《材料结构与性能》思考题
第一章金属及合金的晶体结构
1．重要名词晶体非晶体单晶体多晶体晶粒晶界各向异性假等向性（伪各向同性）空间点阵阵点（结点）晶胞简单晶胞（初级晶胞）布拉菲点阵晶系晶面晶面指数晶向晶向指数密勒指数晶面族晶向族晶带晶带轴面间距配位数致密度点阵常数面心立方（A1）体心立方(A2) 密排六方(A3) 同素异构现象四面体间隙八面体间隙多晶型性(同素异构转变) 原子半径合金相固溶体间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无限固溶体电子浓度无序分布偏聚短程有序短程有序参数维伽定律中间相金属间化合物正常价化合物电子化合物(Hume-Rothery相) 间隙相间隙化合物拓扑密堆相(TCP相) PHACOMP方法超结构（有序固溶体，超点阵）长程有序度参数反相畴（有序畴）
2．试述晶体的主要特征。
2]。3．画出立方晶系中的下列晶面和晶向：(100), (111), (110), (123), (130)), (121), (225), [112], [312], [11
画出六方晶系中的下列晶面：(0001), (1120), (1011)。
4．画出立方晶系(110)面上的[111]方向，(112)上的[111]方向。在其(111)面上有几个<110>方向？
5．计算面心立方、体心立方、密排六方点阵晶胞的晶胞内原子数、致密度。其中原子的配位数是多少？6．面心立方和密排六方点阵的原子都是最密排的，为什么它们形成了两种点阵？
7．画图计算面心立方和体心立方点阵的四面体、八面体间隙的半径r B与原子半径r A之比。
8．铜的面心立方点阵常数为3.608?，计算其（122）晶面间距。
9．立方晶系中晶面指数和晶向指数有什么关系？
10．写出立方晶系{112}晶面组的全部晶面和<123>晶向族的全部晶向。
11．已知点阵常数a=2 ?，b=6 ?, c=3 ?, 并已知晶面与三坐标轴的截距都是6 ?，求该晶面的指数。12．若γ-Fe晶胞中的八面体间隙都被C原子填满，试计算C原子的原子百分数和重量百分数。另外，这样的事情能否发生，为什么？
13．试画出面心立方点阵中(001), (011) 和（111）晶面的原子排列，并标出原子间距。
14．判断下列晶向是否属于相应的晶面或平行于该晶面：[112]与(111)；[110]与(121)；[210]与(101)。15．下列晶向是否是两个晶面的交线？(1)[112]与(111)及(110)；(2)[101]与(111)及(111)；(3)[101]与(111)及(111)。
16．银属面心立方点阵，若其原子半径为1.44 ?，求其晶格常数，并根据其原子量求其密度。
17．α-Fe→γ-Fe转变发生在910℃，该温度下其点阵常数分别为2.892 ?和3.633 ?，试求转变前后的体积变化。若转变前后原子半径未变化，体积变化又有多大？
18. Al和Ag均属面心立方点阵，已知r Ag= 1.441?, r Al=1.428?, 它们在固态下是否可能无限互溶，为什么？19．固溶体的溶解度主要取决于哪些因素？
20．碳原子在γ-Fe晶胞中存在于什么位置？碳原子溶入后其点阵常数如何变化？为什么？碳原子溶入α-Fe 中又如何？
21．计算含1-wt%C的γ-Fe中多少个晶胞中溶入一个碳原子？
22．中间相一般具有什么特点？
23．以黄铜为例说明什么是电子化合物及电子化合物的类型。
24．电子化合物为什么可以具有一定的成分范围？25．试述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同。26．试述短程有序和长程有序的关系。27．影响有序化的因素有哪些？
28．有序化对合金的性能有何影响？
第二章金属的晶体缺陷
1．重要名词晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷空位间隙原子弗兰克尔缺陷肖脱基空位点缺陷平衡浓度点缺陷的形成能热力学稳定缺陷和热力学不稳定缺陷过饱和点缺陷位错柏氏矢量位错结点刃型位错螺型位错混合型位错位错密度滑移攀移守恒运动和非守恒运动位错应变能作用在位错上的力位错线张力位错间的力位错增殖全位错不全位错单位位错堆垛层错抽出型层错插入型层错堆垛层错能肖克莱不全位错弗兰克不全位错位错反应扩展位错扩展位错宽度弗兰克-瑞德源交滑移位错的双交滑移增殖机制晶界相界小角度晶界大角度晶界对称倾侧晶界不对称倾侧晶界扭转晶界晶界能重合位置点阵孪晶孪晶界孪晶面共格孪晶界非共格孪晶界表面表面能
2. 若铝的空位形成能为0.75eV，间隙原子的形成能为
3.0eV，假定二者的振动熵相等，试分别求出500℃和20℃时二者的平衡浓度之比，并解释其比值的变化。
3. 在铁中形成1mol空位的能量为25000卡，试计算将其从20℃加热到850℃时空位浓度增加了多少倍？若将其淬火至室温，这些空位会出现什么情况？
4. 刃型位错、螺型位错、混合型位错的特点是什么？试比较刃型位错和螺型位错的几何形态和运动特点。
5. 如何求位错的柏氏矢量？柏氏矢量有哪些特征？
6. 受力时刃型位错、螺型位错如何运动？试说明他们的滑移方向、位错运动方向、柏氏矢量、变形方向的关系。什么是守恒运动和非守恒运动？
7. 位错间为何有作用力？试分析刃型位错之间和螺型位错之间的作用力。
8. 面心立方、体心立方点阵中单位位错的点阵矢量是什么？
9. 扩展位错宽度与那些因素有关？
10. 位错反应的条件是什么？试举例说明。
11. 试说明面心立方点阵中不全位错的特点。
12. 试说明弗兰克-瑞德源使位错增殖的机理并求出该位错源启动的临界切应力。
13. 什么是双交滑移？为何刃型位错不能发生交滑移？
14. 说明亚晶界的结构，阐述“重合位置点阵模型”，说明晶界的特点。
15. 如图所示，晶体受一均匀切应力τ的作用，某滑移面上有一柏氏矢量为b的圆形位错环，(1)分析位错环各段位错线的结构类型，并说明有无可能各部分都是刃型位错或螺型位错？(2)求各段位错所受的力的大小
并确定其方向。(3)在τ的作用下该位错环将如何运动？运动结果如何？
(4)若在τ的作用下该位错环不动，其半径最小应多大？Array
16. 假设在镁晶体中由一个位错源放出的位错滑移到晶体表面，使晶体
表面产生高度为10-4cm的滑移台阶，问有多少个位错运动到了表面？
（已知b=0.32nm）
17. 一个正刃型位错和一个负刃型位错在水平和垂直方向都离开了两
个原子间距，画出其二维图形，(1)围绕此二位错作出柏氏回路，找出其
柏氏矢量。(2)围绕两个位错分别作柏氏回路，分别找出其柏氏矢量，二
者的柏氏矢量有何关系？
18. 如图，EFGH 为半原子面，则HI, IJ, JK, KE 各段位错是什么类型的位错？ 19. 从结构条件和能量条件判断下列位错反应能否进行： (1)]111[2
]111[2
a a +→a [110] (2) a [100] →]110[2]101[2a a + (3) a [100] →]111[2]111[2a a + (4) →+]111[2]112[3a a ]111[6
a (5) →]110[2a ]211[6]112[6a a + (6) ]111[2]111[2a a +→a [110] 20. 试讨论面心立方点阵和简单立方点阵中位错的异同点。
21. 晶体的滑移量与位错运动的位移量是否成正比？为什么？
22. 为什么刃型位错不能交滑移，螺型位错不能攀移？
23. 图中的平面为晶体的滑移面，虚线为位错线，箭头为位错线的运动方向，阴影部分为已滑移区，(1)试分析各图中的位错类型；(2)在外加切应力作用下，当位错线扫过该滑移面时，晶体在什么方向上产生多大的变形？
24. 如图，刃型位错AB, CD 长度和方向相同，柏氏矢量也相同，两端都
被钉住，(1)画出位错线的逐步扩展过程；(2)在两位错环相遇处，位错不能扩展，可以形成一个大位错源，图示此过程。
25. 如图，两同号平行的刃型位错处于平行的滑移面上，(1)当b 2位于①，
②，③不同位置时，两个位错的相互作用力如何？(2)在外加切应力τ作用下，b 1位于哪种位置时其运动速度快些？ 26. 面心立方晶体中有一位错，它的滑移造成晶体沿(111)面和[110]方向切变
22a ，(1)写出此位错的单位位错b ，并图示之；(2)若此位错为刃型和螺型时，绘出位错方向；(3)若此位错为螺型，它可在哪些晶面交滑移？
27. 将一位错弯成半径为r 的圆环，已知b =0.3nm ，G =4×104MPa ，r =0.6μm ，试计算沿b 方向需加多大的切应力τ？
第三章 金属的凝固
1．重要名词 结晶 熔化潜热 熔化熵 结构起伏（相起伏） 准晶体模型 随机密堆模型热分析 过冷现象 过冷度 形核 长大 均匀形核 非均匀形核 晶胚 晶核 临界晶核 临界晶核半径 临界形核功 能量起伏 形核率 有效形核温度 动态过冷度 正温度梯度 负温度梯度 光滑界面（小平面界面）
粗糙界面（非小平面界面） 树枝晶 非晶态金属 玻璃化转变温度
2. 解释液态金属与固态金属有相似的结构。
3. 解释G-T （自由能-温度）曲线的变化趋势和曲线形状。
4. 说明纯金属凝固的热力学条件
5. 当球状晶核在液态形成时，总自由能变化?G =4πr 2σ+3
4πr 3?G v , 其中r 为球状晶核的半径，σ为单位晶核面积的表面能，?G v 为单位体积晶核形成时放出的体积自由能。求?G 达到最大时的r *和?G v *，分析他们的物理意义。
6. 分析纯金属均匀形核和非均匀形核的条件，并比较他们的过冷度，说明他们形核的难易。
7. 在生产条件下，金属结晶形核以那种方式为主？为什么？
8. 试说明形核率与过冷度的关系。
9. 金属熔化为什么不需要过热度？
10. 说明动态过冷与晶体生长的关系。
11. 分析界面形貌与温度梯度的关系。
12. 试说明树枝晶的形成原理，形成条件和形成过程。
13. 晶粒度对金属的性质有什么影响？为什么用金属型比砂型铸铝件的组织细密？从中分析控制铸件结晶后晶粒大小的因素。
第四章 二元相图和合金的凝固
1．重要名词 相 自由度 化学位 液相线 固相线 杠杆法则 公切线法则 相区接触法则 匀晶转变 成分起伏 枝晶偏析 平衡分配系数 宏观偏析 有效分配系数 初始过渡区 区域熔炼 成分过冷 共晶转变 共晶体 固溶线（溶解度曲线） 初生相 次生相（二次相） 亚共晶合金 过共晶合金 相组成物 组织组成物 伪共晶 非平衡共晶组织 离异共晶 包晶转变 包晶转变的不完全性 非平衡包晶组织 铁素体 高温铁素体 奥氏体渗碳体 莱氏体 珠光体 共析转变 工业纯铁 碳钢 白口铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 一次渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳体 先共析铁素体 变态莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 缩孔 疏松 气孔（气泡） 织构（择优取向）
2. 什么是相率？其表达式是什么？
3. 试说明区域熔炼提纯金属的原因，是不是所有的金属都可以用这种方法提纯？为什么？
4. 用示意图说明什么叫成分过冷。影响成分过冷的因素有哪些？
5. 已知某合金在温度T 1的自由能-温度曲线如图，试推测该温度下不同成分合金的相组成。
6. 指出下列相图中的错误，并说明原因。
7. Pb-Sb 相图已给出，（1）试画图表示含2%, 8%, 11.2%, 50%Sb 的合金的冷却过程中的组织变化，给出其冷却曲线；（2）共晶组织中α和β各占多少？若在显微组织中初生的α和β各占一半，合金的成分如何？
A B
B%
T
(℃ T
(℃ T
(℃
T
(℃
8. A-B 二元共晶系，A 的熔点为900℃，B 的熔点为700℃，共晶成分为60%B ，共晶温度为500℃，以A 为溶剂的α固溶体最大溶解度为30%B ，以B 为溶剂的β固溶体最大溶解度为15%A ，（1）若α和β的溶解度在温度下降时保持不变，试画出二元相图；（2）含40%B 的合金在液相完全混合的情况下凝固时其k 0、k e 各为若干？
9. 不在共晶线和包晶线上的合金什么时候能够发生共晶和包晶反应？
10. 根据Fe-Fe 3C 相图，画图表示含碳0.01%，0.2%，0.77%，1.2%，3.0%，4.3%，5.0%的铁碳合金的凝
固过程，并计算室温下这些合金的组织组成物和相组成物的含量。
11. 计算室温下含碳5.0%的铁碳合金中共晶渗碳体、共析渗碳体和Fe 3C I 、Fe 3C II 、Fe 3C III 的含量（室温下碳在α-Fe 中的最大溶解度为0.008%）。 12. 一含碳2.0%的铁碳合金的室温组织中发现了少量变态莱氏体，试分析其原因。 13. 一含碳2.2%的铁碳合金的室温组织为珠光体和厚网状渗碳体，未发现变态莱氏体，试分析其原因。 14. Fe-Fe 3C 相图的三条水平线上发生了何种反应？试分析其异同。 15. 试比较：(1)ES 与PQ ；(2)GS 与BC ；(3)GP 与JE 三组线在含义上的异同。
16. 在727℃上下的莱氏体有何区别？
17．碳钢和白口铸铁的根本区别是什么？
18. 随含碳量的增加，碳钢和白口铸铁的组织有何规律性变化？
19. 碳钢中的含碳量对其机械性能有何影响？这种影响与组织有何关系？
20. 在Fe-Fe 3C 相图上标明各区域的组织组成。
第五章 固体金属中的扩散
1．重要名词 扩散第一定律 扩散第二定律 扩散通量 扩散系数 浓度梯度 化学位梯度跳动几率 跳动频率 间隙扩散 置换扩散 稳态扩散 短路扩散 上坡扩散 空位扩散 位错扩散 晶界扩散 柯肯达尔效应
2. 扩散系数主要受哪些因素影响？如何影响？
3. 什么是扩散激活能？间隙扩散和置换扩散的激活能有何不同？为什么？
4. 钢中的合金元素如何影响碳的扩散速度？为什么合金元素的扩散速度比碳小？
5. 相同温度下，碳在γ-Fe 中的扩散系数比在α-Fe 中小，但渗碳却在γ-Fe 中进行，为什么？
6. 一零件用10号钢（含碳0.1%）制成，工作表面需较高硬度，决定采用表面渗碳。已知碳在γ-Fe 中的D 0=2.0×10-5m 2s -1, 扩散激活能Q =140×103J ·mol -1, (1) 在1050℃渗碳2.4小时，若渗碳气氛可保证表面层碳浓度为1.0%，求渗层中碳浓度与位置的函数关系；(2)绘制从表面到1mm 深度处的碳浓度变化曲线，若定义含碳量0.4%以上的区域为渗碳层，求该渗碳条件下的渗碳层深度(误差函数值可查阅胡赓祥等或刘国勋主编的《金属学》)；（3）若渗碳温度在900～727℃之间，则渗碳时间难于确定，为什么？在727℃以下渗碳能否达到渗碳目的？为什么？
7. 钢加热时，若表面含碳量下降到0，则脱碳后表层碳含量分布符合下式：C =C 1erf(x /2Dt ),其中C 为距表层Z 处的含碳量，C 1为钢的原始含碳量，求T12钢（含碳1.2%）在1000℃保温10小时后的含碳量与距离曲线。
(
Sb%
第六章金属及合金的塑性变形
1．重要名词弹性变形塑性变形工程应力工程应变屈服极限工程屈服强度σ0.2比例极限弹性极限抗拉强度颈缩真应力真应变滑移线滑移带滑移面滑移方向滑移系取向因子滑移的临界分切应力单滑移多滑移交滑移派-纳力位错扭折割阶固定位错位错塞积孪生孪晶孪晶面孪生方向孪生参数细晶强化吕德斯带柯垂尔气团纤维状组织胞状亚结构加工硬化形变织构内应力储存能固溶强化弥散强化奥罗万机制
2. 试说明工程应力-应变曲线和真应力-应变曲线的异同。
3. 以直径为10.0mm的退火铜棒作拉伸试验，在试棒出现颈缩前测得的载荷(kg)和工程应变(%)为：643-0.10,
832-0.20, 942-0.30, 997-0.40, 1028-0.50；(1)根据上述数据分别求出真应变，工程应力，真应力。(2) 对比工
程应变和真应变，工程应力和真应力，说明其数值间的变化规律。
4. 三种典型晶体的滑移面、滑移方向各是什么？他们各有多少独立的滑移系？这对他们的塑性有何影响？
5. 铝（面心立方）的临界分切应力为0.2MPa, 拉伸轴为[001]，已知{111}晶面的法线与[001]的夹角为54.70○，问在多大应力下铝单晶开始发生塑性变形？
6. 对Ag单晶加一拉伸力，拉伸轴与滑移面成34○角，与滑移方向成67○角，测得的屈服应力为1.35MPa, 求
Ag的临界分切应力。
7．滑移为什么总伴随着晶面转动？转动的结果如何？
8. 从派-纳力的表达式说明滑移面和滑移方向分别是最密排面和最密排方向。
9. 什么叫孪生变形？金属在什么情况下发生孪生变形？它与滑移有何不同？
10. 为什么金属晶粒越细，其机械性能越好？好在哪些方面？写出
11. 图中给出的是多晶体的应力-应变曲线。(1)比较A, B, C, D点的位错密
度。(2)当应力超过A点时发生的是什么现象？(3)当应力从B变化到C, D
时，各发生什么现象？(4)用位错理论解释上述现象。(5)能否用此图确定
金属的临界分切应力，为什么？
12. 低碳钢拉伸试验时经塑性变形卸载后放置一段时间再加载，屈服现象
又重新出现，而且屈服应力提高了，解释这一现象。
13. 金属经冷加工变形后的组织结构和性能有哪些重要变化？
14. 什么叫加工硬化？其重要意义是什么？单晶体加工硬化曲线分哪几个阶段？如何解释？
15. 什么叫形变织构？在工业上有何意义？
16. 什么叫残余应力？分哪几类？
17. 复相合金呈何种组织形态分布时对金属的性能最有利？呈何种分布最不利？为什么？
18. 分析合金中存在第二相对塑性变形的影响。
19. 金属有哪些强化机制？能否都用位错理论解释？试加以说明。
第七章回复与再结晶
1．重要名词回复再结晶晶粒长大多边（形）化回复退火再结晶退火再结晶温度二次再
结晶（异常长大）储存能临界变形度表面热蚀沟退火孪晶再结晶织构冷加工热加工动态回复动态再结晶流线超塑性
2. 在不同温度进行的回复的机理是怎样的？回复后的性能有何变化？
3. 再结晶有几种形核机理？各是什么？
4. 影响再结晶温度和速度的主要因素是什么？
5. 冷拔铜丝作导线，冷拔后应如何处理？为什么？
8. 再结晶是一个形核加长大的过程，那么它是否也是相变过程？为什么？
7. 固态无相变合金，铸造后如何细化晶粒？
9. 试解释临界变形度存在的原因？
10、影响正常长大的主要因素是哪些？如何影响？
11. 什么是二次再结晶？它与再结晶有何不同？
12．把锡焊料和钢丝都在室温下来回弯，会发生什么现象？为什么？
第八章固态金属中的相变
1．重要名词共格界面半共格界面非共格界面位向关系惯习面魏氏组织一级相变二级相变扩散型相变非扩散型相变协同形转变非协同性转变TTT曲线沉淀（脱溶）连续沉淀不连续沉淀球化调幅分解马氏体板条马氏体（位错马氏体）片状马氏体（孪晶马氏体）M s M f 热弹性马氏体A s A f形状记忆效应SMA合金
2. 简述固态相变的特点。
3. 固-固界面有几种？各有什么特点？
4. 说明晶体缺陷对固态相变形核的作用。
5. 试分析沉淀相球化和聚集长大的原因。
6. 调幅分解发生的原因是什么？有何特点？
7. 共析转变的TTT图是什么形状？为什么？
8. 马氏体转变有哪些特征？其动力学有何特点？
材料物理专业《材料分析测试方法A 》作业 第一章 电磁辐射与材料结构 一、教材习题 1-1 计算下列电磁辐射的有关参数： （1）波数为3030cm -1的芳烃红外吸收峰的波长（μm ）； （2）5m 波长射频辐射的频率（MHz ）； （3）588.995nm 钠线相应的光子能量（eV ）。 1-3 某原子的一个光谱项为45F J ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。 1-5 下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？ 12C 6、19F 9、31P 15、16O 8、1H 1、14N 7。 1-8 分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001）、（002）和（003）面，并据此回答： 干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？ 1-9 已知某点阵∣a ∣=3?，∣b ∣=2?，γ = 60?，c ∥a ×b ，试用图解法求r *110与r *210。 1-10 下列哪些晶面属于]111[晶带？ )331(),011(),101(),211(),231(),132(),111(。 二、补充习题 1、试求加速电压为1、10、100kV 时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多 少？ 第二章 电磁辐射与材料的相互作用 一、教材习题 2-2 下列各光子能量（eV ）各在何种电磁波谱域内？各与何种跃迁所需能量相适应？ 1.2×106~1.2×102、6.2~1.7、0.5~0.02、2×10-2~4×10-7。 2-3 下列哪种跃迁不能产生? 31S 0—31P 1、31S 0—31D 2、33P 2—33D 3、43S 1—43P 1。 2-5 分子能级跃迁有哪些类型？紫外、可见光谱与红外光谱相比，各有何特点？ 2-6 以Mg K α（λ=9.89?）辐射为激发源，由谱仪（功函数4eV ）测得某元素（固体样品） X 射线光电子动能为981.5eV ，求此元素的电子结合能。 2-7 用能级示意图比较X 射线光电子、特征X 射线与俄歇电子的概念。 二、补充习题 1、俄歇电子能谱图与光电子能谱图的表示方法有何不同？为什么？ 2、简述X 射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。 第三章 粒子（束）与材料的相互作用 一、教材习题 3-1 电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图3-3），哪些对应入射电子？哪些是由电子 激发产生的？
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
《现代材料分析方法》期末试卷1 一、单项选择题（每题 2 分，共10 分） 1．成分和价键分析手段包括【b 】 （a）WDS、能谱仪（EDS）和XRD （b）WDS、EDS 和XPS （c）TEM、WDS 和XPS （d）XRD、FTIR 和Raman 2．分子结构分析手段包括【 a 】 （a）拉曼光谱（Raman）、核磁共振（NMR）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）（b）NMR、FTIR 和WDS （c）SEM、TEM 和STEM（扫描透射电镜）（d）XRD、FTIR 和Raman 3．表面形貌分析的手段包括【 d 】 （a）X 射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）(b) SEM 和透射电镜（TEM） (c) 波谱仪（WDS）和X 射线光电子谱仪（XPS）(d) 扫描隧道显微镜（STM）和 SEM 4．透射电镜的两种主要功能：【b 】 （a）表面形貌和晶体结构（b）内部组织和晶体结构 （c）表面形貌和成分价键（d）内部组织和成分价键 5．下列谱图所代表的化合物中含有的基团包括：【 c 】 （a）–C-H、–OH 和–NH2 (b) –C-H、和–NH2, (c) –C-H、和-C=C- (d) –C-H、和CO 二、判断题（正确的打√，错误的打×，每题2 分，共10 分） 1．透射电镜图像的衬度与样品成分无关。（×）2．扫描电镜的二次电子像的分辨率比背散射电子像更高。（√）3．透镜的数值孔径与折射率有关。（√）
4．放大倍数是判断显微镜性能的根本指标。（×）5．在样品台转动的工作模式下，X射线衍射仪探头转动的角速度是样品转动角 速度的二倍。（√） 三、简答题（每题5 分，共25 分） 1. 扫描电镜的分辨率和哪些因素有关？为什么? 和所用的信号种类和束斑尺寸有关，因为不同信号的扩展效应不同，例如二次电子产生的区域比背散射电子小。束斑尺寸越小，产生信号的区域也小，分辨率就高。 2．原子力显微镜的利用的是哪两种力，又是如何探测形貌的？ 范德华力和毛细力。 以上两种力可以作用在探针上，致使悬臂偏转,当针尖在样品上方扫描时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。 3.在核磁共振谱图中出现多重峰的原因是什么？ 多重峰的出现是由于分子中相邻氢核自旋互相偶合造成的。在外磁场中，氢核有两种取向，与外磁场同向的起增强外场的作用，与外磁场反向的起减弱外场的作用。根据自选偶合的组合不同，核磁共振谱图中出现多重峰的数目也有不同，满足“n+1”规律 4．什么是化学位移，在哪些分析手段中利用了化学位移？ 同种原子处于不同化学环境而引起的电子结合能的变化，在谱线上造成的位移称为化学位移。在XPS、俄歇电子能谱、核磁共振等分析手段中均利用化学位移。 5。拉曼光谱的峰位是由什么因素决定的, 试述拉曼散射的过程。 拉曼光谱的峰位是由分子基态和激发态的能级差决定的。在拉曼散射中，若光子把一部分能量给样品分子，使一部分处于基态的分子跃迁到激发态，则散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可以检测到频率为（ν0 - Δν)的谱线，称为斯托克斯线。相反，若光子从样品激发态分子中获得能量，样品分子从激发态回到基态，则在大于入射光频率处可测得频率为（ν0 + Δν)的散射光线，称为反斯托克斯线 四、问答题（10 分） 说明阿贝成像原理及其在透射电镜中的具体应用方式。 答：阿贝成像原理（5 分）：平行入射波受到有周期性特征物体的散射作用在物镜的后焦面上形成衍射谱，各级衍射波通过干涉重新在像平面上形成反映物的特征的像。在透射电镜中的具体应用方式（5 分）。利用阿贝成像原理，样品对电子束起散射作用，在物镜的后焦面上可以获得晶体的衍射谱，在物镜的像面上形成反映样品特征的形貌像。当中间镜的物面取在物镜后焦面时, 则将衍射谱放大，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样；当中间镜物面取在物镜的像面上时，则将图像进一步放大,这就是电子显微镜中的成像操作。 五、计算题（10 分） 用Cu KαX 射线（λ=0.15405nm）的作为入射光时，某种氧化铝的样品的XRD 图谱如下，谱线上标注的是2θ的角度值，根据谱图和PDF 卡片判断该氧化铝的类型，并写出XRD 物相分析的一般步骤。 答：确定氧化铝的类型（5 分） 根据布拉格方程2dsinθ=nλ，d=λ/(2sinθ) 对三强峰进行计算：0.2090nm,0.1604nm,0.2588nm,与卡片10-0173 α-Al2O3 符合，进一步比对其他衍射峰的结果可以确定是α-Al2O3。 XRD 物相分析的一般步骤。（5 分） 测定衍射线的峰位及相对强度I/I1： 再根据2dsinθ=nλ求出对应的面间距 d 值。 (1) 以试样衍射谱中三强线面间距d 值为依据查Hanawalt 索引。
1.简述扫描电镜、透射电镜、电子探针、X射线衍射仪的用途。 扫描电镜：利用电子束样品表面扫描激发出来代表样品表面特征的信号成像，主要用来观察样品表面形貌，也可以成成分像。 透射电镜：衍射花样像（单晶，多晶结构分析）；薄膜衍射成像（位错，晶粒等）；复型薄膜成像（表面形貌） 电子探针：主要进行微区成分分析。可分析样品中所含元素种类及含量。可进行点分析，线分析，面分析等定性分析，也可进行定量分析。 X射线衍射仪：主要用于相结构分析。利用X射线衍射原理分析测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析。 2.已知简单立方晶体晶格常数为 2 A0，在空间点阵和倒易空间中分别画出 （010），（101），（211）的晶面和相应的倒易点，并计算面间距和倒易矢量的长度。 3．画出晶体薄膜衍射成像的明场像、暗场像光路图，简述其成像原理；晶界、刃形位错、螺形位错、孪晶、层错、第二相粒子成像时各有何特征。 明场像：物镜光阑让透射束通过，挡住衍射束，I A ~I ，I B ~I -I hkl ~0,产生衬度 差异，A亮，B暗。 暗场像：物镜光阑让衍射束通过，挡住透射束，则I A ~I ，I B ~ I hkl ，A暗，B 亮。
晶界：产生等厚相间条纹。 刃型位错：呈线状。位错线像总出现在实际位置的一侧或另一侧。 螺型位错：锯齿状双线，也是反映畸变区。 孪晶：不等长度，不等宽度，明暗相间的条纹。 层错：等长度明暗相间的条纹，条纹是平行间距的。 第二相粒子：花瓣状，中间是无衬度的线状亮区。 4. 画出用爱瓦尔德球，解释为何入射电子束严格平行于晶体的[uvw]时，底片上 也有衍射斑点出现。 爱瓦尔德球用途：找到倒易点与衍射斑点的关系 原因：（1）薄晶体衍射，倒易点扩展为倒易杆，增加与爱瓦尔德球相交几率 *重合，（2）因θ<1°时，可近似将0*附近对应球面可近似看作平面，与(uvw) 增加与爱瓦尔德球相交几率 （3）加速电压不稳定，入不唯一，造成爱瓦尔德球有一定厚度，操作时不可能完全重合，也增加了相交几率 5. 简述电子探针波谱仪与能谱仪的异同点。（P233） 相同点：高速电子束轰击样品表面，利用电子束与样品相互作用激发出的特征x 射线，测量其λ和Ι，利用莫塞莱定律确定微区的定性、定量的化学成分。 不同点：WDS分析元素范围广、分辨率高、适于精确的定量分析，对样品表面要求高、分析速度慢，易引起样品和镜筒的污染。 EDS在分析元素范围、分辨率方面略逊，分析速度快、对样品表面要求不高、可用较小的束流和细微电子束，适于与SEM配合使用。 波谱仪的晶体分光特点，对波长为λ的X射线不仅可以在探测到n＝1的一级X射线，同时可在其它θ角处探测到n为不同值的高级衍射线。 波谱定性分析不如能谱定性分析那么简单、直观，就要求对波谱进行更合乎逻辑的分析，以免造成错误。 (下面的表可以不写)
一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间
材料分析测试方法复习题 第一部分 简答题： 1. X 射线产生的基本条件 答：①产生自由电子； ②使电子做定向高速运动； ③在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。 2. 连续X 射线产生实质 答：假设管电流为10mA ，则每秒到达阳极靶上的电子数可达6.25x10（16）个，如此之多的电子到达靶上的时间和条件不会相同，并且绝大多数达到靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生一系列能量为hv （i ）的光子序列，这样就形成了连续X 射线。 3. 特征X 射线产生的物理机制 答：原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K 、L 、M 、N 等 不同能级的壳层上，而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，于是在原来的位置出现空位，原子系统的能量升高，处于激发态，这时原子系统就要向低能态转化，即向低能级上的空位跃迁，在跃迁时会有一能量产生，这一能量以光子的形式辐射出来，即特征X 射线。 4. 短波限、吸收限 答：短波限：X 射线管不同管电压下的连续谱存在的一个最短波长值。 吸收限：把一特定壳层的电子击出所需要的入射光最长波长。 5. X 射线相干散射与非相干散射现象 答： 相干散射：当X 射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，电子振动时向四周发射电磁波的散射过程。 非相干散射：当X 射线光子与束缚不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相撞时的散射过程。 6. 光电子、荧光X 射线以及俄歇电子的含义 答：光电子：光电效应中由光子激发所产生的电子（或入射光量子与物质原子中电子相互碰撞时被激发的电子）。 荧光X 射线：由X 射线激发所产生的特征X 射线。 俄歇电子：原子外层电子跃迁填补内层空位后释放能量并产生新的空位，这些能量被包括空位层在内的临近原子或较外层电子吸收，受激发逸出原子的电子叫做俄歇电子。 7. X 射线吸收规律、线吸收系数 答：X 射线吸收规律：强度为I 的特征X 射线在均匀物质内部通过时，强度的衰减与在物质内通过的距离x 成比例，即-dI/I=μdx 。 线吸收系数：即为上式中的μ，指在X 射线传播方向上，单位长度上的X 射线强弱衰减程度。 8. 晶面及晶面间距 答:晶面：在空间点阵中可以作出相互平行且间距相等的一组平面，使所有的节点均位于这组平面上，各平面的节点分布情况完全相同，这样的节点平面成为晶面。 晶面间距：两个相邻的平行晶面的垂直距离。 9. 反射级数与干涉指数 答：布拉格方程 表示面间距为d ’的（hkl ）晶面上产生了n 级衍射，n 就是反射级数 λ θn Sin d ='2：
1. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足什么公式？写出数学表达式，并说明d、θ、λ的意义。（5分）答：. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足布拉格公式。（1分）其数学表达式：2dsinθ=λ（1分）其中d是晶体的晶面间距。（1分）θ是布拉格角，即入射线与晶面间的交角。（1分）λ是入射X 射线的波长。（1分） 4. 二次电子是怎样产生的？其主要特点有哪些？二次电子像主要反映试样的什么特征？用什么衬度解释？该衬度的形成主要取决于什么因素？（6分） 答：二次电子是单电子激发过程中被入射电子轰击出的试样原子核外电子。（1分） 二次电子的主要特征如下： （1）二次电子的能量小于50eV，主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高。（1分） （2）二次电子发射系数δ与入射束的能量有关，在入射束能量大于一定值后，随着入射束能量的增加，二次电子的发射系数减小。（1分） （3）二次电子发射系数δ和试样表面倾角θ有关：δ(θ)=δ0/cosθ（1分） （4）二次电子在试样上方的角分布，在电子束垂直试样表面入射时，服从余弦定律。（1分） 二此电子像主要反映试样表面的形貌特征，用形貌衬度来解释，形貌衬度的形成主要取决于试样表面相对于入射电子束的倾角。（1分） 2. 布拉格角和衍射角： 布拉格角：入射线与晶面间的交角，（1.5 分） 衍射角：入射线与衍射线的交角。（1.5 分） 3. 静电透镜和磁透镜： 静电透镜：产生旋转对称等电位面的电极装置即为静电透镜，（1.5 分） 磁透镜：产生旋转对称磁场的线圈装置称为磁透镜。（1.5 分） 4. 原子核对电子的弹性散射和非弹性散射： 弹性散射：电子散射后只改变方向而不损失能量，（1.5 分） 非弹性散射：电子散射后既改变方向也损失能量。（1.5 分） 二、填空（每空1 分，共20 分） 1. X 射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 2.扫描仪的工作方式有连续扫描和步进扫描两种。 3. 在X 射线衍射物相分析中，粉末衍射卡组是由粉末衍射标准联合 委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF 卡片。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5.透射电子显微镜的结构分为光学成像系统、真空系统和电气系统。 1. X射线管中，焦点形状可分为点焦点和线焦点，适合于衍射仪工作的是线焦点。 2. 在X 射线物象分析中，定性分析用的卡片是由粉末衍射标准联合委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF(或ASTM) 卡片。 3. X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5. 电子探针是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析。 二、选择题（多选、每题4 分） 1. X射线是（ A D ） A. 电磁波； B. 声波； C. 超声波； D. 波长为0.01~1000?。 2. 方程2dSinθ=λ叫（ A D ） A. 布拉格方程； B. 劳厄方程； C. 其中θ称为衍射角； D. θ称为布拉格角。
1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈
材料物理性能思考题 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？ 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？ 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？ 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。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
材料结构分析试题4（参考答案） 一、基本概念题（共8题，每题7分） 1．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片 答：实验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用 比样品中主元素的原子序数大2~6（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。 选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片， 以滤掉K 线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1β 或2的材料。 以分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，同时选用Fe和Mn 为滤波片。 2．试述获取衍射花样的三种基本方法及其用途？ 答：获取衍射花样的三种基本方法是劳埃法、旋转晶体法和粉末法。劳埃法主要用于分析晶体的对称性和进行晶体定向；旋转晶体法主要用于研究晶体结构；粉末法主要用于物相分析。 3．原子散射因数的物理意义是什么？某元素的原子散射因数与其原子序数有何关系？ 答：原子散射因数f 是以一个电子散射波的振幅为度量单位的一个原子散射波的振幅。也称原子散射波振幅。它表示一个原子在某一方向上散射波的振幅是一个电子在相同条件下散射波振幅的f倍。它反映了原子将X射线向某一个方向散射时的散射效率。 原子散射因数与其原子序数有何关系，Z越大，f 越大。因此，重原子对X射线散射的能力比轻原子要强。 4．用单色X射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成什么图案？为摄取德拜图相，应当采用什么样的底片去记录？
答：用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成一组锥心角不等的圆锥组成的图案；为摄取德拜图相，应当采用带状的照相底片去记录。 5．什么是缺陷不可见判据? 如何用不可见判据来确定位错的布氏矢量? 答：缺陷不可见判据是指：0=?R g ? ?。确定位错的布氏矢量可按如下步骤：找到两个操作发射g1和g2，其成像时位错均不可见，则必有g1·b ＝0，g2·b ＝0。这就是说，b 应该在g 1和g 2所对应的晶面（h 1k 1l 1）he （h 2k 2l 2）内，即b 应该平行于这两个晶面的交线，b ＝g 1×g 2，再利用晶面定律可以求出b 的指数。至于b 的大小，通常可取这个方向上的最小点阵矢量。 6．二次电子像和背散射电子像在显示表面形貌衬度时有何相同与不同之处? 说明二次电子像衬度形成原理。 答：二次电子像: 1）凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE 产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大。 2）平面上的SE 产额较小，亮度较低。 3）在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。 背散射电子像 1）用BE 进行形貌分析时，其分辨率远比SE 像低。 2）BE 能量高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因 检测器无法收集到BE 而变成一片阴影，因此，其图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。因此，BE 形貌分析效果远不及SE ，故一般不用BE 信号。 二次电子像衬度形成原理： 成像原理为：二次电子产额对微区表面的几何形状十分敏感。 如图所示，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大。 5.5 表面形貌衬度原理及其应用 5.5.1 二次电子成像原理SE 信号主要用于分析样品表面形貌。（5－10 nm 范围）二次电子产额对微区表面的几何形状十分敏感，如图所示，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大。成像原理 因为电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加了，使表面5-10 nm 作用体积内逸出表面的二次电子数量增多。
第1章 1、材料是如何分类的？材料的结构层次有哪些？ 答：材料按化学组成和结构分为：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料； 按性能特征分为：结构材料、功能材料； 按用途分为：建筑材料、航空材料、电子材料、半导体材料、生物材料、医用材料。 材料的结构层次有：微观结构、亚微观结构、显微结构、宏观结构。 2、材料研究的主要任务和对象是什么，有哪些相应的研究方法？ 答：任务：材料研究应着重于探索制备过程前后和使用过程中的物质变化规律，也就是在此基础上探明材料的组成(结构)、合成(工艺过程)、性能和效能及其之间的相互关系，或者说找出经一定工艺流程获得的材料的组成(结构)对于材料性能与用途的影响规律，以达到对材料优化设计的目的，从而将经验性工艺逐步纳入材料科学与工程的轨道. 研究对象和相应方法见书第三页表格。 3、材料研究方法是如何分类的？如何理解现代研究方法的重要性？ 答：按研究仪器测试的信息形式分为图像分析法和非图像分析法；按工作原理，前者为显微术，后者为衍射法和成分谱分析。 第2章 1、简述现代材料研究的主X射线实验方法在材料研究中有那些主要应用？ 答：现代材料研究的主X射线实验方法在材料研究中主要有以下几种应用： （1）X射线物相定性分析：用于确定物质中的物相组成 （2）X射线物相定量分析：用于测定某物相在物质中的含量 （3）X射线晶体结构分析：用于推断测定晶体的结构 2、试推导Bragg方程, 并对方程中的主要参数的范围确定进行讨论. 答：见书第97页。 3、X射线衍射试验主要有那些方法, 他们各有哪些应用，方法及研究对象. 答： 实验方法所用 辐射 样 品 照相法衍射仪法 粉末法劳厄法转晶法单色辐射 连续辐射 单色辐射 多晶或晶 体粉末 单晶体 单晶体 样品转动或固定 样品固定 样品转动或固定 德拜照相 机 劳厄相机 转晶-回 摆照相机 粉末衍射仪 单晶或粉末衍 射仪 单晶衍射仪 最基本的衍射实验方法有：粉末法，劳厄法和转晶法三种。由于粉末法在晶体学研究中应用最广泛，而且实验方法及样品的制备简单，所以，在科学研究和实际生产中的应用不可缺少；而劳厄法和转晶法主要应用于单晶体的研究，特别是在晶体结构的分析中必不可少，在某种场合下是无法替代的。 第3章 1、如何提高显微镜分辨本领，电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？ 答：分辨本领：指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离；以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。光学透镜：d0 =0.061λ/n·sinα= 0.061λ/N·A，式中：λ是照明束波长；α是透镜孔径半角； n是物方介 质折射率；n·sinα或N·A称为数值孔径。 在物方介质为空气的情况下，N·A值小于1。即使采用油浸透镜(n=1.5；α一般为70°～75°)， N·A值也不会超过1.35。所以 d0≈1/2λ。因此，要显著地提高显微镜的分辨本领，必须使用波长比可见光短得多的 照明源。
材料结构分析试题5（参考答案） 一、基本概念题（共8题，每题7分） 1．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流是多少？ 答：1.5kW/35kV=0.043A 2．证明（011-）、（121-）、（21 3-）、（0-11）、（1-32）晶面属于[111]晶带。答：根据晶带定律公式Hu+Kv+Lw=0计算 （011-）晶面：1×1+1×-1+0×1=1—1+0=0 （121-）晶面：1×1+1×-2+1×1=1—2+1=0 （21 3-）晶面：-3×1+2×1+1×1=（—3）+2+1=0 （0- 11）晶面：0×1+ - 1×1+1×1=0+（—1）+1=0 （1- 32）晶面：1×1+ - 3×1+1×2=1+（—3）+2=0 因此，经上五个晶面属于[111]晶带。 3．当X射线在原子例上发射时，相邻原子散射线在某个方向上的波程差若不为波长的整数倍，则此方向上必然不存在放射，为什么？ 答：因为X射线在原子上发射的强度非常弱，需通过波程差为波长的整数倍而产生干涉加强后才可能有反射线存在，而干涉加强的条件之一必须存在波程差，且波程差需等于其波长的整数倍，不为波长的整数倍方向上必然不存在反射。 4．某一粉末相上背射区线条与透射区线条比较起来，其θ较高抑或较低？相应的d较大还是较小？ 答：背射区线条与透射区线条比较θ较高，d较小。 产生衍射线必须符合布拉格方程2dsinθ=λ，对于背射区属于2θ高角度区， 根据d=λ/2sinθ，θ越大d越小。 5．已知Cu3Au为面心立方结构，可以以有序和无序两种结构存在，请画出其有序和无序结构[001]晶带的电子衍射花样，并标定出其指数。
《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。
思考题： （XRD可参考：高等结构分析，马礼敦主编，复旦大学出版社；） （BET 和XPS目前无教材，信息来自文献和一些专业书籍） 1. X 射线多晶衍射的基本原理（了解布拉格方程） 结构：X射线管、处理台、测角仪、检测器、计算机 X射线衍射仪主要由X射线发生器(X射线管)、测角仪、X射线探测器、计算机控制处理系统等组成。 工作原理：利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。 当能量很高的X 射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。2d sinθ= nλ d 为晶面间距，θ 为入射X 射线与相应晶面的夹角，λ 为X 射线的波长，正整数n 为衍射级数。即：只有照射到相邻两晶面的光程差是X 射线波长的n 倍时才产生衍射。 2. X射线物相定性分析原理及步骤 X 射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较晶体衍射花样来进行分析的。对于晶体物质中来说，各种物质都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X 射线衍射花样也就各不相同，所以通过比较X 射线衍射花样可区分出不同的物质。目前已知的晶体物质已有成千上万种。事先在一定的规范
《材料结构与性能》 习题
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。
6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章
1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。 4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。