材料物理习题和思考题
材料物理习题和思考题
第一章 材料的电子理论
1、 重要名词：自由电子近似 波函数的归一化条件 波恩－卡曼边界条件 允许波长 K 空间 状态密度 费米能 电子的费米－狄拉克统计分布 布洛赫定理 近自由电子近似 能带 允带 禁带 紧束缚近似 布拉格定律 布里渊区 等能面 费米面 费米球 电子密度泛函
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？状态密度与电子能量是何种关系？
5、用公式1
k exp 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、说明的物理意义，并简要说明为什么在讨论左图的电子能量分布时不考虑和的区别？
F E 0
F E F E 7、近自由电子假设和自由电子假设中电子所处的势场有何区别？前者的主要假设是什么？
8、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。
9、从左图说明能带产生的原因。
10、什么是布里渊区？给出一维K 空间前三个布里渊区的范围，注意其特点。将一维布里渊区的特点推广到二维、三维的情形，他们的第一、第二、第n 布里渊区有何种关系？
11、解释左下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。
12、画图说明自由电子近似和近自由电子近似下的状态
密度的异同。
13、画图说明导体、半导体、绝缘体能带结构的异同。
14、简要说明用现代电子理论进行合金设计的主要思想。
15、简要说明电子密度泛函方法的主要思想。
第二章 材料的晶态结构与缺陷
1、 重要名词：晶体，非晶态，准晶体，点阵（晶格），晶胞，点阵常数（晶格常数，晶格参数），晶系，布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，面心立方，体心立方，密排六方，同素异构现象，合金，固溶体，间隙式固溶体，置换式固溶体，中间相，正常价化合物，电子化合物，间隙相和间隙化合物，拓扑密堆相，超结构（超点阵，有序固溶体），径向分布函数，位置矢径分布函数，陶瓷，特种陶瓷，硅氧四面体，岛状结构，组群状结构，链状结构，层状结构，架状结构，低维材料，吸附，物理吸附，化学吸附，解吸，凝结，临界晶核，稳定晶核，多晶体，外延生长，同质外延，异质外延，错配度，晶体缺陷，化学缺陷，点阵缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷，空位和间隙原子，空位形成能，辐照损伤，位错，柏氏矢量，刃型位错，螺型位错，混合型位错，晶界，小角度晶界，大角度晶界，过冷液体模型，小岛模型，重合位置点阵模型，重合位置密度，孪晶，孪晶界，共格界面，非共格界面，外表面，清洁表面，实际表面，表面弛豫，表面重构，相界，
2、晶体为何有各向异性？
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、计算面心立方和体心立方结构的致密度，画出其任意原子的配位原子，比较两种结构的区别。
6、置换式固溶体和间隙式固溶体引起的点阵畸变有何不同？
7、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。
8、钠钙玻璃与石英玻璃在结构上有何不同？性能又有何不同？
9、比较晶体、非晶体和准晶体在结构上的异同。 10、简述薄膜形核的过程和长大的过程。
11、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？ 12、薄膜的组织结构有几种形态？各有何特点？
13、薄膜的晶体结构与体材料有区别吗？如果有，是怎样的区别？ 14、简述薄膜的表面结构与温度的关系。
15、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。 16、解释空位浓度与自由能的关系曲线，并以之说明点缺陷的特征。 17、空位形成浓度依据什么原理测定？用什么方法测定？ 18、点缺陷对性能有何影响？
19、比较刃型位错、螺型位错和混合型位错的滑移异同。
20、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？ 21、小角度晶界和大角度晶界的结构模型各是什么样的？
第三章 固态扩散
1、 重要名词：扩散，扩散通量，扩散系数，菲克（扩散）第一定律，菲克（扩散）第二定律，误差函数，渗碳，扩散激活能，间隙扩散，置换扩散，原子跳动频率，原子振动频率，柯肯达尔效应，短路扩散
2、说明扩散第一定律的适用条件并举例说明其应用。
3、推导扩散第二定律。
4、给出无限长棒扩散偶的初始条件和边界条件，用通解()
B 2erf 2
π
A +=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？
5、给出渗碳过程的初始条件和边界条件，用通解()
B 2erf 2
π
A
+=Dt x C 解出C (x , t )。 6、间隙扩散和置换扩散都有扩散系数D =a 2P Γ但两者的扩散系数为何有明显差别？两者的Γ各由什么因素决定？
7、为什么置换扩散的机制不是直接换位和环形换位？
8、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？
9、简述温度、固溶体类型、晶体结构、晶体学各向异性、浓度、晶体缺陷、第三组元对扩散系数的影响及其原因。
10、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？
1、重要名词：相，相变，一级相变，二级相变，扩散型相变，非扩散型相变，半扩散型相变，位向关系，惯习面，共析转变，C曲线，马氏体，切变共格，表面浮凸，T0，M s，M f，等温马氏体，形变诱发马氏体，M d，A s, A d，A f，K-S关系，西山关系，板条马氏体，片状马氏体，热弹性马氏体，非热弹性马氏体，形状记忆效应，单程形状记忆效应，双程形状记忆效应，形状记忆合金(SMA)，贝氏体，上贝氏体，下贝氏体，玻璃态转变，玻璃化转变温度(T g)，非晶形成的临界冷速
2、一级相变、二级相变各有什么特点？
3、说明固态相变的一般特征。
4、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？
5、同素异构转变的生核部位一般在什么地方？为什么？
6、以珠光体为例描述共析转变的过程。
7、珠光体转变的动力学曲线是什么形状？为什么？
8、描述马氏体转变的一般特征。
9、马氏体转变动力学的四种形式各是什么？
10、从热力学解释形变诱发马氏体出现的原因。
11、描述板条马氏体和片状马氏体的形态、亚结构。
12、比较Bain模型、K-S模型、G-T模型在描述马氏体转变机制的成功和不足之处。
13、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。
14、说名形状记忆效应出现的机理。
15、简要说明上贝氏体和下贝氏体的形态和亚结构。
16、说明贝氏体转变的动力学特征。
17、说明贝氏体转变的一般特征。
18、贝氏体是如何定义的？
19、画图说明玻璃态转变温度的意义，为什么这一温度不易测定？实际上它是如何规定的？
20、说明合金获得非晶态的条件和方法。
1、重要名词：电子导电的弛豫时间、平均自由程，有效电子数，声子，德拜温度，马西森定律，剩余电阻率，剩余电阻比，电阻温度系数，霍尔效应，霍尔系数，超导现象，超导转变温度，超导体，迈斯纳效应，第一类超导体，临界磁场强度，第二类超导体，上、下临界磁场强度，临界电流密度，约瑟夫森效应，BCS 理论，热电势，绝对塞贝克系数，塞贝克效应，塞贝克系数，珀耳帖效应，电介质，极化，感生电荷（束缚电荷），相对介电常数，介电常数，极性分子电介质，非极性分子电介质，极化强度，电极化率，电子位移极化，粒子位移极化，取向极化，介电体击穿，介电击穿强度
2、用能带理论解释1－5价元素和离子晶体的导电性。
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、叙述剩余电阻率的概念、存在原因及其应用。
5、说明霍尔效应的现象、原因及其应用。
6、举出电导功能材料的三个实例。
7、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。 8、说明约瑟夫森效应的现象和应用。
真实电介质平板电容器总电流的矢量图
9、说明BCS 理论的基本观点及其成功和局限。 10、举例说明超导现象的应用及其应用中的问题。
11、说明热电势的概念及其产生的原因和影响因素。
12、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？
13、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。 14、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。15、说明极化的三种机理。 16、分析右图解释介电损耗出现的原因。
第六章、材料的磁性
1、重要名词：磁场强度，磁偶极子，磁偶极矩（磁动量），静磁能，磁化，磁矩，磁化强度，磁化率，相对磁导率，抗磁体，顺磁体，铁磁体，亚铁磁体，反铁磁体，强磁体，弱磁体，电子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核磁矩，原子的磁矩，居里温度，退磁状态，饱和磁化强度，饱和磁感应强度，退磁，剩余磁化强度，剩余磁感应强度，剩磁，矫顽力，磁滞现象，磁滞回线，磁化功，磁晶各向异性，磁晶各向异性能，磁晶各向异性常数，磁畴，畴壁，180°和90°畴壁，磁畴的结构，硬磁材料，软磁材料，磁记录材料，磁致伸缩
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。
5、简述原子磁矩在不同情况下的来源。原子核磁矩对原子磁矩的影响如何？
6、“所有的材料均有抗磁性”的说法对否？“所有的材料都是抗磁体”的说法对否？说明原因。
7、简述顺磁性的来源及其磁化率与温度的关系。
8、原子磁矩如何从实验得出？简述其理论依据。
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、简述实际磁畴的结构及其成因。
14、简述硬磁材料、软磁材料的性能要求及其常用的体系。
1、重要名词：能量按自由度均分原则，杜隆－珀替定律，狄拉克常数，爱因斯坦温度，德拜温度，奈曼－考普定律，傅里叶定律，热流密度，导热系数，导温系数，魏德曼－弗兰兹－洛伦兹定律，平均线膨胀系数和平均体膨胀系数，线膨胀系数和体膨胀系数，因瓦合金，可伐合金，热双金属
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。
4、德拜温度可用何种方法确定？
5、在不同温度下金属的热容各有什么构成？有何特点？
6、固溶体、化合物、复相材料的热容与其组份各有何种关系？
7、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？
8、金属、陶瓷、高分子材料的导热各有何特点？为什么？
9、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？
10、固溶体的热导率与其组份有何关系？复相材料呢？
11、用公式说明多孔材料作隔热材料的原因。
12、材料的线膨胀系数和体膨胀系数有何关系？
13、简述材料热膨胀的微观机理。
14、热膨胀系数与热容有何关系？为什么？
15、热膨胀系数与熔点、德拜温度各有何种关系？为什么？
16、简述固溶体和多相材料的热膨胀系数与其组份的关系。
1、重要名词：弹性变形，塑性变形，蠕变，应力，名义应力，真实应力，应变，拉伸应变，真应变，剪切应变，压缩应变，Hook定律，正弹性模量，切弹性模量，体积弹性模量，泊松比，固溶强化，细晶强化，第二相强化（析出强化，弥散强化），加工硬化（形变强化），应力松弛，理论结合强度，应力集中，材料强度的尺寸效应，断裂韧性，冲击韧性，塑性材料，脆性材料，粘性形变，粘弹性
2、说明Hook定律的意义及其不同表达式以及不同弹性模量的关系。
3、从原子间结合力与距离的关系解释晶体弹性变形的特点。
4、为什么塑性变形的实际应力总是小于理论切变强度？简述位错运动的阻力来源？
5、简述晶体蠕变和应力松弛的主要机制。
6、解释左面的钨多晶体的变形机制图。
7、推导晶体材料的理论断裂强度。
8、用Griffith理论说明材料的断裂强度低于理论断
裂强度的原因。
9、Griffith理论适用于什么材料？对塑性材料应如
何修正？
10、脆性材料总是脆性断裂吗？塑性材料又如何？
11、从下图的非晶Cu57Zn43黄铜的应力－温度关
系说明非晶态金属的力学性能特点及其变形机制。
1、重要名词：透射率，吸收率，反射率，透明材料，半透明材料，不透明材料，吸收系数
2、试述光与固体材料作用的两种微观机制。
3、为什么金属对可见光不透明？
4、已知金刚石的相对介电常数εr=5.5，磁化率χ＝－2.17×10-5，试求其中的光速。
5、已知碲化锌的E g＝2.26eV，它对哪一部分可见光透明？
6、某种实际应用要求光垂直入射到透明固体材料表面时反射率小于4.5％，折射率为1.60的聚苯乙烯能否满足该要求？
7、可见光垂直射入20mm厚的某透明材料时透射率为0.85，当该材料增加到40mm厚时透射率为多少？已知该材料的折射率为1.6。
8、金属和透明材料的颜色各由什么决定？
9、为什么有些透明材料是无色的，有些是带色的？
10、为什么聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等非晶态塑料是透明的，而像聚乙烯、聚四氟乙烯等结晶塑料往往是半透明或不透明的？
11、为什么许多常见的陶瓷材料是不透明的？
12、举出光学材料的几个实例。
材料物理性能思考题.
材料物理性能思考题 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？ 2 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？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？
9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义
《材料物理性能》试卷B.doc
一、是非题（I 分X1O=10分） 得分 评分人 1、 非等轴晶系的晶体，在膨胀系数低的方向热导率最大。 （） 2、 粉末和纤维材料的导热系数比烧结材料的低得多。 （） 3、 第一热应力因子/?是材料允许承受的最大温度差。 （） 4、 同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶的小。 （） 5、 电化学老化的必要条件是介质中的离子至少有一种参加电导。（） 6、 玻璃中的电导基本上是离子电导。 （） 7、 薄玻璃杯较厚玻璃杯更易因冲开水而炸裂。 （） 8、 压应力使单晶材料的弹性模量变小。 （） 9、 多晶陶瓷材料断裂表面能比单晶大。 （） 10、 材料的断裂强度取决于裂纹的数量。 （） 二、名词解释（2分X 10=20分） 得分 评分人 题号 -------- - ? ---- * 四 五 六 七 八 九 总分 合分人 得分 材料物理性能课程结束B 试卷 考试形式 闭卷 考试用时120分钟
1、固体电解质: 2、表面传热系数： 3、P型半导体： 4、施主能级： 5、声频支： 6、稳定传热： 7、载流了的迁移率: 8、蠕变： 9、弛豫：
10、滑移系统:
三、简答题（5分X4=20分，任选4题） 得分 评分人 1、导温系数。的物理意义及其量纲? 2、显微结构对材料脆性断裂的影响? 3、写出两个抗热应力损伤因子的表达式并对其含义及作用加以说明。 4、不同材料在外力作用时有何不同的变形特征?
四、问答题（9分X4=36分） 得分 评分人 1、何为裂纹的亚临界生长？试用应力腐蚀理论解释裂纹的亚临界生长? 2、请对图1表示的氧化铝单晶的入-丁曲 线分析说明。o I JI O 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T/K图1氧化铝单晶的热导率随温度的变 化
材料物理课程复习题终极
《材料物理科学》课程复习题 1简述材料的分类和新材料的特点、要求和发展方向。 工程上分：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料及复合材料 按状态分：单晶，多晶，非晶，准晶和液晶 按化学角度分：无机材料与有机材料 按应用分：信息材料，能源材料，生物材料，建筑材料，航空航天材料等 按用途分：结构材料和功能材料 商品化程度分：传统材料和先进材料 新材料的特点要求： 结构和性能相结合,智能化,减少污染,可再生性,节省能源,长寿命 新材料发展方向（讲义4-5页） 纳米材料,先进多相复合材料,高温超导材料,智能材料,生物医学材料 2简述材料的成分结构和性能的关系。(不全) 材料的性质取决于材料的结构。 材料的结构，是指材料的组元及其排列和运动方式。它包括形貌，化学成分，相组成，晶体结构和缺陷等内涵 3简述计算机模拟在材料物理学科中的作用。 计算机模拟是一种根据实际体系设计，在计算机上进行的模型实验。通常将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较。可以检验出模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论所作的近似是否成功。此外，在模型上获得的微观信息，常常比在实际体系上所作的实验更为详细。往往是在通常实验条件下很难获得的信息。此外，计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义，它能为现实模型和实验中无法实现的探索模型作详细的预测，并提供方法。如材料在极端压力或高温下经历相变的四维体系等计算机模拟由于有计算机图形学的帮助，不但能使模拟易于观察和易于理解，而且可进一步与计算机技术中刚开创的虚拟现实的新领域相结合。在虚拟现实中，计算机模拟的不结果不仅可用计算机图形学表达，而且也能用五官来感受。 用计算机辅助设计和模拟的专家系统进行材料设计，可以摆脱实验先行的研究方法，用较少的实验，较短的研制过程，就能获得较为理想的材料。材料科学走计算机辅助设计和计算机模拟之路，从理论和实际两个方面向人们提供了材料研究由必然到自由的可能。 4简述材料物理中各种键合的特点。 5魏德曼--弗朗兹定律说明了什么？ K／σ＝3(k／e)2T 式中k是玻尔兹曼常数, e是电子电荷，T是温度；解释了金属的高电导(σ)和热导(K)特性；也解释了金属的光学特性。这个理论的不足之处是从电子的总能量过高地估计了电子的比热。电导和热导的两种输运过程,如果T变化,会引起两种输运的变化
材料物理导论-思考题3
第二章 材料的热学 1. 讨论为什么高温下非密排结构晶体是稳定相，而低温时，密排结构晶体却为 稳定相？ 1.高温下原子活动能力较强，为了满足高温下原子平衡跳动的需要，原子间距要大，所以为非密排结构；低温时，原子活动性弱，原子间距小，在最低能态的条件下，原子尽量以密排方式。 2. 如图，比较铜和铁的热传导系数随温度的变化情况，讨论为什么铜在1084℃、 铁在912℃会出现跳跃？ 2.铜在1084℃、铁在912℃会出现相变，晶体结构有变化。铜的热传导系数出现跳跃是因为在此温度下铜由固态变成了液态，发生了相变，由于吸热使得单位时间内通过单位垂直面积的热量骤减，故热传导系数骤减；而铁在912℃由α-Fe 转变成γ-Fe ，晶体结构发生改变，热传导系数骤增，出现跳跃。 3. 进一步讨论晶体结构是如何影响热膨胀系数的？举例说明。 3、物体的体积或长度随着温度的升高而增大的现象称为热膨胀（thermal expansion ）用先膨胀系数、体膨胀系数表示。 线（体）膨胀系数指温度升高1K 时，物体的长度（体积）的相对增加。由于晶体结构类型变化伴随着材料比体积发生引起线膨胀系数发生不连续变化。例如，有序—无序转变时，伴随着膨胀系数的变化，在膨胀曲线上出现拐折，其中Au —Cu50%（质量分数）的有序合金加热至300℃时，有序机构开始破坏，450℃完全变为无序结构。在这个温度区间，膨胀系数增加很快，在450℃处，膨胀曲线上出现明显的拐折，拐折点对应于有序—无序转变温度。从曲线可以看出，有序结构具有较小的膨胀系数，这是Cu Fe 温度，℃/ 热 传导 系 数 ℃/mm 0.4 0.2 题2图 热传导系数与温度关系
材料物理性能复习思考题汇总
材料物理性能复习思考题汇总 第一章绪论及材料力学性能 一．名词解释与比较 名义应力:材料受力前面积为A,则δ。=F/A,称为名义应力 工程应力：材料受力后面积为A。，则δT =F/A。，称为工程应力 拉伸应变：材料受到垂直于截面积方向大小相等，方向相反并作用在同一条直线上的两个拉伸应力时发生的形变。 剪切应变：材料受到平行于截面积大小相等，方向相反的两个剪切应力时发生的形变。 结构材料：以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料 功能材料：具有除力学性能以外的其他物理性能的材料。 晶须：无缺陷的单晶材料 弹性模量：材料发生单位应变时的应力 刚性模量：反映材料抵抗切应变的能力 泊松比：反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值。（横向收缩率与轴向收缩率的比值） 形状因子：塑性变形过程中与变形体尺寸，工模具尺寸及变形量相关参数。 平面应变断裂韧性：一个考虑了裂纹尺寸并表征材料特征的常数 弹性蠕变：对于金属这样的实际弹性体，当对它施加一定的应力时，它除了产生一个瞬时应变以外，还会产生一个随时间而变化的附加应变（或称为弛豫应变），这一现象称为弹性蠕变。 蠕变：在恒定的应力δ作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象 材料的疲劳：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展。 应力腐蚀理论：在一定环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂和止裂的条件。 滑移系统：滑移面族和滑移方向为滑移系统 相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称相变增韧 弥散强化：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧效果，这称为弥散增韧 屈服强度：屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力 法向应力：导致材料伸长或缩短的应力 切向应力：引起材料切向畸变的应力 应力集中：受力构件由于外界因素或自身因素导致几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。
材料物理性能课后习题答案
材料物理性能习题与解答
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1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：根据题意可得下表 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。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变
1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 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 。 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 = ∞ 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： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
《材料物理性能》课后习题答案
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 。 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 = ∞ 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： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力
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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 = 0.0851 I。 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).
《材料物理性能》课后习题答案
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 。 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 = ∞ 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： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0816.04.25.2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变) (91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.44500 6 MPa A F T =?= =-σ真应力
材料物理性能课后习题问题详解_北航出版社_田莳主编
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 =2.04×10-10 m ）的布拉格衍射角。（P5） 12 34 131 192 1111 o ' (2) 6.610 = (29.110 5400 1.610 ) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπ λ θλ λ θθ----=???????=?==?=解：（1）= （2）波数= （3）2 2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的 ; ; s s s s s s s 226232 2 6 2 6 10 2 6 10 （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[]1 1 ln[1] ()()1/4ln 3()3/4ln 3F F 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8.5×103 kg/m 3 ，计算其E 0 F 。（P16） 2 2 03 23426 23 3 31 18(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5 =1.0910 6.83F h E n m J eV ππ---=????????=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）
材料物理习题
07 级材料物理习题一、概念： 1. 布里渊区和金属费米面 2. 直接带隙和间接带隙半导体 3. 德拜温度和德拜频率 4. 绝缘体、半导体和金属 5. 铁电性、压电性和介电性 6. 第一类超导体和第二类超导体 7. 单晶、多晶、非晶 8. 铁磁性、抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性 9. 弗仑克尔缺陷 10.霍尔效应 11.双折射现象、o 光和e 光 12.热胀冷缩引起的热应力和温差引起的热应力 13.磁化曲线和磁滞回线 二、简答： 1. 对半导体，试说明下列概念：（1）能隙；（2）空穴；（3）施主和受主杂质；（4）p型和n型掺杂；（5）载流子浓度； （6）施主能级为什么靠近导带？受主能级为什么靠近价 带？ 2. 半导体激光器中，与激光辐射有关的三个能级跃迁过程是什么？画出其能级变化示意图并给予解释。 3. 分别举出一种硬、软磁材料，并阐述在实际应用过程中对硬、软磁材料的电学性能有哪些要求。
4. 描述半导体的pn结的光伏过程。 5. 非金属材料透明和不透明的能带结构。 6. 解释为什么旭日和夕阳呈红色。 7. 怎么给透明材料着色？ 8. 荧光和磷光的区别？画图说明产生荧光和磷光的机理。 9. 画图说明金属的热容随温度的变化规律。微观机制是什么？ 10. 金属晶体与离子晶体的导热机制和特点是什么？ 11. 塞贝克效应及其微观机制？ 12. 单程记忆合金与双程记忆合金。 13. 在XPS分析中，鬼线是什么原因产生的？ 14. 在XPS分析中，荷电位移是什么原因产生的？用哪些方法消除荷电位移造成的误差？ 三、填空题 1. 按照频率响应由高到低，写出3种电介质的微观激化机制：________________ 、 _____________ 、_____________ 。 2. 物质具有磁性的根源在 于 _______________________________________________ 。3. 反铁磁体材料的磁化率x在尼尔温度处呈 现 _____________________ 。
材料物理性能测试思考题答案
有效电子数：不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。 K状态：一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。但对某些成分中含有过渡族金属的合金，尽管金相分析和Ｘ射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高，而在冷加工时发现合金的电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态称为K状态。X射线分析发现，组元原子在晶体中不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也把K状态称为“不均匀固溶体”。 能带：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。 价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。 导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。 金属材料的基本电阻：理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关，可以看成为基本电阻，基本电阻在绝对零度时为零。 残余电阻(剩余电阻)：电子在杂质和缺陷上的散射发生在有缺陷的晶体中，绝对零度下金属呈现剩余电阻。这个电阻反映了金属纯度和不完整性。 相对电阻率：ρ (300K)／ρ (4.2K)是衡量金属纯度的重要指标。 剩余电阻率ρ’：金属在绝对零度时的电阻率。实用中常把液氦温度(4.2K)下的电阻率视为剩余电阻率。 相对电导率：工程中用相对电导率( IACS%) 表征导体材料的导电性能。把国际标准软纯铜(在室温20 ℃下电阻率ρ= 0 .017 24Ω·mm2/ m)的电导率作为100% , 其他导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。 马基申定则(马西森定则)：ρ＝ρ’＋ρ(T)在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。ρ’：决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的剩余电阻率。ρ(T)：取决于晶格热振动的电阻率(声子电阻率)，反映了电子对热振动原子的碰撞。 晶格热振动：点阵中的质点(原子、离子)围绕其平衡位置附近的微小振动。 格波：晶格振动以弹性波的形式在晶格中传播，这种波称为格波，它是多频率振动的组合波。 热容：物体温度升高1K时所需要的热量(J/K)表征物体在变温过程中与外界热量交换特性的物理量，直接与物质内部原子和电子无规则热运动相联系。 比定压热容：压力不变时求出的比热容。 比定容热容：体积不变时求出的比热容。 热导率：表征物质热传导能力的物理量为热导率。 热阻率：定义热导率的倒数为热阻率ω，它可以分解为两部分，晶格热振动形成的热阻(ωp)和杂质缺陷形成的热阻(ω0)。导温系数或热扩散率：它表示在单位温度梯度下、单位时间内通过单位横截面积的热量。热导率的单位：W/(m·K) 热分析：通过热效应来研究物质内部物理和化学过程的实验技术。原理是金属材料发生相变时，伴随热函的突变。 反常膨胀：对于铁磁性金属和合金如铁、钴、镍及其某些合金，在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰，这些变化称为反常膨胀。其中镍和钴的热膨胀峰向上为正，称为正反常；而铁和铁镍合金具有负反常的膨胀特性。 交换能：交换能E ex=－2Aσ1σ2cosφA—交换积分常数。当A＞0，φ＝0时，E ex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。当A＜0，φ＝180°时，E ex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。交换能是近邻原子间静电相互作用能，各向同性，比其它各项磁自由能大102～104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩有序排列，即自发磁化。 磁滞损耗：铁磁体在交变磁场作用下，磁场交变一周，B-H曲线所描绘的曲线称磁滞回线。磁滞回线所围成的面积为铁 =? 磁体所消耗的能量，称为磁滞损耗，通常以热的形式而释放。磁滞损耗Q HdB 技术磁化：技术磁化的本质是外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(和)或近似外磁场方向的过程。技术磁化的两种实现方式是的磁畴壁迁移和磁矩的转动。 请画出纯金属无相变时电阻率—温度关系曲线，它们分为几个阶段，各阶段电阻产生的机制是什么？为什么高温下电阻率与温度成正比？ 1—ρ电-声∝T( T > 2/ 3ΘD ) ； 2—ρ电-声∝T5 ( T< <ΘD )；
材料物理性能部分课后习题
课后习题 第一章 1.德拜热容的成功之处是什么？ 答：德拜热容的成功之处是在低温下，德拜热容理论很好的描述了晶体热容，CV.M∝T的三次方 2.何为德拜温度？有什么物理意义？ 答：HD=hνMAX/k 德拜温度是反映晶体点阵内原子间结合力的一个物理量 德拜温度反映了原子间结合力，德拜温度越高，原子间结合力越强 3.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质 答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀
第二章 1.300K1×10-6Ω·m4000K时电阻率增加5% 由于晶格缺陷和杂质引起的电阻率。 解：按题意:p(300k) = 10∧-6 则: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1) 在400K温度下马西森法则成立，则: p(400k) = p(镍400k) + p(杂400k) ----(2) 又: p(镍400k) = p(镍300k) * [1+ α* 100] ----(3) 其中参数: α为镍的温度系数约= 0.007 ; p(镍 300k)(室温) = 7*10∧-6 Ω.cm) 将(1)和(3)代入(2)可算出杂质引起的电阻率p(杂400k)。 2.为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？ 对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大 而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发
材料物理性能王振廷课后答案106页
1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（ J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么 Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子 磁矩低的原因是什么 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。
材料物理复习题
材料物理复习题 一、名词解释 晶带轴：同一晶带中所有晶面与其他面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条平行直线称为晶带轴。 致密度：致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的比值。 配位数：配位数(coordination number) 是中心离子的重要特征。直接同中心离子(或原子) 配位的原子数目叫中心离子(或原子) 的配位数。 相：相(phase) 是系统中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分固溶体：固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。 中间相：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。柏氏矢量：柏氏矢量(Burgers vector) 是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。 刃位错：刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“┻”；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“┳”。其实这种正、负之分只具相对意义而无本质的区别。 螺位错：一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。 肖克莱不全位错：面心立方晶体中，柏氏矢量为1/6<112>的不全位错。弗拉克不全位错：面心立方晶体中，伯格斯矢量为1/3<111> 的纯刃形不全位错。肖脱基空位：晶体结构中的一种因原子或离子离开原来所在的格点位置而形成的空位式的点缺陷。 弗兰克尔空位：当晶体中的原子由于热涨落而从格点跳到间隙位置时，即产生一个空位和与其邻近的一个间隙原子，这样的一对缺陷-- 空位和间隙原子，就称为弗兰克尔缺陷。 反应扩散：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
材料物理导论-思考题4
第三章 材料的电学 1.说明量子自由导电理论与经典导电理论的异同。 经典导电理论：金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动自由电子的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体分子运动论。这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而在金属中产生电流。电子与原子的碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。 量子自由导电理论：金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。电子运动服从量子力学原理 。 2. 一块n 型硅半导体，其施主浓度N D ＝1015／cm 3，本征费米能级Ei 在禁带正中，费米能级E F 在Ei 之上0.29eV 处，设施主电离能?E D ＝0.05eV ，试计算在T ＝300K 时，施主能级上的电子浓度 对于硅半导，其禁带E=E C -E V =1.12ev 又由题可知：E F -Ei=0.29ev ，?E D = E C -E D = 0.05eV 所以 E D -E F =0.5E-?E D -（E F -Ei ）=0.22ev 将 N D ＝1015／cm 3，E D -E F = 0.22ev ，T=300K ，k=1.38 x 10-23带入下式 因此施主能级上的电子浓度n D =4.06 x 1011／cm 3 3.为什么金属的电阻随温度的上升而增加，半导体却降低？ 半导体是靠载流子(空穴或电子)导电的，温度升高，载流子增多，导电性增强；金属晶体里边，温度升高原子核振动加剧，碰撞电子使之减速的概率增加，电阻率上升 4.在实际工程中往往需要金属既有良好的导电性又有高的强度，假如足够高的强度既可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化得到，从导电率的要求看，你建议采用哪种强化方法？为什么？ 采用冷加工的方法，固溶强化会使金属的电导率大大降低，主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵()11exp()2D D D D D F N n N f E E E kT ==-+
《材料物理性能》课后习题答案
《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 。 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 = ∞ 和 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A 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)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
材料物理性能试题及其答案
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：
—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：
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。 答：①导体中含有未满带，在外场的作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成状态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了宏观电流；②绝缘体不含未满带，满带中的电子不会受外场的作用而产生偏离平衡态的分布，而一些含有空带的绝缘体，也因为禁带间隙过大，下层满带的电子无法跃迁到空带上来形成可以导电的未满带，所以绝缘体不能导电；③本征半导体的情况和绝缘体类似，区别是其禁带能隙比较小，当受到热激发或外场作用时，满带中的电子比较容易越过能隙，进入上方空的允带，从而使材料具有一定的导电能力；④掺杂半导体则是通过掺入异质元素，从而提供额外的自由电子或者额外的空穴以供下层电子向上跨越，使得跨越禁带的能量变低，电子更加容易进入上层的空带中，从而具有导电能力。 2、简述温度对金属电阻影响的一般规律及原因。 答：无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函数，如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那么电阻与温度的关系曲线将要变化。 在低温下，电子-电子散射对电阻的贡献显著，其他温度电阻取决于电子-声子散射。 3、何谓材料的热膨胀？其物理本质是什么？ 答：①热膨胀：材料在加热和冷却过程中，其宏观尺寸随温度发生变化的现象。 ②物理本质：在非简谐近似下，随温度增加，原子热振动不仅振幅和频率增加，其平衡位置距平均尺寸也增加，即导致振动中心右移，原子间距增大，宏观上变现为热膨胀。 4、物质的铁磁性产生的充要条件是什么？ 答：(1) 原子中必须有未填满电子的内层，因而存在未被抵消的自旋磁矩。 (2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r＞3。 5、内耗法测定α-Fe中碳的扩散（迁移）激活能H的方法和原理。 答：参考教材P-211 五、论述题（每题10分，共10分）：
材料物理复习题
1. 简述物理气相沉积薄膜的物理过程 一般，单个气相原子的动能（22 1 mv E k = ）大于基体中一个原子的动能（kT 23 ），若发生碰撞，入射原子能快速交出多余的能量，则易被吸附。吸附过程包括物理吸附和化学吸附，物理吸附依靠德华力，作用围约为0.4nm ；化学吸附依靠吸附原子和基体表面原子间形成的化学键，作用围小（0.1~0.3nm ），吸附能较大，解吸较前者困难。单个气相原子吸附在基体上后，由几个被吸附的单个原子相互结合形成各种大小不一的小原子团（凝结相），小原子团长大为晶核，晶核继续长大，形成不连续薄膜，进而得到连续薄膜。 2. 简述: 临界核概念; 微滴理论; 原子理论; 表面结构驰豫和重构 ①要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生，这种小原子团不分解出单原子或双原子等，是稳定的，称为稳定核。临界核比最小稳定核少一个原子，由薄膜材料和基片种类决定。 ②将吸附在基片表面的原子团视为微小的凝聚滴（如图），由热力学理论知，形成这个微滴时总自由能的变化为：?G=a 3r 3g v +a 1r 2σ0+a 2r 2σ1-a 2r 2σ2 只有 r >r*→ ?G ↓→才稳定 v v v d G a r g a r a r a r dr a a a r a g a a a G a g σσσσσσσσσ23102122102122310212222 3 32220234 27** ?=++-=-+-∴= +-?=3 （） 微滴的临界半径（） 总自由能变化最大值
在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为： 成核速率为 当原子数>100个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。 ③当小于100个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。 成核速率∝临界核密度×每个核的捕获围×吸附原子向临界核的总速度 由统计理论，临界核密度: s v v v v a r a r G r r f G r f g G f r g r d G r G f dr g πθπθπθπθθθ πσπθσπθπθσσπθσ2 1222232 20 033203 002cos 2cos sin sin 23cos cos 4()4 4 ()3 1 ()3 20, 16()/3**=?==?=-+∴?= =?=∴?=+?=?=-?=假设微滴为球帽形 （1-）面积（1-） 面积（）=4形成该微滴后，体系总的自由能变化 4（） v g 2 f G θθσσθσθσσσσσ2010()00cos 0*==??==+=∴↑≥?22201 当时，完全润湿，，即形成稳定核无需克服能量位垒，由，可知，则最大。 基片表面上有台阶、微裂缝等，有助于（+）促进成核p P R R E kT v τ0 1 ( )exp(/)==1n x P P I n An v I Zn An v Z E E G v I Zn a R r v kT πθ111 000 (2sin )exp() **** ∝?=---∴=-2 比例系数，约为10微滴的表面能和体积的自由能变化用块材数值不？ ()()10100111101000exp /i 0exp /exp /基片单位面积上的吸附点数 基片单位面积上吸附的单原子密度临界核的结合能 -临界核中的原子数目 不计入吸附能的单原子位能. 令，则：（）i i i i i i i i i i n n n E iE kT n n n E E n n E n n E iE kT n E kT n n * *????=- ?????----??????==-= ? ??? ????