武汉科技大学815材料物理与化学2018--2020+答案考研真题

姓名：
报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2018年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题
科目名称：材料物理与化学（□A 卷√B 卷）科目代码：815
考试时间：3小时 满分150分
可使用的常用工具：□无 √计算器 √直尺 □圆规（请在使用工具前打√）
注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考完后试题随答题纸交回。

一、填空题(共15空，每空2分，共30分)
1、晶体中键的类型主要有化学键和物理键，其中化学键包括离子键、 、和 ，物理键包括 和 。

2、一个体心立方结构的晶胞中含有 个八面体空隙，含有 个四面体空隙；一个面心立方结构的晶胞中含有 个八面体空隙，含有 个四面体空隙。

3、绿宝石具有较大的空腔结构，属于 硅酸盐晶体结构类型，当晶体受热时，大空腔结构会使晶体表现出较小的 。

4、形成弗伦克尔缺陷时，其特征是 和 成对出现。

5、固-液相变时，非均态成核势垒与接触角θ有关。

当θ角分别为 、 和 时，（1）非均态成核势垒与均态成核势垒相等；（2）不存在非均态成核势垒；（3）非均态成核势垒为均态成核势垒的一半。

二、名词解释(共5小题，每小题6分，共30分) 1、同质多晶与类质同晶 2、重构表面 3、无规则网络学说 4、本征扩散 5、不一致熔融化合物
三、简答题 (共3小题，共35分)
1、面心立方和密排六方结构中原子的堆垛方式和致密度是否有差异？请加以说明。

（10分）
2、影响置换固溶体溶解度的因素有哪些？它们是如何影响的？（15分）
3、解释为什么金属材料凝固时大多形成晶体，而陶瓷材料易于形成非晶
姓名： 报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
姓名： 报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
姓名：
报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2018年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题
科目名称：材料物理与化学（□A 卷√B 卷）科目代码：815
考试时间：3小时 满分150分
可使用的常用工具：□无 √计算器 √直尺 □圆规（请在使用工具前打√）
注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考完后试题随答题纸交回。

一、填空题(共15空，每空2分，共30分)
1、晶体中键的类型主要有化学键和物理键，其中化学键包括离子键、 共
价键 、和 金属键 ，物理键包括 范德华键 和 氢键 。

2、一个体心立方结构的晶胞中含有 6 个八面体空隙，含有 12 个四面体空隙；一个面心立方结构的晶胞中含有 4 个八面体空隙，含有 8 个四面体空隙。

3、绿宝石具有较大的空腔结构，属于 组群状 硅酸盐晶体结构类型，当晶体受热时，大空腔结构会使晶体表现出较小的 膨胀系数 。

4、形成弗伦克尔缺陷时，其特征是 间隙质点 和 空位 成对出现。

5、固-液相变时，非均态成核势垒与接触角θ有关。

当θ角分别为 180° 、
0°和 90° 时，（1）非均态成核势垒与均态成核势垒相等；（2）不存在非
均态成核势垒；（3）非均态成核势垒为均态成核势垒的一半。

二、名词解释(共5小题，每小题6分，共30分) 1、同质多晶与类质同晶
同质多晶：是指化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下形成具有不同结构的晶体；类质同晶：是指化学组成相似或相近的物质，在相同的热力学条件下形成具有相同结构的晶体。

2、重构表面
重构表面：是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距离与体内相同的表面。

3、无规则网络学说
无规则网络学说：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构；但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此
置换不易形成连续固溶体，即溶解度小；电价相同形成连续固溶体，即溶解度大。

3、解释为什么金属材料凝固时大多形成晶体，而陶瓷材料易于形成非晶玻璃体？（10分）
答：金属材料易于形成晶体而陶瓷材料易于形成非晶玻璃体的原因是：
（1）金属材料以金属键结合，金属键没有方向性，也没有饱和性，原子之间易于移动。

金属材料在冷却过程中，原子易扩散而形成周期性排列的三维结构，因此金属材料凝固时易于形成晶体。

（5分）
（2）陶瓷材料以离子键和共价键结合，离子键和共价键有饱和性，且键强比较大，难于断裂，也难以形成，原子难于移动和扩散。

同时，陶瓷材料粘度大，难于流动，冷却过程中，容易过冷，原子以流体中无序的结构保留下来，因此陶瓷材料凝固时易于形成非晶玻璃体。

（5分）
四、计算题(共2小题，共35分)
1、纯Cu晶体在常温下的点阵常数为a=0.3615 nm; （20分）
（1）指出其晶体结构类型和配位数；
（2）简略计算Cu原子半径、原子致密度和两类间隙半径；
（3）画出Cu原子在（111）晶面的分布情况，并计算其晶面间距和原子在晶面上的致密度。

解：（1）纯Cu晶体的晶体结构类型为面心立方结构（fcc），其配位数为CN=12。

（3分）
（2）在面心立方结构中，由，
可得r=0.1278 nm（2分）
==0.74（2分）
间隙半径
四面体空隙：r四=（2分）
八面体空隙：r八=（2分）
（3）{111}面原子排列情况如图
（3分）
面间距为
=a/
=0.2087（3分）
致密度为
（3分）
2、（a ）MgO 晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV ，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。

（b ）如果MgO 晶体中，含有×10-6mol 的Al 2O 3杂质，则在1600℃时，MgO 晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势，说明原因。

（15分）
解：（a ）由题意得，O→V Mg ”+ V O ” [ V Mg ”]=[ V O ”],△G=-RTlnK →[ V Mg ”]=[ V O ”]=e -△G/2RT （3分） 在25℃时
[ V Mg ”]=[ V O ”]=e -△G/2RT =e (-6×1.6×10-19×6.02×1023)/(2×8.314×298.15)=2.36×10-51（4分） 在1600℃时
[ V Mg ”]=[ V O ”]=e -△G/2RT =e (-6×1.6×10-19×6.02×1023)/(2×8.314×1873.15)=8.75×10-9（4分） （b ）当含有1×10-6molAl 2O 3杂质时，可能形成的杂质缺陷如下： ① Al 2O 3→2Al Mg ·+2O O +O i ” ② Al 2O 3→2Al Mg ·+3O O + V Mg ”
Al 2O 3→杂质产生的缺陷的数量级为10-6＞＞10-9，所以杂质缺陷占优势。

（4分）
五、相图分析(共20分)
1、如图为ABC 三元系统相图。

（1）说明化合物D 与F 的性质（2分）；（2）划分三
角形，判断各三元无变量点P 、Q 、R 、S 的性质，并写出相平衡方程（4分）；（3）用箭头标出△ABC 边上及各界线上的温降方向，并判断各界线性质（6分）；（4）写出熔体M 析晶过程的相平衡表达式，并计算液相组成点刚达到S 点时，各相的百分含量（用线段表示）（8分）。

MgO
MgO
解：（1）化合物D ：不一致熔融二元化合物（高温稳定，低温分解）； 化合物F ：不一致熔融二元化合物（低温稳定，高温分解）。

（2分） （2）P ：对应△AFC ，单转熔点：L C A F +→+； R ：对应△AFB ，低共熔点：L A F B →++；
Q ：对应直线BFC ，双降点形式过渡点：l
C B F +−−
→； S ：对应直线ADB ，双升降点形式过渡点：l
D A B −−→+。

（4分）
（3）如图所示。

转熔界线PQ ：L C F +→;Se 1：L A D +→（6分） （4）析晶路线如图所示，析晶过程表达式为：
液相点：l A l+A D l l A+B
f=2f=1f=1
M a S(D A+B,f=0)R(l A+B+F,f=0)→→→−−−→−−−→−−→−−−→→ 固相点：A A D A B A B F
b g M ++++−−−
→−−−→−−−→ 液相组成点刚达到S 点时，各相的百分含量为： 液相L ％＝bM/bS×100％； 固相A ％＝SM/bS×bD/AD×100％； 固相D ％＝SM/bS×Ab/AD×100％。

（8分）
姓名：
报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2019年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题
科目名称：材料物理与化学（□A 卷□√B 卷）科目代码：815
考试时间：3小时 满分 150 分
可使用的常用工具：□无 □√计算器 □√直尺 □圆规（请在使用工具前打√）
注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考完后试题随答题纸交回。

一、填空题(共15空，每空2分，共30分)
1、晶体的线位错包括 、 和 等三种，其与博格斯矢量之间的
关系分别是 、 和 。

2、烧结过程的主要传质机理有： 、 、 和 。

3、根据外来组元在基质晶体中所处位置的区别，固溶体可分为 和 等两大类，其固溶度的主要影响因素包括 、 、 和电价。

二、名词解释(共 5小题，每小题6分，共 30分) 1、晶系 2、自由度 3、二级相变 4、压电效应 5、异常晶粒长大
三、简答题( 共3小题，共35 分)
1、（10分）比较杨德方程、金斯特林格方程优缺点及适应条件。

2、（10分）为什么要抑制二次再结晶过程？
3、（15分）液体冷却时形成晶体或非晶玻璃体的内部原因和外部条件是什么？解释为什么金属材料凝固时倾向形成晶体，而陶瓷材料易于形成非晶玻璃体？
四、计算题( 共2小题，共35分)
1、（15分）根据结晶学观点，氯化铯晶体属于体心立方结构。

g
已知：Cs +的离子半径为0.128 nm ，Cl -的离子半径为0.155 nm ； Cs 的原子量为132.91 g/mol ，Cl 的原子量为35.45 g/mol 。

请计算球状离子所占据
的体积占晶胞体积的比例(堆积系数)及CsCl 晶体的理论密度。

假设Cs +
和Cl -通过立方体对角线连接。

(阿伏伽德罗常数值取6.023×1023)
2、（20分）晶体结构缺陷计算： （1） CaO 形成肖特基缺陷，写出其缺陷反应方程式，并计算单位晶胞
CaO 的肖特基缺陷数（已知CaO 的密度是 3.0 g/cm 3, 其晶格参数是
0.481 nm ）;
（2） CsCl 溶入MgCl 2中形成空位型固溶体，并写出固溶体的化学式； （3） Al 2O 3掺入到MgO 中，请写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是哪一种？写出其固溶体的化学式。

（4） 根据（2）和（3）总结杂质缺陷形成规律。

五、相图分析(共20分)
如图为ABC 三元系统相图。

1、（5分）说明化合物S 的熔融性质，并分析像图中各界线上温度变化的方向以及界线和无变量点的性质； 2、（8分）确定初始状态点为1、2、3和4 的过冷熔体的冷却结晶过程； 3、（3分）在答题纸上用箭头标出△ABC 边上及各界线上的温降方向，并判断各界线性质；
4、（4分）分别将初始状态点为5和6的熔体，在平衡态条件下加热至完
全熔融，说明其固液相组成的变化路径。

姓名： 报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2019年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题 科目名称：材料物理与化学（□A 卷□
√B 卷）科目代码：815 考试时间：3 小时 满分 150 分 可使用的常用工具：□无 □√计算器 □√直尺 □圆规（请在使用工具前打√） 注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考
完后试题随答题纸交回。

一、填空题(共15空，每空2分，共30分) 1、晶体的线位错包括刃位错、螺位错和混合位错等三种，其与博格斯矢量之间的关系分别是垂直、平行和既不平行也不垂直。

2、烧结过程的主要传质机理有：扩散传质 、流动传质、 蒸发－凝聚传质 和 溶解-沉淀 。

3、根据外来组元在基质晶体中所处位置的区别，固溶体可分为 置换型固溶
体 和 填隙型固溶体 等两大类，其固溶度的主要影响因素包括 原子或离子的尺寸 、 晶体结构类型 、 离子类型和键性 和电价。

二、名词解释(共 5小题，每小题6分，共 30分) 1、晶系 晶系：晶体学中，根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间的夹角情况对晶体进
行分类，可以将晶体分为七大晶系。

2、自由度
自由度：在既无新相生成也无旧相消失的条件下，平衡体系中独立自由变量的数目。

3、二级相变
二级相变：相变时新旧两相的化学势相等，化学势的一次偏导数也相等，但二阶偏导数不相等的相变。

4、压电效应
压电效应：包括正压电效应和逆压电效应。

其中正压电效应是指晶体在机械力的
作用下发生变形，使晶体内正负电荷中心相对位移而极化，致使晶体两端表面出
三维结构，因此金属材料凝固时易于形成晶体。

（4分）
（2）陶瓷材料以离子键和共价键结合，离子键和共价键有饱和性，且键强比较大，难于断裂，也难以形成，原子难于移动和扩散。

（3分）同时，陶瓷材料粘度大，难于流动，冷却过程中，容易过冷，原子以流体中无序的结构保留下来，因此陶瓷材料凝固时易于形成非晶玻璃体。

（5分）
四、计算题( 共2小题，共35分)
1、（15分）根据结晶学观点，氯化铯晶体属于体心立方结构。

已知：Cs+的离子半径为0.128 nm，Cl-的离子半径为0.155 nm；Cs的原子量为132.91 g/mol，Cl的原子量为35.45 g/mol。

请计算球状离子所占据的体积占晶胞体积的比例(堆积系数)及CsCl晶体的理论密度。

假设Cs+和Cl-通过立方体对角线连接。

(阿伏伽德罗常数值取6.023×1023) 解：设晶格常数为a。

因为Cs+和Cl-通过立方体对角线接触，所以有：
计算得：a=0.327 nm（5分）
则CsCl晶胞中原子所占体积比例(堆积系数)为：
PC=69.87%（5分）
故CsCl晶胞的密度为：
ρ=8.01 g/cm3（5分）
2、（20分）晶体结构缺陷计算：
CaO形成肖特基缺陷，写出其缺陷反应方程式，并计算单位晶胞CaO的肖特基缺陷数（已知CaO的密度是 3.0 g/cm3, 其晶格参数是0.481 nm）; CsCl溶入MgCl2中形成空位型固溶体，并写出固溶体的化学式；
Al2O3掺入到MgO中，请写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是哪一种？写出其固溶体的化学式。

根据（2）和（3）总结杂质缺陷形成规律。

解：（1）缺陷反应方程式为（2分）
单位晶胞CaO的肖特基缺陷数：CaO为NaCl型结构，
其晶胞体积为，
晶胞质量为，
分子数为
缺陷数为4-3.59=0.41（4分）
（2）CsCl溶入MgCl2时，缺陷反应为
因此，固溶体的化学式为Mg1-x Cs x Cl。

（3分）
（3）Al2O3掺入到MgO中，合理的方程如下
○1（2分）
○2（2分）
可能成立的反应为1，因为氧离子半径过大，很难溶入MgO晶格的间隙中。

其中反应○1中固溶体的化学式为Al2x Mg1-3x O。

（3分）
(4) 杂质缺陷形成的规律如下：（4分）
○1高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性会产生间隙负离子或正离子空位；
○2低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性会产生负离子空位或间隙正离子。

五、相图分析(共20分)
如图为ABC三元系统相图。

1、说明化合物S的熔融性质，并分析像图中各界线上温度变化的方向以及界线和无变量点的性质；
2、确定初始状态点为1、2、3和4 的过冷熔体的冷却结晶过程；
3、用箭头标出△ABC边上及各界线上的温降方向，并判断各界线性质；
4、分别将初始状态点为5和6的熔体，在平衡态条件下加热至完全熔融，说明其固液相组成的变化路径。

解：(1) S为不一致熔融化合物；
P1P2为转融界线，P1E、P2E为共融曲线；
E为低共熔点，P1、P2为单转融点。

（5分）
(2) （8分）
初始状态点1：
液相：1→a(L→A, F=2) →P1(L+A→C+ S，F=1)→P1(L→A+ S，F=0，L消失) 固相：A→A(A)→b(A+S)→1(A+C+S)
初始状态点2：
液相：2→a(L→A, F=2) →c(L→A +S，F=1)→P1、P2(L→A+ S2，F=0，L消失) 固相：A→A(A)→2(A+S)→2(A+C)
初始状态点3：
液相：3→a(L→S, F=2) →d(L→B +S，F=1)→E(L→B+C+ S2，F=0，L消失)
固相：S→S(S)→e(B+S)→3(B+C+S)
初始状态点4：
液相：4→a(L→A, F=2) →f(L→B +A，F=1)→P2(L+A→B+ S2，F=0，L消失) 固相：A→A(B)→g(B+A)→3(B+ S)
(3) （3分）
(4) （4分）初始状态点5的熔融过程：液相：P2→P2→q→5
固相：5→N→A→A
初始状态点6的熔融过程：
液相：P1→P1→M→6
固相：6→b→A→A
考生姓名： 报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2020年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题
（ B 卷)
科目代码： 815 科目名称： 材料物理与化学
注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考完后试题随答题纸交回。

一、 填空题(共15空，每空2分，共30分)
1、（10分）一般来说，对于晶体中剩余空隙比较小则容易形成 缺陷，
其特征为 ，如NaCl 型结构；当晶体中剩余空隙比较大时，则容易形成 缺陷，其特征为 ，如 结构。

2、（4分）从熔融态向玻璃态的转化取决于 和 。

3、（4分）具有多晶转变的单元系统相图中，可逆多晶转变现象存在的必
要条件是 ，而不可逆多晶转变现象存在的必要条件是 。

4、（2分）两个相同符号的刃位错，在同一滑移面上相遇，它们将互相 。

5、（4分）固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸 在另一种基
体中所形成的单相均匀的 。

6、（6分）根据扩散通道的不同，烧结过程的固相传质机制包
括 、 和 (按相同温度下扩散速率由高至低排序)。

二、名词解释(共 6小题，每小题6分，共 36分) 1、（6分）马氏体相变 2、（6分）配位多面体 3、（6分）硼反常现象
4、（6分）SiO 2系统中的二级变体间的转变
5、（6分）吸附表面
6、（6分）烧结后期
三、简答题( 共3小题，共40 分)
1、（10分）请简述材料的一级相变和二级相变反应的相同点及不同点，并
分别举例。

2、（15分）请简述晶体质点迁移扩散五种基本扩散形式，将其按扩散能垒
的大小进行排序并说明原因。

3、（15分）与晶体的主要特征相比，简述说明玻璃的四大通性。

四、计算题( 共14分)
请根据Mg2[SiO4]在(100)面的投影图（见图1）回答：
1、（4分）结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样？
2、（4分）计算O2-的电价是否饱和？
3、（2分）晶胞的分子数是多少？
4、（4分）Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少？
图1 镁橄榄石结构(100)面上投影图
五、相图分析(共30分)
1、（4分）说明化合物D1、D2和D3的熔融性质（图2见下页）；
2、（12分）请划分副三角形，判断各三元无变量点的性质，并写出对应
的相平衡方程式；
3、（7分）请在答题纸上用箭头标出△ABC边上及各界线上的温度下降
方向，并判断各界线的性质；
4、（7分）根据杠杆定则确定组成为M混合物中各相的百分含量（用线
段表示），并写出其熔融过程的相平衡表达式（包括固相点和液相点的
迁移路径）。

图2 ABC三元系统相图
姓名： 报考专业： 准考证号码：
密封线内不要写题
2020年全国硕士研究生招生考试初试自命题试题
（ B 卷)
科目代码： 815 科目名称： 材料物理与化学
注意：所有答题内容必须写在答题纸上，写在试题或草稿纸上的一律无效；考完后试题随答题纸交回。

二、 填空题(共15空，每空2分，共30分)
1、一般来说，对于晶体中剩余空隙比较小则容易形成 肖特基 缺陷，其特
征为正负离子空位成比例出现 ，如NaCl 型结构；当晶体中剩余空隙比较大时，则容易形成 弗伦克尔 缺陷，其特征为空位和间隙质点成对出现 ，如 萤石CaF 2结构。

2、从熔融态向玻璃态的转化取决于 冷却速率 和 熔融温度 。

3、具有多晶转变的单元系统相图中，可逆多晶转变现象存在的必要条件
是 多晶转变的温度低于两种晶型的熔点 ，而不可逆多晶转变现象存在的必要条件是 多晶转变的温度高于两种晶型的熔点 。

4、两个相同符号的刃位错，在同一滑移面上相遇，它们将互相 排斥；
5、 固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸 溶解 在另一种基体中
所形成的单相均匀的 晶体 。

6、根据扩散通道的不同，烧结过程的固相传质机制包括 表面扩散 、 晶界扩散 和 晶格扩散 (按相同温度下扩散速率由高至低排序)。

二、名词解释(共 6小题，每小题6分，共 36分) 1、马氏体相变
马氏体相变：马氏体相变是一种无扩散相变或称位移型相变。

严格地说，位移型相变中只有在原子位移以切变方式进行，两相间以宏观弹性形变维持界面的连续和共格。

2、配位多面体
配位多面体：晶体结构中，使与某一原子或离子成配位关系的各个原子或异号离子的中心连线所构成的几何多面体。

质随成分变化也具有连续性。

（2分）
四、计算题( 共14分)
Mg2[SiO4]在(100)面的投影图回答：
（1）结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样？（2）计算O2-的电价是否饱和？
（3）晶胞的分子数是多少？
（4）Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少？
图1 镁橄榄石结构(100)面上投影图
答：
（1）两种配位多面体：[SiO4]和[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱连接，不同高度的共顶连接；同层的[SiO4]和[MgO6]共顶连接，不同高度的共棱连接(4分) （2）根据电价规则，一个O2-同时与3个[MgO6]中的Mg2+和一个[SiO4]的Si4+相配位，正离子分配给O2-的电价是：3×2/6+1×4/4=2，所以O2-的电价饱和。

(4分)
（3）Z=4。

(2分)
（4）Si4+占据四面体空隙的1/8；Mg2+占八面体空隙的1/2。

(4分)
五、相图分析(共30分)
(1) 说明化合物D1、D2和D3的熔融性质；
(2) 划分副三角形，判断各三元无变量点的性质，并写出对应的相平衡方
程式；
(3) 用箭头标出△ABC边上及各界线上的温度下降方向，并判断各界线的
性质；
(4) 根据杠杆定则确定组成为M混合物中各相的百分含量(用线段表示)，
并写出其熔融过程的相平衡表达式(包括固相点和液相点的迁移路径)。

图2 ABC三元系统相图
图3
答：
(1) 化合物D1、D3为不一致熔融化合物，D2为一致熔融化合物；(4分)
(2) 副三角形划分如图4所示。

（2分）
三元无变量点E点为共熔点，A+C+D3→L E；
F点为共熔点，A+D1+D3→L F；
G点为共熔点，B+D1+D3→L G；
H点为转熔点，B+D3→L H +D2；
I点为共熔点，C+D2+D3→L I。

(10分)
(3)
△ABC边上及各界线上的温度下降方向如图4所示；（2分）
界线Ee5、Ge2、He3、Ie4、EF、FG、GH、HI为共熔线，界线EI为转熔线，界线。