部分材料物理思考题2011定稿 新答案

材料物理思考题2011
第二章材料的晶态结构
1、重要名词：
晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。

非晶态：熔体、液体和不具有晶体结构的物质
准晶体：具有准周期性（周期对称性），长程无序的亚稳态，不具有固定熔点的固体物质
点阵（晶格）：阵点（将构成晶体的质点抽象成纯粹的几何点）在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型为点阵。

作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何构架称为晶格。

晶胞：在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体；整个空间可由晶胞作三维重复堆砌而构成
同素异构现象：固态金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构即具有多晶型性，转变的产物称为同素异构体。

合金：是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质
固溶体：是以某一组元作为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所组成的均匀混合的固态熔体，他保持着溶剂的晶体结构类型。

间隙式固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。

置换式固溶体：溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子这种固溶体称为置换式固溶体。

中间相：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任意组元的新相即为金属化合物，或称中间相。

间隙相和间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。

超结构（超点阵，有序固溶体）：有序固溶体结构的通称
陶瓷：无机非金属材料统称为陶瓷。

特种陶瓷：由人工合成原料制成的新型陶瓷材料，如：Al2O3,Si3N4,SiC,BN等。

硅氧四面体：（1）每个Si4+存在于4个O2-为顶点的四面体中心，构成硅氧四面体，它是硅酸盐晶体结构的基础。

（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O2-最多只能为两个[SiO4]所共用。

（3）两个邻近的[SiO4]四面体之间，只能以共顶而不以共棱或共面相联接。

（4）[SiO4]四面体中的Si4+可以被Al3+置换形成硅铝氧骨干，骨干外的金属离子容易被其它金属离子置换。

置换不同的离子，对骨干的结构并无多大的变化，但对它的性能却影响极大。

临界晶核：长大和缩小均使体系自由能降低的晶核。

稳定晶核：长大时使体系自由能降低的晶核。

多晶体：由取向不同的多个小晶体形成的晶体。

错配度：异质外延时，薄膜和基底的晶向分别是a和b m=|a-b|/a
均匀形核：晶核在母相基体中无择优的任意均匀分布，称为均匀成核。

非均匀形核：晶核在母相基体中某些区域择优的不均匀分布，称为非均匀形核
2、什么是点阵参数?正方晶系和立方晶系的空间点阵特征是什么?画出立方晶系中(123)的晶面。

3、在晶胞中画出下列晶面和晶向：[111],[110], [111], [011], [120];(111), (110), (225), (101), (210)
4、在图上标出下列晶向和晶面的指数
5、画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？
6、从非晶体和晶体的X 射线衍射特征的区别解释其结构的区别。

非晶体的衍射曲线图有弥散状的的衍射峰 晶体的衍射图线有尖锐的衍射峰。

7、比较晶体、非晶体和准晶体在结构上的异同。

晶体在结构上长城有序，具有周期对称性。

非晶体只在短程上有序，长程无序
准晶体具有准周期性，有周期对称性，长程无序 8、简述薄膜形核的过程和长大的过程。

入射粒子沉积到基板表面，经过吸附和迁移，凝结过程形成原子团，原子团之间碰撞之后原子团会逐渐增大。

原子数超过某一临界值，形成临界核，临界核继续碰撞有机会产生稳定核。

稳定核逐渐增大形成小岛。

岛状到联并再到沟道最后形成连续膜。

9、为何从球冠形晶核模型推导出的临界晶核半径与实际偏差很大？更符合实际的模型是什么样的？ 原因是薄膜实际形核时临界能很小，不能形成球冠形状。

因此宏观的表面能，界面能，体积自由能的统计数据在此处不再有意义。

原子聚集理论。

10、什么叫临界晶核？
长大和缩小都可以使晶核能量降低的原子团
11、薄膜的组织（晶态）结构有几种形态？各有何特点？ 无定形结构：非晶态
多晶模型：取向不同的多个小晶体构成。

宏观上伪等向性 单晶结构模型：晶体的结构与取向都与基片有关 纤维结构模型。

择优取向，某些晶面或晶向趋于一致。

12、薄膜的晶体结构与体材料有区别吗？如果有，是怎样的区别？
有区别，大多数情况下薄膜中晶粒的晶体结构与体材料的结构相同；而晶粒取向和晶粒尺寸与体材料不同。

13、结合图2－68简述薄膜的表面（晶粒）结构与温度的关系。

（1）低温时，为锥状晶粒结构，1区（2）随基体温度升高，形成纤维状晶粒结构，t 区（3）然后转到2区，形成完全致密的柱状的体结构。

（4）温度继续升高，柱状晶体长大，其结构变成等轴晶形貌。

3区
第三章 材料晶体缺陷
1、重要名词：
晶体缺陷：晶体的不完整性，与理想晶体偏离的部分。

化学缺陷：原子排列不混乱，构成晶体元素的种类与晶体基体元素不同。

点阵缺陷：与构成晶体的元素无关，原子的排列处于几何学的混乱状态。

空位和间隙原子：空位是正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点。

间隙原子是指原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置。

位错：即线缺陷。

柏氏矢量：描述位错区原子畸变特征的矢量。

刃型位错：在切应力作用下使晶体内垂直方向出现了一个刀刃状的多余半原子面。

位错线与柏式矢量垂直螺型位错：在一个切应力作用下，使上下两部分晶体产生了一个原子间距的相对切变。

位错线与柏式矢量平行。

混合型位错：介于以上两者之间的位错。

晶界：相邻的晶粒位向不同，其交界面叫晶粒界，简称晶界。

小角度晶界：两晶界间的位向差小于10度，
大角度晶界：两晶界间的位向差大于10度。

孪晶：两个或两个以上的同种晶体，彼此之间的层错按一定的对称关系相互联系成确定的结晶学关系，这种复合晶体叫作孪晶。

孪晶界：孪晶之间的界面称为孪晶界。

共格界面：界面质点同时处于两相点阵的结点上。

非共格界面：界面两侧的原子分别属于不同的点阵。

外表面：是指固体与气、液相或真空的界面。

2、说明晶体缺陷的概念和分类方法，就你所知简述各种晶体缺陷的概念、特征及其对性能的影响。

晶体的不完整性，与理想晶体偏离的部分。

分为点阵缺陷和化学缺陷。

点阵缺陷有点线面体缺陷，化学缺陷分为置换固溶体和间隙固溶体。

3、空位形成浓度依据什么原理测定？用什么方法测定？
C=Aexp(-△Ef/kT)
用作图法，测不同T时lnCr-1/T的曲线。

利用斜率可以算得Ef。

4、点缺陷对性能有何影响？
点缺陷能使金属的电阻增加，体积增大，密度减小。

同时能加速与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形、固相反应、烧结和断裂等过程。

过饱和点缺陷还能提高金属的屈服强度。

5、比较刃型位错、螺型位错和混合型位错的滑移异同。

刃型位错可以攀移，而螺型位错只能滑移。

刃型位错滑移的过程是在外力作用下沿垂直于位错线方向的一个面平移，最终会滑过整个面，形成台阶。

螺型位错是沿着位错线的方向，产生螺式错动，最终形成台阶。

6、小角度晶界和大角度晶界是如何划分的？为什么要那样划分？其晶界能有何不同？
按两晶粒之间的位相差是否大于10度来分。

是因为有关界面能与位向差的公式在10度以内成立。

7、已知柏氏矢量b=0.25nm，如果对称倾侧晶界的取向差=1°及10°，求晶界上位错之间的距离。

从计算结果可得到什么结论？
8、晶体中的晶界有何共性？它对材料性能有何影响？
晶界处自由能高，优先被腐蚀；晶界处溶度原子浓度一般比晶粒内能高，易扩散；常温下阻碍位错运动提高强度，高温下易发生相对滑动，促进材料的塑性变形。

9、试比较弗伦克尔和肖特基缺陷的特点？
弗伦克尔缺陷是由于原子振动，部分原子离开平衡位置，进入间隙中，所以其空位数和间隙原子数相等。

肖特基缺陷是由于热起伏，获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而使的内部留下空位，其氧离子与阴离子空位是成对出现。

第四章材料的固态相变
1、重要名词：
扩散型相变：依靠原子的长距离扩散的相变，界面非共格。

非扩散型相变：旧相原子有规则地，协调一致地通过切变转移到新相中；界面共格，原子间地相邻关系不变，化学成分不变。

半扩散型相变：既有切变，又有扩散。

位向关系：相变后新旧两相的位相关系
惯习面：固态相变时，新相往往在母相的一定结晶面上开始形成，该晶面为惯习面。

共析转变：合金冷却时，由母相同时析出两种不同固相的过程称为共析转变。

同素异晶（构）转变：在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象。

马氏体：通过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性相变。

切变共格：切变过程中新旧相间保持共格关系。

等温马氏体：等温条件下开始马氏体转变，并且不断产生新核并长大。

形变诱发马氏体：在Ms温度以上进行塑性变形可诱发马氏体转变，使马氏体转变开始温度上升到Md。

热弹性马氏体：与母相保持共格关系，且在温度升高时马氏体收缩、消失，温度降低时马氏体增多，长大的马氏体材料。

非热弹性马氏体：在合金界面上难以移动且相变时瞬间长大到极限尺寸，引入大量位错从而破坏共格关系的马氏体。

形状记忆效应：一定温度下定型后，材料发生塑性形变后，之后再次加热到此温度时，能恢复之前的形状。

贝氏体：中温时介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变。

玻璃化温度(T g)：过冷液体冷却至其热膨胀系数变化的温度。

3、说明固态相变的一般特征，并分析固态相变的阻力。

具有相变阻力大，有相界面，应变能增加阻力；相变时相界面上的原子匹配关系，一般为共格、半共格；新母相之间的存在晶体位相学关系；有惯习面及惯习方向，并且惯习面是相变开始面；母相晶体缺陷的作用，易产生新相；易于出现过渡相，伴随过渡产物。

界面能和应变能是阻力。

5、试述无扩散型相变（马氏体转变）有何特点。

马氏体与母相共格，局部会有凸起或凹陷，及倾动现象；
马氏体具有一定的位相关系即惯习面和惯习方向；
马氏体相变具有非扩散性，主要是切变；
马氏体相变有大量的晶体缺陷；
马氏体相变有可逆性；
马氏体相变有不完整性。

6、说明界面能和弹性应变能对第二相形状的影响。

如果新旧相之间的界面为共格、半共格、非共格界面，
新相易于生成什么形状？
7、同素异构（多晶形性）转变的生核部位一般在什么地方？为什么？
一般在晶界形核，晶界处有能量起伏，成分起伏，和结构起伏易于形核。

能量起伏：能量高，当晶面消失则能量下降，从而提供克服相变阻力的能量。

结构起伏：结构不规律，可能会有局部原子排列按新相的规则。

成分起伏：新旧相成分不同时，晶界上的溶质原子偏聚，可使成分更接近新相。

8、马氏体相变具有什么特征?它和一般的成核—生长机理有什么不同 倾动现象，一定的位相关系，非扩散（切变），大量缺陷，可逆，过渡相。

形核过程依靠起伏，长大过程中有稳定态。

9、马氏体组织有哪几种基本类型？ 板条状和片状。

11、叙述热弹性马氏体和非热弹性马氏体在相界面、长大方式、逆转变等方面的区别。

13、贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态方面有何特点？ 上贝氏体：高温下形成为羽毛状，亚结构是位错 下贝氏体：低温下形成为针状，亚结构为大量位错
14、画图说明玻璃化温度的意义，为什么这一温度不易测定？实际上它是如何规定的？ 15、说明合金获得非晶态的条件和方法。

第五章 固态扩散
1、 重要名词：
扩散系数：表示单位浓度梯度下物质的扩散通量，表明扩散能力的大小。

菲克（扩散）第一定律：体扩散：原子在晶粒内部进行扩散。

表面扩散：原子在表面与外界进行扩散。

晶界扩散：晶体沿晶界进行扩散。

扩散激活能：原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒。

间隙扩散：在间隙固溶体中，原子通过溶质原子从溶液点阵的一个间隙位置跳动到相邻的溶质点阵间隙位置的扩散过程。

置换扩散：在置换固溶体中，通过邻位原子进行退让后，发生的原子移动过程。

柯肯达尔效应：由于扩散偶两侧扩散速度不同，引起初始界面向某一侧移动的现象。

2、表述扩散第一定律，写出数学表达式，并说明各符号意义。

J=-DdC/dx
J ：扩散通量；D ：扩散系数；dC ：体积浓度；dx ：长度
3、给出无限长棒扩散偶的初始条件和边界条件，用通解()
B 2erf 2πA +=Dt x
C 解出C (x , t ), 并以之说明
扩散偶焊接面的浓度C (0, t )有何规律？ 初始条件：t=0时x>0,C=C1;x<0,C=C2;
边界条件：t>=0时x 无穷，C=C1;x 负无穷，C=C2;
4、给出渗碳过程的初始条件和边界条件，用通解()
B 2erf 2
πA +=Dt x C 解出C (x , t )。

初始条件C(x,0)=C1；边界条件C(0,t)=C0,C(无穷，t)=C1； C(x,t)=C0[1-erf(x/2根Dt)]
6、为什么晶界扩散速度一般比体扩散快？这一规律在什么情况下才成立？
8、C在α-Fe中的C的扩散系数大还是在γ -Fe中的扩散系数大?渗碳是在α-Fe中进行还是在γ -Fe中进行？为什么？
9、已知1100︒C和1300︒C时镓在硅中的扩散系数分别为8×10-17m2/s和1×10-14m2/s，求该扩散的扩散常数和扩散激活能。

第六章材料的电子理论
1、重要名词：
自由电子近似：认为价电子在金属中完全自由，并起到均匀势场作用。

K空间：取波数矢量k为单位矢量建立一个坐标系统，它在正交坐标系的投影分别为kx,ky,kz这样建立的空间称为k空间。

状态密度：自由电子的能级密度。

单位能量范围所能容纳的电子自由数。

费米能：可定义为绝对零度时，处于基态的费米子系统的化学能，或上述系统中单个费米子的最高能量。

电子的费米－狄拉克统计分布：电子遵从泡利不相容定理，则其波函数必然满足反对称。

电子处于能量为E的状态的几率符合费米-狄拉克公式。

布洛赫定理：
近自由电子近似：如下假设：点阵完整，晶体无限大；不考虑离子热运动对电子的影响；每个电子独立地在离子势场中运动，不考虑电子间相互作用；周期势场随空间位置的变化较小，可当做微扰处理。

能带：包括允带和禁带。

允带：允许电子能量存在的能量范围。

禁带：不允许电子存在的能量范围。

布里渊区：当K=+-nπ/a时，电子产生布拉格反射，从而出现能隙，导致将K空间划分为区的概念，这些区称为布里渊区。

等能面：在三维布里渊区中把能量相等的K值连接成面。

费米面：能量为费米能的等能面称为费米面。

费米球：费米面为球面，因此称为费米球。

2、说明自由电子近似的基本假设。

在该假设下，自由电子在一维金属晶体中如何分布？电子的波长、能量各如何分布？
3、何谓K空间? K空间中的（2，2，2）和（1，1，3）两点那个代表的能级能量高？
4、何谓状态密度？三维晶体中自由电子的状态密度与电子能量是何种关系？
5、用公式1
k ex p 1
F +⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
T E-E f(E)解释左图的
自由电子在0K 和T K 时的能量分布，并说明T 改变时该能量分布如何变化。

6、试计算在300K 下，在 (a)费米能能级处，(b)比费米能大0.05eV 能级处时电子出现的几率。

7、说明0
F E 的物理意义，并简要说明为什么在讨论左图的电子能量分布时不考虑0
F E 和F E 的区别？
8、为什么温度升高, 费米能反而降低? 9、在布里渊区边界上电子的能量有何特点?
10、画图说明导体、半导体、绝缘体能带结构的异同。

12、画出自由电子近似和近自由电子近似下的E-K 曲线，并说明他们的区别，解释能带的概念。

13、解释右图的二维晶体布里渊区的等能线，并说明能隙和能量交叠出现的原因。

第七章 材料的电学性能
1、重要名词：
德拜温度：具有原子间距波长的声子被激发的温度。

马西森定律：电阻率可表示为随温度变化的部分和与温度无关的部分。

霍尔效应：通电导体上与一个与电流垂直的外磁场会产生一个与二者皆垂直的电场。

霍尔系数：R=E/JB,单位磁感应强度单位电流密度所能产生的霍尔电场强度。

超导现象：某些导体在特定条件下电阻突然降到0的现象。

超导转变温度：超导体由正常态转变为超导态的温度。

迈斯纳效应：当金属变为超导体时磁力线会自动排出金属体外，超导体内磁感应强度为零的现象。

第一类超导体：当温度大于临界磁场时超导特性立即消失的超导体。

临界磁场强度：外磁场增大到一定程度会使超导体失去超导性的磁场强度。

临界电流密度：超导体中的电流产生的磁场强度与外磁场之和超过临界磁场会使超导态被破坏，此时的电流密度为临界电流密度。

约瑟夫森效应：两个连在一起的超导体之间会有绝缘层，电子通过薄绝缘层的量子隧道效应。

热电势：导体两端的温度差，产生的电动势。

塞贝克效应：两种不同热电功率的金属连成环路，在两端接触处有温度差，会使回路中有电流，两端间有电势差。

塞贝克系数：塞贝克效应产生的电动势与温度差之比。

珀耳帖效应：两种不同热电功率的金属连成环路，通入电流，连接处会有吸热或放热现象。

电介质：是一种电阻率很高，导电性很差的物质。

在电场作用下可以建立极化的物质。

极化：外电场作用下使电介质表面出现束缚电荷的现象。

介电常数：真空介电常数与想对介电常数之积为材料的介电常数。

极化强度：电介质中单位体积内的所有电偶极矩的矢量和为极化强度（感生偶极矩）。

介电体击穿：电介质上电压高到一定值时，使电介质失去绝缘性（自由电荷量剧增）的现象。

介电击穿强度：电介质所能承受的不被击穿的最大场强。

介电损耗：电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使介质本身发热，这种现象就是介电损耗。

3、叙述马西森定律的内容并说明为什么电阻分为与温度有关和无关的两项。

4、说明霍尔效应的现象、原因及其应用。

5、举出电导功能材料的三个实例。

6、画图说明超导的临界磁场强度的概念以及在不同的磁场强度下超导状态的变化。

7、说明BCS 理论的基本观点及其成功和局限。

8、举例说明超导现象的应用及其应用中的问题。

9、说明热电势的概念及其产生的原因。

10、说明塞贝克效应的现象并举出其应用的实例。

可否用该效应发电？
11、说明珀耳帖效应的现象及其与焦耳热的区别，并举出其应用实例。

12、说明极性分子电介质和非极性分子电介质的概念及其极化机理的不同。

第八章 材料的磁性
1、重要名词：
磁场强度：单位磁极所受的力，用H 表示。

使磁极受力F ，则H=F/q 磁偶极子：相互接近的一对磁极+q 和-q 称为磁偶极子。

磁偶极矩（磁动量）：真空中，单位外磁场作用在相距为d 的磁偶极子上的最大的力矩：Pm=qd ，称为磁偶极子的磁偶极矩。

磁矩：磁偶极矩与真空磁导率的比值称为磁矩，m=Pm/u0
磁化强度：在外磁场作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而使磁场强化的度量，其值等于单位体积中材料感应磁矩的大小。

磁化率：单位磁场强度引起的磁化强度。

相对磁导率：材料磁导率与真空磁导率的比值。

电子轨道磁矩：电子绕原子核作轨道自转，产生一个沿旋转轴方向的磁矩。

电子自旋磁矩：每个电子都有自旋运动，产生一个沿自旋轴方向的磁矩。

原子核磁矩：原子核自旋，使其中的质子运动产生的磁矩。

原子的磁矩：所有电子磁矩相互作用的矢量和，又称本征磁矩。

居里温度：存在一个临界温度，超过此温度时，铁磁性消失而转变为顺磁性。

退磁状态：普通的铁磁体在没有外磁场作用下，外部没有N 、S 极不表现磁性的状态叫做退磁状态。

饱和磁化强度：铁磁体磁化过程中，当磁化强度随磁场强度增大到一定值时，不再增大，此时的磁化强度为饱和磁化强度。

真实电介质平板电容器总电流的矢量图
饱和磁感应强度：同上。

退磁：当外磁场减小，磁化减弱的过程。

剩余磁化强度：外磁场降回0时，磁化强度和磁感应强度达到不为0的值。

剩余磁感应强度：同上。

剩磁：外磁场强度完全消失时，材料剩余的磁感应强度。

矫顽力：
磁滞现象，磁滞回线，磁畴：相邻原子中的电子自旋磁矩自发地平行排列，形成一个个小的自发磁化区。

畴壁：相邻磁畴间的过渡层。

硬磁材料：矫顽力大，剩磁也大的材料。

软磁材料：矫顽力小，易充、退磁的材料。

磁致伸缩：铁磁体在交变磁化磁场的作用下，形状随之改变的现象。

2、理解表征材料磁性的常用参数的概念，意义及他们之间的关系。

3、理解根据磁化率对材料所分的五类及其特征。

4、简要阐述电子轨道磁矩和自旋磁矩的来源和大小。

9、简述铁磁性的来源、居里温度存在的原因及材料具有铁磁性的条件。

10、简述反铁磁性和亚铁磁性的来源。

11、简述铁磁性材料的磁化过程和磁致回线概念。

12、简述磁畴的概念、成因和畴壁厚度的影响因素。

13、简述硬磁材料、软磁材料的性能要求及其常用的体系。

第九章材料的热学性质
1、重要名词：
杜隆－珀替定律：恒压条件下元素的原子热熔为25J/(K.mol)。

(3R)
爱因斯坦温度：Θ=hvE/k，其中h=6.626×10-34J.s为普朗克常数，vE为爱因斯坦频率，k为玻尔兹曼常数。

德拜温度：Θp=hνmax/k≈0.76×10-11νmax
热流密度：定义单位时间内通过材料垂直于导热方向的单位截面积的热能为热流密度。

导热系数：在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧便面的温差为1度，在一小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位是w/m.k
线膨胀系数和体膨胀系数：温度上升1k时，物体长度或体积的增加量与原体积的比值。

2、推导杜隆－珀替定律并说明其适用范围。

3、简述经典热容模型、爱因斯坦热容模型和德拜热容模型的基本假设、结果、适用范围的区别和联系。

5、固溶体、化合物、复相材料的热容与其组份各有何种关系？
6、材料的导热有几种机制？简述对不同材料和温度何种机制起主要作用？
7、金属、陶瓷、高分子材料的导热各有何特点？为什么？
8、金属的电导率和热导率有何关系？该关系在什么条件下适用？
9、固溶体的热导率与其组份有何关系？复相材料呢？
10、用公式说明多孔材料作隔热材料的原因。

11、材料的线膨胀系数和体膨胀系数有何关系？试推导之。

第十章材料的力学性质。