一、材料的电子理论
1、说明自由电子近似的基本假设。在该假设下，自由电子在一维金属晶体中如何分
布？电子的波长、能量各如何分布？
自由电子近似假设：自由电子在金属内受到一个均匀势场的作用，使电子保持在金属内部，金属中的价电子是完全自由的；自由电子的状态不符合麦克斯韦-波尔兹曼统计规律，但服从费米-狄拉克的量子统计规律。分布：电子的势能在整个长度L内都一样，当0
状态满足的薛定谔方程为，在一维晶体中的解（归一化的波函数）为：（L为晶体长度）。在长度L内的金属丝中某处找到电子的几率为||2=*=，与位置x无关，即在某处找到电子的几率相等，电子在金属中呈均匀分布。自由电子的能量：(n=1、2、3……) 电子波长：λ=
近自由电子近似基本假设：点阵完整，晶体无穷大，不考虑表面效应；不考虑离子热运动对电子运动的影响；每个电子独立的在离子势场中运动，不考虑电子间的相互作用；周期势场随空间位置的变化较小，可当作微扰处理。电子在一
维周期势场中的运动薛定谔方程：，方程的解为
。自由电子近似下的E-K关系有：，为抛物线。
在近自由电子近似下，对应于许多K值，这种关系仍然成立；但对于另一些K值，能量E与这种平方关系相差许多。在某些K值，能量E发生突变，即在K=处能量E=E n|U n|不再是准连续的。近自由电子近似下有些能量是允许电子占据的，称为允带；另外一些能量范围是禁止电子占据的，称为禁带。
2、何为K空间？K空间中的（2,2,2）和（1,1,3）两点哪个代表的能级能量高？
K空间：取波数矢量K为单位矢量建立一个坐标系统，他在正交坐标系的投影分别为K x、K y、K z，这样建立的空间称为K空间。
22+22+2212+12+32，故（2,2,2）比（1,1,3）高。
3、何谓状态密度？三维晶体中自由电子的状态密度与电子能量是何种关系？
状态密度：自由电子的能级密度亦称为状态密度，即单位能量范围内所容纳的自由电子数。关系：三维，能级为E及其以下的能级状态总数为Z(E)=C，
式中C=为常数，即能级密度与E的平方根成正比；二维的Z(E)为常数；
一维的能级密度Z(E)与E的平方根成反比。
4、用公式=解释自由电子在0K和TK时的能量分布，并说明T改变时
该能量分布如何变化。
分布：当T=0K时，若E>E F，则f(E)=0，若E F，则f(E)=1。当T>0K时，一般有E F kT，当E=E F，则f(E)=；若E 5、说明的物理意义。为什么讨论电子能量分布时不考虑和E F的区别？ 为0K时的费米能，物理意义：绝对零度下，晶体中基态系统中被电子占据的最高能级的能量。，E F比略低，但由于一般E F kT， 实际降低值在10-5数量级，故可以忽略。 6、为什么温度升高，费米能反而降低？ P12 当温度升高时，因为kT增大，有更多的电子跳到E F能级以上，且电子的最高能量更高，这些电子的能量升高是金属电子热容的来源。 7、在布里渊区边界上电子的能量有何特点？ P17-18 在接近布里渊区边界时电子受周期性势场的影响显著，等能线向外凸出，比自由电子的小，在这个方向从一条等能线到另一条等能线的K增量比自由电子的大。 8、画图说明导体、半导体、绝缘体能带结构的异同。 P21 9、画出自由电子近似和近自由电子近似下的E-K曲线，并说明他们的区别，解释能 带的概念。 P15 另见第一题后部分 近自由电子近似下有些能量是允许电子占据的，称为允带；另外一些能量范围是禁止电子占据的，称为禁带。 二、材料的晶体形态 1、什么是点阵参数(晶格常数)？正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么？ 晶胞的三个棱边长abc和晶轴xyz间的夹角αβγ。正方晶系：a=b≠c，α=β=γ=90°（如β-Sn，Ti2O）立方晶系：a=b=c，α=β=γ=90°（如Fe，Cr，Cu，Ag，Au） 2、三种典型晶胞，符号，原子数，配位数，致密度。 面心立方：fcc,4,12,74%。体心立方：bcc,2,8,68%。密排六方：hcp,6,12,74%。3、从非晶体和晶体的X射线衍射特征的区别解释其结构的区别。（自己组织语言） 大体内容：晶体的X射线衍射强度在特定角度出现数个尖锐的衍射峰，即在满足布拉格条件2dsinθ=λ的角度有强衍射峰。非晶体不会在特定角度产生满足布拉格条件的衍射峰，产生的衍射峰较宽，且其衍射强度比晶体的最强衍射峰弱得多。从X 射线衍射区别可见晶体是长程有序结构，而非晶体是长程无序、短程有序结构。4、简述薄膜形核的过程和长大的过程。（自己组织语言） 形核：一般是气相原子在基底的表面聚集而成，包括吸附、凝结、临界核形成、稳定核形成等过程。入射到基体表面的气相原子被悬挂键吸引住，发生物理吸附或化学吸附，表面能降低，吸附后的原子仍可发生解吸。吸附的原子不能在基底表面稳定存在，自发形成固态的薄膜。吸附后的原子在基体表面具有水平方向的动能，使其在不同方向上进行扩散，单个原子间通过相互碰撞，凝结成原子对和更大的原子团。在满足一定热力学条件下，先生成临界核，在此基础上加一个原子就可变为稳定核。长大：指形成稳定核后薄膜的形成过程，一般经历岛状、连并、沟道、连续膜四个阶段。分散在基底表面的大量晶核长大，直至相互接触并逐渐布满整个基底表面形成连续薄膜。 5、为何从球冠形晶核模型推导出的临界晶核半径与实际偏差很大？更符合实际的模 型是什么样的？（自己组织语言） 原因：薄膜实际形核时临界核很小，不能形成球冠的形状，宏观的表面能、界面能、体积自由能的统计数据在此处不再有意义。模型：原子聚集理论。把原子团看成宏观分子，研究原子团内的键合和结合能与临界核形状、大小和成核速率的关 系。可以认为在基板温度很低时，单个原子就是临界核，随基板温度的升高，临界核逐渐增大，在临界核基础上原子团再加一个原子就可变为稳定核。假设原子结合到原子集团后其势能降低，降低值就是其在原子集团中的键能，基于该假设，可推到出二维或三维原子集团的形核速率。此模型在许多实验条件下都适用。 6、什么叫临界晶核？长大和缩小均使体系自由能降低的晶核称为临界核。 长大时使体系的自由能降低的晶核称为稳定核。 7、薄膜的组织（晶态）结构有几种形态？各有什么特点？ 晶态结构有无定形、多晶、织构、单晶等几种形态。 无定形（非晶态）：降低基体温度可降低吸附原子的表面扩散速率，有利于形成非晶态；提高沉积速率使表面吸附原子来不及充分扩散排成晶体，也有利于形成非晶态； 引入反应气体可生成氧化层，阻挡晶粒生长；加入掺杂元素使原子排列易发生混乱，有利于形成非晶。多晶：取向不同的多个小晶体形成的晶体；晶粒通常是取向随机；多晶材料可表现出伪各向同性；出现一些亚稳态相结构。织构：晶粒取向非随机，择优取向。单晶：晶体结构和取向一致。 8、薄膜的晶态结构与体材料有区别吗？如果有，是怎样的区别？ 多数情况下薄膜中晶粒的晶体结构与体材料相同，但其晶格常数有变化。晶格常数变化原因是薄膜中有较大的内应力和表面张力。晶粒越小，点阵常数变化越大。由于微晶熔点总比块材低，因此薄膜熔点一般也比块材低。 9、薄膜表面（晶粒）结构与温度关系。 在低温下，吸附原子的扩散速度低，成核少，少量晶核纵向生长，易长成锥状晶粒，结构不致密；温度升高，晶界变模糊，形成密排的致密纤维状晶粒结构，机械性能良好；温度再升高，形成完全致密的柱状晶；温度再升高，柱状晶粒长大并形成等轴晶，在不同厚度的薄膜上还形成新的晶体，不同厚度上有数层晶粒。 三、晶体缺陷 1、说明晶体缺陷的概念和分类方法，简述各种晶体缺陷的概念、特征及其对性能 的影响。概念：晶体缺陷是指晶体中偏离理想的完整结构的区域。 分类方法：按形成晶体缺陷的原子种类，可将晶体缺陷分成化学缺陷和点阵(几何)缺陷两类。按点阵缺陷在三维空间的尺度，又可将点阵缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。 A、点缺陷：是指在x、y、z方向上的尺寸都很小的点阵缺陷，包括空位和间隙原子。 特点：点缺陷是热力学平衡缺陷，即在平衡状态下也总以一定的浓度存在。 影响：（1）空位浓度升高，导体的电阻升高。（2）空位引起体积增加、密度减小。 （3）辐照损伤，即用电子、中字、质子、α粒子等高能粒子照射材料，在材料中导入大量空位和间隙原子，引起材料损伤。 B、线缺陷：线缺陷是指在两个方向上尺寸都很小，另一个方向相对很长的点缺陷，也 叫一维缺陷，如位错。 特点：不论是何种位错，位错的滑移方向都是为错的法线方向。 影响：（1）位错的密度降低，位错数量减少，材料的屈服强度将降低。（2）由于位错附近自由能升高，位错消失可以导致自由能降低，因此位错附近可发生优先腐蚀。 （3）由于位错引起的局部点阵畸变也能引起传导电子的额外散射，也可能引起电阻升高。（4）位错导致扩散加速。 C、面缺陷：面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，另一方向上尺寸很小的点缺，也叫二 维缺陷。 特点：不论是何种位错，位错的滑移方向都是位错的法线方向，滑移的结果都是在晶体表面形成宽度为b的台阶。 影响：（1）堆垛层错使材料的自由能有些增加，但本身几乎不产生畸变，对材料的性能影响不大。（2）外表面对材料性能的影响在于很难获得清洁的表面。（3）相界面是新相的形核的优先位置，相界面常常是最优先腐蚀的位置。对普通材料而言，它会使材料的强度增加，原因是它增大了位错运动的阻力。 2、空位形成浓度依据什么原理测定？用什么方法测定？ 原理：由C V=exp（+）=Aexp可知，只要测出不同温度下得lnC V-曲线，就可以得到空位形成能E f(曲线斜率)。 方法：（1）西蒙斯—巴卢菲法；（2）正电子湮没法；（3）急冷试验。 3、点缺陷对性能有什么影响？ （1）空位浓度升高，导体的电阻升高。（2）空位引起体积增加、密度减小。（3）辐照损伤，即用电子、中字、质子、α粒子等高能粒子照射材料，在材料中导入大量空位和间隙原子，引起材料损伤。 4、比较刃型位错、螺型位错、和混合型位错的滑移异同。 相同点：不论是何种位错，位错的滑移方向都是位错的法线方向，滑移的结果都是在晶体表面形成宽度为b的台阶。 不同点：（1）刃型位错的柏氏矢量总是和位错线垂直；（2）螺型位错的柏氏模量总是和位错线平行的；（3）混合型位错的柏氏模量与位错线既不垂直也不平行。 5、小角度晶界和大角度晶界是如何划分的？为什么要那样划分？其晶界能有何不 同？一般将相邻晶粒的取向差θ＜15°的晶界称为小角度晶界，相邻晶粒的取向差θ＞15°的晶界称为大角度晶界。 原因：无论何种小角度晶界都可以看成一系列位错有规则排列构成的位错墙，而且对各种类型的小角度晶界都可以推导出位错的间隔：D=f(θ) 随取向差θ得增大而减小。若θ≥15°，可估算出D≤4b，位错密度过大，间距小到与位错畸变的核心区大小相当，晶界位错型不再适用。 区别：小角度晶界可用位错模型描述，而大角度晶界不能；小角度晶界的晶界能与取向差有关，而大角度晶界则相反。 6、已知柏氏模量b=0.25nm,如果对称侧晶界的取向差=1°及10°，求晶界上位错 之间的距离。从计算结果可得到什么结论？ 假设b=0.25nm,则当θ=1°时，可计算出D=14nm，约为52个原子间距。如果θ=10°，可计算出D=1.4nm，约为5个原子间距，计算出的位错密度太大，说明晶界位错墙模型已经不再适用。 7、晶体中的晶界有何共性？它对材料性能有何影响？ 共性：由于晶界上的原子排列是畸变的，因而晶界处自由能升高 影响：（1）由于晶界处自由能高，晶界消失会导致自由能降低，晶界处容易发生优先腐蚀。（2）由于晶界处原子排列混乱，晶界处的扩散比晶粒内部要容易的多。（3）晶界在常温下会阻碍位错的运动，因而提高强度。（4）在高温下晶界可发生相对滑动，促进材料的塑性变形。 8、试比较弗伦克尔和肖特基缺陷的特点。 弗兰克尔缺陷，其形成是由于点阵中某原子迁移到晶体内的其他位置，在形成空位的同时形成一个间隙原子。肖脱基缺陷的形成是由于点阵中某原子迁移至表面、晶界等处形成空位。比较可知，在弗兰克尔缺陷中，空位和间隙原子时成对出现的，而在肖脱基缺陷中只出现空位。 四、材料的固态相变 1、一级相变、二级相变各有什么特点？ 一级相变是新旧相的化学位相等，但其一阶偏导不相等的相变。一级相变前后熵和体积都呈现不连续变化，相变时有相变潜热和体积突变。 二级相变是新旧相的化学位和其一阶偏导都相等，但二阶偏导不相等的相变。二级相变没有熵变和体积变化。二级相变的热容、压缩系数、膨胀系数和热膨胀系数是不连续变化的。 从相图上看一级相变和二级相变也有不同的几何规律。一级相变只有在相图的极大点和极小点处两平衡相的成分才相同，在其他地方两平衡相由两相区隔开。而二级相变两平衡相区之间只有一个单线隔开，即两平衡相的浓度在任何温度下都相等。 2、说明固态相变的一般特征，并分析固态相变的阻力。 一般特征：1）相界面。相变过程中母相和新相之间，不同新相之间都有相界面。2）位相关系。相变后新旧两相晶体之间往往存在一定的位相关系以降低表面能。3）惯习面。固态相变时，新相往往在母相的一定的结晶面上开始形成，这个晶面称为惯习面。4）应变能。与固相在流体中形成不同，固态相变的新相在固态的母相中产生，新相与母相的比容不同，所以新相生成后发生的体积的膨胀或收缩必然受到周围母相的约束，不能自由膨胀而产生应变，使系统额外增加了应变能。 分析固态相变的阻力：固态相变的阻力除了新旧相界面的界面能外，还有应变能。 应变能使相变阻力增大，使固态相变的发生需要更大的驱动力，相变需要很大的过冷（热）度。 3、简述固态相变和液态相变的相同点和不同点。 没找到答案，个人觉得不同点可根据上一题固态相变的特征做针对的回答。例如一个有相界面产生另一个则没有。 4、试述无扩散性相变（马氏体转变）有何特点。 1）切变共格和表面浮凸2）具有一定位相关系和惯习面3）无扩散性4）有大量的晶体缺陷5）可逆性6）不完全性 5、说明界面能和弹性应变能对第二相形状的影响。如果新旧相之间的界面为共格、半 共格、非共格界面，新相易于生成什么形状？ 当一定体积的新相生成时，其总界面能和应变能都与新相的形状有关。由于新相生成的阻力越小，在热力学上越有利于生成，所以新相的形状与应变能和界面能的对比值有关。球状粒子引起的应变能最大，针状次之，盘状粒子引起的应变能最小。 当应变能和界面能相比相对较小时，尽量减少表面积可有效降低相变总阻力，此时新相容易呈球状；而应变能与界面能相比相对较大时，减少新相的厚度有利于降低相变总阻力，此时新相容易呈针状或盘状。共格界面的界面能小，所以如果新相与母相之间形成共格界面，新相容易呈针状或盘状；如果新相与母相之间形成非共格界面，则新相容易呈球状。 6、同素异构（多晶形性）转变的生核部位一般发生在什么地方？为什么？ 多晶形性转变晶核一般是在母相的境界上形成。 原因：1）晶界处有晶界能，新相在晶界上形核吞噬母相的晶界使体系自由能降低，可提供体积自由能差以外的能量作为相变驱动力，补偿晶胚形成稳定晶核之前体积自由能差的不足，促进晶核形成。2）晶界处的原子排列不规则，称为结构起伏。 结构起伏使母相的晶界处可能有局部的原子排列具有新相的排列规则，从结构上有利于新相的形成。 7、马氏体相变具有什么特征？它和一般的成核生长机理有什么不同？ 特征同第2问。按马氏体的形核长大方式，将马氏体转变动力学分为三类：1）变温生核，恒温瞬时长大2）变温生核，变温长大3）等温马氏体 8、马氏体组织有哪几种基本类型？ 主要有板状马氏体和片状马氏体，还有蝶状、薄片状等形态。 9、比较Bain模型、K-S模型、G-T模型在描述描述马氏体转变机制的成功和不足之处。 Bain模型成功的解释了马氏体转变的点阵变化和母相、新相的位相关系。但该模型不能解释宏观切变和惯习面位不畸变面的现象。 K-S模型不仅能够解释点阵结构的变化和K-S位相关系，还能够解释浮凸的产生。但按这一模型计算出的浮凸大小与实测值相差很大。另外按此模型惯习面应为（111） γ,这不能解释一些合金中观察到的（225）γ和（259）γ的惯习面。 G-T模型可比较圆满的解释马氏体转变的表面浮凸、惯习面、位向关系、亚结构等现象，但不能解释惯习面为不畸变面。 10、叙述热弹性马氏体和非热弹性马氏体在相界面、长大方式、逆转变等方面的区别。 相界面：热弹性马氏体相变后，马氏体并未长到极限尺寸，新旧相仅发生弹性形变，晶界共格未发生破坏，新相与母相适中保持共格关系。非热弹性马氏体由于瞬间长大至极限尺寸，使母相发生塑性形变而破坏母相界面共格。 长大方式：热弹性马氏体爆发形核并迅速长到一定的大小，但并不长至极限尺寸。 非热弹性马氏体变温爆发形核、恒温瞬时长大，长大速率极快，迅速长到极限尺寸。 逆转变：热弹性马氏体的马氏体转变及其逆转变只是马氏体长大和缩小，没有重新形核的过程，因此逆转变不仅恢复了母相的晶格结构，还恢复了原来母相的位相。 非热弹性马氏体由于马氏体和母相奥氏体界面的共格关系已经遭到破坏，奥氏体只能在马氏体中重新形核，因此逆转变后新生成的奥氏体原来奥氏体的位向。 11、简要说明上贝氏体和下贝氏体的形态和亚结构。 上贝氏体在光学显微镜下的典型特征为羽毛状。上贝氏体的羽毛是由铁素体和渗碳体两相组成，成束的、大致平行的铁素体板条自奥氏体晶界一侧或两侧向奥氏体晶粒内部长大，渗碳体呈杆状分布于铁素体板条间，沿铁素体板条的长轴方向排列成行，但不能像在珠光体内那样连续成片状。显微镜下看到的上贝氏体中的铁素体多为条状或针状，少数为椭圆状或矩形，其立体形状应为板条状，所见到的形状不过是板条的不同截面。铁素体中有高密度的位错。 下贝氏体在光学显微镜下的典型特征是针状。下贝氏体是一种两相组织，由铁素体和碳化物组成，下贝氏体的立体形状与片状马氏体类似，也是片状的，观察到的针状为其截面的形状。下贝氏体晶核大多在奥氏体的晶界形成，也有相当多的奥氏体晶粒内部形成。下贝氏体片平行的情况很少，绝大多数相邻的下贝氏体之间有一定的交角。下贝氏体中的碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，与下贝氏体的长轴呈 55°-60°，并且仅分布在铁素体内部而不出现在铁素体之间。下贝氏体的铁素体也有位错纠缠存在，其位错密度比上贝氏体的铁素体中更高。 12、贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态方面有何特点？ 类型：上贝氏体和下贝氏体。形成条件：上贝氏体出现的温度比下贝氏体高，所以又称高温贝氏体。下贝氏体出现的温度比上贝氏体低，所以又称低温贝氏体。 组织形态：参考上一问。 13、画图说明玻璃化温度的意义，为什么这一温度不易测定？实际上它是如何规定的？ 1）玻璃化温度：图见P104.过冷液体冷却到某一温度T g，曲线斜率变化，即热膨胀系数变化，表明生成另一种结构，即非晶态晶体。温度T g称为玻璃化温度。 2）为什么不以测定：虽然玻璃化温度的物理意义是明确的，但在技术上是不容易确定的。虽然在体积—温度曲线上过冷液体和非晶态固体的斜率是不同的，但二者之间的分界并不明显，而有一过渡区，因此T g有一范围。而T g随冷却速率变化而变化的。 3）实际上如何规定：一般规定T g为黏度超过1012Pa·s的温度。 14、说明合金获得非晶态的条件和方法。 条件：1）改变外部条件。提高冷却速率，使之超过非晶态形成的临界冷速。2）改变内部条件。通过改变合金成分来降低其非晶形形成的临界冷速。 方法：1）改变外部条件。目前常用的超快速冷却方法有离心急冷法和轧制急冷法等。2）改变内部条件。通过改变合金成分可以降低T m或提高T g。从共晶相图的特点可知，共晶成分的合金具有最低的熔点，所以非晶态合金一般具有接近共晶的成分。通过合适的成分匹配，还可以增大液态合金的黏度，从而提高T g。3）其他方法。通过机械合金化，如球磨等方法通过冲击使原子扩散重排，形成非晶态金属。 气象沉积法。 五、材料的固态扩散 1、表述扩散第一定律，写出数学表达式，并说明各符号的意义。 表述：在稳态扩散条件下，扩散通量与截面处的体积浓度成正比，扩散方向与浓度梯度的方向相反。 表达式及意义：设扩散是沿着x轴方向进行，则扩散第一定律的表达式为：J=-D(dC/dx) 式中，J为扩散通量；比例系数D称为扩散系数，C为体积浓度。负号表示扩散方向从高浓度到低浓度。 2、给出无限长棒扩散偶的初始条件和边界条件，用通解C=解出 C(x,t) ,并以之说明扩散偶焊接面的浓度C(0,t) 有何规律？ P111 用erf(β)=2/π0.5∫0βe-β。β通解C=A.π0.5/2 erf[x/2(Dt)0.5]+B解得：C(x,t)= 3、给出渗碳过程的初始条件和边界条件，用通解C=解出C(x,t) 。P112 由通解C=解得： B=(C1+C2)/2 ,A=(C1-C2)/π0.5，所以扩 散偶的通解为:C(x,t)= (C1-C2)/2 exf( x/2(Dt)0.5 )+ (C1+C2)/2 4、为什么置换扩散的机制不是直接换位和环形换位？ （1）当两个原子直接换位的回旋余地太小，且当两个原子跳动过程中达到与原来位置垂直的位置时的能垒极高，计算得到的扩散激活能太大，难以实现，结果与实验值不符。（2）环形机制换位的结果必然使通过垂直与扩散方向的流入和流出的原子数目相等，不会产生柯肯达尔效应。 5、为什么晶界扩散速度一般比体扩散快？这一规律在什么情况下才成立？ 原因：晶界上的原子排列不规则，原子的自由能较高，由于晶界能得存在，统计上单位体积的自由能也比晶内高，且晶界上局部原子排列稀疏，所以晶界上原子跳动频率大，扩散激活能小，使其扩散系数大。 情况：上述结论只适用于纯金属和置换固溶体。对于间隙固溶体，由于溶质原子的尺寸较小，易于扩散，故晶界与晶内的扩散系数差别不太显著。 6、简述温度、固溶体类型、晶体结构、晶体学各向异性、浓度、晶体缺陷、第三 元对扩散系数的影响及其原因。 (1)温度升高，原子的自由能升高，在平衡位置附近的振动加剧，易于从一个平 衡位置跳动到另一平衡位置，导致扩散系数增大。 (2)间隙固溶体的扩散激活能小，所以扩散系数较大；而置换固溶体的扩散激活 能中包含空位形成能，扩散激活能较大，所以扩散系数较小。 (3)有些材料有多晶形性转变，晶体结构改变后扩散系数D也明显改变；另一方 面，不同的溶剂对溶质的溶解度不同，形成的浓度梯度不同，也会影响扩散； (4)晶体学的各向异性也会影响扩散。点阵对称性较差的晶体，其各个晶体学方 向的扩散系数是有差别的。 (5)无论是置换固溶体还是间隙固溶体，其溶质原子的扩散系数都是随浓度的改 变而改变的。如C在α-Fe中和C在γ-Fe中的扩散，含C量升高，扩散系数增大，在含C量较高时这种影响更明显。 (6)一般来说，晶体缺陷处是自由能较高的部位，原子通过缺陷进行扩散的激活 能较低，所以晶体缺陷均可促进扩散。 (7)如果第三元不均匀分布，则不仅影响扩散速度，还可能影响扩散方向。 7、C在α-Fe中的扩散系数大还是在γ-Fe中的扩散系数大？渗碳是在α-Fe中进行还 是在γ-Fe 中进行？ C在α-Fe中的溶解度是0.0218％（质量分数），C在γ-Fe中的溶解度是2.11％（质量分数）。虽然温度相同时 C在α-Fe中的扩散系数也比γ-Fe中的高得多，但渗碳总是在γ-Fe中进行。 8、以知1100℃和1300℃时镓在硅中的扩散系数分别为8×10-17㎡/s和1×10-14㎡/s ， 求该扩散的扩散常数和扩散激活能。 扩散系数与温度和扩散激活能有关，表示为： D=D0exp(-Q/RT) 式中，D为扩散系数，D0为扩散常数，R为气体常数，Q为扩散激活能，T为温度。列两个等式，解出两个未知数D0和Q 。 第六章材料的电子理论 3、叙述马西森定律的内容并说明为什么电阻分为与温度有关和无关的两项。（p125） 电阻率：,对理想晶体，由于只有声子散射电子，所以电子的平均自由程lF由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范围有不 同的规律。可以推导，在温度T>的高温，有：。式中为德拜温度，即具有原子间距的波长的声子被激发的温度。在T<<的低温，有： 而在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱，电子-电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：。可见，尽管规律不同，但是理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高的。定义m=为散射系数，则有：。由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材料散射系数可表示为：。式中，代表声子引起的电子散射，与温度有关；Δμ代表杂质和缺陷引起的电子激射，只与其浓度有关，与温度无关。所以电阻率可以表示为：。即电阻率分为与温度有关的部分ρ(T)和与温度无关的部分ρ0。该规律称为马西森定律。 4、说明霍尔效应的现象、原因及其应用。 将导体和半导体放置在磁场中通以垂直于磁场的电流，则导体和半导体内将产生一个与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应。原因是半导体和导体的载流子是电子，在磁场中产生洛伦兹力，在半导体和导体中产生偏移，从而在两端产生电场。利用霍尔效应可以制成磁强计，霍尔元件，用来制作非接触开关和传感器等。 5、举出电导功能材料的三个实例。 广义的电导功能材料包括导电材料、电阻材料、电触点材料以及电阻元件和电阻器、超导材料等。 6、画图说明超导的临界磁场强度的概念以及在不同的磁场强度下超导状态的变化。 （p141） 7、说明BCS理论的基本观点及其成功和局限。 BCS理论用库帕对解释了超导现象，当大量自由电子形成库帕对降低体系总能量时超导超导态是稳定态。由于电子式通过吸收和发射声子形成库帕对的，声子的平均能量大约是kθD,所以与费米能相差小于kθ D 的电子形成库帕对，所说的“费米能附近”就是这个含义。从理论和实验结果都可以得到一定温度下库帕对形成引起的单位体积材料的总能量降低值，将其称为凝聚能密度。可以证明在T=T C时凝聚能密度增大，凝聚到超导态的电子数增加，在绝对零度费米面附近的电子全部形成库帕对。这就解释了超导相变的原因，并可计算超导临界温度。BCS理论对零电阻效应的解释如下。正常传导的电阻来源于载流子受到散射面损失了能量，要维持稳恒电流就需要外电场做功。但同时晶格却从散射过程中获得了能量，即焦耳热。在超导态下，组成库帕对的电子也不断的被散射，但这种散射不影响库帕对的质心动量，只是使库帕对得以维持。所以电流通过超导体时库帕对的定向匀速运动不受阻碍，电子的能量无损失，也就是没有电阻。改变库帕对质心动量的散射才会呈现电阻，这种散射是一种拆散库帕对的散射。拆散库帕对需要能量，在电流密度低时无法提供拆对的能量，所以能改变库帕对总能量的散射被完全制止。换句话说，和正常态导体中自由电子不同的是，超导态库帕对电子受到声子散射后又同时吸收了同样的声子，电子能量无损失，不需要外电场做功补偿能量和动量，所以没有电阻。BCS 理论几乎解释了当时发现的所有超导现象，因此获得了广泛认可，但是目前的理论根本不能预测Tc极限，对更高温度的超导材料的开发缺乏理论的指导。 7、举例说明超导现象的应用及其应用中的问题。（p145） 超导的应用基于超导的零电阻性，完全抗磁性和约瑟夫效应。目前应用最多的超导 元件是约瑟夫森器件，利用其对磁通极度敏感的特性制成超导量子干涉器件可探测微弱的电磁信号。强电超导材料目前主要用于产生强磁场，利用该磁场可以实现磁悬浮，但是目前还达不到商业上的应用。还可以制造超导发电机，但无工业规模的应用。超导大规模的应用主要障碍在于Tc低，超导器件必须在低温下才能运行，同时还受制于临近电流密度和临近磁场强度的限制。 8、说明热电势的概念及其产生的原因。 如果导体和半导体两端有温差，则这两端存在电势差，这一电势差成为热电势。原因：这里假设多数载流子是电子，处于高温的热端的电子能量高，而处于低温的冷端的电子能量低，所以电子自发的向能量低的冷端移动，形成冷端为负，热端为正的电场，即在热端和冷端之间形成了电势差。流向冷端的电子数越多，热电势越大。 但电场的形成抑制电子进一步向冷端流动，促使电子向热端流动。最终电子向热端的移动和向冷端的移动建立了平衡，平衡时热端和冷端之间有一定的热电势。 10、说明塞贝克效应的现象并举出其应用的实例。可否用该效应发电？ 两种不同的导体组成回路时，若两接触处温度不同时，则回路中有电势，这一现象就称为塞贝克效应。塞贝克效应主要应用于测温。可以用来进行温差发电，但是这种方法的效率低且成本高，未得到广泛应用。 11、说明珀耳帖效应的现象及其与焦耳热的区别，并举出其应用实例。 将不同的导体组成回路并通以电流时，在导体的两接头处，一端吸热，一端放热，出现温差。这就是珀耳帖效应。焦耳热是向环境放热，而珀耳帖热是在导体或半导体内部各部分之间形成温差。珀耳帖效应常被用来制成热电制冷元件。 12、说明极性分子电介质和非极性分子电介质的概念及其极化机理的不同。P152 七、材料的磁学性能 2、理解表征材料磁性的常用参数的概念，意义及他们之间的关系。 通过运动电荷在磁场中的所受的力可表征磁场的强弱。定义磁场中一点的磁感应强度B=F max/(qv)，采用国际单位制，F的单位为N；q的单位为库伦；v的单位为m/s。 如果真空磁感应强度为B0，则磁场的强度H可由下式确定：B0=μ0H；式中μ0为真空磁导率。H只表征传导电流的磁场特征，与磁介质无关。 将材料放入磁场强度为H的自由空间，则材料中的磁感应强度B=μH；式中μ为材料的磁导率 磁感应强度还可以表示为B=B0+B’=μ0H+μ0M=μ0（H+M）；式中M称为材料的磁化强度，其物理意义为材料在外磁场中被磁化的程度。磁化强度用单位体积内的磁矩多少来衡量，即：M=m/V；m为其中磁矩的矢量和。 外磁场强度H增大，则材料的磁化强度增大，其关系为：M=хH；式中х称为材料的磁化率，即单位磁场强度可引起的材料的磁化强度，无量纲量。 相对磁导率μr=μ/μ0；无量纲量。 B=μH=μ0H+μ0M=μ0H+μ0ХH=μ0（1+х）H 所以х=（μ/μ0）-1=μr-1 3、理解根据磁化率对材料所分的五类及其特征。 抗磁体：χ<0且绝对值很小，一般在-10-5-10-6数量级，这种材料称为抗磁体。即抗磁体在外磁场中磁化形成的磁感应强度方向与外磁场方向相反，且磁化程度很小。 顺磁体：χ>0且绝对值很小，一般在10-6-10-2数量级，这种材料称为顺磁体。即顺 磁体在外磁场中磁化形成的磁感应强度方向与外磁场方向相同，且磁化程度很小。 顺磁体的另一个特征是其磁化率χ与热力学温度成反比。另一些特殊的顺磁体的χ与温度无关。 铁磁体：χ>0且绝对值很大，可达到106数量级，且与外磁场呈非线性关系，这种材料称为铁磁体。铁磁体在外磁场中磁化形成的磁感应强度方向与外磁场方向相同，且磁化强度很大。铁磁体在高温下不能存在，高过居里温度时变为顺磁体。 亚铁磁体：χ>0且绝对值很大，可达到10数量级，且与外磁场呈非线性关系，即磁化行为与铁磁体类似，但磁化率小些，这种材料称为亚铁磁体。电阻大，产生的涡流损耗小，适于制作电导率低的磁性材料。 反铁磁体：χ>0且绝对值很小，可达到10-3数量级，这种材料与顺磁体磁化行为的区别在于低温下其磁化率随温度升高而增大。其磁化机理与顺磁体不同，称为反铁磁体。当温度高于奈尔点时反铁磁体变为顺磁体。 4、简要阐述电子轨道磁矩和自旋磁矩的来源和大小。 将电子绕核的运动考虑成环形电流，设轨道半径为r，电子电量e，质量m，运动角速度ω，轨道角动量为L l，则轨道电流强度：I=dq/dt=e/(2π/ω)=eω/（2π）电子轨道磁矩：m e=IS= eωπr2/（2π）=mωr2=rmv=L l。自旋磁矩m s取决于自 旋量子数s，s=0.5，则：m s=（）μB=μB 13、简述硬磁材料、软磁材料的性能要求及其常用的体系。 要求：（1）硬磁材料要求有较大的剩磁Mr(和Br)和高的矫顽力Hc ，一般要求其Hc＞104A/m .此外，还要求硬磁材料有大的磁能积最大值（BH）m,这一指标的含义为退磁时BH的乘积的最大值，可反映出材料磁化后向周围空间产生磁场的能力。（2）软磁性材料要求有较大的磁导率μ，使之在一定的磁场下可产生很大的磁感应强度； 有小的矫顽力Hc，使其磁化在外磁场去掉后立即消失。一般要求其矫顽力Hc＜100A/m。还要求其磁化的能量损耗小。 常用体系：（1）硬磁性材料用于为扬声器、耳机、话筒、小电动机、冰箱封条等多种机电和生活用品提供稳定的磁场。（2）硬磁性材料很容易被磁化，也很容易退磁，用于电磁铁极头、发电机、电动机、变压器、继电器的铁芯等场合。 12、简述磁畴的概念、成因和畴壁厚度的影响因素。 概念：相邻原子中的的电子自旋磁矩自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化区。 成因：降低磁体的总能量。影响因素：畴壁越厚，交换能越小；但畴壁越厚，磁矩偏离易磁化方向的原子越多，磁晶各向异性能Ek越大。平衡的畴壁厚度δ0是由这两种能量共同决定的。 11、简述磁性材料的磁化过程和磁滞回线的概念。 磁滞回线的概念：外磁场强度H从Hm变到-Hm再变到Hm，磁化曲线形成封闭环，这一封闭环称为磁滞回线。 9、简述反磁性和亚磁性的来源。 反磁性：反磁体的电子自旋反向平行排列，不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁体的任何自发磁现象。亚磁性：亚磁体中有两种不同的原子磁矩，反向平行排列的原子磁矩不能相互抵消，因此具有明显的自发磁化强度。 第八章材料的热学性质 2、推导杜隆－珀替定律并说明其适用范围。 由于固体中原子具有三个自由度，其平均动能为3kT/2.固体中振动的原子的动能与势能周期性变化，其平均动能和平均势能相等，所以一个原子平均能量为平均动能的2倍，即3Kt.所以1mol固体的能量：E=3KTN0=3RT.式中N0为阿伏伽德罗常数，R 为气体常数。所以固体摩尔热容：Cmv=dE/dT=3R=24.9J/(K.mol)，即固体的摩尔热容为常数3R。即杜隆－珀替定律。适用于高温情况下。 3、简述经典热容模型、爱因斯坦热容模型和德拜热容模型的基本假设、结果、适用范 围的区别和联系。 经典热容模型是假设材料的热容是一个与温度无关的常数，结果是固体的摩尔热容为常数3R，适用于高温环境下。 爱因斯坦热容模型的假设：晶体中所有原子都以相同的角频率振动，且各振动相互独立，晶格热振动的摩尔热容是，高温时T>>0很 大，，所以≈1，则；在温度很低时T，， 所以，可见T时有。 德拜热容模型的基本假设:晶体是各向同性连续介质，晶格振动具有从0—ωm的角频率分布，则对具有N个原子的晶体有3N个自由度，即有3N个谐振子在振动。晶 体热容C V=，当N=N0时，得摩尔热容： 。高温时很大，，所以 ，，温度很低时，，则有 ,。 4、在不同温度下金属的热容各由什么构成？有何特点？（p188） 5、固溶体、化合物、复相材料的热容与其组份各有何种关系？ 对固溶体或化合物有合金的热容：C=∑n i C i,式中n i为第i组元的原子分数，C i是其原子热容。复相材料：C=∑g i C i,式中g i和C i分别是第i相的重量分数和比热容。 6、材料的导热有几种机制？简述对不同材料和温度何种机制起主要作用？ 材料的导热主要靠电子和声子进行，高温时还有光子的参与。纯金属的主要导热机制为电子导热，但对于电导率较低，温度较低时还有考虑声子的影响。陶瓷的主要导热机制为声子导热，高温时有光子导热。高分子材料的主要导热机制是通过分子与分子碰撞的声子热传导。 7、金属、陶瓷、高分子材料的导热各有何特点？为什么？ 8、金属的电导率和热导率有何关系？该关系在什么条件下适用？ Kt/σ=LT,式中σ为电导率，kt为导热率，T为热力学温度，L为比例系数。这是在不考虑声子导热的情况下成立。若考虑声子导热，则。 9、固溶体的热导率与其组份有何关系？复相材料呢？ 由于异类原子附加的散射作用，固溶体的热导率随浓度增高而减小。复相材料热导 率：。 10、用公式说明多孔材料作隔热材料的原因。 若将固体看成连续相，气体看成分散相，则由于气体热导率k d≈0，θ，当气孔率V d不大时，可简化成K t≈k c(1-V d)。即气孔增多，热导率降低11、材料的线膨胀系数和体膨胀系数有何关系？试推导之。 若各晶轴方向的平均线膨胀系数分别为、、，则有 ，因为、、都是小量，乘积项可忽略，即，体膨胀系数约为各晶轴方向线膨胀系数的和。 12、简述材料热膨胀的微观机理。 随着原子间距的增大，原子间的引力和斥力都减小，但其减小的快慢不同。在某一距离r0，引力和斥力达到平衡，这一距离的合力为0，对应着最低的总势能。不考虑晶格振动，则r0是原子间的平衡，与温度无关。然而，由于原子间的作用力和势能的非线性，r< r0时斥力和斥力能增大快，r> r0时引力和引力能增大慢，所以晶格振动到原子相互靠近方向时的振幅小，晶格振动到原子相互远离时的振幅大，考虑晶格振动，原子的平均距离> r0温度升高，晶格振动向两个方向的振幅都增大，其宏观表现就是热膨胀。 13、热膨胀系数与热容有何关系？为什么？推导出 格律乃森从晶格振动理论推出：。 14、简述固溶体和多相材料的热膨胀系数与其组份的关系。 固溶体的热膨胀系数一般介于组员的热膨胀系数之间，但并不是组员的热膨胀系数的简单加和，一般比直线规律低。多相材料组成相的热膨胀系数不同，总的热膨胀系数随组成相的含量有不同的变化。对复相合金，当组成相的弹性模量较接近时，合金的热膨胀系数：。式中，、分别是组成相1、2的体积分数，、分别是组成相1、2的热膨胀系数。如果组成相的弹性模量E相差较大，则有：。 九、料的力学性质 2、写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义： ε应变、σb 抗拉强度、σ0.2 0.2塑性变形时的强度、σs 屈服强度、σe 弹性极限、σm 原子间最大作用力、ψ断面收缩率（截面收缩率）、δ延伸率（拉断后工作部分长度的相对伸长量）、τ扭转强度、E正弹性模量、K Ic平面应变断裂韧性、a K 冲击韧性 3、说明Hook定律的意义及其不同表达式以及不同弹性模量的关系。 应力与应变成正比。E=σ/ε,G=τ/γ,B=P/(ΔV/V)。 E=2G(1+ν)=3B(1-2ν) 4、什么是变形，主要方式有哪些？弹性和塑性 5、塑性指标主要通过什么方法测得？工程上常用表示材料的塑性指标有哪些，分别用 符号表示。δ延伸率，ψ断面收缩率。σ0.2 0.2塑性变形时的强度 6、对于金属、陶瓷和高聚物，其弹性变形机理有何不同？ 原子间距改变，分子链的伸直和回弯。 7、简述晶体蠕变的主要机制，并分析蠕变变形过程的三个阶段。 位错蠕变，高应力温度下位错攀移和交滑移，且空位可沿位错扩散。扩散蠕变，低应力高温度，应变下沿晶界个方向空位平衡浓度不同，导致空位向垂直于拉应力方向扩散。晶界蠕变（阿布莱），都低时，空位沿境界扩散。瞬态蠕变，快速；稳态蠕变，缓慢；加速蠕变直至断裂三个阶段 8、试说明韧性断裂和脆性断裂的特征，断口形貌及其危害性。 韧性：裂纹扩展过程中吸收大量能量，断裂前发生大量塑性形变的。韧窝装 脆性：只吸收极少能量，不发生塑性形变。河流花样。 9、什么是断裂韧性，材料裂纹的扩展方式有哪些，哪个危害最大？ 断裂学中一种被认为能反应材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。 Ⅰ型，张开型，Ⅱ型，滑开型，Ⅲ型，撕开型。张开型最大。 10、设钢的平均弹性模量为205000MPa ，今有钢丝直径为 2.5mm ，长为3m ，受到 500kg(4900N)的拉力，问这根钢丝的伸长为多少？ E=σ/ε=(F/A)/( ΔL/L0) 11、冲击韧性的试验是如何进行，其测试样品的切口有几种？ a K= G(H1-H2),H1为摆锤落下高度，H2为砸断后摆锤上升高度。脆性不开，梅氏试样， 圆弧；夏氏试样，V 形 12、如何在疲劳曲线上确定疲劳极限，并叙述提高材料抗疲劳能力的方法。 钢铁是平行时的σ，铝合金是循环基数N0对应的应力。（图在242） 13、解释左面的钨多晶体的变形机制图。 参考7题答案 16、用Griffith 理论说明材料的断裂强度 低于理论断裂强度的原因。 存在微裂纹，微裂纹的应力集中使局部应力 大于平均外应力 19、从右图的非晶Cu57Zn43黄铜的应力－ 温度关系说明非晶态金属的力学性能特 点及其变形机制。 600K 一下是非热性变形，应变速率增大， 说明变形受热激活控制。说明机制是滑移 机制（无晶格） 20、SiC 陶瓷的K 1c 为3MPa m 1/2和，若设计载 荷为680MPa ，材料中的的最大裂纹长度是1.2mm ，该材料是否能安全使用（设Y =1）？ ＜K 1c 时安全。 十、材料的光学性质 2、试述光与固体材料作用的两种微观机制。 3、为什么金属对可见光不透明？ 金属的费米能级以上存在很多空能级。当光线照射金属时，不同波长的光子都能被电子吸收而将电子激发到空能级上。 4、已知金刚石的相对介电常数εr =5.5，磁化率χ＝－2.17?10-5，试求其中的光速。 ，非金属μr≈1 5、已知碲化锌的E g＝2.26eV，它对哪一部分可见光透明？ 波长＜hc/E g, c=3×108,h=6.63×10-34J·s, 1eV=1.6E-19J，＜550nm绿蓝靛紫6、某种实际应用要求光垂直入射到透明固体材料表面时反射率小于4.5％，折射率为 1.60的聚苯乙烯能否满足该要求？ R=（n-1/n=1）的平方 7、可见光垂直射入20mm厚的某透明材料时透射率为0.85，当该材料增加到40mm厚 时透射率为多少？已知该材料的折射率为1.6。 P256 I/I0=(1-R)2×e-(a+S)x,x为厚度 8、已知NaCl的Eg＝9.6eV，试求其吸收峰波长。同5题 11、为什么许多常见的陶瓷材料是不透明的？ 常见陶瓷气孔较多，气孔散射严重损失了极大的光强度，因此不透明。 自由电子近似：是指如下的近似方法：依据能带理论，可以认为固体内部电子不再束缚在单个原子周围，而是在整个固体内部运动，仅仅受到离子实势场的微扰。 状态密度：自由电子的能级密度 费米能：又称费米势、费米能级。在T=0K，电子所处的能量状态由两条基本原理确定：一是泡利不相容原理，二是能量最低原理，电子在能级上填充的最高位置，相应的能量称为费米能 电子的费米－狄拉克统计分布：自由电子是费米子，自由电子的分布规律服从费米-狄拉 克统计，能量为E的状态呗电子占据的几率是：f(E)，式中，E F为费米能，k是玻尔兹曼常熟，T为热力学温度，f(E)称为费米分布函数。 布洛赫定理：不管周期势场的具体函数形式如何,在周期场中运动的单电子波函数不再是平面波,而是调幅的平面波,其振幅不再是常数 能带：允带和禁带统称为能带 允带/禁带：在近自由电子近似下有些能量范围是允许/禁止电子占据的 布拉格定律：，其中n为整数，λ为入射波的波长，d为原子晶格内的平面间距，而θ则为入射波与散射平面间的夹角 布里渊区：指K空间中能量连续的区域 等能面：三维布里渊区中能量相等的K值连接成的面称为等能面 费米面：能量为费米能的等能面 晶体：原子（或分子）在三维空间作有序规则的周期性重复排列的材料 非晶体：原子（或分子）在三维空间作无规则排列的材料 准晶体：一种介于晶体和非晶体之间的有序结构 晶胞：为说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的基本单元作为点真的组成单元，称为晶胞 同素异构现象：许多元素具有两种或者更多的晶体结构，这种现象称为元素的多晶型性或者同素异构转变 合金：合金是两种或者两种以上的金属或者非金属，经熔炼、烧结或者其他方法组合而成的具有有金属特性的物质 固溶体：固溶体是两种或多种元素混合所形成的单一结构的结晶相，其结构与某一组成元素相同，可以将固溶体看成固态的溶液 中间相：中间相组元间形成的与任一单一组元结构都不同的新相 间隙相和间隙化合物：是指过渡金属与H、B、C、N等非金属小原子形成的化合物。按非金属原子半径r X和金属原子半径r M的比值分为两类：如果r X/r M<则称为间隙相，r X/r M>则称为间隙化合物 超结构（超点阵、有序固溶体）：是指在一定温度下，成分接近于一定原子比的短程有序的固溶体可能转变为长程有序，即超结构 特种陶瓷：一般由人工原料制成，是较纯的化合物或数种较纯的化合物的简单混合体 多晶体：取向不同的多个小晶粒形成的晶体 晶体缺陷：晶体中偏离理想结构的区域 化学缺陷：由局部的成分与基体不同导致的缺陷 点阵缺陷：指原子排列处于几何上的混乱状态，而与构成晶体的元素无关的缺陷 点缺陷：指在x,y,z方向的尺寸都很小（相当于原子尺寸）的点阵缺陷，也称零位缺陷 一、材料的电子理论 1、说明自由电子近似的基本假设。在该假设下，自由电子在一维金属晶体中如何分 布？电子的波长、能量各如何分布？ 自由电子近似假设：自由电子在金属内受到一个均匀势场的作用，使电子保持在金属内部，金属中的价电子是完全自由的；自由电子的状态不符合麦克斯韦-波尔兹曼统计规律，但服从费米-狄拉克的量子统计规律。分布：电子的势能在整个长度L内都一样，当0 材料物理性能习题与解答 目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37) 1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变 1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力 《材料物理性能》教学大纲 教学内容: 绪论(1 学时) 《材料物理性能》课程的性质,任务和内容,以及在材料科学与工程技术中的作用. 基本要求: 了解本课程的学习内容,性质和作用. 第一章无机材料的受力形变(3 学时) 1. 应力,应变的基本概念 2. 塑性变形塑性变形的基本理论滑移 3. 高温蠕变高温蠕变的基本概念高温蠕 变的三种理论 第二章基本要求: 了解:应力,应变的基本概念,塑性变形的基本概念,高温蠕变的基本概念. 熟悉:掌握广义的虎克定律,塑性变形的微观机理,滑移的基本形态及与能量的关系.高温蠕变的原因及其基本理论. 重点: 滑移的基本形态,滑移面与材料性能的关系,高温蠕变的基本理论. 难点: 广义的虎克定律,塑性变形的基本理论. 第二章无机材料的脆性断裂与强度(6 学时) 1.理论结合强度理论结合强度的基本概念及其计算 2.实际结合强度实际结合强度的基本概念 3. 理论结合强度与实际结合强度的差别及产生的原因位错的基本概念,位错的运动裂纹的扩展及扩展的基本理论 4.Griffith 微裂纹理论 Griffith 微裂纹理论的基本概 念及基本理论,裂纹扩展的条件 基本要求: 了解:理论结合强度的基本概念及其计算;实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件熟悉:理论结合强度和实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件. 重点: 裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件难点: Griffith 微裂纹理论的 基本概念及基本理论 第三章无机材料的热学性能(7 学时) 1. 晶体的点阵振动一维单原子及双原子的振动的基本理论 2. 热容热容的基本概念热容的经验定律和经典理论热容的爱因斯坦模型热容的德拜模型 3.热膨胀热膨胀的基本概念热膨胀的基 《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 河南2014级工程造价大专（业余）3班 第二学期《建筑材料》考试题A卷参考答案 一、单项选择题（每题2分，共70分） 1( a )是评定脆性材料（天然石材、混凝土及烧结砖）强度的鉴别指标。 A.抗压强度 B.抗拉强度 C.抗弯强度 2.建筑石膏在使用时，通常掺入一定量的动物胶，其目的是为了（ A ）。 A.缓凝 B.提高强度 C.促凝 D.提高耐久性 3.硅酸盐水泥适用于（ A ）混凝土工程。 A.快硬高强 B.大体积 C.与海水接触的 D.受热的 4.施工所需要的混凝土拌和物坍落度的大小主要由（ D ）来选取。 A.水灰比和砂率 B.水灰比和捣实方式 C.骨料的性质、最大粒径和级配 D.构件截面尺寸大小，钢筋疏密，捣实方式。 5.砌筑砂浆的强度主要取决于（ D ）。 A.水灰比与水泥标号 B.水灰比与水泥用量 C.用水量与水泥标号 D.水泥用量与水泥标号 6.石灰熟化过程中的陈伏是为了（ C ）。 A.利于结晶 B.蒸发多余水分 C.消除过火石灰的危害 D.降低发热量 7.硅酸盐水泥石耐热性差，主要是因为水泥石中含有较多的（ C ）。 A.水化铝酸钙 B.水化铁酸钙 C.氢氧化钙 D.水化硅酸钙 8.砌筑砂浆的分层度为( B )mm时，该砂浆的保水性和硬化后性能均较好。 A.0-10 B.10-20 C.30-50 D.60-80 9.对混凝土早期强度提高作用最大的外加剂为（ B ）。 A.M 剂 B.硫酸钠 C.NaNO 3 D.引气剂 10.砂浆的流动性指标为（ C ）。 A.坍落度 B.分层度 C.沉入度 D.维勃稠度 11.干燥环境中有抗裂要求的混凝土宜选择的水泥是( B )。 A.矿渣水泥 B.普通水泥 C.粉煤灰水泥 D.火山灰水泥 12.现场拌制混凝土，发现粘聚性不好时最可行的改善措施为（ A ） A.适当加大砂率 B.加水泥浆(W/C不变) C.加大水泥用量 D.加CaSO 4 13.测试混凝土静力受压弹性模量时标准试件的尺寸为（ D ）。 A.150×150×150mm B40×40×160mm C70.7×70.7×70.7mm D150×150×300mm 14.用于吸水基底的砂浆强度,主要决定于（ B ）。 A.石灰膏用量 B.水泥用量和水泥强度 C.水泥强度和水灰比 D.砂的强度 15.砂浆保水性的改善可以采用（ D ）的办法。 A.增加水泥用量 B.减少单位用水量 C.加入生石灰 D.加入粉煤灰 16.已知混凝土的砂石比为0.54，则砂率为（ A ）。 A.0.35 B.0.30 C.0.54 D.1.86 17.下列水泥中，和易性最好的是（ B ）。 A.硅酸盐水泥 B.粉煤灰水泥 C.矿渣水泥 D.火山灰水泥 18.过共析钢在常温下的晶体组织主要为（ B ）。 A.铁素体 B.珠光体 C.渗碳体 D.奥氏体 19.检验水泥中f-CaO是否过量常是通过（ C ）。 A.压蒸法 B.长期温水中 C.沸煮法 D.水解法 20.工程中适用的木材主要是树木的（ C ）。 A.树根 B.树冠 C.树干 D.树皮 21.石油沥青的粘性是以（ A ）表示的。 A.针入度 B.延度 C.软化点 D.溶解度 22.加气砼所采用的加气剂多为（ B ）。 A.松香胶泡沫剂 B.磨细铝粉 C.氯化胺 D.动物血加苛性钠 23.下列碳素结构钢中含碳量最高的是( D )。 A.Q235-AF B.Q215 C.Q255 D.Q275 24.石膏制品的特性中正确的为（ A ）。 A.耐水性差 B.耐火性差 C.凝结硬化慢 D.强度高 25.下列钢材中，塑性及可焊性均最好的为（ A ）。 A.Q215 B.Q275 C.Q235 D.Q255 26.用于炎热地区屋面防水的沥青胶宜采用（ A ）配制。 A.10 号石油沥青 B.60 号石油沥青 C.100 号石油沥青 D.软煤沥青 27.低温焊接钢结构宜选用的钢材为（ C ）。 A.Q195 B.Q235-AF C.Q235-D D.Q235-B 28.材料抗渗性的指标为（ B ）。 A.软化系数 B.渗透系数 C.抗渗指标 D.吸水率 29.下列材料中可用于配制耐热混凝土(900℃)的是（ D ）。 A.矿渣水泥 B.硅酸盐水泥 C.普通水泥 D.高铝水泥 30.高铝水泥在20-30℃时的主要水化产物是（ B ）。 A.CAH 10 B.C 2 AH 8 C.Ca(OH) 2 D.C 3 AH 6 31.普通混凝土用砂应选择（ D ）较好。 A 空隙率小 B 尽可能粗 C 越粗越好 D 在空隙率小的条件下尽可能粗 32.混凝土的水灰比值在一定范围内越大，则其强度（ A ）。 A 越低 B 越高 C 不变 D 无影响 33.建筑石膏在使用时，通常掺入一定量的动物胶，其目的是为了（ A ）。 A.缓凝 B.提高强度 C.促凝 D.提高耐久性 34.当材料的含水率增大时,下列指标中变化的是（ B ） A.吸水率 B.表观密度 C.软化系数 D.密度 35.冬季混凝土施工时应优先选择的外加剂是（ B ） 河北大学课程考核试卷 —学年第学期级应用物理物理专业（类） 考核科目材料物理导论课程类别考核类型考试考核方式开卷卷别 B （注：考生务必将答案写在答题纸上，写在本试卷上的无效） 1.Choice (30 points, 3 points for each question) 1). Point defects in metal make resistance: A. increase B. decrease C. invariant 2). Generally speaking, the direction of dislocation movement is: A. similar to the direction of crystal slip; B. the vertical direction of dislocation line; C. the parallel direction of dislocation line; 3). There are usually solute atoms or impurity atoms in metal, whose existence: A. always increase lattice constant; B. always decrease lattice constant; C. may increase or decrease lattice constant 4). Which is the driving force of atom diffusion in solid metal: A. Concentration gradient; B. Chemical potential gradient; C.Diffusion activation energy 5). Work hardening is a useful strengthening method, but its drawback is: A. suitable for bi-material only; B. not suitable when material heated at high temperature; C. suitable for single crystal only B-4-1 1范围 本操作规程规定了熔融指数仪的使用方法、使用注意事项等。 2使用方法 将仪器调节至水平，打开电源，在屏幕上设置所需要的温度和负荷。 2.2待温升至设置温度时再恒温15分钟，用纱布分别对仪器料筒、口模及料秆进行清洗。 2.3取物料3?8g加入到料筒内，加料时要均匀且迅速，整个过程1min内完成。 2.4加料完成后拿压料秆尽量压实物料，放入料秆。 2.5屏幕按下计时值确预热认时间达到240秒后停止计时，再加载砝码。 2.6一般先选用国标A法进行测试，并收集一定时间间隔内挤出的物料进行称量，且满足每段 长度在10m?20mn之间，每段质量大于以上。当每段长度和质量不满足时，则应选用B法进行测试。根据熔体质量流动速率计算如下式： ref ? m MFR(190,2.16kg) = (1) t MFR --- 熔体质量流动速率； t ref 参比时间（10min）,s（600s）； m 切断的平均质量，g； t 切断的时间间隔，s；将所称得的每段挤出物料的平均质量，输入仪器操作界面，得出熔体质量流动速率。 选用B法测试时，依次?的步骤，当料杆下标线达到料筒顶面时，开始自动测定。从加料开始到测得最后一个数据时间不得超过25mi n。对整个事件过程中切下的物料进行精密称量。并按式（2）计算熔体在测定温度下的密度p ,g/cm3。 m p —— (2) A ? l m -- 秤量测的的活塞移动lcm 时挤出的试样质量； l - 活塞移动的距离，mm； A -- 活塞和料筒的截面积平均值（等于0.711cm2）； 将 2 式计算得出的熔体密度输入仪器操作界面，直接得出熔体质量流动速率与熔体体积流动速率。 实验结束，依次对料杆、料筒、口膜进行彻底清洗 一、概念题 1.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。（取向相同的固有电偶极矩）电畴的排列方式分为180度电畴（反平行）和90度电畴。因而不加电场时，整个晶体总电矩为零。 2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。 3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。即ρ＝ρ（T）＋ρ残称为马基申定律。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。 8. 电介质的击穿，当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。击穿形式：1）电击穿，是一电过程，仅有电子参与；2）热击穿；3）化学击穿 9.介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率。介质损耗形式：1）电导（或漏导）损耗，实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化损耗 10．超导体：材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为超导体。 11．接触电性：两种不同的材料接触，由于它们可以有不同的相、不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的交界面上不可避免地要发生载流子的某种行为，由此而引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电性。 12、热电效应：电位差、温度差、电流、热流之间存在着的交叉联系构成了热点效应。 第一个热电效应——塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效 第二个热电效应——玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应， 第三个热电效应——汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。 13、热释电效应：在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象。 23、光电效应：是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。（百度的） 24、一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收。 25.选择吸收：在光学材料中，石英对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。 26．折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小而减小，这种现象称为折射率的色散。 27.光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。（百度的） 28光的非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。 材料物理性能检验人员培训大纲 一、选择题 1、质检人员的职业道德规范的内容包括（） A. 爱岗敬业，忠于职守 B. 遵纪守法，严守机密 C. 秉公办事，诚实守信 D. 实事求是，工作认真 2、任何工程材料受力后都将会产生变形，变形过程可分为（） A. 弹性变形 B. 塑形变形 C. 最后断裂 D. A+B+C 3、由拉伸试验得出的力学性能指标包括（） A. 非比例延伸强度 B. 屈服强度 C. 硬度值 D. 弹性模量 4、测定规定非比延伸强度，最适用的方法有（） A. 图解法 B. 公式计算法 C. 逐级施力法 D. 排除法 5、规定残余延伸强的测定的定义（） A. 试验拉伸时，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 B. 试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 C. 试样卸除拉伸力后，其残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。 D. 以上都不对。 6、测定上屈服强度或下屈服强度的方法有（） A. 位移法 B. 公式计算法 C. 图示法 D. 指针法 7、抗拉强度的定义（） A. 试样拉断前所承受的最大标称应力即是抗拉强度。 B. 试样拉断后所承受的最大标称应力即是抗拉强度。 C. 试样拉断前所承受的最小标称应力即是抗拉强度。 D. 试样拉断后所承受的最小标称应力即是抗拉强度 8、金属拉伸试验试样尺寸测量后横截面积计算结果有效位数（） A. 2位 B. 3位 C. 4位 D. 5位 9、塑性也是工程材料重要的性能指标，可以从（）说明： A. 当材料具有一定塑性时，机件或构件偶而遭受到过载荷时能发生塑性变形从而产生形变强化，保证构件安全，避免断裂。 B. 机械零部件难免存在沟槽、夹角等，加载后会出现应力集中，可以通过塑性变形来削减应力峰使之重新分配。 C. 有利于冷冲、冷弯等成形、修复工艺和装配的顺利完成。 D. 塑性指标是金属生产的质量标志。 10、弹性模量（） A. 弹性模量代表材料生产单位弹性变形所需应力的大小。 B. 在弹性范围内物体的应力和应变呈正比关系。 C. 弹性模量E是决定构件刚度的材料常数。 《材料物理性能复习资料整理》 一、名词解释 物质的磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。 自发极化：铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列而发生的磁化。 软磁材料：是指磁滞回线瘦长，μ高、H c小、M r低，并且磁化后容易退磁的磁性材料。硬磁材料：是指磁滞回线短粗，μ低、H c大、M r高，并且磁化后很难退磁的磁性材料。磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。 PN结：是指在同一块半导体单晶中P型掺杂区域N型掺杂区的交界面附近的区域。 禁带：在能带结构中能态密度为零的能量区间。 超导电性：在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突然消失的现象称为超导电性。马基申定则：马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。 这表明在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以用加法求和。 激活介质：实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用，称为激活介质。 因瓦效应：将与因瓦反常相关联的其它物理特性的反常行为统称为因瓦效应。 磁介质：能被磁场磁化的物质。 技术磁化：是指在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。磁畴：是指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。 铁电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域。 N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）使晶体中的自由电子的浓度极大地增加而形成的以电子为多子的杂质半导体称为N型半导体。 第一类超导体：指大多数纯金属超导体，在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。这类导体称为第一类超导体。 介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。 光致发光：通过光的辐射将材料中的电子激发到高能态从而导致发光，称为光致发光。 杜隆-珀替定律：恒压下，元素的原子摩尔热容为25J/(K?mol)。 二、简答题 1.请从能量式波长（频率）范围详细划分电磁波谱 （1）无线电波——波长从108~1013nm （2）微波——波长从106~108nm （3）红外线——波长从103~106nm （4）可见光——波长390~700nm （5）紫外线——波长从10~390nm （6）伦琴射线——波长10-3~100nm （7）γ射线——波长从10-5~0.1nm 有效电子数：不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。 K状态：一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。但对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和Ｘ射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。X射线分析发现，组元原子在晶体中不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”。 能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。 金属材料的基本电阻：理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。 残余电阻(剩余电阻)：电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。 相对电阻率：ρ (300K)／ρ (4.2K)是衡量金属纯度的重要指标。 剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。 相对电导率：工程中用相对电导率( IACS%) 表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20 ℃下电阻率ρ= 0 .017 24Ω·mm2/ m)的电导率作为100% , 其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。 马基申定则(马西森定则)：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。ρ(T)：取决于晶格热振动的电阻率(声子电阻率)，反映了电子对热振动原子的碰撞。 晶格热振动：点阵中的质点(原子、离子)围绕其平衡位置附近的微小振动。 格波：晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。 热容：物体温度升高1K时所需要的热量(J/K)表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。 比定压热容：压力不变时求出的比热容。 比定容热容：体积不变时求出的比热容。 热导率：表征物质热传导能力的物理量为热导率。 热阻率：定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻(ωp)和杂质缺陷形成的热阻(ω0)。导温系数或热扩散率：它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。热导率的单位：W/(m·K) 热分析：通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。 反常膨胀：对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。 交换能：交换能E ex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。当A＞0，φ＝0时，E ex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。当A＜0，φ＝180°时，E ex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。 磁滞损耗：铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。磁滞回线所围成的面积为铁 =? 磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。磁滞损耗Q HdB 技术磁化：技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(和)或近似外磁场方向的过程。技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。 请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？为什么高温下电阻率与温度成正比？ 1—ρ电-声∝T( T > 2/ 3ΘD ) ； 2—ρ电-声∝T5 ( T< <ΘD )； 一、名词解释 光矢量：即是光波的电场强度矢量。 双折射：当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播，这种由一束入射光折射后分成两束光的现象。 光轴：通过改变入射光的方向，可以发现，在晶体中存在一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光不会发生双折射，这些特殊的方向称为晶体的光轴。 热膨胀：物质在加热或冷却时的热胀冷缩现象称为热膨胀。 朗伯特定律：l e I I α-=0，在介质中光强随传播距离呈指数形式衰减的规律即称为朗伯特定律。 热稳定性：指材料承受高温的急剧变化而不致破坏的能力，也称为抗热震性。 滞弹性：指材料在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后特性即称为滞弹性。 应力感生有序：溶解在固溶体中孤立的间隙原子，置换原子，在外加应力时，这些原子所处的位置的能量即出现差异，因而原子要发生重新分布，即产生有序排列，这种由于应力引起的原子偏离无序状态分布叫应力感生有序。 穆斯堡耳效应：固体中的无反冲核共振吸收即为穆斯堡尔效应。 高分子的分子结构：指除具有低分子化合物所具有的，如同分异构、几何异构、旋光异构等结构特征之外，还有高分子量，通常由103~105个结构单元组成的众多结构特点。 高分子的聚集态结构：是指大分子堆砌、排列的形式和结构。 均方末端距：是描述高分子链的形状和大小时采用末端距的2次方的平均值，用r 2表示，称为均方末端距。 二、填空题 1、下图为聚合物的蠕变和回复曲线，可见一个聚合物材料的总形变是三种形变之和，其中 ε1为普弹形变、 ε2为高弹形变、 ε3为粘性流动。 2、从微观上分析，光子与固体材料相互作用的两种重要结果是：电子极化和电子能态转变 3、在光的非弹性散射光谱中，出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯线，而在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯托克斯线。 4、掺杂在各种基质中的三价稀土离子，它们产生光学跃迁的是4f 电子。 5、红宝石是历史上首先获得的激光材料，它的发光中心是C r 3+ 离子。 6、非稳态法测量材料的热导率是根据试样温度场随时间变化的情况来测量材料热传导性能的方法。 7、弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。 8、测量弹性模量的方法有两种：一种是静态测量法，另一种是动态测量法。 9、图中表示曲线（a ）表示熔融石英玻璃（SiO 2）、曲线（b ）表示非晶态聚苯乙烯（PS ）的热导率随温度的变化。 )（E k → 第一章：材料电学性能 1 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 用电阻率ρ或电阻率σ评价材料的导电能力。 按材料的导电能力（电阻率），人们通常将材料划分为： 2、经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动。如果没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大范围内作随机运动，并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。 E J →→=σ，电导率σ= （其中μ= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度），它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来，表示了欧姆定律的微观形式。 缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性） 3、自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数；电子本证能量E 随波矢量的变化曲线 是一条连续的抛物线。 4、根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k 空间、等幅平面波和能级密度函数。 n 决定，并且其能量值也是不连续的，能级差与材料线度 L 2成反比，材料的尺寸越大，其能级差越小，作为宏观尺度的材料，其能级差几乎趋于零，电子能量可以看成是准连续的。 k 空间内单位体积内能态的数量或倒易节点数称为波矢能态密度。ρ =V/(2π)3，含自旋的能态密度应为2ρ 3,2,1k k k k → →→→的三个分量为单位矢量构筑坐标系，则每个能态在该坐标中都是一个整数点，对于准连续的能级，此坐标系中的每个整数点都代表一个能态。人们把此坐标系常数称为k 空间或状态空间。 1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（ J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么 Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子 磁矩低的原因是什么 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。材料物理(李志林)名词解析答案
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