这种结构转变的突变性的 物理本质。

CuZn 合金在742K 时存在有序无序转变,无序相是体心 立方结构,有序相则为原点和体心分别是铜、锌原子。

AuCu3合金在665k 时存在有序无序转变,无序相是面心 立方结构,有序相是原点为Au,6个面心为Cu

对于F=U-TS, F 为自由能,当系统与环境取得热平 衡状态,F 取得最小值,U 为内能,T 为绝对温度,S 为 无序度。物质的平衡态取决于能量和炳相互竞争的结果, 这是有序无序转变的物理根源。当温度T 很大时,为无 序相;当温度很低时,形成有序相。

立方体{43} 何序相 尢中相 仃序相

1、解释下列概念

(1)准晶

准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构,然而又不具有晶体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。

(2)TCP结构

四面体密堆结构,四面体合金的往往有一种大原子和一种小原子构成高配位的环,有12个14个原子环绕一个原子。若用同样的方式堆积不能填满整个空间,利用合金结构,有些四面体发生扭曲来满足这个要求。

(3)玻璃化温度Tg

指过冷液体转变为玻璃态时的温度,即结构无序的液体转变成结构无序的固体的温度。

(4)无规网络模型

结构的基本单元为4个氧原子构成的四面体,并与处于中心处的四价硅原子键合,而相邻的四面体是其共顶点,因而无限结构形成后,化学式保持为SiO2,这样的结构称为无规网络结构

(5)空位形成能

从晶内正常点阵位置上取出一个原子并放到晶体表面上所需要的能量。

(6)空位迁移激活能

以空位机制为例,当移动原子达到相邻平衡位置中间时,所引起的点阵畸变最大,被称为鞍点组态,鞍点组态与正常空位组态之间的势能差称为空位迁移激活能。

(7)向错

分为楔型向错和扭型向错,剖面两岸作一刚体式的旋转时产生的线缺陷称为向错。

(8)位错核心宽度

位错两侧原子沿滑移面的相对位移量的b/4?3b/4区域来界定位错宽度,这一概念是基于这一相对位移从0到b不是突变而是渐变的。

(9)派■纳力

位错核心的错排能可随位置变化,因而引起对位错滑移的阻力,位错在翻越势垒时所要克服的阻力称为派-纳力。

2、晶体的密堆结构形式主要有哪几种结构模型?画出并计算其堆积系数及间隙半径.

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图2-17 三种典型的堆积结构

(a)六角密堆;(b)面心立方;(c)体心立方

3、以C元素为例,描述其建联结构模式,分析其构成的四类先进的材料的结构特点。

(1)金刚石结构:四配位的键联结构,每个原子有四个最近邻,且分处在以该原子为中心的正四面体的顶角的位置上。

(2)石墨结构:三配位的键联结构,原子层之间是弱的范德瓦尔斯键,层状结构中原子团由强键结合在一起并在二维上无限延伸。

(4-3)

(3) 纳米碳管:将是有明显层状结构的单个石墨片构成的六角网络卷成直径为纳米量级 的碳管。

(4) C60团族:零维体系键联结构,具有20个六边形和120个五边形构成,是系统能量 最低的

C60团族。

4、 非晶态材料与晶态材料有何本质区别?用C 曲线原理分析非晶形成的物理过程? 非晶态材料:长程无序,无平移对称性。短程有序 晶态材料:原子周期性排列,原子的

取向和位置长程有序。

当液体具有一定过冷度时,晶核才逐渐长大。如果从液相冷却下来 的速度

够快,冷却曲线将不与C 曲线的鼻尖相接触,避免了结晶过 程,形成玻璃

态。

5、 影响非晶形成的因素有哪些?制备非晶金属材料有哪些方法? 因素:

(1)过冷度(2)冷却速度(3)扩散速率(4)熔融态粘度 方法:(1)气相沉积法(2)能量泵入法(3)泼溅淬火技术

(4)熔融淬火法(5)激光玻璃化(6)溶胶-凝胶法

6、 以石英玻璃为例,画出SiO2玻璃结构的无规网络模型,分析其与二氧化硅晶体结构的

区别?

答:无规性的引入使Si —O —Si 键角可以对平均值产生 偏

离,键长也可以相应的予以伸缩,还可以沿Si —O 键来旋转

四而体的方位,但化学式保持为SiO2.二氧化 硅晶体的原子

排布与金刚石中碳原子排列方式相同, 只是每两个Si 原子相

互独立,他们之间插入一个氧原 子,并且键长键角固定,二

氧化硅晶体结构与二氧化 硅玻璃结构明显不同C

7、从热力学观点,推出并分析点缺陷平衡浓度模

型:C=2Aexp (?U/kT )在较低温度下,列举并 分析引入非平衡点缺陷的一些方法。

在一含N 个原子和〃个空位的单原子晶体中,如果忽略空位间的交互作用, 则其自由能可表为:

F(T?p) = F 0(T,p) + - T( nSf + In II) (4-1)

Q= (N + 〃)! /N! nl 为该系统的所有可能组态数。利用斯特林近似, (即当々》。时,Ina ! In a - a ),晶体自由能表式口 I 写作:

F(T") = Fo (T,/>) + 〃(上 一 SfT) + 如 T (Nhi 畚云十

(4-2)

热平衡时,满足关系3F/3〃=O,而有:

沽= c, = exp 侥)exp ( _号)=A,exp ( _ 号) 可见,任一温度下聒体中总会存在一定浓度的空位以使系统自由能降低。

填隙原子与此类似,只是由于可能的间隙位置数可以大于正常格点数, 使无序度更大,

因而式中需增加一个与此相关的数值因子Z,,使其平衡浓 度变为:

(4-4) 低温时,引入非平衡缺陷的办法有:

(1) 辐照:通过辐照使原子或离子产生电离损失,产生大量的点缺陷。

(2) 离子注入:用高能离子轰击材料将其嵌入近表面区域,注入组分离子,产生空 位和填

隙离子,注入杂质原子,则产生代位或填隙杂质。

(3)非化学配比:特定条件下,用化学的方法按照非化学配比度来得到大量的缺陷°

(4)塑性形变:产生形变的本质是晶体中位错的大量滑移,因此能产生大量空位和填隙原子。

8、从位错核心结构理论及P.N力模型,分析金属晶体、共价晶体、复杂氧化晶体的力学性质的本质

区别?

答:位错核心结构理论是指,位错宽度取决于弹性畸变能或错排能这两个相反因素的平衡作用。弹性畸变能减小,位错宽度增大,但是错排能增大,位错宽度会减小。

P—N力模型:位错核心的错排能可随位置变化,因而引起对位错渭移的阻力,位错在翻越势垒时所要克服的阻力称为P—N力。

金属晶体:无方向性,错排对位错能量影响相对较弱,所以位错较宽,P—N力较小,位错易滑移,因此具有良好的塑性和延展性.

共价晶体:强方向性,使错排能比弹性畸变能对位错宽度产生更大的影响,P—N力很大,位错宽度较窄,位错难以发生滑移,因此只有在高温时才有一定的塑性。

复杂结构氧化物晶体:由于它们点阵参数大,位错具有大柏氏矢量,P—N力很大,所以位错不易滑移,某些这种类型的晶体甚至在高温时难以滑移,塑性很差°

1、解释概念或行为

(1)小角度晶界

相邻晶粒的位向差小于10°,亚晶界均属于小角度晶界。

(2)大角度晶界

相邻晶粒的位向差大于10°,多晶体中的晶界大多为大角度晶界。

(3)共格界面

具有不同结构的两固相之间的相界以完全有序、两相完全匹配的部分称为共格界而。

(4)反相畴界:

无序有序相变时,产生许多有序核,相邻的有序核中的原子以占据无序相的同等位置或不同等位置的方式会合,使得界内分成了许多区域,相邻区域间有一非点阵平移,但仍保持共格, 只有界面处由正常的配对状态转为非正常配对状态,这种界面称为反相畴界。

(5)堆垛层错

正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷

(6)热电效应:

当受热物体中的电子(空穴),因随着温度梯度由高温区往低温区移动时,所产生电流或电荷堆积的一种现象.

(7)霍尔效应:

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电了运动方向上的作用力,从而在导体的两端产生电压差。

(8)能隙:泛指半导体或绝缘体的价带顶端至导带底端的能量差距。

(9)磁滞回线:

磁场中,铁磁体的磁感应强度B与磁场强度的的关系可用曲线来表示,当磁化磁场作周期性变化时,铁磁体中的磁感应强度B与磁场强度的关系是一条闭合线,称为磁滞回线。

(10)磁致伸缩效应:

当强磁体被磁场磁化时,它的形状和体积随之变化,称为磁致伸缩。

(11)超弹性:指物体弹性模量小,宏观变形特别大的性质。

(12)蠕变:

高温时,金属或非金属在恒定应力下,除发生瞬时形变外,还要发生缓慢而持续的形变,这种形变是随着时间的延长而逐渐增加的现象。

(13)断裂韧性:表征材料阻止裂纹扩展的能力,度量材料韧性好坏的指标°

2、若拉伸试样的横截面面积为A,拉伸载荷为P,针对超塑性变形力学方程6=Kem,试证明:截面缩

减率与A (l-1/m)成比例关系,并说明m的物理意义。

m的意义:抵抗局部变形或产生均匀变形的能力

3、由题2结果,结合蠕变或高温变形机理进一步分析材料实现超塑性微观模型及主要机制答:超塑性:在高温下某些粒度极细的金属材料中,一定条件下发现其具有非常大的延展性,即在很大的拉伸性变下也不发生缩颈和断裂现象。

实现超塑性的条件是:0.3

超塑性形变特点:材料在变形前后,晶粒基本上保持等轴,晶界滑动产生的应变在总应变中占50%~70%比例,这说明晶界滑动在超塑形变中起了主要作用,也需要晶界迁移与颈内位错相配合。蠕变的主要机制在于位错的攀移,这需要位错在晶体中的扩散,只有在高温区(T>0.4Tm)才实现°高温变形的机理:位错攀移、回复再结晶;晶界滑移;扩散蠕变。

4、金属的电阻率p随温度的变化可由下列经验公式描述:p=pO(l+a(T.TO))。从输运理论分析并

建立金属材料的这一经验模型,并解释其结构机理。进一步分析添加合金元素对金属导电性的影响。

答:在较低温度范围内(TTO),电阻随温度的升高而成线性上升。得如下经验公式:

结构机理:由多种彼此独立的散射过程产生的电阻率应等于各散射过程所产生的电阻率之和,晶体结构的不完整性和晶格振动是晶体中两类彼此独立的散射源,有/? = Q不充整性+/?晶格振动剩余电阻率由不完整性引起,不随温度改变,则Up p不充整性=/7枷+Q缺陷

经淬火的材料存在大量的缺陷,所以此时电阻率较高,若再进行退火再结晶,使缺陷大量消失,完整性提高,电阻率下降。合金元素的影响:1.加入合金元素后,因增加了材料的不完整性,所以将对剩余电阻率产生显著影响。2.合金元素的原子与金属导体的原子大小不同,从而改变了晶格参数,使得散射作用增强。3.合金原子与金属原子由于电子价不同,电子浓度有所改变,从而影响费米能,继而影响N(Ef)的值。

5、从半导体导电性质与温度的关系分析题4中的规律是否适应半导体材料,为什么?

答:不适用,半导体中有两种载流子即电子和空穴,随着温度的升高,价带中的部分电子跃迁到导带,并在价带中留下等量空穴,它们具有相反的电荷,因其导电率0 =(叩"啪, 所以载流子的浓度和迁移速率成为其重要影响因素,温度越高晶格振动越剧烈,晶格散射越强,使得载流子迁移速度降低,但是另一方面载流子的浓度随温度的升高按指数规律迅速增加,最终本征半导体的电阻率随温度的升高呈上升趋势,这与金属情况截然相反,所以上述题不适用于半导体材料。

6、软磁材料/永磁材料的磁滞回线有何区别?用磁性形成机理分析之。

答:软磁材料的磁滞回线窄,矫顽力小(He约为lA/m),磁导率与磁感应强度大,易磁化和

/ = —3 | E | Vo 将此值代入式(9-1),可得跋忘方程

(专)…5E

<9-2)

dv

假设,1 = 0时?引=0?则瞬态方程的解为

眦1■硕港)] (9-3) (9-4) 其中

(9 7)

(9-8)

去磁,因此磁滞回线呈细长状。

永磁材料的磁滞回线宽,所围的面积较大。剩磁与矫顽力大(Hc>100A/m ),因而磁化后,磁 感应强度能保持不变。

7、推导经典电导的导电率模型,分析量子导电理论与之主要区别。

力来潭于与晶格原子的用互作用(碰按)。假设电子所受阻力的大小正比于 电子的源移速度叭蝴存如下关系式

+ yv = 一 g }万 I (9-1)

M 中,为电子段

源移速度V 。和电或密度J (9-6)

」=5 =金*1 则材Ft 的电导率为 nq n> 必o 由此可知.电子浓度”意高,跑像时间邛愈长?则材料的电导率。意高°

区别:1.前者认为,在外电场的作用下,所有自由电子对电流都有贡献,而后者认为,只有 费米级附近的电子才对电流有贡献° 2.前者认为非周期性元素如晶格振动、缺陷、杂质原子 对电子的散射作用是晶体材料电阻产生的根源,而后者认为理想周期性排列的晶格对能带中 电子没有散射作用。前者认为电子流动的阻力来源于晶格原子的相互作用。

8、分别描述晶体塑性形变的几何学关系及结晶学关系,以此说明非晶材料、晶体材料的形 变差异? 答:儿何关系:塑性材料发生塑性形变时,常有与拉伸方向成45度角倾斜的倾向滑移形变 带,这种现象在高聚物、金属晶体和非金属晶体中都存在,因此它与结晶学结构无关,取决 于几何学关系。 结晶学关系:晶体发生塑性形变时与晶体结构、金属键性质密切相关,晶体的塑性形变是以 滑移的方式进行,滑移通常沿一定的结晶面和结晶方向发生,晶体能否发生滑移主要取决于 临界切应力。 非晶体材料的塑性形变只受儿何条件影响,而晶体材料的塑性变形受儿何学条件影响的同 时,还会受到结晶学条件的限制。

9、阐述材料实现超塑性的主要机制与变形模型,推断纳米材料是否容易实现超塑性。

答:机制:①位错攀移、动态回复再结晶②晶界滑移③扩散蠕变

纳米晶材料中存在大量的晶界,有助于形成晶界滑动并发生超塑性形变,因此纳米材料在室 温下也

容易实现超塑性。

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