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第1章 原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。
2．原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。
3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
4．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素最外层电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。
5．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答：S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。
8．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCI的高。
第10章 材料的功能特性一、简答题1．提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些？为什么说Cr 是不锈钢中最重要的合金元素？答：（1）提高钢材耐蚀性的主要方法有：在表面形成致密氧化膜、提高基体电极电位、形成单相组织。
（2）Cr 可形成表面致密氧化膜Cr 2O 3，可提高电极电位，可形成单相铁素体。
2．对能带理论与量子自由电子理论所给出的固体材料中外层电子状态特点进行比较，指出其异同点。
答：（1）相同点。
外层电子的波矢都是量子化的，具有相同的允许取值条件：123n ,n ,n 1232π2π2π,,k n n n LL L ⎛⎫= ⎪⎝⎭因此能量也都是量子化的。
（2）不同点。
量子自由电子理论给出的电子能级，对于宏观材料时准连续的能级，能量与波矢之间的关系为。
而根据能带理论，电子的能级之间可能产生相对于电222k mηε=子的相邻能级间隔来说很宽的禁带（发生于相邻的布里渊区边界上），而电子能级的能量与电子波矢之间的关系通常都偏离抛物线关系。
二、计算题1．面心立方结构的金属Cu （按正一价计算）的晶格常数为0.361nm ，依据量子自由电子理论计算其自由电子的费米能、费米波矢，给出0K 下自由电子的平均动能以及所对应的运动速度大小。
解：自由电子的体积密度为：283v 93418.510m (0.36110)e N --⨯==⨯⨯费米能：234222/32282/318F v 31(1.0510)(3π)(3π8.510) 1.1210J 7.02eV 229.110e N m ηε---⨯=⋅=⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯费米波矢：1/231181/2101F F 2342(29.110 1.1210) 1.3610m 1.0510m k εη----⎛⎫⨯⨯⨯⨯===⨯ ⎪⨯⎝⎭0K 下，自由电子的平均动能为费米能的3/5，故为4.2eV ；相对应的运动速度为：1/26F 2 1.5710m/s v m ε⎛⎫===⨯ ⎪⎝⎭2．8mol% 222材料，请写出两种可能发生的固溶反应式及相应的固溶体化学式。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1．由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶（柯肯达尔效应），以下表述正确的是（ ）。
[上海交通大学2005研]A ．俣野面两侧的扩散原子其化学势相等：，A A A AB μμ-=B B A A Bμμ-=B ．该扩散为上坡扩散C ．空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2．有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体，设a 0为晶格常数，为间隙原子延扩散方向ν的振动频率，为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量，则扩散系数可与表示为（rn G ∆）。
[浙江大学2007研]A ．2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B ．2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C ．2rn 02exp GD a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3．下列有关固体中扩散的说法中，正确的是（ ）。
[东南大学2006研]A ．原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B ．空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C ．晶界上点阵畸变较大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小D ．成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4．912℃下的晶胞体积为0.02464nm ，而转变为晶胞晶体为Fe α-Fe γ-0.0486nm ，在该温度单位质量转变为时，其体积（ ）。
[哈尔滨工业大学Fe γ-Fe α-2007研]A ．膨胀B ．收缩C ．不变D ．不能确定【答案】A二、填空题1．扩散系数与温度的关系式是_________。
在高温阶段和低温阶段，扩散系数较大的是_________。
[天津大学2010研]【答案】；低温阶段0exp(/)D D Q RT =-2．线性高分子可反复使用，称为________塑料；交联高分子不能反复使用，称为________塑料。
[北京工业大学2009研]【答案】热塑性；热固性3．从F -R 源模型考虑，金属沉淀强化后的屈服强度与沉淀相粒子平均间距L 的关s σ系为_______。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1．影响扩散速率的最主要因素是（ ）。
A ．固溶体类型B ．晶体结构C ．温度【答案】C2．菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ ）变化。
A ．距离B ．时间C ．温度【答案】B二、判断题扩散的驱动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
【答案】×【解析】扩散的驱动力是化学势梯度，扩散也可以从低浓度向高浓度进行。
三、简答题1．试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对黏流温度的影响。
答：由链段与能垒（势垒）差的关系可知：分子链柔顺性越好，链内旋转的势垒（△ε）越低，流动单元链段也越短。
按照高分子流动的分段移动机理，此时柔性分子链流动所需要的自由体积空间小，因而在比较低的温度下就可能发生黏性流动。
当相对分子质量越小时，分子链之间的内摩擦阻力越小，分子链的相对运动更容易些，因而黏流温度就降低。
2．已知聚乙烯的玻璃化转变温度T g ＝－68℃，聚甲醛的T g ＝－83℃，聚二甲基硅氧烷的T g ＝－128℃，试分析高分子链的柔顺性与它们的T g 的一般规律。
答聚乙烯的重复单元结构为：—CH2—CH 2—；聚甲醛的重复单位结构为：—CH 3—O—，聚二甲基硅氧烷的重复单元结构为：因Si—O 键的内旋转C—O 比键容易，而C—O 键的内旋转又比C—C 键容易，内旋转越容易，分子链柔顺性越好。
由此可知随着柔顺性的提高，温度T g 就降低。
3．50%结晶高分子的模量与随温度的变化，如图4-1所示。
（1）在图中粗略画出不同模量范围内的玻璃态、皮革态、橡胶态和黏流态的位置，并说明原因。
（2）在该图上粗略画出完全非晶态和完全晶态的模量曲线，并说明原因。
图4-1答：（1）不同模量对应高分子不同的状态，如图4-2（a）所示：在低温端，50%的非晶区，链段不能开动，表现为刚性，模量高；随着温度的提高，链段可运动，随之模量下降，高分子显示出晶区的强硬和非晶区的部分柔顺的综合效应，即又硬又韧的皮革态；当非晶区随温度进一步提高而链段可动性更大时，柔顺性更好，显示高弹性（即橡胶态）。
胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库第1章原子结构与键合一、简答题1．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素，总的相对原子质量不总为正整数。
2．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答：S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。
3．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCl的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCl的高。
4．高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。
答：热塑性：具有线型和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成形；热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。
5．已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的强弱。
答：1s22s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；IVA族；亚金属Ge。
其处于周期表中金属区与非金属区的交界线上，金属性较弱。
6．图1-1中绘出3类材料——金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离的关系曲线，试指出它们各代表何种材料。
图1-1答：a：高分子材料；b：金属材料；c：离子晶体。
7．分别绘出甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）的原子排列与键合。
答：见图1-2。
图1-2（a）CH 4分子呈四面体结构，每个C 有4个共价键，每个H 有1个共价键，分子间靠范德瓦耳斯力维系。
第4章固体中原子及分子的运动一、选择题1．由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶（柯肯达尔效应），以下表述正确的是（）。
[上海交通大学2005研]A．俣野面两侧的扩散原子其化学势相等：A A A A B μμ-=，B B A A B μμ-=B．该扩散为上坡扩散C．空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2．有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体，设a 0为晶格常数，ν为间隙原子延扩散方向的振动频率，rn G ∆为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量，则扩散系数可与表示为（）。
[浙江大学2007研]A．2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B．2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C．2rn 02exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3．下列有关固体中扩散的说法中，正确的是（）。
[东南大学2006研]A．原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B．空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C．晶界上点阵畸变较大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小D．成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4．912℃下Fe α-的晶胞体积为0.02464nm，而转变为Fe γ-晶胞晶体为0.0486nm，在该温度单位质量Fe γ-转变为Fe α-时，其体积（）。
[哈尔滨工业大学2007研]A．膨胀B．收缩C．不变D．不能确定【答案】A二、填空题1．扩散系数与温度的关系式是_________。
在高温阶段和低温阶段，扩散系数较大的是_________。
[天津大学2010研]【答案】0exp(/)D D Q RT =-；低温阶段2．线性高分子可反复使用，称为________塑料；交联高分子不能反复使用，称为________塑料。
[北京工业大学2009研]【答案】热塑性；热固性3．从F -R 源模型考虑，金属沉淀强化后的屈服强度s σ与沉淀相粒子平均间距L 的关系为_______。
[江苏大学2005研]【答案】s 1/Lσ∝4．扩散第一定律d d c J Dx =-中J 是________，D 是________，d d c x是________。
[沈阳大学2009研]【答案】扩散流量；扩散系数；浓度梯度三、判断题1．扩散的决定因素是浓度梯度，原子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
（）[北京工业大学2007研]【答案】×2．固态金属中原子扩散的驱动力是浓度梯度。
（）[合肥工业大学2005研]【答案】×【解析】其驱动力为化学势梯度。
四、名词解释1．柯肯达尔效应[湖南大学2007研]答：在置换式固溶体中，由于两种原子以不同的速度相对扩散而造成标记面漂移的现象被称为柯肯达尔效应。
2．扩散激活能[天津大学2008、2009研]答：必须要由额外的能量来克服能垒才能实现原子从一个平衡位置到另一个平衡位置的基本跃迁，这部分能量称为扩散激活能。
3．空位扩散[南京理工大学2009研]答：在自扩散和涉及置换原子的扩散过程中，原子可离开其点阵位置，跳入临近的空位，这样就会在原来的点阵位置产生一个新的空位。
当扩散继续，就产生原子与空位两个相反的迁移流向，称为空位扩散。
4．稳态扩散[北京工业大学2009研]答：稳态扩散是指在扩散系统中，任一体积元在任一时刻，流入的物质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间变化。
5．比重偏析[合肥工业大学2005研]答：由于合金中组元比重的不同所引起的偏析，例如合金中的两组元在液态下互不相溶时，比重大的组元沉在下面，比重小的组元浮在上面或者液态合金在搅拌不均的情况下，由于选择凝固所生成的晶体，其比重与母液不同，或上浮或下沉，形成比重偏析。
6．上坡扩散与反应扩散[江苏大学2006研]答：上坡扩散是指溶质原子朝浓度下降的方向扩散，d 00d D x＞，；反应扩散是指在扩散过程中伴随有相变过程或有新相产生的扩散。
7．晶界扩散、表面扩散和反应扩散[吉林大学2009、2010研]答：（1）当物质内有浓度梯度、应力梯度、化学梯度和其他梯度存在的条件下，由于热运动而导致原子（分子）的定向迁移，从宏观上表现出物质的定向输送，这个输送过程称为扩散。
扩散是一种传质过程。
按原子的扩散方向的不同，扩散可以分为体扩散、表面扩散、晶界扩散，其中：①体扩散是指在晶粒内部进行的扩散；②表面扩散是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的扩散运动；③晶界扩散是指沿晶界进行的扩散。
表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称前两种情况为短路扩散。
（2）反应扩散，又称相变扩散，是指通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而不断形成新相的扩散过程。
反应相变的过程包括：一是扩散过程；二是界面上达到一定浓度所发生相变的反应过程。
反应扩散速度取决于化学反应和原子扩散两个因素。
反应相变的特点：二元系中扩散区域不存在双相区，只能形成不同的单相区。
五、简答题1．何为本征扩散和非本征扩散？并讨论两者之间的区别。
[南京工业大学2009研]答：（1）本征扩散：是指空位来源于晶体的本征热缺陷而引起的迁移现象。
本征扩散的活化能由空位形成能和质点迁移能两部分组成，高温时以本征扩散为主。
（2）非本征扩散：是由不等价杂质离子的掺杂造成空位，由此而引起的迁移现象。
非本征扩散的活化能只包含质点迁移能，低温时以非本征扩散为主。
2．有两块化学成分相同的固溶体合金，一块未经塑性变形，一块经过了冷塑性变形。
试问溶质原子在那一块合金中的扩散更为容易，为什么？[北京理工大学2007研]答：溶质原子在经过了冷塑性变形的合金中扩散更为容易。
因为经过塑性变形的合金产生了大量的位错，位错处的扩散激活能小，位错起着“高扩散通道”的作用，因此，溶质原子在经过了冷塑性变形的合金中扩散更为容易。
3．置换扩散与间隙扩散的扩散系数有何不同？在扩散偶中，如果是间隙扩散，是否会发生柯肯达尔效应？为什么？[西北工业大学2009研]答：置换扩散与间隙扩散的扩散系数主要区别是前者扩散与空位浓度无关，而后者扩散与空位浓度有关。
一般来说，间隙扩散系数大于置换扩散系数。
因为间隙扩散中考虑间隙原子定向流动，不考虑置换扩散中溶剂溶质原子半径相差不大时的相邻原子置换的互溶式扩散，所以在扩散偶中间隙扩散不会发生柯肯达尔效应。
4．已知低碳钢常在920℃左右进行气体渗碳。
请解释选择这一温度的原因。
[西安交通大学2008研]答：影响扩散的因素主要为温度、扩散组元的浓度梯度和晶体结构类型。
本题目主要考虑温度对扩散渗碳的影响。
在920℃左右时，由铁碳相图知，碳在奥氏体（面心立方结构）中扩散。
而其他温度则会对其产生影响：（1）过高的温度会引起奥氏体晶粒粗大，综合性能差；（2）温度过低，碳将在铁素体（体心立方结构）中扩散，由于在体心立方中扩散引起的畸变能较大，导致碳在铁素体中的极限溶解度比在奥氏体中小得多，因而浓度梯度也小得多，不易扩散的进行。
5．扩散的微观机制有哪些？一般情况下，哪种机制扩散快一些？一个经凝固而有微观非平衡偏析的合金，采用哪些措施可加速扩散使合金均匀化？描述该过程应用了扩散第二定律的哪种解？[北京科技大学2006研]答：（1）扩散的微观机制主要有以下几种：①交换机制；②间隙机制；③空位机制；④晶界扩散及表面扩散。
（2）一般情况下，间隙机制扩散时更快一些，因为间隙原子尺寸小，且不需空位的存在，而置换扩散或自扩散除了需要原子从一个空位跳跃到另一个空位的迁移能外，还需要扩散原子近旁空位的形成能。
（3）通常采用“均匀化退火”或称“扩散退火”的方法加速扩散使合金均匀化。
（4）可采用扩散第二定律的正弦解来描述扩散时的浓度分布，即：200ππ(,)sin exp xD t x t A ρρλλ⎛⎫-=- ⎪⎝⎭六、计算题1．已知碳在γ-Fe 中的扩散常数D α＝2.0×10－5m 2/s，扩散激活能Q＝140×103J/mol，要想得到与在927℃时渗碳l0h 的相同厚度，在870℃渗碳需要多长时间？（忽略不同温度下碳在γ-Fe 中溶解度的不同）[北京工业大学2008研]解：碳在中扩散的误差函数解表示为碳在927℃与870℃两种条件下分别扩散的误差函数间关系为即碳在中的扩散系数为碳在条件下的扩散系数为碳在条件下的扩散系数为计算可得则所需时间为2．欲将一批齿轮进行渗碳，每炉装500件。
在900℃渗碳10h 可以达到规定的深度。
假定在900℃渗碳每炉每小时生产成本为1000元，而在1000℃渗碳为1500元。
问在哪一温度渗碳成本较低？已知Q ＝32900cal/mol，R ＝1.987cal/(mol ·K)，1cal＝4.1868J。
[清华大学2008研]解：由10001000900900D t D t =可得：90090010001000D t t D =＝{}{}10exp 32900/[1.987(900273)]exp 32900/[1.987(1000273)]⨯-⨯+-⨯+＝3.299h 在900℃渗碳，一炉齿轮成本为1000元/h 10h 10000⨯=元；在1000℃渗碳，一炉齿轮成本为1500元/h 3.299h=4948.5⨯元。
可见，在1000℃渗碳成本较低。
3．如图4-1所示，由A 组元棒和B 组元棒焊接成的扩散偶，并在焊缝处用Mo 丝做标记，在773K 扩散足够的时间，试问：（1）标记在焊接面何侧？（2）扩散中的空位最终聚集在何侧？已知A 组元在B 组元构成的晶体中的扩散常数（D 0）和激活能（Q ）分别为522.110m /s -⨯，51.710J/mol ⨯；而B 组元在A 组元构成的晶体中的扩散常数（D 0）和激活能（Q ）分别为520.810m /s -⨯，51.410J/mol ⨯。
[上海交通大学2006研]图4-1解：（1）由扩散系数公式，代入已知数据得：55A B 0 1.710exp 2.110exp 8.314773Q D D RT -→⎛⎫⨯⎛⎫=-=⨯- ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭1726.827510m /s -=⨯。
