东南大学材料物理性能复习题(带答案)

#材料物理性能复习题第一章1、Cv、Cp和c的定义Cv：加热过程中体积不变，供给热量只需满足升高1K时物体内能增加，不必再以做功形式传输出去，这种条件下的热容为定容热容。Cv=AU/^TCp：加热过程中压力不变，体积自由膨胀，升高1K供给物体的热量，除了满足内能增加，还要补充对外做功的损耗，这种条件下的热容称为定压热容。Cp=（△H/AT）p，H=U+pVc：1kg物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K所需的热量称为比热容。Cpm和Cvm的关系，实际测量得到的是何种量？Cpm=cpM,CVm=cVM，Cpm-CVm=%^也，av为体膨胀系数，Vm为摩尔体积，K为三向静力压缩系数。实际测量得到Cpm再算出CVm。Cvm与温度（包括％）的关系高温区CVm变化平缓；低温区CVm-T3；接近0K时CVm*T；OK时CVm=0。德拜温度eD越高，CVm越小。T>>0D即高温时，CVm=3R,R为摩尔气体常数，R=8.315J/（mol・K）。t<<0d即低温时，cvm^r。自由电子对金属热容的贡献常温时自由电子热容微不足道。极高温下电子像金属晶体离子那样显著参加到热运动中，因此在III温区热容继续上升而不趋于一渐近线；极低温下，电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而起主导作用。合金热容的计算合金热容是每个组成元素热容与其质量分数的乘积之和，即C=£-1X.C.。^1=1II2、哪些相变属于一级相变和二级相变？其热容等的变化有何特点？一级相变：相变时有相变潜热（焓）和体积突变，并使热容为无限大。如液－固相变，同素异构转变，珠光体转变等。二级相变：焓随温度的升高而逐渐增大，在靠近转变点时焓明显增大，使热容达到最大值。无体积突变。如铁磁性向顺磁性转变，bcc点阵的有序－无序转变。3、撒克斯法测量热容的原理撒克司装置由箱子（外部）、试样（中间）和电阻丝（内部），以及测量箱子温度和试样箱子温差的热电偶组成。Cp=存W为电阻丝的加热功率，由伏安计测出；m为试样质量；电阻丝交替通断电，使试样温度Ts在箱子温度TB上下很小的范围内波动，TB随时间作单调变化。因此如=吒+如如，右侧第一Bdtdtdt项由箱子上的热电偶测量，第二项由箱子试样之间的示差热电偶测量。何谓DTA和DSC?DTA：示差热分析仪DSC：示差扫描量热计DTA测量对标样有何要求？研究温区无相变、质量尺寸与待测试样相当、加热或冷却速率与试样大体相同、不易氧化。如何根据DTA曲线及热容变化曲线判断相变的发生及热效应（吸热或放热）？DTA曲线出现峰形代表相变的发生，高于基线的峰是吸热，低于基线的峰是放热；热容变化曲线出现峰形代表出现相变，峰顶向上为吸热，向下为放热。4、线膨胀系数和体膨胀系数的表达式及两者的关系。证明a=a+a+a（釆vabc用与教材不同的方法）_1M_1dl1dVta,=a—a=a=3aIl0MaTlTdTavtdtav1证明：dV=lalblc（1+aadt）（1+abdt）（1+acdt）-lalblc=lalblc（1+aadt+abdt+acdt+aaabd2t+abacd2t+aaacd2t+aaabacd3t）-lalblc，舍去无穷小的d2t与d3t项，则dV=lalblc（aadt+abdt+acdt）。又dV=V0aVdt=lalblcavdt,所以av=aa+ab+aco5、金属热膨胀的物理本质两原子相互作用的势能呈不对称曲线变化，导致点阵结构中的质点平均距离随温度升高而变化。热膨胀和热容与温度（包括0D）的关系有何类似之处？体膨胀系数与定容比热容成正比，有相似的温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。金属的德拜温度越高，膨胀系数越小。为何金属熔点越高其膨胀系数越小？对于一般立方或六方结构的纯金属，从0K加热到熔点，相对膨胀量约为常数6%~7.6%，即膨胀系数和熔点成反比。为何化合物和有序固溶体的膨胀系数比固溶体低？形成化合物或有序固溶体，相对于固溶体都会增加有序结构，有序化会导致合金原子之间的结合力增强，因此膨胀系数小。奥氏体转变为铁素体时体积的变化及机理奥氏体（Y-Fe）转变为铁素体（a-Fe）时，由空间利用率74%的fee结构转变成空间利用率68%的bee结构，体积增大。膨胀测量时对标样有何要求？膨胀量与温度成正比，在使用范围内没有相变，与试样的导热系数接近，在使用温度区间不易氧化。6、比容的定义（单位重量的体积，为密度的倒数）。奥氏体、珠光体、马氏体和渗碳体的比容相对大小。比容从小到大：奥氏体、珠光体、马氏体、铁素体。7、钢在共析转变时热膨胀曲线的特点及机理共析钢加热膨胀曲线上的陡直下降十分显著，它说明珠光体转变为奥氏体的数量增多，体积收缩效应也随之增大。如何根据冷却膨胀曲线计算转变产物的相对量？作温度最高的斜率变化点B处的切线，切线AB延长到温度最低的斜率变化点D的正下方交于C,则冷却膨胀曲线上的点到BC上的距离是CD的几分之几就就代表转变产物的体积分数是几分之几。8、傅里叶定律和热导率、热量迁移率傅里叶定律：热流密度与温度梯度成正比但方向相反，q=-九兰入为热Ax

导率或导热系数（单位温度梯度下单位时间通过单位截面积的热量）；热量迁移率：坐^=-九SQ为流过与热流垂直的某一面元的热量，S为该dtdx面元的面积；导温系数的表达式及物理意义导温系数（热扩散率）：aAP为密度，c为比热容。在不稳定热传导的pc过程中，材料内经历着热传导的同时还有温度场随时间的变化。热扩散率正是把二者联系起来的物理量，表示温度的变化速率。9、金属、半导体和绝缘体导热的物理机制对纯金属而言，电子导热是主要机制；在合金中声子（晶格振动的格波）导热的作用要增强；在半金属或半导热内声子导热常常与电子导热相仿；而在绝缘体内几乎只存在声子导热一种形式。魏德曼－弗兰兹定律久在不太低温度下（T>0D）,金属的热导率与电导率之比正比于温度：一=LT,L为洛伦兹数。10、何谓抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性？材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击断裂性。在热冲击的循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。热应力是如何产生的，与哪些因素有关？由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力：两端约束，加热时试样受压，冷却时试样受拉；多相复合材料中各相的膨胀系数不同导致的热应力；各向同性的材料存在温度梯度时导致的热应力。热应力影响因素：材料的热导率、传热的途径（材料或制品的厚薄）、材料表面的散热速率、冷却速率等。提高材料的抗热冲击断裂性可采取哪些措施？提高材料强度。，减小弹性模量E；提高材料的热导率；减小材料的热膨胀系数；减小表面热传递系数；减小产品的有效厚度。第二章1、电阻、电阻率、电导率及电阻温度系数的定义及相互关系。电阻：是导体对电流阻碍作用的大小。电阻率：电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种物质所制成的原件（常温下20°C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。电导率：指在介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度，也可以称为导电率。电阻温度系数：表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化。Pt^£op0Pt^£op0T1dp

pdTT2、为何温度升高、冷塑性变形和形成固溶体使金属的电阻率增加，形成有序固溶体使电阻率下降？温度升高，离子热振动加剧，原子无序度加大，使电子散射几率加大，电阻率加大。冷塑性变形使晶格畸变，使电子散射几率增大，原子间距有所改变，电阻增大。形成固溶体：主要是异类原子引起溶剂晶格畸变。固溶体有序化使点阵规律性加强，减小电子散射，使导电性加强。马基申定律的表达式及各项意义p=p（T）+P残马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻p（T）和残余电阻率p组成。p（T）为与温度有关的金属基本电阻率，即溶剂金属（纯金属）的电阻率残；p为决定于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻率。为何纯金属的电阻残温度系数较其合金大？因为合金元素的原子会增加p，使p（T）增大，电阻温度系数减小。如何获得电阻温度系数很低的精残密电阻合金？当溶解过渡族元素时，若固溶体的顺磁性随温度变化很大，则其叫具有负号，因而对dp/dT影响很大。这种现象可以被用来获得电阻温度系数很低的电阻合金。3、对层片状组织，证明教材中的关系式（2.25）和（2.26）。4、双电桥较单电桥有何优点？双电桥能消除连接导线电阻和各节点接触电阻等附加电阻，对小电阻的测量更精确。用电位差计测量电阻的原理直流电位差计也是一种采用比较法进行测量的仪器。它是基于测量与已知量互相补偿的原理来实现测量的，用来进行比较的已知量是标准电池的电动势，比较方法是使某一电流通过电阻形成压降，用此压降与被测电动势（或电压）相比较，从而确定被测量的大小。用电阻分析法测定铝铜合金时效和固溶体的溶解度的原理低温时效电阻升高是由于时效的初期形成了极细小的弥散小区域（称为G-P区）,

使导电电子发生散射的缘故。高温时效电阻降低，则是由于从固溶体中洗出了CuAl2相，降低了溶质的含量，使溶剂点阵的对称性得到了恢复。若B全部溶于A中，则可获得单相的a固溶体，在形成过程中电阻率p将沿曲线变化。若B不能全溶于A中，就要形成新相B相和a相组成的两相机械混合物，P将沿直线变化。这样在曲线上便出现了转折点，这个转折点即代表了某温度t下的溶解度。5、何谓本征半导体？其载流子为何？证明关系式J=qnv和p=E/J（J和E分别为电流密度和电场强度）。所谓本征半导体就是指纯净的无结构缺陷的半导体晶体。载流子：自由电子和空穴。nqvS=nqvnqvS=nqv11EP==-cJ=JE6、为何掺杂后半导体的导电性大大增强？掺杂后，极大的提高了载流子的浓度。为何有电子型和空穴型两种半导体？在本征半导体中掺入5价元素就可以使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。这是因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素的原子时，它的4个价电子与周围硅（或锗）原子以共价键相结合后，还余下了一个价电子变成多余的。在本征半导体中掺入3价元素就可以使晶体中的空穴的浓度极大地增加。这是因为3价元素的原子有3个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素的原子时，与周围4个硅（或锗）原子以共价键相结合后，必然缺少一个价电子，形成一个空位。N型和P型半导体中的多子和少子N型多子为自由电子，少子为空穴；P型多子为空穴，少子为自由电子。为何PN结有单向导电性？外加正向电压，PN区内建电位差减小，空穴和自由电子的扩散和漂移的平衡被打破，扩散大于漂移，产生P指向N的正向电流。U越大，电流越大。外加反向电压，PN区内建电位差增大，扩散小于漂移，以致于多子的扩散停止。另一方面少子在内电场的作用下产生N指向P的反向电流，但电流极小。上述机制形成了PN结的单向导电性。7、温差电势和接触电势的物理本质温差电势：热端高能电子向冷端扩散，结果热端带正电（缺少电子），冷端带负电（有富余电子），由热端指向冷端的温差电场阻止了电子的进一步扩散，最终形成稳定的温差电位差。接触电势：相接触的两种金属的电子密度不同，即在接触面的两测存在自由电子浓度差，所以将产生自由电子从高浓度到低浓度的扩散运动，扩散运动导致接触面附近两测产生一个空间电荷区，产生从高浓度到低浓度的结内电场，当电场力增大到与扩散力相等时，则建立了一定厚度的空间电荷区，产生一定大小的结内电场和接触电动势。热电偶的原理赛贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生。上述回路称为热电偶。8、何谓压电效应？压电效应：由力产生电的效果。在某些晶体的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应表面上分别出现正负电荷，其电荷密度与施加的外力大小成正比。电偶极矩的概念从-q指向+q的矢径r和电量q的乘积定义为电偶极子的电矩，也称电偶极矩。压电性产生的机理压电性的本质是晶体受力变形，导致正负电荷中心分离，晶体对外显示电偶极矩，表面出现束缚电荷。9、何谓霍尔效应和霍尔系数？推导出教材中的关系式（2・83）〜（2.85）o磁场对载流导体或半导体的载流子有作用，致使产生横向电位差的现象称为霍尔1效应。霍尔系数R二一。HnqBjBIRBIE=Bv==RBjV—Ea—Bva———h—HnqHHnqdd如何根据霍尔效应判断半导体中载流子是电子还是空穴？左手定则：四指指向电流方向，磁场方向垂直穿过掌心，大拇指指向正电势则载流子是空穴，大拇指指向负电势则载流子是电子。第三章1、M、Pm的关系。M、H的关系。％,卩，x的概念。B、H的关系大小为I、包围面积为S的环形电流产生的磁矩为Pm=IS。单位体积的总磁矩定工P义为磁化强度M—M。M—xH,H为外磁场强度，X为磁化率，反映物质V磁化的难易程度。口°：真空磁导率；口：磁导率，表示当外磁场增加时磁感应强度增加的速率，工程技术上表示铁磁材料磁化难易程度。B=yH磁化曲线中Mr、Hc的概念从饱和磁化状态降低H，外磁场完全去除后得到不为零的磁化强度Mr，称为剩余磁化强度。欲将M减小到零，必须再加一反向磁场-He,此Hc称为磁矫顽力。2、原子的轨道磁矩和自旋磁矩物质在外磁场作用下是否都产生抗磁性？轨道磁矩：核外电子绕核循环运动看做闭合电流，产生磁矩。自旋磁矩：电子和原子核自旋运动产生的磁矩。何种条件下原子对外显示磁矩？当某一电子壳层未被电子排满时，该原子对外就显示磁矩。物质的抗磁性是如何产生的？在何时物质才成为抗磁体？电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩。任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性。只有那些抗磁磁矩大于轨道磁矩和自旋磁矩产生的顺磁磁矩的物质才能称为抗磁体。

3、何谓原子的固有磁矩？顺磁体的原子或离子内未填满的电子壳层（如过渡元素的d层，稀土金属的f层），或具有奇数电子的原子，以及电子的自旋构成原子的固有磁矩。物质的顺磁性如何产生的？无外磁场时，由于热振动的影响，原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零，当有外磁场作用，则原子磁距便排向外磁场的方向，总磁矩便大于0而表现出正向磁化。哪些因素决定金属的顺磁性和抗磁性？正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子的顺磁性源于电子的固有磁距。而自由电子的顺磁性源于电子的自旋磁矩，抗磁性源于外磁场作用下受洛伦兹力做圆周运动产生的磁距。列举说明属于抗磁性和顺磁性的物质抗磁性：铜银金汞顺磁性：铂、奥氏体不锈钢、锂、钠铁在不同温度时磁性如何变化？铁在低温下可以被强烈磁化，温度高于居里温度点后变成顺磁体。磁化率测量原理磁秤法：通过试样在非均匀磁场中的受力情况来确定它的磁化率。dUdx=PdUdx=PdB=MV空dxdx=xHVdBdx4、铁磁质的自发磁化的充分必要条件原子内部要有未填满的电子壳层，Rab/r>3使A>0,其中Rab为点阵常数，r为未填满壳层半径，A为交换能积分常数。何时产生反铁磁性？当交换能积分A为负值时，原子磁矩取反向平行排列；若相邻原子磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于0。这样一种性质称为反铁磁性。何谓居里温度？铁磁性转变为顺磁性的最小温度。磁致伸缩的概念铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。5、磁壁的结构相邻磁筹的界限称为磁畴壁，畴壁是一个过渡区，有一定的厚度，磁筹的磁化方向不能在畴壁处突然转一个很大的角度，磁筹的磁化方向是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即在过渡区中磁距是逐步改变方向的。磁畴是如何形成的？磁筹的形成是能量最小原则的必然结果，形成磁筹是为了降低系统的能量（主要是退磁能和磁弹性能。因磁壁结构受交换能、磁晶能、磁弹性能，畴壁能，和退磁能的影响，平衡状态时的畴壁结构，应使这些能量之和为最小值）技术磁化的三个阶段和机制可逆迁移区：磁场较弱，磁矩与外磁场呈锐角的磁畴扩大，呈钝角的磁畴减小－磁壁可逆移动（注意：磁壁移动仅仅是磁矩的转动，而不是原子的位移或扩散）。不可逆迁移区：磁场增强，磁矩与外磁场呈钝角的磁畴瞬时转向与磁场呈锐角的易磁化方向（磁壁瞬时跳跃－巴克豪森跳跃）。旋转区：磁场继续增强，磁矩由易磁化方向转为外磁场方向。Ms的概念饱和磁化强度（整个磁筹的磁矩）巴克豪森跳跃在磁化过程中畴壁发生跳跃式的不可逆位移过程。哪些磁性参数是组织敏感的？哪些是组织不敏感的？与技术磁化有关为组织敏感参数：He、x、ABr（剩磁感应强度）与自发磁化相关为组织不敏感参数：Ms、入s、K（磁晶各向异性常数）影响》、Mr和Hc的组织因素有哪些？组成相的晶粒形状和大小、分布状况、以及组织形态。6、说出钢铁组织中（残余奥氏体、珠光体、马氏体、贝氏体、铁素体）哪些属于顺磁体、弱铁磁体或强铁磁体。强铁磁相－珠光体、马氏体、贝氏体弱铁磁相－渗碳体顺磁相－残余奥氏体7、用于高频范围的铁磁体如何才能降低铁耗？加入Co2+离子、从居里温度缓慢冷却、使用高电阻率的Ni-Zn铁氧体、用平面六角型铁氧体材料、用加极化场的Ni-Zn铁氧体。静态磁性的测量原理－冲击法和抛脱法冲击法：冲击法测量闭路试样的静态磁性，实际上是测定不同磁化电流所对应的试样的磁通密度B,根据磁通变化感应电量。抛脱法：测量时先选定一个足够强的磁场，然后将试样1迅速地投入到磁极2间隙中的测量线圈3中（或将试样从线圈中迅速抽出）,借助于测量线圈中磁通彷的变化来测量材料的饱和磁化强度Mg。8、测定钢中残余奥氏体的原理对碳钢和低合金钢：确定残余奥氏体的数量可以通过直接测量淬火钢中马氏体的数量来实现,即知道了马氏体的数量后,从试样中扣除马氏体即得奥氏体的数量。对高碳合金钢：这类钢的淬火组织由马氏体、残余奥氏体和合金碳化物组成,而后二者都是顺磁相的,故一般采用退火或淬火后再经高温回火的试样来做相对标准样。如何用磁性法测量过冷奥氏体的等温转变？测量时先将试样放在磁极之间的加热炉中加热到奥氏体化的温度（必须低于转变产物的居里点）,然后加上磁场。因为奥氏体是顺磁性,试样试样在磁场中不发生偏转。然后再迅速将加热炉换成等温炉使试样进行等温淬火,这时过冷奥氏体将分介,其分介产物珠光体、贝氏体、马氏体等都是强铁磁相。随等温时间的延长,分介的产物越多,试样的Ms越高,试样的偏转角也越大。连续记录下试样的转角,经适当的换算,就可以算出奥氏体的转变量,因而也就可以绘出奥氏体的等温分介曲线。9、对软磁材料和硬磁材料，对其卩、Mr、He各有何要求？软磁：高卩、X，低He硬磁：低卩、X，高He第四章1、光子的能量£=hvh=6.626XIO-34J•s

2、光的反射、折射和全反射反射：指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。折射：光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生改变，从而使光线在不同介质的交界处发生偏折。全反射：又称全内反射，指光由光密介质（即光在此介质中的折射率大的）射到光疏介质（即光在此介质中折射率小的）的界面，在入射角大于Oc时，全部被反射回原介质内的现象。光导纤维原理利用光的全反射原理。普通玻璃对空气的临界角为42°。3、光的吸收与透射光的吸收是指原子在光照下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。当光入射到透明或半透明材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分可以透射过去。透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。材料的发光性能材料吸收外界的能量后，其中部分能量以频率在可见光范围内向外发射（能量为1.8〜3.1eV）,这称为发光。与热辐射发光相比，这称为冷发光。4、绝缘体的禁带宽度Eg与透过的光线波长入的关系heEg5、发光材料（半导体、掺杂半导体）所发光的波长与Eg、Ed的关系本征半导体九二hc本征半导体九二hcE"

g掺杂半导体九hcE-Egd磷光与荧光对一些陶瓷与半导体材料，外界激发源使电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带中是不稳定的，停留的时间很短，只有10-8s左右，就又自发的返回低能级的价带中，并相应的放出光子，其波长为九-hc/Eg。当外界激发源去除后，发光现象随即很快消失，这称为荧光。g另一类材料，因含有杂质和缺陷，在能隙中引入了施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前先落入施主能级，并被俘获停留一段较长的时间，电子在逐步逃脱这个陷阱之后才返回价带中的低能级，这时相应的放出光子，其波长为hc二由于这种发光能持续一段较长时间，便称为磷光。gd第五章1、弹性模量的物理本质及各向异性弹性模量代表了产生单位应变所需施加的应力，是材料弹性形变难易（刚性）的衡量，也表征着材料恢复形变前形状和尺寸的能力（回复力）。从微观上讲，弹性模量代表了材料中原子、离子或分子间的结合力。由于晶体材料的弹性是各向异性的，为了评价不同晶体各向异性的程度，引进弹性各向异性常数作为表征。弹性模量与原子结构和温度的关系弹性模量取决于材料原子的价电子数和原子半径的大小。同一周期随原子序数增加，价电子增多，弹性模量增高。同一族元素价电子数相等，由于原子半径随着原子序数增加而增大，弹性模量减小。过渡族金属的d层电子所产生的原子间结合力都比较强，因此它们的弹性模量都比普通金属大，并且还随着原子半径的增大而增高。一般来说，德拜温度越高，原子间结合力越强，弹性模量也越高。温度增加，原子间距增加，结合力减小，E下降。铁磁性反常铁磁材料退磁状态下磁畴随机取向。施加应力后磁畴转动以适应应力方向而降低磁弹性能，发生应力感生磁化，同时发生磁致伸缩效应，发生附加伸长，使弹性模量下降。弹性模量的测试方法静态法：通过应力－应变曲线的斜率求得。精度低，存在滞弹性现象（实验结果受到加载速度的影响）。不适合脆性材料。动态法：在试样承受交变应力产生很小应变的条件下测量弹性模量，用这种方法获得的弹性模量称为动态弹性模量。优点是测量设备简单，速度快，结果准确。2、滞弹性现象及其物理本质所谓滞弹性是指在弹性范围内出现的非弹性现象，本质是应变落后于应力，表现出弹性蠕变和弹性后效，亦称驰豫。滞弹性内耗的产生及定义应变和应力之间存在一个相角差，如果应力变化一个周期，应变和应力的变化就形成