材料微观分析习题及解答Word文档下载推荐.docx
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(210)>
(
)=(030)>
(130)>
(注:
可以直接用h2+k2+l2来比较,更为简单)
2.证实(
)属于[111]晶带。
解:
由晶带定律:
有:
即(
3.当X射线在原子列上反射时,相邻原子散射线在某个方向上的波程差若不为波长的整数倍,则此方向上必然不存在反射,为什么?
由波的合成原理可知,两相干波的波程差不为波长的整数倍时,必然存在一定的位相差,其结果就导致了其合成振幅的变化,必然导致X射线的强度减弱或等于零,即存在一定的相消现象,故不发生衍射(即所谓的反射)。
4.当波长为λ的X射线在晶体上发生衍射时,相邻两个(hkl)晶面衍射线的波程差是多少?
相邻两个HKL干涉面的波程差又是多少?
前者为nλ,后者为λ。
材料微观分析习题及解答(第三章)
1.多重性因子的物理意义是什么?
某立方系晶体,其{100}的多重性因子是多少?
如该晶体转变成四方系,这个晶面族的多重性因子会发生什么样的变化?
为什么?
多重性因子为等同晶面个数对衍射强度的影响因子。
所谓等同晶面是指面间距相同,晶面原子排列规律相同的晶面。
在布拉格条件下,等同晶面同时参与衍射,构成一个衍射圆锥。
所以,多重性因子越大,即等同晶面越多,参与衍射的晶面就越多(准确地说,参加衍射的概率越大),对衍射强度的贡献也就越大。
查附录5可知,立方系晶体中{100}多重性因子为6,而对于四方系,其多重性因子为4,这是由于(100)和(001)晶面的面间距不同(不能称为等同晶面)而造成的。
2.总结简单点阵、体心点阵和面心点阵衍射线的系统消光规律。
布拉菲电阵
存在谱线指数hkl
不存在谱线指数hkl
简单点阵
全部
没有
体心点阵
h+k+l为偶数
h+k+l为奇数
面心点阵
h、k、l为同性数
h、k、l为异性数
材料微观分析习题及解答(第四章)
1.在德拜图形上获得了某简单立方物质的如下4条谱线:
h2+k2+l2
Sin2θ
38
40
41
42
所给出的Sin2θ数值均为CuKa1衍射的结果。
试用“α-cos2θ”图解外推法确定晶格常数,有效数字为4位。
(λCu-Ka1Å
对于简单立方,有
及
可得
计算结果为:
sin2θ
a2
a
cos2θ
解得a=4.997(Å
2.续上题,以为cos2θ外推函数,请用柯亨法计算晶格常数,精确到4位有效数字。
柯亨法正则方程为:
其中
计算结果列表如下:
θ
δ
asin2θ
δsin2θ
aδ
δ2
1444
1600
1681
1764
∑
6489
柯亨方程为:
解得:
则:
即:
a0Å
材料微观分析习题及解答(第六章)
1.为测定材料表面沿某个方向上的宏观应力,为何可以不采用无应力标准试样进行对比?
由于dn(应力状态下,与表面平行的hkl面的面间距)≈dψ(应力状态下,与表面成ψ角的hkl面的面间距)≈d0(无应力状态下同种hkl面的面间距),且dψ-dn«
d0,所以用dn代替d0,即可以不采用无应力标准试样进行对比。
而且在实际测量过程中,得到无应力状态下同种hkl面的面间距d0也是很困难的。
2.欲测7-3黄铜试样的应力,用CoKα照射400面,当ψ=0时,2θ°
,当ψ=45°
时,2θ°
×
104Mpa,ν=0.35)
由
得
材料微观分析习题及解答(第七章)
1.电磁透镜的像差是怎样产生的,如何来消除和减少像差?
像差分为两类:
几何像差和色差。
几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的,它包括球差和像散。
球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不同而造成的,目前还没有一种行之有效的矫正方法,但可以通过小孔径成像来减小球差。
像散是由于透镜磁场的非旋转对称而引起的。
目前可以通过可调节的外加矫正磁场(消像散器)来补偿。
色差是由于入射电子波长(或能量)的非单一性所造成的。
采用稳定加速电压的方法可以有效地减小色差。
2.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么?
如何提高电磁透镜的分辨率?
影响光学显微镜分辨率的关键因素是照明光源的波长;
而影响电磁透镜分辨率的关键因素是衍射效应和球面像差。
提高电磁透镜的分辨率就是要控制衍射效应和球面像差。
但是前者随孔径半角α增大,分辨率越高,后者随孔径半角α越小,分辨本领越大。
综合考虑两者的影响,关键是确定电磁透镜的最佳孔径半角α,使影响效果一致。
目前一般透镜的孔径半角α=10-2~10-3rad。
3.电磁透镜景深和焦长受哪些因素影响?
说明电磁透镜景深大、焦长长,是什么因素影响的结果?
假设电磁透镜没有像差,也没有衍射Airy斑,即分辨率极高,此时它的景深和焦长如何?
景深与电磁透镜的分布本领和孔径半角有关,而焦长除与这两个因素有关外,还与透镜的放大倍数有关。
当物平面(景深)和像平面(焦长)在一定轴向距离内移动时,会引起失焦现象。
但如果由于失焦所引起的失焦园斑尺寸不超过透镜因衍射和像差所引起的散焦斑大小时,对透镜的分辨率就没有影响。
由于电磁透镜自身分辨率的限制(存在散焦斑),从而允许物平面和像平面在一定轴向距离内,即景深大、焦长长。
由上述分析可知,如果电磁透镜分辨率极高,则所对应的景深必定小,焦长短。
材料微观分析习题及解答(第八章)
1.透射电镜主要由几大系统构成?
透射电镜主要由电子光学系统、电源与控制系统和真空系统三部分组成。
其中电子光学系统分为三部分:
照明系统、成像系统和观察记录系统。
2.照明系统的作用是什么?
它应满足什么要求?
照明系统的作用是提供照明源。
同时为满足明场和暗场成像的需要,照明束可在2°
~3°
范围内倾斜。
照明源应满足:
亮度高、照明孔径小、平行度好、束流稳定。
3.透射电镜中有哪些主要光阑,在什么位置?
其作用如何?
列表如下:
光阑名称
位置
作用
聚光镜光阑
聚光镜下方
限制照明孔径角
物镜光阑(衬度光阑)
物镜的后焦面
挡住大角度散射电子,保证图像的衬度
选区光阑(场限光阑、视场光阑)
物镜的像平面
使电子束只能通过光阑孔限制的微区,保证只对所选择的微区进行衍射分析
材料微观分析习题及解答(第九章)
1.复型样品在透射电镜下的衬度是如何形成的?
复型样品在透射电镜下衬度是由于质厚衬度成像原理而形成的。
即电子在穿透非晶薄膜的复型样品时,受到样品原子的散射,其散射角度受到样品厚度及样品原子序数的影响。
被散射到物镜光阑外的电子越多,最后参与成像的电子强度越低。
由于复型样品材料相同,故其衬度仅受其厚度的影响,所以复型样品可以反映样品的形貌变化。
2.限制复型样品的分辨率的主要因素是什么?
限制复型样品的分辨率的主要因素是复型材料的粒子尺寸。
复型材料的粒子尺寸越小,分辨率就越高。
例如,用碳作为复型材料时,分辨率可达2nm左右;
而塑料分子直径比碳粒子大得多,因而其分辨率只有10~20nm左右。
3.说明如何用透射电镜观察超细粉末的尺寸和形态?
如何制备样品?
将超细粉末分散开来,并采用对于TEM透明膜进行承载,然后置于铜网上,即可观察其尺寸及形态。
制备的方法有胶粉混合法,支持膜分散粉末法。
材料微观分析习题及解答(第十章)
1.分析电子衍射与X衍射有何异同?
相同点包括:
1)都以满足Bragg方程为产生衍射的必要条件;
2)所得到的衍射花样在几何特征上大致相似。
不同点包括:
1)电子衍射的波长更短,衍射角很小,约为10-2rad,而X射线衍射角可
接近90°
;
2)电子衍射样品为薄晶样品,较易获得衍射图像;
3)电子衍射的结果分析较为方便;
4)电子衍射强度大,曝光时间短。
2.说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征。
单晶体:
规则排列的斑点;
多晶体:
同心园环;
非晶体:
漫射中心斑。
3.为何对称入射(B//[uvw])时,即只有倒易点阵原点在爱瓦尔德球面上,也能得到除中心斑点以外的一系列衍射斑点?
由于实际样品晶体具有确定的形状和有限的尺寸,导致其倒易点阵沿晶体尺寸较小的方向上发生扩展,倒易点被扩展成为倒易杆(盘、球)。
这些倒易杆(盘、球)与爱瓦尔德球相交,即可产生衍射斑点。
另外,电子束波长短,使爱瓦尔德球面接近平面、加速电压波动导致爱瓦尔德球具有一定厚度、电子束有一定发散等,均会促使衍射斑点的形成。
4.画出fcc晶体
晶带的标准衍射花样。
取N=h2+k2+l2<
9的斑点。
1)由晶带定律,有hu+kv+lw=0得h=k+l
2)由fcc的消光律知,h,k,l为同性数时,衍射斑点存在。
由题意可知,满足上述条件的衍射斑点所对应的晶面指数为:
由于a,b,c,d,e,f六个斑点的N值相同,意味着它们的面间距d相同,也意味着说这些斑点到中心斑的距离是相等的。
(可以参看倒易矢量的计算)
为精确绘制出衍射花样,可采取如下步骤:
1)绘出中心斑(000)。
2)任意取一个晶面,如a,由于透镜的放大倍数未知,故a离中心斑的距离任意。
3)在其相反的方向绘制与a对应的另一斑点b(b与a明显符号相反)。
4)现在来画c。
c到中心斑的距离是与a到中心斑的距离是相等的,但与a又有什么关系呢?
由晶面夹角公式
即a与c夹角为60°
。
5)在c的反方向上绘制d。
6)
同理绘制e,f。
结果如下:
注:
1)图中的圆是为了说明问题(表明距离相等)而加上的,实际绘制时可不要。
2)如果N值给得较大,意味着要求绘制的斑点数增多,方法是一样的,注意可以采用矢量叠加的方法,如图中的g点,由a,c矢量叠加,可知其晶面指数为(420)。
3)计算角度可以保证晶面分布的准确性。
4)不同N值对应不同面间距,即离中心的距离是不同的。
5.已知某衍射花样如图,测量结果如下,试标定各衍射斑点,并指出衍射方向。
由N的比值规律可知其为f.c.c.结构。
(由消光律)
由N值可以断定R1为{111}晶面族,类似R2为{331},R3为{420}。
(1)
下面来确定晶面。
得
(2)
由条件
(1)、
(2)作尝试,其中一个合理的解为:
(可能会有不同解,这些解都应该正确)
考虑到矢量叠加以及晶带定律,定出
易验证R1、R2、R3共同一晶带,由晶带定律计算出其晶带轴为(123)。
该方向即为入射方向。
材料微观分析习题及解答(第十一章)
1.什么是衍射衬度?
它与质厚衬度有什么区别?
由于样品中不同位向的晶体的衍射条件(位向)不同而造成的衬度差别称为衍射衬度。
衍射衬度与质厚衬度的区别体现在以下几个方面:
1)所用样品不同;
衍射衬度采用晶体薄膜样品,而质厚衬度采用非晶体复型样品;
当然它们样品的制备方法也不一样;
2)反映的信息不同;
质厚衬度反映的是样品表面的形貌,而衍射衬度反映的是晶体内部晶体学结构;
2.画图说明衍衬成像原理,并说明什么是明场像,暗场像和中心暗场像。
衍衬成像-明场成像光路示意图
衍衬成像-暗场成像光路示意图
衍衬成像-中心暗场成像光路示意图
材料微观分析习题及解答(第十二章)
1.电子束入射固体样品表面会激发哪些信号?
它们有哪些特点和用途?
电子束入射固体样品表面激发的信号及特点、用途简要列表如下:
信号种类
特点
主要用途
背散射电子
能量高;
作用深度几百纳米;
数量
形貌观察;
定性成分分析
二次电子
能量低;
作用范围5~10nm;
与原子序数无关
形貌观察
吸收电子
能量与背散射电子和二次电子成反比;
与原子序数有关
透射电子
与样品厚度、成分、晶体结构有关
微区成分分析
特征X射线
具有特征值
俄歇电子
具有特征值;
作用范围小
2.扫描电镜的分辨率受哪些因素影响,用不同信号成像时,其分辨率有何不同?
所谓扫描电镜的分辨率是指用何种信号成像时的分辨率?
扫描电镜的分辨率的高低与检测信号的种类有关。
不同信号的分辨率如下表:
信号
分辨率(nm)
5~10
50~200
100~1000
扫描电镜的分辨率一般是指用二次电子成像时的分辨率。
3.扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同?
透射电镜采用质厚衬度原理(复型样品)和衍衬成像原理(薄晶样品)进行成像;
扫描电镜采用表面形貌衬度原理(二次电子成像)和原子序数衬度原理(背散射电子成像、吸收电子成像)进行成像。
材料微观分析习题及解答(第十三章)
1.电子探针仪与扫描电镜有何异同?
电子探针仪如何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构与微区化学成分的同位分析?
电子探针仪的镜筒部分的构造和扫描电镜相同,区别在于检测部分使用X射线谱仪,专门用于检测X射线的特征波长或特征能量,以此来对微区的化学成分进行分析。
电子探针仪可以与扫描电镜和透射电镜配合,实现微区组织形貌、晶体结构及化学成分分析。
以微区组织形貌和化学成分分析为例,将样品放置好后,首先记录二次电子成像情况,可以获取样品表面形貌的消息;
在保证样品及成像条件恒定情况下,改用X射线谱仪收集信号,即可实现对前述区域的化学成分同位分析。
2.波谱仪和能谱仪各有什么优缺点?
波谱仪和能谱仪的优缺点互补,总结如下:
1)能谱仪检测效率要高,且灵敏度比波谱仪高一个数量级;
2)能谱仪可以一次测量分析点内所有元素,且时间短;
而波谱仪需更换分光晶体;
3)能谱仪结构相对简单,稳定性、重复性好;
4)能谱仪测量过程中无需聚焦,适合粗糙表面;
5)能谱仪波峰宽,易重叠,故分辨率较波谱仪低;
6)能谱仪分析由于受到铍窗口的限制,只能测量Z>
11的元素,而波谱仪Z值测量范围为4~92;
7)能谱仪探头需液氮冷却。
8)
9)
10)
本学期材料性能学作业及答案
第一次作业P36-37
第一章
1名词解释
4、决定金属屈服强度的因素有哪些?
内在因素:
金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。
外在因素:
温度、应变速率和应力状态。
10、将某材料制成长50mm,直径5mm的圆柱形拉伸试样,当进行拉伸试验时塑性变形阶段的外力F与长度增量ΔL的关系为:
F/N60008000100001200014000
Δ
求该材料的硬化系数K及应变硬化指数n。
已知:
L0=50mm,r=2.5mm,F与ΔL如上表所示,由公式(工程应力)σ=F/A0,(工程应变)ε=ΔL/L0,A0=πr2,可计算得:
A02
σ1=305.5768,ε1=0.0200,
σ2=407.4357,ε2=0.0500,
σ3=509.2946,ε3=0.0900,
σ4=611.1536,ε4=0.1500,
σ5=713.0125,ε5=0.2300,
又由公式(真应变)e=ln(L/L0)=ln(1+ε),(真应力)S=σ(1+ε),计算得:
e1=0.0199,S1=311.6883,
e2=0.0489,S2=427.8075,
e3=0.0864,S3=555.1311,
e4=0.1402,S4=702.8266,
e5=0.2076,S5=877.0053,
又由公式S=Ken×
103,n=0.3521。
11、试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险?
韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂,这种断裂有一个缓慢的撕裂过程,在裂纹扩展过程中不断地消耗能量;
而脆性断裂是突然发生的断裂,断裂前基本上不发生塑性变形,没有明显征兆,因而危害性很大。
韧性断裂:
是断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂
特征:
断裂面一般平行于最大切应力与主应力成45度角。
断口成纤维状(塑变中微裂纹扩展和连接),灰暗色(反光能力弱)。
断口三要素:
纤维区、放射区、剪切唇这三个区域的比例关系与材料韧断性能有关。
脆性断裂:
断裂前基本不发生塑性变形的,突发的断裂。
断裂面与正应力垂直,断口平齐而光滑,呈放射状或结晶状。
注意:
脆性断裂也产生微量塑性变形。
断面收缩率小于5%为脆性断裂,大于5%为韧性断裂。
14、通常纯铁的rs=2J/m2,E=2×
105MPa,a0×
10-10m,试求其理论断裂强度σm。
由公式σm=(Ers/a0)1/2,可得σm=×
104MPa。
15、若一薄板内有一条长3mm的裂纹,且a0=3×
10-8mm,试求脆性断裂时断裂应力σc(设σm=E/10=2×
105MPa)。
由公式σm/σc=(a/a0)1/2,a为σc对应的裂纹半长度,即a=1.5mm,σc=MPa
17、断裂强度σc与抗拉强度σb有何区别?
σc是材料裂纹产生失稳扩展的断裂强度,在应力应变曲线上为断裂时的强度值。
σb是韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。
第二次作业(P54)
第二章
1.解释下列名词
2.说明下列力学性能指标的意义
3.简述缺口三效应
(1)造成应力集中
(2)改变了缺口前方的应力状态,使平板中的材料所受应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸
(3)缺口使塑性材料得到强化
9.说明下列工件选用何种硬度试验法
(1)渗碳层的硬度分布:
HK或HV
(2)淬火钢:
HRC
(3)灰铸铁:
HB
(4)硬质合金:
HRA
(5)鉴别钢中的隐晶马氏体与残余奥氏体:
HV或HK
(8)氮化层:
HV
(10)高速钢刀具:
10.在294.3N(30kgf)载荷下测定某钢材的维氏硬度。
测得压痕对角线长度为0.454mm,试计算该钢材的维氏硬度值,并推算这种钢的抗拉强度值σb(抗拉强度不需要算)。
2,式中F以gf为单位,d以um为单位。
第三章
1解释下列名词
2说明下列力学性能指标的意义
5下列3组试验方法中,请举出每一组中哪种试验方法测得tK的较高?
(1)拉伸和扭转;
(2)缺口静弯曲和缺口扭转弯曲;
(3)光滑试样拉伸和缺口试样拉伸。
材料的脆性越大,tK越高;
同一种材料的脆性则随试验条件而定;
(1)拉伸测出的tK比扭转测出的tK高,因为扭转条件下,材料容易产生塑性变形,材料的脆性小。
(2)缺口冲击弯曲测出的tK比缺口静弯曲测出的tK高,因为冲击试验时,加荷速度增加使变形速度增加,结果使塑性变形受到抑制,从而使材料的脆性增加。
(3)缺口试样拉伸测出的tK比光滑试样拉伸测出的tK高,因为缺口使材料的脆性增加。
第三次作业(P84)
第四章
1.名词解释
2.说明下列符号的名称和含义
3.说明KI和KIC的异同。
(答案:
P68页第四自然段)
11.有一构件加工时,出现表面半椭圆裂纹,若a=1mm,a/c=0.3,在σ=1000MPa的应力下工作,对下列材料应选哪一种?
(P80页例1类似)
σ/MPa
1100
1200
1300
1400
1500
KIC/(MPa·
m1/2)
110
95
75
60
55
(1)σ/σ=1000/1100=0.9091>
=0.6~0.7,所以必须考虑塑性区的修正问题。
采用下列公式计算KI:
其中由第二类椭圆积分:
当a/c=0.3时,查表得Ф2=1.19。
将有关数据代入上式,得:
KI1=61.2(MPa·
m1/2)<
KIC1=110(MPa·
由此可见,KI1<
KIC1,说明使用材料1不会发生脆性断裂,可以选用。
由此类推:
(2)KI2=60.4(MPa·
KIC2=95(MPa·
由此可见,KI<
KIC,说明使用材料2不会发生脆性断裂,可以选用。
(2)KI3=57.9(MPa·
KIC3=75(MPa·
KIC,说明使用材料3不会发生脆性断裂,可以选用。
(2)KI4=59.3(MPa·
m1/2)≈KIC4=60(MPa·
由此可见,KI4≈KIC4,说明使用材料4可能会发生脆性断裂,不可以选用。
(2)KI5=58.9(MPa·
m1/2)>
KIC5=55(MPa·
由此可见,KI5>
KIC5,说明使用材料5会发生脆性断裂,不可以选用。
第四次作业(P108)
第五章
2.解释下列性能指标的意义
4.试述疲劳宏观断口和微观断口的特征及其形成过程或模型。
(P88页)
(一)疲劳宏观断口
(1)具有三个明显特征区:
1)疲劳源区:
一般较平整和光滑,源区越多,反映外加应力越高,应力集中位置越多或应力集中系数越大,多源断口的源区存在台阶,比较粗糙;
2)疲劳裂纹扩展区:
常形成海滩花样或贝壳花样,出现疲劳弧线,疲劳源位于疲劳弧线凹的一方;
3)瞬断区:
视材料塑性显示韧性断裂斜断口或脆性断裂平断口。
(2)形成过程:
1)疲劳裂纹萌生
疲劳裂纹由不均匀滑移和显微开裂引起,主要方式有:
表面滑移带开裂;
第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂;
晶界或亚晶界处开裂。
循环载荷作用下,形成驻留滑移带,随着滑移带在表面加宽的过程出现挤出脊和侵入沟,引起应力集中。
2)疲劳裂纹扩
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- 材料 微观 分析 习题 解答