材料物理性能作业及课堂测试

材料物理性能A 试卷答案及评分标准一、是非题（1分×10=10分）1√；2×；3×；4√；5×；6√；7√；8√；9√；10×。

二、名词解释（3分×6=18分，任选6个名词。

注意：请在所选题前打“√”）1、磁后效应：处于外电场为H0的磁性材料，突然受到外磁场的跃迁变化到H1，则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达到稳定值，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定值，这种现象称为磁后效应。

2、塑性形变：是指在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外应力移去后不能恢复的形变。

无机材料的塑性形变，远不如金属塑性变形容易。

3、未弛豫模量：测定滞弹性材料的形变时，如果测量时间小于τε、τσ，则由于随时间的形变还没有机会发生，测得的是应力和初始应变的关系，这时的弹性模量叫未驰豫模量。

4、介质损耗：由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其他形式的能，统称为介质损耗。

5、光频支振动：光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间的位相差很大，邻近质点的运动几乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频支振动”。

6、弹性散射：散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射。

7、德拜T3定律：当温度很低时，即T<<θD，c v=1939.7(T/θD)3j.K-1.mol-1，即当T→0 K时，c v∝T3→0。

8、BaTiO3半导体的PTC现象：价控型BaTiO3半导体在晶型转变点附近，电阻率随温度上升发生突变，增大了3~4个数量级的现象。

三、简答题（5分×5=25分，任选5题。

注意：请在所选题前打“√”）1、（1）构成材料元素的离子半径；（2）材料的结构、晶型；（3）材料存在的内应力；（4）同质异构体。

2、（1）透过介质表面镀增透膜；（2）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们黏起来，以减少空气界面造成的损失。

西 安 科 技 大 学 2011—2012学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷）学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：———装 订 线————————装 订 线 以 内 不 准 作 任 何 标 记————————装 订 线———西 安 科 技 大 学 2011—2012 学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷）学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：———装 订 线————————装 订 线 以 内 不 准 作 任 何 标 记————————装 订 线———材料物理性能 A卷答案一、填空题（每空1分，共25分）：1、电子运动服从量子力学原理周期性势场2、导电性能介电性能3、电子极化原子（离子）极化取向极化4、完全导电性（零电阻）完全抗磁性5、电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩6、越大越小7、电子导热声子导热声子导热8、示差热分析仪（DTA）、示差扫描热分析（DSC）、热重分析（TG）9、弹性后效降低（减小）10、机械能频率静滞后型内耗二、是非题（每题2分，共20分）：1、√2、×3、×4、√5、×6、√7、×8、×9、×10、√三、名词解释（每题3分，共15分）：1、费米能：按自由电子近似，电子的等能面在k空间是关于原点对称的球面。

特别有意义的是E=E F的等能面，它被称为费米面，相应的能量成为费米能。

2、顺磁体：原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性，当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场，这样的磁体称顺磁体。

3、魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。

4、因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。

5、弛豫模量：教材P200四、简答题（每题6分，共30分）：1、阐述导体、半导体和绝缘体的能带结构特点。

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：真应力OY = — = ―"°。

—=995(MP Q)A 4.524 xlO-6真应变勺=In — = In — = In^v = 0.0816/0 A 2.42名义应力a = — = ―4°°°_ 一= 917(MPa)A) 4.909x1()2名义应变£ =翌=& —1 = 0.0851I。

A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/\12O3(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Ei=380GPa, E2=84GPa, V^O. 95, V2=0. 05o则有上限弹性模量=E]% +E2V2 = 380 X 0.95 +84 X 0.05 =365.2(GP Q)下限弹性模量战=(¥ +3)T =(?料+誓尸=323.1(GP Q)E]380 84当该陶瓷含有5%的气孔时，将P二0. 05代入经验计算公式E=E O(1-1. 9P+0. 9P2) 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 = oo和t二£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：其应力松弛曲线方程为：b⑴=贝0光必则有:<7(0) = b(0);cr(oo) = 0;<7(r)= a(0)/e.Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程：其蠕变曲线方程为：的)=火(1 -广")=£(00)(1 _g")E则有：£(0)=0； £(OO)= 21;冶)=%1-(尸).以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上山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。

材料物理通用B（答案）姓名：单位：级别：准考证号：装订线﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉﹉材料物理检验各专业通用试卷B注意事项：1、请填写您的姓名、工作单位、申报类别、等级及准考证号2、请按题目要求在规定的位置填写答案：3、本试卷满分100分。

一、填空（共25分，每空1分）1、金属拉伸的比例试样系按公式L0=kS01/2计算而得出试样原始标距长度的试样，k通常为 5.65 或11..3 。

2、规定非比例延伸强度测定方法有图解法和逐级施力法两种，也可以使用自动装置或自动测试系统测定。

3、影响拉伸测试结果的主观因素有人为因素和试样制作的因素两个方面；而客观因素主要指仪器设备条件和环境条件。

4、常用的引伸计有机械式、光学式和电子式三类。

5、弯曲试验常使用两种加载方法，即三点弯曲法和四点弯曲法，一般工厂试验室中常使用三点弯曲法。

6、弯曲弹性模量是指弯曲应力和弯曲应变呈线性比例关系范围内的弯曲应力和弯曲应变之比。

7、交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化的应力。

8、高温强度持久试验的试验室温度一般保持在10——35℃之间；实验室应远离或隔离震源，室内严防震动。

二、选择正确答案（共10分，每题2分）1、带凸耳板状试样用作（ A ）。

54A 金属材料无约束型压缩试样B金属材料约束型压缩试样C高分子非金属材料压缩试样2、铁碳合金基本组织中，（ B ）是单相组织。

A 珠光体B 奥氏体C莱氏体3、连续冷却转变时，共析碳钢不形成（ A ）。

A 贝氏体B 珠光体和索氏体C索氏体和屈氏体4、金属蠕变曲线的（ B ）段是恒速蠕变阶段。

A abB bcC cd5*、硬度测定时，图（ C ）所示为试样正确放置方法。

A B C5#、塑性材料扭转试样的断口为（ C ）。

A 切断断口B正断断口 C 木质纤维状断口三、名词解释（共15分，每题3分）1、弹性和弹性变形2、塑性和塑性变形3、断裂4*、奥氏体2435*、铁素体2434#、珠光体存在于727℃以下温度，是铁素体与渗碳体两相层片相间的机械混合物，平均含碳量为0.77%。

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)（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:）（）超导体（）（）导体（）（）半导体（）（）绝缘体（m .104m .10103m .10102m .1012728-828Ω〈Ω〈〈Ω〈〈Ω〈---ρρρρ2、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。

材料物理性能试题2014.5.一、阐述下列概念(每题6分，共30分)(1)电介质的极化在外电场作用下，电介质的表面上出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。

(2)声子声子就是''晶格振动的简正模能量量子。

"英文是phonon(3)软磁材料和硬磁材料硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。

软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

(4)晶体的特征(1)晶体拥有整齐规则的几何外形，即晶体的自范性。

(2)晶体拥有固定的熔点，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。

(4)晶体可以使X光发生有规律的衍射。

宏观上能否产生X光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法。

[1](5)晶体相对应的晶面角相等，称为晶面角守恒。

[2](5)画出体心立方晶体结构，原胞，并写出基矢体心立方结构(右)M W ■其体积为；配位原胞（右）晶胞基矢a \ R I并且&£■』；芭■我，其惯用原胞基矢由从一顶点指向另外三个体心点的矢量构成，二、解答题（共70分）1.影响无机非金属材料（晶体）导热率的因素有哪些？（10分）%1晶体中热量传递速度很迟缓，因为晶格热振动并非线性的，格波间有着一定的耦合作用，？^子间会产生碰撞，使声子的平均自由程减小。

格波间相互作用愈强，也即声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。

因此，声子间碰撞引起的散射是晶体中热阻的主要来源。

%1晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会引起格波的散射，等效于声子平均自由程的减小，从而降低X.O %1平均自由程还与声子的振动频率V有关。

振动V不同，波长不同。

波长长的格波易绕过缺陷，使自由程加大，散射小，因此热导率入大。

%1平均自由程1还与温度T有关。

温度升高，振动能量加大，振动频率v加快，声子间的碰撞增多，故平均自由1减小。

但其减小有一定的限度，在高温下，最小的平均自由程等于几个晶格间距；反之，在低温时，最长的平均自由程长达晶粒的尺度。

材料物理性能课后习题答案北航出版社一、单项选择题：本题共6小题，每小题3分，共18分，每小题只有一个选项符合题意。

1．下列叙述和热力学定律相关，其正确的是（）A ．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律B ．第二类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律C ．电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D ．气体可以从单一热源吸热，并全部用来对外做功，而不引起其它变化2．氢原子发出a 、b 两种频率的光，经三棱镜折射后的光路如图所示，若a 光是由能级n =5向n =2跃迁时发出时，则b 光可能是（） A ．从能级n =4向n =3跃迁时发出的 B ．从能级n =4向n =2跃迁时发出的 C ．从能级n =6向n =3跃迁时发出的 D ．从能级n =6向n =2跃迁时发出的3．玻尔认为，围绕氢原子核做圆周运动的核外电子，轨道半径只能取某些特殊的数值，这种现象叫做轨道的量子化.若离核最近的第一条可能的轨道半径为r 1，则第n 条可能的轨道半径为12r n r n =（n =1，2，3，……），其中n 叫量子数.设氢原子的核外电子绕核近似做匀速圆周运动形成的等效电流，在n =2状态时其强度为I ，则在n =3状态时等效电流强度为. （） A ．I 23 B ．I 32 C ．I 94 D ．I 278 4. 在匀强磁场中有一个静止的氡原子核（Rn 22286），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之比为42∶1，如图所示。

那么氡核的衰变方程应是下列方程的哪一个（）A ．e Fr Rn 012228722286-+→B ．He Po Rn 422188422286+→ C ．e At Rn 012228522286+→ D ．H At Rn 212208522286+→ 5．有一种杂技表演叫“飞车走壁”，由杂技演员驾驶摩托车沿圆台形表演台的侧壁高速行驶，做匀速圆周运动。

材料物理性能作业及课堂测试热学作业（一）1. 请简述关于固体热容的经典理论. 爱因斯坦热容模型解决了热容经典理论存在的什么问题？其本身又存在什么问题？为什么会出现这样的问题？德拜模型怎样解决了爱因斯坦模型的问题？答：固体热容的经典理论包括关于元素热容的杜隆-珀替定律，以及关于化合物热容的柯普定律。

前者内容为：恒压下元素的原子热容约为25 J/(K·mol)。

后者内容为：化合物分子热容等于构成该化合物的各元素原子热容之和。

爱因斯坦热容模型解决了热容经典理论中C m不随T变化的问题。

在高温下爱因斯坦模型与经典理论一致，与实际情况相符，在0K时C m为0，但该模型得出的结论是C m 按指数规律随T变化，这与实际观察到的C m 按T3变化的规律不一致。

之所以出现这样的问题是因为爱因斯坦热容模型对原子热振动频率的处理过于简化——原子并不是彼此独立地以同样的频率振动的，而是相互间有耦合作用。

小. 例如，Cu 在室温（20℃）下密度为8.94g/cm 3，待加热至1000℃时，其理论密度值为多少？（不考虑热缺陷影响，Cu 晶体从室温~1000℃的线膨胀系数为17.0×10-6/℃） 解：因为3202020a m V m D==，3100010001000a m V m D == 又由)201000(2020100020-⋅-=∆⋅∆=a a a T a a l α，得201000)1980(a a l ⋅+⋅=α 故2033203310001000)1980(1)1980(D a m a m D l l ⋅+⋅=⋅+⋅==αα94.8)1100.17980(136⨯+⨯⨯=-= 8.79g/cm 3或者： 由体膨胀系数l V V V V T V V αα3)201000(2020100020≈-⋅-=∆⋅∆=， 得201000)12940(V V l ⋅+⋅=α 故202010001000)12940(1)12940(D V m V mD l l ⋅+⋅=⋅+⋅==αα 94.8)1100.172940(16⨯+⨯⨯=-= 8.51g/cm 32、利用热膨胀原理，将一根外径为10.00mm 的钨棒与一根内径为9.98mm 的不锈钢环组装在一起. 将不锈钢环加热到一定温度后取出，在室温（20℃）下迅速与钨棒组装. 为了保证能够组装，至少应加热至多高温度？（钨的热膨胀系数取4.5×10-6/℃，不锈钢的热膨胀系数取16.0×10-6/℃）解：根据热膨胀系数定义式有：α=∆⨯-T D D D f 00在组装时，不锈钢环的温度为T f1，内径为D c ，钨棒的温度为T 0=20℃，外径为D r ；D c = D r = 10.00mm 。

材料物理习题集第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础）1. 一电子通过5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3）计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d =2.04×10-10m ）的布拉格衍射角。

（P5）12341311921111o '(2)6.610 =(29.1105400 1.610)=1.67102K 3.7610sin sin 2182hh pmE m d dλπλθλλθθ----=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯==⇒=解：（1）=（2）波数=（3）22. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的;;s s s s s s s 2262322626102610（1）1、22p 、33p （2）1、22p 、33p 3d 、44p 4d ，请分别写出n=3的所有电子的四个量子数的可能组态。

（非书上内容）3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级的能量比费米能级高出多少k T ？（P15）1()exp[]11ln[1]()()1/4ln 3()3/4ln 3FF F F f E E E kT E E kT f E f E E E kT f E E E kT=-+⇒-=-=-=⋅=-=-⋅解：由将代入得将代入得4. 已知Cu 的密度为8.5×103kg/m 3，计算其E 0F 。

（P16）2203234262333118(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5=1.0910 6.83Fh E n m J eVππ---=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=解：由5. 计算Na 在0K 时自由电子的平均动能。

（Na 的摩尔质量M=22.99，.0ρ⨯33=11310kg/m ）（P16）220323426233311900(3/8)2(6.6310) 1.01310 =(3 6.0210/8)291022.99=5.2110 3.253 1.085FF h E n mJ eVE E eVππ---=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===解：由由 6. 若自由电子矢量K 满足以为晶格周期性边界条件x x L ψψ+()=()和定态薛定谔方程。

材料物理习题集第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础）1.一电子通过 5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长； （2）计算它的波数；（ 3）计算它对 Ni 晶体（ 111）面（面间距 d =× 10-10 m ）的布拉格衍射角。

（ P5）解：（ 1） =hh1p(2 mE) 2= 6.6 10 341(29.1 10 31 5400 1.6 10 19 ) 2=1.67 10 11 m（2）波数 K = 23.76 1011（ 3） 2d sinsin2o 18'2 d2.有两种原子，基态电子壳层是这样填充的（1）1s 2、2s 2 2p 6、3s 2 3p 3;，请分别写出 n=3 的所有电子的四个量（2）1s 2、2s 2 2p 6、3s 2 3p 63d 10、 4s 2 4p 6 4d 10;子数的可能组态。

（非书上内容）3.如电子占据某一能级的几率是的能量比费米能级高出多少1/4 ，另一能级被占据的几率为k T ？（ P15）3/4 ，分别计算两个能级1解：由 f ( E)EF ]exp[E1kT E E F11] kT ln[f ( E )将 f (E) 1/ 4代入得 E E F ln 3 kT将 f (E)3/ 4代入得 EE Fln 3 kT4.已知 Cu 的密度为× 10 3kg/m 3，计算其 E 0F 。

（ P16）解：h22(3n / 8) 3由 E F2m= (6.6334262 1031)(38.5 10 6.02 1023 / 8 ) 3291063.5=1.0910 18J 6.83eV5.计算 Na 在 0K 时自由电子的平均动能。

（ Na 的摩尔质量 M=，=1.013103 kg/m3）（P16）解：由 E F0h22 (3 n / 8) 32m= (6.6334262 1031)(3 1.013 10 6.021023 /8 )3291022.99 =5.2110 19J 3.25eV由E03E F0 1.08eV 56.若自由电子矢量K 满足以为晶格周期性边界条件( x)= ( x L)和定态薛定谔方程。

材料物理考试题目及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 材料的弹性模量E表示材料的哪种性质？A. 抗拉强度B. 抗弯强度C. 弹性变形能力D. 塑性变形能力答案：C2. 下列哪种材料属于半导体材料？A. 铜B. 石墨C. 硅D. 铁答案：C3. 材料的断裂韧性KIC的单位是？A. PaB. Pa·m^0.5C. Pa·m^1.5D. Pa·m^2答案：B4. 材料的硬度通常是指材料的哪种性质？A. 塑性B. 韧性C. 弹性D. 脆性答案：B5. 下列哪种材料不属于金属材料？A. 铝合金B. 铜合金C. 陶瓷D. 钢答案：C6. 材料的疲劳寿命与哪种因素有关？A. 材料的强度B. 材料的韧性C. 材料的硬度D. 所有选项答案：D7. 材料的热膨胀系数表示材料在温度变化时体积变化的哪种性质？A. 线性变化B. 面积变化C. 体积变化D. 密度变化答案：C8. 材料的屈服强度是指材料在哪种应力状态下的应力值？A. 单轴拉伸B. 单轴压缩C. 多轴拉伸D. 多轴压缩答案：A9. 材料的断裂韧性KIC与材料的哪种性质无关？A. 弹性模量B. 屈服强度C. 硬度D. 密度答案：D10. 材料的疲劳强度通常是指材料在哪种循环应力下的应力值？A. 单轴拉伸B. 单轴压缩C. 多轴拉伸D. 多轴压缩答案：A二、填空题（每空1分，共20分）1. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗永久变形的能力。

答案：屈服强度2. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗断裂的能力。

答案：断裂韧性3. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗弹性变形的能力。

答案：弹性模量4. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗塑性变形的能力。

答案：屈服强度5. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗疲劳破坏的能力。

答案：疲劳强度6. 材料的____是指材料在受到外力作用时，能抵抗硬度变化的能力。