电子材料物理第五章

材料物理化学作业第五章 化学平衡1．1500K 时，含10%CO 、90%CO 2的气体混合物能否将Ni 氧化成NiO ？已知在此温度下NiO O Ni =+221 11112050-Θ⋅-=∆mol J G CO O C =+221 12242150-Θ⋅-=∆mol J G 22CO O C =+ 13395390-Θ⋅-=∆mol J G2．已知250C 时Ag 2O 的分解压为1.317×10-2kPa 。

（1）求此温度下Ag 2O 的标准生成吉布斯自由能；（2）求1molAg 2O 在空气（总压101.3kPa ，X O2=21%）中分解的吉布斯自由能变化；（3）250C 时，Ag 2O 在空气中能否稳定存在？3．竖炉炼锌的总反应为：()()s g ZnO C CO Zn +=+设体系中没有其它气体，求总压为101.3kPa 时反应的开始温度。

已知：()()222g s Zn O ZnO += ()11921740395/G T K J mol ϑ-∆=-+222C O CO += ()12232600167.8/G T K J mol ϑ-∆=--4．已知 ()1()2()122519200125/s s Fe O FeO G T K J mol θ-+=∆=-+()1()234()231545600156.5/22s s Fe O Fe O G T K J mol θ-+=∆=-+ （1）当Fe (s)过量时，高温下FeO 稳定还是Fe 3O 4稳定？两种氧化物共存的温度是多少？（2）当1000K ，氧的分压为1.013kPa 时，是FeO 稳定还是Fe 3O 4稳定？5．钢液中碳氧平衡的反应式如下：[C]+[O]=CO （g ） 145.3135600-Θ⋅--=∆mol TJ G m[C]、[O]的浓度用质量百分浓度表示，f c =1，f o =1。

求16000C 时：（1）平衡常数；（2）含碳0.02%的钢液中氧的平衡含量（Θ=p p CO ）。

《材料物理导论》习题解答第一章材料的力学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2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米?3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。

5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (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。

8. 一试样受到拉应力为1.0×103 N/m2,10秒种后试样长度为原始长度的1.15倍,移去外力后试样的长度为原始长度的1.10倍,若可用单一Maxwell模型来描述,求其松弛时间τ值。

第二章材料的热学9.一硅酸铝玻璃的性能为=2.1J/(㎡▪s▪K)，α=4.6×/K,σf=N/㎡,E=N/㎡,μ=0.25.求第一和第二抗热冲击断裂因子和。

10.一热机部件由氮化硅制成，导热率为1.84J/(㎡▪s▪K)，最大厚度=0.12m,表面热传导系数为500J/(㎡▪s▪K)，请估算能承受热冲击的最大允许温差。

第三章材料的电学20.如果A原子的原子半径为B原子的两倍，那么在其他条件都相同的情况下，A原子的电子极化率大约是B原子的多少倍？25、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。

解：铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。

束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。

在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。

《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 。

0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA 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)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6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：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。

陶聪一世神来之笔一、名词解释二、判断6143第二章：结构缺陷相变（1or2）点群：在有限对称图形中由宏观对称元素组合成的对称元素群。

空间群：由晶体结构的对称操作（点对称操作、平移操作）所组合的对称群。

晶胞：能同时反映晶体周期性和对称性的最小平行六面体重复单元。

对称性：物体由两个或以上的等同部分组成，经过一定空间操作，各部分调换位置后整个物体保持不变的性质。

对称元素：在对称操作中保持不变的点、线、面等几何元素。

（可以是晶体中实际存在，也可以是假想的）晶体场：晶体结构配位多面体中配位负离子对中心正离子所产生的静电势场。

缺陷：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。

点缺陷：引起几个原子范围(三维方向尺寸都很小)的点阵结构不完整。

弗伦克尔缺陷：在满足化学计量比晶体中，金属离子脱离格点位置，形成金属填隙，同时产生金属空位。

肖特基缺陷：在满足化学计量比的晶体中，在晶格中同时出现金属空位和氧空位。

相：体系内物理化学性质相同且完全均匀的部分。

可以是纯物质也可以是混合物。

物种数：平衡体系中所含的化学物质数S。

组分数：能够确定平衡体系中所有各相组成的最少物种数n。

自由度：平衡体系中，在一定范围内可以任意独立改变而不致引起体系中旧项消失或新相产生的独立变数。

第三章：电导（2or1）迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度。

霍尔效应：金属或半导体薄片置于沿z方向的磁场中，当在x方向有电流流过时，在y方向将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

电解效应：在直流电场作用下，离子发生迁移并在电极附近发生电子得失，产生新的物质。

压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。

PTC效应：施主掺杂的BaTiO3在居里温度附近，电阻率随温度的升高急剧增大的现象。

第四章：介电（1）极化：在电场作用下，介质中正、负电荷发生相对位移，正负电荷中心不重合，从而产生感应电荷。

极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小。

极化强度：单位体积内，电偶极矩的矢量和。

习题答案第一章：1.1试阐述经典热容理论、爱因斯坦量子热容理论及德拜热容理论，并说出它们的不同之处。

答：经典热容理论：杜隆－珀替把气体分子的热容理论直接应用于固体，并用统计力学处理热容。

晶体摩尔热容为常数。

爱因斯坦量子热容理论：爱因斯坦把晶体中原子看成是具有相同频率、并在空间自由振动的独立振子。

引用了晶格振动能量量子化即声子的概念。

德拜量子热容理论：格波的频率有一定分布，即不为常数。

德拜考虑到低温下只有频率较低的长声学波对热容才有重要的贡献，可用连续介质中的弹性波来描述。

1.2阐述金属热容与合金热容的特点。

答：包括点阵振动引起的热容LVc和电子热容eVc。

一般情况下，常温时点阵振动贡献的热容远大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略。

金属及合金发生相变时，会产生附加的热效应，并因此使热容（及热焓）发生异常变化。

按照变化特征主要可分为一级相变、二级相变、亚稳态组织转变等情况。

1.3证明理想固体线膨胀系数和体膨胀系数间的关系。

答：见文中（1－43）～（1－47）。

1.4简述影响膨胀系数的因素。

答：膨胀系数与温度、热容、质点间的结合能、熔点以及物质的结构都有关系。

1.5为什么导电性好的材料一般其导热性也好？答：固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由运动来实现的。

导电性好的材料有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，能够迅速地实现热量的传递。

因此，导电性好的材料一般导热性也好。

1.6一级相变、二级相变对热容有什么影响？答：一级相变伴随相变潜热发生，若为恒温转变，在相变时伴随有焓的突变，同时热容趋于无穷大，但是二级相变则没有相变潜热，但热容有突变。

1.7何谓热应力？它是如何产生的？请以平面陶瓷薄板为例说明热应力的计算。

答：不改变外力作用状态，材料仅因热冲击在温度作用下产生的内应力叫热应力。

其产生和计算见文中1.5.2节。

1.8何谓差热分析（DTA）法？差热分析法与普通热分析法有何不同？在DTA基础上发展起来的差示扫描量热（DSC）法与DTA有何不同？答：DTA是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。

2013学年全国中考物理试题汇编第五章《电流和电路》练习题2013学年全国中考物理试题汇编第五章《电流和电路》练习题一、选择题（共41小题，每小题3分，满分123分）1．（3分）如图所示，要使灯泡L1和L2组成并联电路，应（）．C D．4．（3分）（2011•杭州）利用“光控开关”和“声控开关”可以节约居民楼里楼道灯的用电．其中“光控开关”能在天黑时．C D．．C D．6．（3分）（2011•天水）如图所示，开关S、S1、S2都闭合时．灯泡L1与L2组成并联电路的是（）．C D．7．（3分）某保密室有三道门，关上一道门相当于闭合一个开关，当三道门都关上时，值班室内的绿色指示灯L才．C D．8．（3分）（2011•成都）右图所示为家庭中的装饰吊灯，共有六盏灯，由两个开关控制，每个开关控制三盏灯，每盏灯的额定电压都是220V．则选项中所示电路中，与之对应的是（）．D9．（3分）（2008•广东）小轿车上都装有一个用来提醒司机是否关好车门的指示灯．四个车门中只要有一个门没关．C D．10．（3分）如图所示的电路中，闭合开关后两盏灯都可能发光的是（）11．（3分）高压输电网中的铁架与导线之间必须用绝缘材料连接，由于长期暴露在室外，要求这种材料的性质相当．C D．24．（3分）（2011•自贡）用塑料梳子在干燥的头发上梳几下，梳子上会带电，经检验梳子带的是负电荷．下列说法25．（3分）（2011•苏州）甲、乙两种干燥的绝缘物体，甲的原子核对核外电子的束缚能力较强．将它们相互摩擦后26．（3分）（2011•大庆）四个悬挂着的通草小球，静止时的位置关系如图所示，下列说法正确的是（ ）． C D ．29．（3分）（2011•天津）如图甲所示，验电器A 带负电，B 不带电．用带有绝缘柄的金属棒把验电器A 、B 两金属球连接起来的瞬间（如图乙所示），金属棒中（ ）31．（3分）图所示电路与的实物图相符的是（ ）． CD ．32．（3分）（2011•清远）如图所示，下列四个电路图中与右边实物图对应的是（ ）．CD ．． C D ． 34．（3分）在如图所示的四个电路中，与实物图对应的是（ ）．C D ．．C D ．36．（3分）（2011•衢州）为保证司乘人员的安全，轿车上设有安全带未系提示系统．当乘客坐在座椅上时，座椅下的开关S1闭合，若未系安全带，则开关S2断开，仪表盘上的指示灯亮起；若系上安全带，则开关S2闭合，指示灯．C D37．（3分）（2011•宜昌）在击剑比赛中，当甲方运动员的剑击中乙方的导电服时（相当于开关“S甲”闭合），电路导通，乙方指示灯L乙亮；反之当乙方的剑击中甲方的导电服时（相当于开关“S乙”闭合）甲方所示灯L甲亮．图中能．C D．38．（3分）密室有两把不同的钥匙，分别由两个人保管．只有当两把钥匙都插入钥匙孔（相当于闭合开关）电动门．C D．39．（3分）（2011•湛江）保密室有两把不同的钥匙，分别由两个人保管．只有当两把钥匙都插入匙孔（相当于闭合．C D．40．（3分）（2011•菏泽）小明居住的帝都花园中有很多路灯，晚上没有行人时，灯仍然亮着．他想：能不能在晚上没有行人通过时，路灯能自动熄灭呢？通过查资料知道有一种“光控开关（天黑时自动闭合，天亮时自动断开）；还有一种“声控开关”（有声音时自动闭合，一分钟后，若再无声音就自动断开）．小明利用这两种开关设计了一个“聪明”的电路：（1）白天路灯不亮；（2）晚上有人走动发出声音时，路灯自动亮起来，一分钟后，若再无声音就自动断开．．C D．41．（3分）（2011•兰州）如图所示，在练习使用电流表的实验中，某同学发现电流表（0～3A）的量程刻度值标示不清，根据你对电流表的了解，电流表的正确读数是（）二、解答题（共9小题，满分0分）42．电视机的遥控器由两节干电池供电，其工作电压为_________V．电视机的荧光屏上常常带有灰尘，这是因为电视机工作时，荧幕上带有_________而具有了吸引轻小物体的性质．43．电扇使用一段时间后，为什么扇叶容易沾上灰尘？44．如图所示，电流表的读数是_________A．45．如图所示电路，闭合开关时，发现灯泡L1、L2均不亮，电流表指针几乎没有偏转．某同学用一根导线去查找电路故障：他将开关闭合，然后将导线并联在L1两端，发现L2亮，电流表指针发生偏转，由此可知电路故障可能是（电流表的量程较大）_________．46．示教板上面安装两个完全相同的灯泡，都能发光．在不看示教板背面电路连接，不用其他任何仪器的情况下，判断它们是串联还是并联47．如图甲所示，把玻璃珠接入电路中，闭合开关，发现小灯泡不发光．说明：_________；现给玻璃珠加热，如图乙所示，当玻璃珠加热到红炽状态时，发现小灯泡发光，说明：_________．48．有一种材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间，这种材料称为_________材料，电脑的微处理器就是由成千上万个这种材料制成的元件组成；某些材料在特定温度下，电阻接近于零，这种材料物理学上称之为_________材料，此处的特定温度通常_________（选填“很高”、“接近常温”或“很低”）．49．请你根据实物电路，在方框中画出电路图．51．（2012•绥化）汽车在转弯时，位于同侧的前后两个转向灯会同时闪亮，但偶尔也有车在转弯时只亮前灯或后灯．（1）位于同侧的前后两个转向灯是如何连接的？说出你的判断理由．（2）要打开转向灯，司机需拨动一下方向盘旁的一根杆子，这根杆子的作用相当于电路中的哪个元件？2013学年全国中考物理试题汇编第五章《电流和电路》练习题参考答案与试题解析一、选择题（共41小题，每小题3分，满分123分）1．（3分）如图所示，要使灯泡L1和L2组成并联电路，应（）．C D．4．（3分）（2011•杭州）利用“光控开关”和“声控开关”可以节约居民楼里楼道灯的用电．其中“光控开关”能在天黑时．C D．．C D．．C D．7．（3分）某保密室有三道门，关上一道门相当于闭合一个开关，当三道门都关上时，值班室内的绿色指示灯L才．C D．8．（3分）（2011•成都）右图所示为家庭中的装饰吊灯，共有六盏灯，由两个开关控制，每个开关控制三盏灯，每盏灯的额定电压都是220V．则选项中所示电路中，与之对应的是（）．D9．（3分）（2008•广东）小轿车上都装有一个用来提醒司机是否关好车门的指示灯．四个车门中只要有一个门没关．C D．10．（3分）如图所示的电路中，闭合开关后两盏灯都可能发光的是（）11．（3分）高压输电网中的铁架与导线之间必须用绝缘材料连接，由于长期暴露在室外，要求这种材料的性质相当20．（3分）如图所示电路中，属于串联电路的是（）．C D．24．（3分）（2011•自贡）用塑料梳子在干燥的头发上梳几下，梳子上会带电，经检验梳子带的是负电荷．下列说法25．（3分）（2011•苏州）甲、乙两种干燥的绝缘物体，甲的原子核对核外电子的束缚能力较强．将它们相互摩擦后26．（3分）（2011•大庆）四个悬挂着的通草小球，静止时的位置关系如图所示，下列说法正确的是（）． C D ．29．（3分）（2011•天津）如图甲所示，验电器A 带负电，B 不带电．用带有绝缘柄的金属棒把验电器A 、B两金属球连接起来的瞬间（如图乙所示），金属棒中（ ）31．（3分）图所示电路与的实物图相符的是（）．C D．32．（3分）（2011•清远）如图所示，下列四个电路图中与右边实物图对应的是（）．C D．34．（3分）在如图所示的四个电路中，与实物图对应的是（）．C D ．36．（3分）（2011•衢州）为保证司乘人员的安全，轿车上设有安全带未系提示系统．当乘客坐在座椅上时，座椅下的开关S 1闭合，若未系安全带，则开关S 2断开，仪表盘上的指示灯亮起；若系上安全带，则开关S 2闭合，指示灯．C D37．（3分）（2011•宜昌）在击剑比赛中，当甲方运动员的剑击中乙方的导电服时（相当于开关“S甲”闭合），电路导通，乙方指示灯L乙亮；反之当乙方的剑击中甲方的导电服时（相当于开关“S乙”闭合）甲方所示灯L甲亮．图中能．C D．38．（3分）密室有两把不同的钥匙，分别由两个人保管．只有当两把钥匙都插入钥匙孔（相当于闭合开关）电动门．C D．39．（3分）（2011•湛江）保密室有两把不同的钥匙，分别由两个人保管．只有当两把钥匙都插入匙孔（相当于闭合．C D．40．（3分）（2011•菏泽）小明居住的帝都花园中有很多路灯，晚上没有行人时，灯仍然亮着．他想：能不能在晚上没有行人通过时，路灯能自动熄灭呢？通过查资料知道有一种“光控开关（天黑时自动闭合，天亮时自动断开）；还有一种“声控开关”（有声音时自动闭合，一分钟后，若再无声音就自动断开）．小明利用这两种开关设计了一个“聪明”的电路：（1）白天路灯不亮；（2）晚上有人走动发出声音时，路灯自动亮起来，一分钟后，若再无声音就自动断开．．C D．41．（3分）（2011•兰州）如图所示，在练习使用电流表的实验中，某同学发现电流表（0～3A）的量程刻度值标示不清，根据你对电流表的了解，电流表的正确读数是（）二、解答题（共9小题，满分0分）42．电视机的遥控器由两节干电池供电，其工作电压为3V．电视机的荧光屏上常常带有灰尘，这是因为电视机工作时，荧幕上带有电荷而具有了吸引轻小物体的性质．43．电扇使用一段时间后，为什么扇叶容易沾上灰尘？44．如图所示，电流表的读数是0.18A．45．如图所示电路，闭合开关时，发现灯泡L1、L2均不亮，电流表指针几乎没有偏转．某同学用一根导线去查找电路故障：他将开关闭合，然后将导线并联在L1两端，发现L2亮，电流表指针发生偏转，由此可知电路故障可能是（电流表的量程较大）L1断路．46．示教板上面安装两个完全相同的灯泡，都能发光．在不看示教板背面电路连接，不用其他任何仪器的情况下，判断它们是串联还是并联47．如图甲所示，把玻璃珠接入电路中，闭合开关，发现小灯泡不发光．说明：玻璃珠不容易导电（或：玻璃珠是绝缘体）；现给玻璃珠加热，如图乙所示，当玻璃珠加热到红炽状态时，发现小灯泡发光，说明：红炽状态下的玻璃珠是导体．48．有一种材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间，这种材料称为半导体材料，电脑的微处理器就是由成千上万个这种材料制成的元件组成；某些材料在特定温度下，电阻接近于零，这种材料物理学上称之为超导材料，此处的特定温度通常很低（选填“很高”、“接近常温”或“很低”）．49．请你根据实物电路，在方框中画出电路图．51．（2012•绥化）汽车在转弯时，位于同侧的前后两个转向灯会同时闪亮，但偶尔也有车在转弯时只亮前灯或后灯．（1）位于同侧的前后两个转向灯是如何连接的？说出你的判断理由．（2）要打开转向灯，司机需拨动一下方向盘旁的一根杆子，这根杆子的作用相当于电路中的哪个元件？参与本试卷答题和审题的老师有：dongfeng；LSL；空气凤梨；刘治强；fhp826；qsqvqj；山东张洪霞；刘伟；外星人；hyan；ghf198；碧浪淘沙；pyw；pydrx；胡新民；东方星；卢远望；同晓晓；qxdn（排名不分先后）菁优网2013年3月1日。

点缺陷1范围分类1点缺陷.在三维空间各方向上尺寸都很小,在原子尺寸大小的晶体缺陷.2线缺陷在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级),另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷.其具体形式就是晶体中的位错3面缺陷在三维空间的两个方向上的尺寸很大,另外一个方向上的尺寸很小的晶体缺陷2点缺陷的类型1空位.在晶格结点位置应有原子的地方空缺,这种缺陷称为“空位”2.间隙原子.在晶格非结点位置,往往是晶格的间隙,出现了多余的原子.它们可能是同类原子,也可能是异类原子3.异类原子.在一种类型的原子组成的晶格中,不同种类的原子替换原有的原子占有其应有的位置3点缺陷的形成弗仑克耳缺陷:原子离开平衡位置进入间隙,形成等量的空位和间隙原子.肖特基缺陷:只形成空位不形成间隙原子.（构成新的晶面）金属:离子晶体:1 负离子不能到间隙2 局部电中性要求4点缺陷的方程缺陷方程三原则: 质量守恒, 电荷平衡, 正负离子格点成比例增减.肖特基缺陷生成:0＝V M,,+ V O··弗仑克尔缺陷生成: M M＝V M,,+ M i ··非计量氧化物:1/2O2(g)＝V M,,+ 2h·+ O O不等价参杂:Li2O＝2Li M, + O O + V O··Li2O+ 1/2O2 (g) ＝2Li M, + 2O O + 2h· .Nb2O5＝2Nb Ti · + 2 e, + 4O O + 1/2O2 (g) 5过饱和空位.晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡值.如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位,快速冷却到一较低的温度,晶体中的空位来不和移出晶体,就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平衡值.过饱和空位的存在是一非平衡状态,有恢复到平衡态的热力学趋势,在动力学上要到达平衡态还要一时间过程.6点缺陷对材料的影响.原因无论那种点缺陷的存在,都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡即造成小区域的晶格畸变.效果1提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱),增加了阻力,加速运动提高局部温度(发热)2加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站3形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞,集中一片的塌陷形成位错4改变材料的力学性能.空位移动到位错处可造成刃位错的攀移,间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力.会使强度提高,塑性下降.位错7刃型位错若将上半部分向上移动一个原子间距,之间插入半个原子面,再按原子的结合方式连接起来,得到和(b)类似排列方式(转90度),这也是刃型位错.8螺型位错若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距,再按原子的结合方式连接起来(c),同样除分界线附近的一管形区域例外,其他部分基本也都是完好的晶体.而在分界线的区域形成一螺旋面,这就是螺型位错9柏氏矢量.确定方法,首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的回路,也称为柏氏回路,这个回路包含了位错发生的畸变.然后将同样大小的回路置于理想晶体中,回路当然不可能封闭,需要一个额外的矢量连接才能封闭,这个矢量就称为该位错的柏氏矢10柏氏矢量与位错类型的关系刃型位错,柏氏矢量与位错线相互垂直.(依方向关系可分正刃和负刃型位错).螺型位错,柏氏矢量与位错线相互平行.(依方向关系可分左螺和右螺型位错).混合位错,柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度. 柏氏矢量守恒1同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关.2位错不可能终止于晶体的内部,只能到表面,晶界和其他位错,在位错网的交汇点,11滑移运动--刃型位错的滑移运动在晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体上部向有发生移动的趋势.假如晶体中有一刃型位错,显然位错在晶体中发生移动比整个晶体移动要容易.因此,①位错的运动在外加切应力的作用下发生;②位错移动的方向和位错线垂直;③运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移);④位错移出晶体表面将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶.螺型位错的滑移在晶体上施加一切应力,当应力足够大时,有使晶体的左右部分发生上下移动的趋势.假如晶体中有一螺型位错,显然位错在晶体中向后发生移动,移动过的区间右边晶体向下移动一柏氏矢量.因此,①螺位错也是在外加切应力的作用下发生运动;②位错移动的方向总是和位错线垂直;③运动位错扫过的区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移);④位错移过部分在表面留下部分台阶,全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶.这四点同刃型位错.刃,螺型位错滑移的比较.1因为位错线和柏氏矢量平行,所以螺型位错可以有多个滑移面,螺型位错无论在那个方向移动都是滑移2晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向,与位错线的移动方向无关.12刃位错的攀移运动:刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动.刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短,通常把半原子面缩短称为正攀移,反之为负攀移.滑移时不涉和单个原子迁移,即扩散.刃型位错发生正攀移将有原子多余,大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的结果,从而会造成空位的消失;而负攀移则需要外来原子,无外来原子将在晶体中产生新的空位.空位的迁移速度随温度的升高而加快,因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时;另外,温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化,这种空位的变化往往和刃位错的攀移相关.切应力对刃位错的攀移是无效的,正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移,拉应力有助负攀移),但对攀移的总体作用甚小. 13位错点缺陷交互.晶体内同时含由位错和点缺陷时(特别时溶入的异类原子),它们会发生交互作用异类原子在刃位错处会聚集,如小原子到多出半原子面处,大原子到少半原子面处,而异类原子则溶在位错的间隙处. 空位会使刃位错发生攀移运动.界面14表面能的来源.材料表面的原子和内部原子所处的环境不同,内部在均匀的力场中,能量较低,而表面的原子有一个方向没有原子结合,处在与内部相比较高的能量水平.另一种设想为一完整的晶体,按某晶面为界切开成两半,形成两个表面,切开时为破坏原有的结合键单位面积所吸收的能量.由于不同的晶面原子的排列方式不同,切开破坏的化学键的量也不同,故用不同的晶面作表面对应的表面能也不相同,一般以原子的排列面密度愈高,对应的表面能较小15表面能与晶体形状之间的关系.在晶体形成的过程中,为了使系统的自由能最低,尽量降低表面的总能量,即ΣσA最小.一方面尽量让σ最小的晶面为表面,当然也可能是表面能略高但能明显减小表面积的晶面为表面.如fcc结构的晶体自由生长就为14面体粗糙表面与平滑表面晶体的表面在宏观为一能量较低的平面,但表面原子的缺陷,局部表面原子缺少或有多余原子,以表面存在的阵点数与实有原子数的比x来表示,这些缺陷的存在可提高表面的熵,是必然存在的.每种材料有特定的x值下表面能最低,其中x=0.5的表面稳定的称为粗糙表面,大多数的金属材料是属于粗糙表面;x值仅在0或1附近稳定的称为平滑表面,大多是非金属材料.17晶界与杂质原子的相互作用.少量杂质或合金元素在晶体内部的分布也是不均匀的,它们常偏聚于晶界,称这种现象为晶界内吸附.产生的原因可参见位错与点缺陷的作用,一般杂质原子与晶体的尺寸或性质差别愈大,这种偏聚愈严重.杂质原子在晶界的偏聚对晶体的某些性能产生重要的影响,18相界面.两种不同相的分界面.液体的表面是液相和气相的分界面;晶体的表面是晶体和气相(或液相)的分界面;两个不同的固相之间的分界面也是相界面,在我们的课程中主要是指后者.相界面的特性:相界面的结构和晶界有一定的共性,也有一些明显的差别.非共格界面类似大角度晶界,而完全的共格是困难的,共格面两边微少的差别可以用晶格的畸变来调整,界面两边差别不十分大时,将可以补充一定的位错来协调,组成半共格界面.无论那种情况,界面都存在自己的界面能,都将对材料的结构形貌带来明显的影响.第三章相固溶体分类位置分置换固溶体.溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体.间隙固溶体.溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中,不占据晶格结点位置固溶体分类溶解度无限溶解固溶体.溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中.这是把含量较高的组元称为溶剂,含量较少的组元称为溶质.有限溶解固溶体.溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度,超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成.间隙固溶体都是有限溶解固溶体.通常是过渡族金属为溶剂,小尺寸的C,N,H,O,B等元素为溶质.4影响固溶体溶解度的因素在一定条件下,溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在固溶体中的溶解度.影响溶解度的因素很多,目前还在研究中,现在公认的有1尺寸因素.在置换固溶体中,溶质原子的尺寸和溶剂相近,溶解度也愈大,Δr小于15%时才有利于形成置换固溶体,要能达到无限互溶,Δr的值还要小一些.间隙固溶体的形成的基本条件D质/D剂<0.59.在间隙固溶体中,显然D质/D剂愈小,即溶质原子的尺寸愈小,溶解度也大.间隙固溶体只能有限溶解2．晶体结构因素.组元间晶体结构相同时,固溶度一般都较大,而且才有可能形成无限固溶体.若组元间的晶体结构不同,便只能生成有限固溶体3电负性差.电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力.反映两元素的化学性能差别.两元素间电负性差越小,则越容易形成固溶体,且所形成的固溶体的溶解度也就越大;随两元素间电负性差增大,溶解度减小,当其差别很大时,往往形成较稳定的化合物4电子浓度.在金属材料(合金)中,价电子数目(e)与原子数目(a)之比称为电子浓度.由于溶质和溶剂的价电子数可能不同,电子浓度e/a = V A(1-x) + V B x.其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数),V A,V B分别为溶剂和溶质的价电子数.一方面,溶质和溶剂的价电子数目相差大,它们的电负性的差别也大,溶解度会下降.另一方面,当e/a 为某些特定值时形成一新的晶体结构,因此它们的溶解度也就受到相应的限制.5固溶体的性能特点.1由于固溶体的晶体结构与溶剂相同,固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近,即固溶体的性能主要决定于溶剂的性能,或在溶剂性能基础上发生一些改变2固溶体的性能与原溶剂性能的差别,或称性能变化的大小,随着溶质的浓度的增加而加大3以金属元素为溶剂的固溶体,随着溶质的溶入,强度将提高,称为固溶强化,溶质的溶入可造成晶格畸变,材料的塑性变形的阻力加大,塑性略有下降,但不明显.是有效提高金属材料力学性能的途径之一6金属化合物类型.1.正常价化合物两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物.通常是金属元素与非金属元素组成,组元间电负性差起主要作用,两组元间电负性差较大,它们符合一般化合物的原子价规律.例如MnS,Al2O3,TiN,ZrO2等,其结合键为离子键;也有的是共价键,如SiC;少数也有以金属键结合,如Mg2Pb2电子化合物这类化合物大多是以第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素结合而成.它们也可以用分子式表示,但大多不符合正常化学价规律.当e/a 为某些特定值时形成一新的晶体结构,并且电子浓度不同,其对应的晶体结构的类型也就不同.常见的电子浓度值有21/14,21/13,21/12.由于这类中间相与电子浓度有关,所以就称为电子化合物,主要出现在金属材料中,它们的结合键为金属键.一些常见的电子化合物可参看教材.例如Cu31Sn8,电子浓度21/13,具有复杂立方晶格3.间隙化合物.主要受组元的原子尺寸因素控制,通常是由过渡族金属原子与原子半径小于0.1nm的非金属元素碳,氮,氢,氧,硼所组成.由于非金属元素(X)与金属元素(M)原子半径比不同,结构也有所不同.当r X/r M<0.59时,形成具有简单晶体结构的化合物,如fcc,bcc,cph或简单立方,通常称它们为间隙相,相应的分子式也较简单,如M4X,M2X,MX,MX2.当r X/r M>0.59时,形成的化合物的晶体结构也较复杂,通常称它们为间隙化合物,相应的分子式也较复杂,如钢中常见的Fe3C,Cr7C3,Cr23C6等.7金属化合物的性能特点.大多数化合物,特别是正常价化合物,熔点都较高(结合键强的表现之一),力学性能表现为硬而脆.单一由化合物在金属材料中比较少见,而陶瓷材料则是以化合物为主体.少量硬度高的质点加入到塑性材料中,将明显提高材料的强度,即第二相强化机制 .另一方面,化合物往往由特殊的物理,化学(电,磁,光,声等)性能,从而在功能材料中的应用得到迅速发展.相图热力学8克劳修斯-克莱普隆方程.设在一定温度和压力下,某物质处于两相平衡状态,若温度改变为dT,压力相应的改变dp之后,两相仍呈平衡状态.根据等温定压下的平衡条件△G=0,考虑1mol物质吉布斯自由能变化,由于平衡状态△G=G2-G1=0即d G2=d G1按d G=-SdT+Vdp因为过程是在恒温恒压的条件下进行的即为克劳修斯-克莱普隆方程,适应于任何物质的两相平衡体系.9公切线法则-两相平衡.在二元的情况,温度一定时,若AB组元可能形成αβ两种相,其自由能与成分的关系曲线.合金成分为X时: 以单一的α相存在,自由能在1点;以单一的β相存在,自由能在2点;作GαGβ的公切线,切点分别为P,Q,延长交坐标轴为a,b.a点为组元A在α和β的化学位b点为组元B在α和β的化学位,显然二者相等,所以P点的α相成分为x1;Q点的β相成分为x2;它们是平衡相.两相的数量满足杠杆定律,以这两相混合的自由能在M点.这时的自由能最低,它们才是这个温度下的平衡相.注意平衡相是以共切点的成分来分配,如果连接两曲线的最低点,以这样的成分的两相混合,尽管每一相的自由能比切点低,但数量按杠杆定律分配后的混合自由能在3点,依然高于M点结论:二元合金两相平衡的条件是能够作出这两相自由能曲线的工切线.公切线在两条曲线上的切点的成分坐标值便是这两个相在给定温度下的平衡成分.推论三个溶体平衡共存的条件是在给定的温度下,公切线能同时切过三条自由能曲线.或曰这三个溶体的自由能曲线有公切线.这三个切点的成分坐标值便是这三个相在给定温度下的平衡成分.10相律—相律是描述系统的组元数,相数和自由度间关系的法则.相律有多种,其中最基本的是吉布斯相律,其通式f=C-P+2式中,C为系统的组元数,P为平衡共存的相的数目.自由度f不能为负值.对于恒压条件:f = c – p + 1.系统中有p相,c 个组元,则成分引起的变数p(c-1)个.系统总的变数为p(c-1)+1.在多相平衡时,任一组元在各相间的化学位相等, 每个组元可写出个p-1等式,平衡条件总数为c(p-1)11几种二元相图.匀晶相图.两组元在液态和固态都能无限互溶.如Cu—Ni,Ag—Au形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图.相图的构成:由两条曲线将相图分为三个区.左右两端点分别为组元的熔点.上面的一条曲线称为液相线,液相线之上为液相的单相区,常用L 表示;下面的一条曲线称为固相线,固相线之下为固溶体的单相区,常用α表示;两条曲线之间是双相区,标记L+α表示.二元共晶相图.两组元在液态下无限互溶,固态下有限溶解,一组元溶入另一组元中时都使凝固温度下降,并发生共晶转变.如Pb—Sn,Ag—Cu等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图.相图的构成:t A E和t B E为两液相线,与其对应的t A C和t B D为两固相线;CG和DH固溶体α,β的溶解度随温度变化线;CED为水平共晶线.将相图分成三个单相区L,α,β;三个双相区L＋α,L＋β,α＋β和一个三相区L＋α＋β,即CED为共晶线.二元包晶相图.两组元在液态下无限互溶,固态下有限溶解,并且发生包晶转变.相图的构成:ac和bc为两液相线,与其对应的ad和bp为两固相线;df和pg固溶体α,β的溶解度随温度变化线;dpc为包晶转变线.它们分隔相图为三个单相区L,α,β;三个双相区L＋α,L＋β,α＋β; 一个三相区L＋α＋β,即水平线dpc为包晶线.第四章单组元材料的结晶1凝固状态的影响因素1物质的本质.原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低.温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低,而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量.这是热力学的基本原则2熔融液体的粘度:粘度表征流体中发生相对运动的阻力,随温度降低,粘度不断增加,在到达结晶转变温度前,粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时,即可以保持固定的形状,这时物质已经凝固,不能发生结晶.例如玻璃,高分子材料3熔融液体的冷却速度:冷却速度快,到达结晶温度原子来不和重新排列就降到更低温度,最终到室温时难以重组合成晶体,可以将无规则排列固定下来.金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态.2结晶的热力学条件.结晶过程不是在任何情况下都能自动发生.自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行.因为液体的熵值恒大于固体的熵,所以液体的曲线下降的趋势更陡,两曲线相交处的温度T m,当温度T= T m时,液相和固相的自由能相等,处于平衡共存,所以称T m为临界点,也就是理论凝固温度.当T< T m时,从液体向固体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发生结晶过程;反之,当T> T m时,从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发生熔化过程.所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下.3结晶过程.温度变化规律:材料的熔体在熔点以上不断散热,温度不断下降,到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶体,继续降温而出现过冷.过冷到某一程度开始结晶,放出结晶潜热,可能会使其温度回升.到略低于熔点的温度时,放出的热量和散热可达到平衡,这时处于固定温度,在冷却曲线上出现平台.结晶过程完成,没有潜热的补充,温度将重新不断下降,直到室温.组织的变化在一定的过冷度下,液态的熔体内首先有细小的晶体生成,称为形核.随后已形成的晶核不断的长大,同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成.生长过程到相邻的晶体互相接触,直到液体全部转变完毕.每个成长的晶体就是一个晶粒,它们的接触分界面就形成晶界.4自发形核1能量变化.在一定的过冷度下,液体中若出现一固态的晶体,该区域的能量将发生变化,一方面一定体积的液体转变为固体,体积自由能会下降,另一方面增加了液－固相界面,增加了表面自由能2临界大小.在一定过冷度下,ΔG V为负值,而σ恒为正值.可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积.设ΔG V和σ为常数,最有利的形状为球.当细小晶体的半径大于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能下降,这种可以长大的小晶体称为晶核.如果它的半径小于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能将上升,自发过程为不断减小到消失3晶核的来源.熔体在熔点附近时,处在液态总体的排列是无序的,但局部的小区域并非静止不动的,原子的运动可造成局部能量在不断变化,其瞬间能量在平均值的上下波动,对应的原子排列在变化,小范围可瞬间为接近晶体的排列,其范围大小对应的能量于平均能量之差ΔG小于临界尺寸的(晶胚)下一步减小到消失,大于临界尺寸的可能不断长大,晶核.等于临界尺寸大小的晶核高出平均能量的那部分称为“形核功”.过冷度愈小,固—液自由能差也小,临界尺寸大,形核功也高,出现的几率也小.太小的过冷度在有限的时空范围内不能形核5非自发形核.如果形核不是在液体内部,如附着在某些已存在的固体(液体中存在的未熔高熔点杂质),例如在固体上形成球冠形,这时可以利用附着区原液体和杂质的界面能,特别是核心和杂质间可能有小的界面能.这种依附在某些已有的固体上形核称之为6晶核的长大一长大条件.从热力学分析可知,要使系统的自由能下降,在液—固界面附近的部分液体转变为固体,依然要求在界面附近要存在过冷度,前面冷却曲线上平台和理论结晶温度之差就是长大所要求的过冷度,也称为“动态过冷度”.金属材料的动态过冷度很小,仅0.01—0.05℃,而非金属材料的动态过冷度就大得多.若液—固界面处于平衡,则界面的温度应该为理论结晶温度.二长大速度.凝固过程中,晶体在不断长大,界面在单位时间向前推移的垂直距离称为长大线速度三正温度梯度下晶体的长大.正温度梯度是指液—固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升高,这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体向外散失.平衡时界面的温度为理论结晶温度,液体的温度高于理论结晶温度.当通过已凝固的固体散失热量时,达到动态过冷的部分液体转变为固体,界面向前推移,到达理论结晶温度处,生长过程将停止.所以这时界面的形状决定于散热,实际上为理论结晶温度的等温面.在小的区域内界面为平面,局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度,因此可理解为齐步走,称为平面推进方式生长.四负温度梯度下晶体的长大.负温度梯度是指液—固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而降低,这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失,而且还可向低温的液体中传递.在小的区域内若为平面,局部的不平衡可带来某些小凸起,因前沿的温度较低而有利生长,因而凸。

第五章 习题集锦1问题 式(5－1)是一维形式的扩散第一定律，请写出三维形式的扩散第一定律。

()CCCJ D i j k x y z ∂∂∂=-++∂∂∂2问题 请举出上坡扩散的具体例子。

提示：参考“相互作用参数”的相关内容。

注意与调幅分解联系 Fe －C －Si ；原子的偏聚；……3问题 请分别在液态和气态中，举出下坡扩散的具体例子。

墨水滴入静止的水中；熔炼中的除气、提纯等4问题 夏天铺设柏油马路，沥青味从外面进入教室。

请问沥青的味道主要通过扩散进入教室的吗？不是，沥青气味是通过对流进入教室的气体液体中物质流动方式：对流+扩散，固体中只有扩散5问题 氧气与氮气的平均自由程约为0.055m μ与0.06m μ。

这两个数据与门窗通常的缝隙比小很多。

假定门窗缝隙经过细致加工后达到上述尺寸精度，问关紧门窗在房间里睡觉会出现什么问题？为什么？气体分子：相邻两次碰撞之间的平均距离，即称为分子的平均自由程。

门缝小于O 与N 的自由程，无法进入室内，……6问题 1.()B x μ化学势的一维形式?。

请写出B 原子化学势的三维形式。

2. B 原子化学势的数学性质是标量还是矢量？扩散通量J 呢（矢量）？如果它们的数学性质存在差异，写成等式?是不是会引起矛盾？7问题 讲义中写到：“气体中的扩散都是下坡扩散，因为气体的0Ω≈”，为什么气体的0Ω≈？气体分子的平均自由程比较大，原子间距离太远问题 讲义中说：“若Ω非常大且温度不是特别高，则内能项起决定作用，此时1x 的化学势高于2x ，因此B 原子由低浓度的1x 处向2x 处扩散，即上坡扩散”。

1.自己给定数据，用数据具体说明化学势的高低；2.结合固溶体三种微观状态的理论分析，解释为什么此时低浓度向高浓度扩散。

Ω＞＞0，内能决定作用，同类原子A-A 更易于聚集，因此倾向偏聚，偏聚处A 原子浓度较其他区域高，而A 原子仍向该区域聚集，因此是上坡扩散。

8问题 规则溶液模型的()2B B B 1ln GC Z k T C μ=+-Ω+中，没有考虑应变能。