材料科学导论题目答案

1.核外电子的排列规律：

一．能量最低原理：原子核外的电子，总是尽先占有能量最低的原子轨道，只有当能量较低的原子轨道被占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，以使原子处于能量最低的稳定状态。

原子轨道能量的高低为：

1．当n相同，l不同时，轨道的能量次序不s＜p＜d＜f。例如，E3S＜E3P ＜E3d。

2．当n不同，l相同时，n愈大，各相应的轨道能量愈高。例如，E2S＜E3S ＜E4S。

3．当n和l都不相同时，轨道能量有交错现象。即（n－1）d轨道能量大于ns轨道的能量，（n-1）f轨道的能量大于np轨道的能量。在同一周期中，各元素随着原子序数递增核外电子的填充次序为ns，（n－2）f，（n－1）d，np。

二．泡利不相容原理：在同一原子中没有四个量子数完全相同的电子，或者说在同一原子中没有运动状态完全相同的电子。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。

三：洪特规则：在等价轨道中，电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。洪特规则实际上是最低能量原理的补充。因为两个电子同占一个轨道时，电子间的排斥作用会使体系能量升高，只有分占等价轨道，才有利于降低体系的能量。

2.原子之间的作用力如何由来:

当两个原子相互移近时，距原子核最远的价电子比其他电子更早发生重叠，因为价电子只占据部分的壳层，当它们重叠时就会产生引力，但是当两个原子满壳层的电子云也发生重叠时，就会出现浸壳层间的斥力。

离子键型的晶体的结合较强，破坏这种化学键需要较高的能量，所以离子型晶体的熔点、硬度、强度都很高，热膨胀系数很小；

共价键性的材料中由于共价键最多，结合键最强，因而熔点、强度和硬度都很高；金属键的材料具有金属光泽、高的导电性和导热性，较好的机械强度和塑形，具有正的电阻温度系数；

分子键的材料熔点和沸点低，强度低。

3.材料的结合键与材料性能之间的关系：

一、化学键

1．离子键

离子键是由正负电荷的相互吸引造成的。

2 共价键

共价键是一种强吸引力的结合键。当两个相同原子或性质相近的原子接近时，价电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。共价键使原子间有很强的吸引力。

3．金属键

金属是由金属键结合而成的，它具有同非金属完全不同的特性。金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，这些外层原子就脱离原子，成为自由电子，为整个

金属所共有，自由电子在金属内部运动，形成电子气。这种由自由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键。

4．分子键

分子键又叫范德瓦尔斯键，是最弱的一种结合键。它是靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力，称为范德瓦尔斯力，由这种分子力结合起来的键叫做分子键。5．氢键

另一种范德瓦尔斯力实际上是极性分子的一种特殊情况。C－H、O－H或N－H键端部暴露的质子是没有电子屏蔽的，所以，这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子，于是形成了一种库仑型的键，称为氢键，氢键是所有范德瓦尔斯键中最强的。

二、结合键对材料性能的影响

1．金属材料

金属材料的结合键主要是金属键。由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时，其内部的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流，所以金属具有良好的导电性；金属除依靠正离子的振动传递热能外，自由电子的运动也能传递热能，所以金属的导热性好；随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧，使自由电子的定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的电阻温度系数；当金属的两部分发生相对位移时，金属的正离子仍然保持金属键，所以具有良好的变形能力；自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。

金属中也有共价键（如灰锡）和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2）。

2．陶瓷材料

简单说来，陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。

3．高分子材料

高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能。

4.点缺陷有哪几种类型？

点缺陷：发生在晶体中一个或者几个晶格常数范围内的缺陷，其三维尺度都与原子尺寸相近，也称为零维缺陷。例如空位、间隙原子、杂质原子等。

脱离原来格点位置的原子有三种去向：迁移到晶体表面；迁移到晶体中晶界、位错或空位处；迁移到晶体内部非格点位置。

1.热缺陷：

（1）肖脱基缺陷：晶体中的格点原子挣脱原子势阱后，如果迁移到晶体的表面位置或者迁移到晶界、位错或空位处湮灭，而不产生新的缺陷，只在原来的格点上形成空位。

（2）弗兰克尔缺陷：晶体中的格点原子挣脱原子势阱后，如果迁移到晶体内部的非格点位置上，同时产生一个空位和一个间隙原子，这种空位-原子对式的缺陷就是。。。

（3）间隙原子：晶体表面或晶界、位错处的个别原子获得足够大的能量进入晶体内部非格点的间隙位置形成的缺陷。

2.杂质缺陷：实际晶体中不可避免地含有或多或少的杂质，甚至为了改善晶体的某些性能，人为地掺杂一些杂质。这就形成了杂质缺陷。

（1）替位杂质：杂质原子取代基质原子。

（2）间隙杂质：杂质原子占据晶体中的非格点的间隙位置，成为间隙替位。

5.热平衡空位对物理性能有哪些影响？

（1）产生弹性畸变区，形成畸变能（点缺陷形成能）。

(2)导致电性能变化（在离子晶体中引起电场分布改变和电导率增加、金属中电阻增加(空位使晶体内电子浓度发生散射)）。

（3）导致晶体膨胀，密度减小。

（4）过饱和点缺陷提高金属的屈服强度强度。

（5）提高材料的高温蠕变速率

6.如何形成非平衡浓度的空位？

（1）淬火法：经高温停留的晶体激冷至低温。高温的平衡空位浓度大，激冷过程中来不及消亡，因此在低温形成非平衡空位。

（2）辐照法：高能粒子把原子从平衡位置撞出，形成数量相等的空位和自间隙原子。离位原子还可能继续撞击其他原子。

（3）塑性变形：位错相互作用。

7.位错在应力场中受到作用力怎样计算？

8.具体位错在应力场中的应力计算及分析？

9.位错反应的条件？

(材料科学基础P113)

(1)能量条件：反应后诸位错的总能量小于反应前的诸位错的总能量。

(2)几何条件：反应前的柏氏矢量和等于反应后的柏氏矢量和。

10.合金扩散中的柯肯达尔效应？

(材料科学基础P140)

由于多元系统中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为克肯达尔效应把Cu，Ni两根金属棒对焊在一起，在焊接面上镶嵌上几根钨丝作为界面标志然后加热到高温并保温很长时间后，令人惊异的事情发生了：作为界面标志的钨丝向纯Ni一侧移动了一段距离。经分析，界面的左侧（Cu）也含有Ni原子，而界面的右侧（Ni）也含有Cu原子，但是左侧Ni的浓度大于右侧Cu的浓度，这表明，Ni向左侧扩散过来的原子数目大于Cu向右侧扩散过来的原子数目。过剩的Ni原子将使左侧的点阵膨胀，而右边原子减少的地方将发生点阵收缩，其结果必然导致界面向右漂移

11.材料的两种断裂形式并分别说明其断口的特征？

（1）脆性断裂：一般延伸率小于50%的成为脆性断裂。断裂面平齐而光亮，且与正应力垂直，断口上呈现条纹或放射花样，拉断时基本没有塑性变形

（2）韧性断裂：一般延伸率大于50%。拉断时，切口部分发生明显的塑性变形，剩余截面的面积缩小，灰暗色，断口可呈锯齿状。

12.高温下的塑性变形与常温变形的重要区别：

常温下金属塑性变形主要是通过位错滑移和孪晶进行的，以位错滑移为主要机制。当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，必须在更大的切应力作用下才能使位错重新运动和增值，宏观变现为加工硬化现象，或对于螺型位错，采用交滑移改变滑移面来实现位错继续运动。而当高温下金属蠕变变形主要通过位错滑移，原子扩散等机理进行。1，当滑移面上的位错运动受阻产生塞积时，位错可借助于外界提供的热激活能和空位扩散来克服短程阻碍。主要是通过刃型位错的攀移来实现。2，此外，在高温下大量原子和空位定向移动，即在两端拉应力作用下，晶体内空位将从受拉晶界向受压晶界迁移，原子则朝相反方向流动致使晶体伸长产生蠕变，即扩散蠕变。总之，在高温条件下，金属塑性变形仍得以继续进行，即高温蠕动变形。