2004年材料科学研究方法考试试题与答案

北京化工大学2004——2005学年第 1 学期

《 材料科学研究方法》期末考试试卷(A卷)

班级： 姓名： 学号： 分数：

一、名词解释（每题2分，共10分）

X射线的标识谱：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值Uk时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶材有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征。

空间点阵：晶体是由原子在三维空间中规则排列而成的。在研究晶体结构时，一般只抽象出其重复规律。这种抽象的图形即为空间点阵。

残余应力：指产生应力的各种因素不复存在时，由于形变和体积变化不均匀而存留在物体内部并自身保持平衡的应力。

分辨本领：是指成像物体(试样)上能分辨出来的两个物点间的最小距离。 热分析法：利用热效应来研究材料的转变和反应等。

二、选择题（每题只选一个答案，每题1.5分，共30分）

1.当一个K层电子被激发而形成空位时，一个M层电子填补K空位，产生的特征X射线称射线。

①Kα ②Kβ ③Mα ④Mβ

2.电子束与固体相互作用一般不会产生。

①二次电子与俄歇电子 ②二次电子与透射电子

③特征X射线与俄歇电子 ④二次电子与二次离子。

3.电子探针微区分析的区域大小为。

①mm级 ②μm级 ③ nm级 ④原子级

4.扫描电镜的放大倍数取决于。

①电磁透镜的放大率 ②电磁透镜的磁场强度

③电子束扫描区域与荧光屏显示区域的比值 ④二次电子产生效率

5.扫描电镜与透射电镜相比具有的优点。

①景深大，放大倍数高 ②样品无须导电

③景深大，样品制备方便 ④对晶体缺陷分辨率高

6.X射线光电子能谱仪的工作原理是

①用X射线照射样品，分析产生的电子强度

②用X射线照射样品，分析产生的电子能力

③用电子束射样品，分析产生的特征X线强度

④用电子束射样品，分析产生的特征X线能力

7.X射线光电子能谱适用于进行

①材料化学成分的精确定量 ②材料内部原子结构与排列

③材料的化学组成与化学状态 ④材料的表面微观形貌

8.透射电镜一般不具备的功能。

①样品表面形貌分析 ②样品具体结构分析

③样品内部晶体缺陷分析 ④非导电样品分析

9.当波长为λ的X射线作用于试样吸收体时，有。

①物质的原子序越大，对X射线的吸收能力越强，

②物质的原子序越小，对X射线的吸收能力越强，

③物质的原子序越大，对X射线的吸收能力越弱，

④物质的原子序越小，对X射线的吸收能力越强。

10.当一个K层电子被入射光量子击出后，所产生的一个K层空位被两个L层空位代替，此时跃出的L层电子称为 ② 。

①二次电子 ②俄歇电子 ③反冲电子 ④光电子。

11.X射线在穿透物质后强度衰减，除大部分是因其吸收外，还有一部分是。 ①散射 ②透射 ③光电效应 ④热效应

12.宏观应力的X射线衍射效应使衍射线。

①位移 ②线形的变化 ③强度降低 ④消失

13.在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做。 ① 背散射电子 ②二次电子 ③俄歇电子 ④吸收电子

14.电子探针显微分析对样品的损伤程度为。

①无损伤 ②损伤严重 ③损伤轻 ④损伤适中。

15.俄歇电子逸出试样表面深度范围是。

①0.1~1nm ②1~10nm ③10~100nm ④0.1μm~1μm

16.扫描隧道显微镜的横向分辨率可达。

①0.1nm ②0.3~0.5nm ③1~3nm ④6~10nm

17.X射线光电子能谱仪的英文简称为XPS，亦可简称为。

①ESCA ②XRD ③XAES ④S-EXAFS

18.在热分析中，DSC曲线和DTA线形状相似，当物体吸热时，有。 ①DSC曲线和DTA曲线均为上凸峰 ②DSC曲线为上凸峰，DTA曲线为下凹峰 ③DSC曲线和DTA曲线均为下凹峰 ④DSC曲线为下凹峰，DTA曲线为上凸峰

19.正常情况下，弹性范围内金属材料受力作用时，材料的导电性能发生变化，其规律是 ①、④ 。

①承受单向拉应力时，材料电阻率下降 ②承受单向压应力时，材料电阻率上升 ③承受单向拉应力，材料导电性下降 ④承受单向压应力，材料导电性上升。

20.当一原子中的一个电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为。 ①零 ②原子层所有电子层磁矩之和 ③电子层的磁矩与原子核磁矩之和 ④等于最外层电子磁矩的和。

三、简答题（每题5分，共30分）

1. 简述用X射线衍射分析进行物相鉴定的原理与步骤。

原理：X射线衍射分析是以晶体结构为基础的。每种结晶物质都有其特点的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原子的数目及其位置等，而这些参数在X射线衍射花样中均有反映。物质的衍射花样是唯一的，某种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及其强度，是该物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。 步骤：用X射线衍射分析仪获得待测样品的衍射信息，即对应各衍射峰的d、I数字，并按面间距递减的d系列及对应的I/I1排列，然后按照如下程序进行鉴定：

1）从前反射区（2θ＜90℃）中选取强度最大的三根衍射线，并使其d值按照强度递减的次序排列，又将其余线条之值按照强度递减的次序列于三强线之后。

2）从Hanawalt索引中找到对应的d1（最强线的面间距）组。

3）按次强线的面间距d2找到接近的几行。在同一组中，各行系按d2递减顺序安排。

4）检查这几行数据其d1是否与实验值很接近。得到肯定之后再依次查对第三强线、第四、第五直至第八强线，并从中找出最可能的物相及其卡片号。

5）从档案中抽出卡片，将实验所得d及I/I1与卡片上的数据详细对照，如果对应得很好，物相鉴定即告完成。

6）如果待测数列中第三个d值在索引各行均找不到对应，说明该衍射花样的最强线与次强线并不属于同一物相，必须从待测花样中选取下一根线作为次强线，并重复3）～5）的检索程序。

7）当找出第一物相之后，可将其线条剔出，并将残余线条的强度归一化，再按照程序1）～5）检索其它物相，直至所有物相均被检出为止。

2. 试比较非晶态物质与结晶系物质结构主要特征及其用X射线衍射谱峰异同点。 在结构上，非晶态物质最主要的特征为短程有序、长程无序；而晶态物质最主要的特征是长、短程都有序。非晶态的短程有序只是在最近邻关系上与晶态类似，而在次近邻关系上就有明显的差别。与晶体结构不同，非晶态物质不存在结构周期性，不存在晶态结构中的点阵、点阵参数等概念。

在衍射图上：非晶态物质的衍射图由少数漫散的峰组成；而晶态物质的衍射图则由许多尖锐峰组成。

3. 试比较透射电子显微镜与扫描电子显微镜像原理的异同点？

相同点：均是利用电子束与固体样品作用时产生的信号，并按电子光学成像原理来对样品进行分析的。

不同点：透射电子显微镜是靠电磁透镜放大成像的，而描电子显微镜成像原理以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。另外透射电子显微镜是一种高放大倍数的光学显微镜，而扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，描电子显微镜可以用来进行显微断口分析。

4. 为什么用X衍射法可以测量材料内应力？

内应力是指产生应力的各种因素不复存在时，由于形变和体积的变化不均匀而存在物体内部并自身保持平衡的应力。X射线衍射法通过测量弹性应变求得应力值，对理想的多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向），在无应力状态下，不同方位的同族晶面的面间距是相等的，而受到一定的宏观应力时，不同晶粒的同族晶面的面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化。由布拉格方程2dsinθ=nλ可知，利用X射线衍射花样可以求出晶面间距d ，从可测量材料内应力的φ及其变化。

5. 试举一例说明热分析在材料研究中的应用。

物资在加热吸收热量和冷却时放出热量，而有转变和反应发生时，则加热时会吸收额外的热量，冷却时放出额外的热量，而产生热效应。通过测量热效应就可以研究材料的转变和反应等。

例如用密度梯度法测量尼龙6的结晶度，再用DTA或DSC方法测定其熵值。熔融热对结晶度作图为直线，然后便可以求出高聚物的结晶度。

6. 用能带论的观点解释导体、半导体和绝缘体导电行为的区别。

能带理论认为由于晶体中电子能级间的间隔小，所以能级的分布可以看成是准连续谱，或称能带，并认为金属中有离子点阵所造成的、是呈周期变化的势场存在。在能带理论中能隙所对应的能带称禁带，电子可以共存的能级所组成的能带称允带，允带中未被电子添满的能级称为导带。如果允带中的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下，电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，有这种能带结构的就是导体。允带中所有能级被电子填满时，则称为满带，若一个满带上面的能带完全是空的称为空带，在外电场的作用下电子很难跳过禁带，有这种能带结构的就是绝缘体。半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不象绝缘体那末困难，而满带中的电子受

热运动的影响，能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场的作用下，空带中的电子便产生电流。因而具有这种能带结构的就是半导体。

四、论述题（每题10分，共20分）

1.结构因素公式为：

FHKL2 n n fjcos2 (HXj KYj LZj) fjsin2 (HXj KYj LZj) 1 1 22

(1) 请说明式中每一项参数的意义。

(2) 利用上式分析单质元素的体心立方点阵的消光规律。（体心点阵原子坐标为

（0，0，0）和（1/2，1/2，1/2））。

(1) FHKL为结构振幅，是一个以电子散射能力为单位的，反映单胞散射能力参量。 FHKL为结构因素，表征了单胞的衍射强度，反映了单胞中原子种类、原子数目及2

原子位置对 HKL 晶面衍射方向上衍射强度的影响。

f为原子散射因素

H、K、L为单胞的基本平移矢量。

Xj、Yj、Zj为原子的坐标。

（2）根据题中所给条件，假设所有原子散射因素均为f，则有：

FHKL2HKL HKL fcos2 (0) fcos2 ( ) fsin2 (0) fsin2 ( ) 222 222

f2 1 cos (H K L) 222

a）当H K L 奇数时，FHKL2 f2(1 1)2＝0，即该种晶面的散射强度为零，该晶面的衍射线不出现，发生消光现象。

b）当H K L 偶数时，FHKL222 f（1＋1）＝4f2，即体心点阵只有指数和为偶数的晶面可产生衍射，没有消光产生。

2.X射线连续谱上的短波限与X射线吸收谱上的吸收限有何不同？请简述其各自的产生机理。

在X射线管两极间加以电压U，并维持一定的管电流I，可以得到X射线强度与波长的关系曲线，在此关系曲线上，X射线波长以一最小值λswl向长波方向伸展，强度在λm，处有一最大值，这种强度随波长连续变化的谱线称为连续X射线谱。其中λswl称为该管电压下的短波限。在管电压U作用下，电子达到阳极靶材时的动能为ev，若一个电子在与阳极靶材相碰撞时，把全部的能量给予一个光子，这就是

一个光量子所可能获得的最大能量，而hνmax=ev，此光量子的波长即为短波限λswl，但是绝大多数到达阳极靶面的电子经过多次碰撞消耗其能量，每次碰撞所产生一个光量子，故其能量均小于短波限所对应的能量，而得到波长大于λswl的不同波长的辐射构成连续谱。

当强度为I0的X射线照射到厚度为t的试样后，由于与物质的相互作用而被吸收，物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降。但随波长的降低，吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限，每种物质都有他本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收的吸收系数曲线称为物质的吸收谱。此时所对应的入射波长即为吸收限。

五、拓展题（10分）

钢铁材料在大气环境中生锈是一种常见的破坏现象，通常情况下在其上面有腐蚀产物的形成，为了对钢铁材料上腐蚀产物的形成机制作出合理的解释，必须最大限度的获得与此相关的信息。因此请你根据在“材料科学研究方法”课程中所学到的知识和方法，简要叙述获取信息的方法、途径和内容。

为了弄清钢铁材料的腐蚀机理，首先必须获得腐蚀产物的组成与成分、结构与形貌等信息；其次，还要对基体材料的成分、组织与结构进行分析；最后，还要研究腐蚀产物层与基体界面相互作用的情况。为此，可以采用进行下列分析方法与手段，得到所需信息：

① 用X射线衍射方法，分析产物和基体材料的相成分与含量。

② 而描电子显微镜，分析腐蚀产物的形貌和基体的显微结构，以及产物层和基体

界面的作用情况。

③ 用XPS分析腐蚀产物中离子价态以及分布。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7cfj.html