【考研类试卷】材料科学基础-晶体缺陷及答案解析.doc
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1、材料科学基础-晶体缺陷及答案解析(总分:430.00,做题时间:90 分钟)一、论述题(总题数:43,分数:430.00)1.设 Cu中空位周围原子的振动频率为 1013S-1,E v为 0.1510-18J,exp(S m/k)约为 1,试计算在 700K和室温(27)时空位的迁移频率。(分数:10.00)_2.Nb的晶体结构为 bcc,其晶格常数为 0.3294nm,密度为 8.57g/cm3,试求每 106Nb中所含的空位数目。(分数:10.00)_3.Pt的晶体结构为 fcc,其晶格常数为 0.3923nm,密度为 21.45g/cm3,试计算其空位粒子数分数。(分数:10.00)_4
2、.若 fcc的 Cu中每 500个原子会失去 1个,其晶格常数为 0.3615nm,试求 Cu的密度。(分数:10.00)_5.由于 H原子可填入 -Fe 的间隙位置,若每 200个铁原子伴随着 1个 H原子,试求 -Fe 理论的和实际的密度与致密度(已知 -Fe 的 a=0.286nm,r Fe=0.1241nm,r H=0.036nm)。(分数:10.00)_6.MgO的密度为 3.58g/cm3,其晶格常数为 0.42nm,试求每个 MgO单位晶胞内所含的肖特基缺陷数。(分数:10.00)_7.若在 MgF2中溶入 LiF,则必须向 MgF2中引入何种形式的空位(阴离子或阳离子)?相反,
3、若要使 LiF中溶入 MgF2,则须向 LiF中引入何种形式的空位(阴离子或阳离子)?(分数:10.00)_8.若 Fe2O3固溶于 NiO中,其质量分数 (Fe 2O3)=10%。此时,部分 3Ni2+。被(2Fe 3+)取代以维持电荷平衡。已知 (分数:10.00)_9.在某晶体的扩散实验中发现,在 500时,10 10个原子中有 1个原子具有足够的激活能,可以跳出其平衡位置而进入间隙位置;在 600时,此比例会增加到 109。求此跳跃所需要的激活能。在 700时,具有足够能量的原子所占的比例为多少?(分数:10.00)_10.某晶体中形成一个空位所需要的激活能为 0.3210-18J。在
4、 800时,110 4个原子中有一个空位。求在何种温度时,10 3个原子中含有一个空位?(分数:10.00)_11.已知 Al为 fcc晶体结构,其点阵常数 a=0.405nm,在 550时的空位浓度为 210-6,计算这些空位均匀分布在晶体中的平均间距。(分数:10.00)_12.在 Fe中形成 1mol空位的能量为 104.675kJ,试计算从 20升温至 850时空位数目增加多少倍?(分数:10.00)_13.由 600降至 300时,Ge 晶体中的空位平衡浓度降低了 6个数量级,试计算 Ge晶体中的空位形成能。(分数:10.00)_14.W在 20时每 1023个晶胞中有一个空位,从
5、20升温至 1020时,点阵常数膨胀了(410 -4)%,而密度下降了 0.012%,求 W的空位形成能和形成熵。(分数:10.00)_15.Al的空位形成能(E v)和间隙原子形成能(E i)分别为 0.76eV和 3.0eV,求在室温(20)及 500时,Al空位平衡浓度与间隙原子平衡浓度的比值。(分数:10.00)_16.若将一位错线的正向定义为原来的反向,此位错的伯氏矢量是否改变?位错的类型性质是否变化?一个位错环上各点位错类型是否相同?(分数:10.00)_17.有两根左螺旋位错线,各自的能量都为 E1,当它们无限靠拢时,总能量为多少?(分数:10.00)_18.如图 3-18所示的
6、两根螺型位错,一个含有扭折,而另一个含有割阶。图上所示的箭头方向为位错钱的正方向,扭折部分和割阶部分都为刃型位错。若图示滑移面为 fcc的(111)面,问这两根位错线段中(指割阶和扭折),哪一根比较容易通过它们自身的滑移而去除?为什么?解释含有割阶的螺型位错在滑动时是怎样形成空位的。(分数:10.00)_19.假定有一个 b在 (分数:10.00)_20.有一截面积为 1mm2、长度为 10mm的圆柱状晶体在拉应力作用下,与圆柱体轴线成 45的晶面上若有一个位错线运动,它穿过试样从另一面穿出,问试样将发生多大的伸长量(设 b=210-10m)?若晶体中位错密度为 1014m-2,当这些位错在应
7、力作用下全部运动并走出晶体,试计算由此而发生的总变形量(假定没有新的位错产生)。求相应的正应变。(分数:10.00)_21.有两个被钉扎住的刃型位错 A-B和 C-D,它们的长度 x相等,且具有相同的 b,而 b的大小和方向相同(图 3-21)。每个位错都可看作 F-R位错源。试分析在其增殖过程中二者间的交互作用。若能形成一个大的位错源,使其开动的 c多大?若两位错 b相反,情况又如何?(分数:10.00)_22.如图 3-22所示,在相距为 h的滑移面上有两个相互平行的同号刃型位错 A,B。试求位错 B滑移通过位错 A上面所需的切应力表达式。(分数:10.00)_23.已知金晶体的 G=27
8、GPa,且晶体上有一直刃型位错 b=0.2888nm,试绘出此位错所产生的最大分剪应力与距离关系图,并计算当距离为 2m 时的最大分剪应力。(分数:10.00)_24.两根刃位错 b的大小相等且相互垂直(如图 3-24所示),计算位错 2从其滑移面上 x=处移至 x=a处所需的能量。(分数:10.00)_25.已知 Cu晶体的点阵常数 a=0.35nm,剪切模量 G=4104MPa,有一位错 ,其位错线方向为(分数:10.00)_26.在同一滑移面上有两根相平行的位错线,其伯氏矢量大小相等且相交成 角,假设两伯氏矢量相对位错线呈对称配置(图 3-26),试从能量角度考虑, 在什么值时两根位错线
9、相吸或相斥?(分数:10.00)_27.如图 3-27所示,某晶体滑移面上有一伯氏矢量为 b的位错环,并受到一均匀剪应力 的作用,分析各段位错线所受力的大小并确定其方向。在 作用下,若要使它在晶体中稳定不动,其最小半径为多大?(分数:10.00)_28.试分析在 fcc中,下列位错反应能否进行?并指出其中 3个位错的性质类型?反应后生成的新位错能否在滑移面上运动?(分数:10.00)_29.试证明:fcc 中两个肖克利不全位错之间的平衡距离 ds可近似地由下式给出:(分数:10.00)_30.已知某 fcc的堆垛层错 =0.01J/m 2,G=710 10Pa,a=0.3nm,=0.3,试确定
10、 (分数:10.00)_31.在 3个平行的滑移面上有 3根平行的刃型位错线 A,B,C(图 3-31),其伯氏矢量大小相等,AB 被钉扎不能动,若无其他外力,仅在 A,B 应力场作用下,位错 C向哪个方向运动?指出位错向上述方向运动时,最终在何处停下?(分数:10.00)_32.如图 3-32所示,离晶体表面 l处有一螺位错 1,相对应的在晶体外有一符号相反的镜像螺位错 2,如果在离表面 处加以同号螺位错 3,试计算加在螺位错 3上的力,并指出该力将使位错 3向表面运动还是向晶体内部运动;如果位错 3与位错 1的符号相反,则结果有何不同(所有位错的伯氏矢量都为 b)?(分数:10.00)_3
11、3.铜单晶的点阵常数 a=0.36nm,当铜单晶样品以恒应变速率进行拉伸变形时,3s 后,试样的真应变为 6%,若位错运动的平均速度为 410-3cm/s,求晶体中的平均位错密度。(分数:10.00)_34.铜单晶中相互缠结的三维位错网络结点间平均距离为 D,计算位错增殖所需的应力 。如果此应力决定了材料的剪切强度,为达到 (分数:10.00)_35.试描述位错增殖的双交滑移机制。如果进行双交滑移的那段螺型位错长度为 100nm,而位错的伯氏矢量为 0.2nm,试求实现位错增殖所必需的剪应力(G=40GPa)。(分数:10.00)_36.在 Fe晶体中同一滑移面上,有 3根同号且 b相等的直刃
12、型位错线 A,B,C 受到分剪应力 x的作用,塞积在一个障碍物前(图 3-36),试计算出该 3根位错线的间距及障碍物受到的力(已知G=80GPa, x=200MPa,b=0.248nm)。(分数:10.00)_37.不对称倾斜晶界可看成由两组伯氏矢量相互垂直的刃型位错 b 和 交错排列而构成的。试证明两组刃型位错距离为 (分数:10.00)_38.证明公式 (分数:10.00)_39.在铝试样中,测得晶粒内部位错密度为 5109/cm2。假定位错全部集中在亚晶界上,每个亚晶粒的截面均为正六边形。亚晶问倾斜角为 5,若位错全部为刃型位错,b= (分数:10.00)_40.Ni晶体的错排间距为
13、2000nm,假设每一个错排都是由一个额外的(110)原子面所产生的,计算其小倾角晶界的 角。(分数:10.00)_41.若由于嵌入一额外的(111)面,使得 -Fe 内产生一个倾斜 1的小角度晶界,试求错排间的平均距离。(分数:10.00)_42.设有两个 相晶粒与一个 相晶粒相交于一公共晶棱,并形成三叉晶界,已知 相所张的两面角为100,界面能 为 0.31Jm-2,试求 相与 相的界面能 。(分数:10.00)_43.证明一维点阵的 - 相界面错配可用一列刃型位错完全调节,位错列的间距为 (分数:10.00)_材料科学基础-晶体缺陷答案解析(总分:430.00,做题时间:90 分钟)一、
14、论述题(总题数:43,分数:430.00)1.设 Cu中空位周围原子的振动频率为 1013S-1,E v为 0.1510-18J,exp(S m/k)约为 1,试计算在 700K和室温(27)时空位的迁移频率。(分数:10.00)_正确答案:(空位的迁移频率*)解析:2.Nb的晶体结构为 bcc,其晶格常数为 0.3294nm,密度为 8.57g/cm3,试求每 106Nb中所含的空位数目。(分数:10.00)_正确答案:(设空位之粒子数分数为 x,*1067.176610-3=7176.6(个)所以,10 6个 Nb中有 7176.6个空位。)解析:3.Pt的晶体结构为 fcc,其晶格常数为
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