上海交通大学_材料科学基础第六章
上海交通大学材料科学基础习题与重点
第一章原子结构与键合1-1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？1-2. 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？1-3. 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？1-4. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？1-5. 铬的原子序数为24，它共有四种同位素：w(Cr)=4.31%的Cr原子含有26个中子，w(Cr)＝83.76%的Cr含有28个中子，w(Cr)＝9.55%的Cr含有29个中子，且w(Cr)＝2.38%的Cr含有30个中子。
试求铬的相对原子质量。
1-6. 铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。
1-7. 锡的原子序数为50，除了4f亚层之外,其它内部电子亚层均已填满。
试从原子结构角度来确定锡的价电子数。
1-8. 铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？1-9. 已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性强弱。
1-10. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？1-11.图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。
图1－11-12.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？1-13. S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。
试解释S这种行为的原因。
1-14. A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示：这里x A和x B分别为A和B元素的电负性值。
已知Ti、O、In和Sb 的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。
上海交通大学材料科学基础教学金属材料及热处理_钢中合金元素
金属材料及热处理
材料？工艺？微观组织 结构？性能？应用？ ?……?
刘国权教授主讲
课程复习
性能：
使用性能
力学性能
工艺性能
物理性能
其它性能
结构材料
结构组织敏感性能 结构组织不敏感性能
功能材料
金属材料及热处理
材料？工艺？微观组织 结构？性能？应用？ ?……?
刘国权教授主讲
复习：第九章 第三节铁碳复线平衡相图
金属材料及热处理
刘国权教授主讲
金属材料及热处理
刘国权教授主讲
吴承建 等编著： 金属材料学，第一章 钢铁中的合金元素
第五节 合金元素对铁碳相图的影响
一、合金元素对钢临界点的影响 从对奥氏体相区大小、形状和位置的影响进而推知：
1. 对临界点 A1 (共析温度)的影响 2. 对临界点 A3 的影响 3. 对共析碳量的影响:所有合金元素均降低共析碳含量 二、合金元素是否导致出现特殊碳化物相？ 1. Fe-C-碳化物形成元素： 可能会出现不同的特殊碳化物 2. Fe-C-非碳化物形成元素：不形成该合金元素的特殊碳化物
刘国权教授主讲
吴承建 陈国良 强文江 编著： 金属材料学，冶金工业出版社， 2000
第一章 钢铁中的合金元素
重要术语（第一至四节）：
合金钢 （为什么要生产和应用合金钢？） 奥氏体形成元素，铁素体形成元素；（例子？） 晶界偏聚，柯垂耳气团，共偏聚 （产生的主要原因？） 钢中的强、中强、弱、非碳化物形成元素 （例子？ ） 间隙化合物；原子半径比值(rx/rM) 氮化物，碳氮化物； 金属间化合物(相、AB2拉维斯相、 AB3有序相)
金属基复合材料；等等
无机非金属材料；高聚物材料；复合材料等
金属材料及热处理
上海交大-材料科学基础-第六章
例：
（1）固溶体合金的相图所示，试根据相图确定：
a)成分为40%B的合金首 先凝固出来的固体成分； b)若首先凝固出来的固体 成分含60%B，合金的成 分为多少？
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c)成分为70%B的合金最 后凝固的液体成分；
d)合金成分为50%B，凝 固到某温度时液相含有 40%B，固体含有80%B， 此时液体和固体各占多少 分数？
1）由上列数据绘出Ni-Cu的相图，并标明每一区域存 在的相；
2）将50%混合物自1400℃逐渐冷却到1200℃，说明所 发生的变化，并注出开始凝固、凝固终了及1275℃互成 平衡时液相与固相的组成。
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（4）铋（熔点为271.5℃）和锑（熔点为630.7℃）在液 态和固态时均能彼此无限互溶，ωBi=50%的合金在 520℃时开始凝固出成分为ωSb=87%的固相。ωBi=80% 的合金在400℃时开始凝固出成分为ωSb=64%的固相。 根据上述条件，绘出Bi—Sb相图，并标出各线和相区的 名称。
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两组元无限互溶的条件： • 晶体结构相同 • 原子尺寸相近，尺寸差<15% • 相同的原子价 • 相似的电负性（化学亲和力）
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具有极值的匀晶系相图
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有晶型转变的匀晶系相图
晶型转变曲线
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平衡凝固过程 指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡。 在极其缓慢冷却条件下的凝固
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（2）A的熔点为300℃和B的熔点为700℃(650)，A和 B在液态和固态时均能彼此无限互溶，ωA=50%的合 金在500℃时开始凝固出成分为ωB=90%(87)的固相。 ωA=80%的合金在400℃时开始凝固出成分为 ωB=60%(64)的固相。根据上述条件，要求：
材料科学基础 (上海交通大学)
应的性能特点
精选2021版课件
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重点和难点
（1）固溶体的分类及其结构特点。 （2）影响固溶体固溶度的因素。 （3）超结构的类型和影响有序化的因素。 （4）中间相的分类及其结构特点。
精选2021版课件
精选2021版课件
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置换固溶体示意图
精选2021版课件
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置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
精选2021版课件
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3. 间隙固溶体
➢ 间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于 0.1nm的非金属元素（如C、N、O、、H、B）。
➢ 其形成条件是 △r>41% 或 r质/r剂<0.59 ➢ 间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。
注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。
电子浓度、相、结构对应关系如下：
C电子==7/4（即21/12） ε 密排六方结构
C电子==21/13
γ 复杂立方结构
C电子==3/2（即21/14） β 体心立方结构
β－Mn 复杂立方或密排六方结构
电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性低,与固 溶体适当搭配使合金得到强精化选2,作021为版课非件 Fe合金中重要组成相。 28
般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分 布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按 一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体 中溶质原子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分 子式来表示,因此把有序固溶体结构称为超点阵。例 如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3： 1时从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用 CuAl或Cu3Al来表示。
上海交通大学材料科学基础
上海交通大学材料科学基础上海交通大学（Shanghai Jiao Tong University）是中国著名的高等学府之一，位于中国上海市徐汇区。
该校在材料科学领域备受瞩目，拥有一流的材料科学基础教育和研究实力。
1. 简介材料科学是一门研究新材料的结构、性能、制备和应用的学科。
它在各个领域都有广泛的应用，包括电子、能源、航空航天、汽车、医疗器械等。
上海交通大学的材料科学基础课程旨在培养学生对材料科学的理论和实践的综合能力，为学生未来的学术研究和工程实践打下坚实的基础。
2. 课程设置上海交通大学的材料科学基础课程涵盖了材料科学的各个方面，包括材料结构、材料性能、材料制备和材料应用等。
下面是课程的一些主要内容：2.1 材料结构该课程主要介绍材料的结晶、非晶和晶界结构等方面的知识。
学生将学习晶体结构的基本原理，如晶体晶格、晶体面和晶体缺陷等。
还将介绍非晶材料的特点和应用，以及晶界对材料性能的影响。
2.2 材料性能这门课程将重点研究材料的力学性能、热学性能和电学性能等方面的知识。
学生将学习材料的强度、硬度、韧性等力学性能参数的计算和测试方法。
还将介绍材料的导热性、热膨胀性和导电性等热学和电学性能参数的测试方法。
2.3 材料制备该课程将介绍材料的各种制备方法，包括熔融法、溶液法、气相法和固相法等。
学生将学习材料制备的基本原理和常用的制备工艺。
还将介绍材料的组织性能与制备工艺之间的关系，以及如何选择合适的制备方法。
2.4 材料应用这门课程将介绍材料在各个领域的应用，包括电子材料、能源材料、光电材料等。
学生将学习材料应用的基本原理和常见的应用技术。
还将介绍材料设计的基本思路和方法，以及面向特定应用的材料选取和优化的策略。
3. 实验教学上海交通大学的材料科学基础课程注重实践教学的环节，为学生提供了丰富的实验机会。
学生将在实验室中亲自进行各种材料制备和性能测试的实验，例如制备单晶材料、测量材料硬度和强度等。
通过实验的步骤，学生可以加深对理论知识的理解，并掌握实验技能。
上海交大材料科学基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础上海交大第三版
材料科学基础上海交大第三版介绍材料科学是研究材料结构、组成、性能和制备方法的学科，具有重要的理论基础和实际应用。
本文将探讨《材料科学基础上海交大第三版》这本教材的内容和意义。
教材概述《材料科学基础上海交大第三版》是由上海交通大学材料科学与工程学院编写的教材。
该教材系统地介绍了材料科学的基本概念、原理和技术。
它以全面、详细和深入的方式讲解了各种材料的结构、性能、制备和应用。
该教材的第三版相对于前两版进行了进一步的修订和更新，新增了一些最新的科研成果和实践经验。
重要章节第一章：材料科学基础该章介绍了材料科学的基本概念、发展历史和研究方法。
它讲解了材料的分类、性能评价和性能调控等内容。
通过学习该章，读者可以对材料科学有一个整体的认识。
第二章：金属材料该章主要讲解了金属材料的结构和性能。
它详细介绍了金属晶体结构、缺陷和相变等基本概念，以及金属的力学、热学和电学性能。
同时，该章还介绍了金属材料的制备方法和应用领域。
第三章：陶瓷材料该章介绍了陶瓷材料的结构和性能。
它详细讲解了陶瓷的晶体结构、缺陷和相变等基本概念，以及陶瓷的力学、热学和电学性能。
此外，该章还介绍了陶瓷材料的制备方法和应用领域。
第四章：高分子材料该章主要介绍了高分子材料的结构和性能。
它详细阐述了高分子的聚合反应、分子构象和玻璃化转变等基本概念，以及高分子的力学、热学和电学性能。
同时，该章还介绍了高分子材料的制备方法和应用领域。
第五章：复合材料该章介绍了复合材料的结构和性能。
它详细讲解了复合材料的基体材料、增强材料和界面等基本概念，以及复合材料的力学、热学和电学性能。
此外，该章还介绍了复合材料的制备方法和应用领域。
重要实验实验一：金属的晶体结构研究该实验旨在通过实际操作，观察金属的晶体结构，并了解金属的晶体缺陷。
通过该实验，学生可以进一步理解金属的结构与性能之间的关系。
实验二：陶瓷材料的力学性能测定该实验旨在通过实验测定方法，了解陶瓷材料的力学性能。
839材料科学基础
2.5 共价晶体结构
第三章 晶体缺陷（★★★★）
什么是晶体缺陷？有几种存在方式？ 3.1 点缺陷 点缺陷的形成有哪几种？离子晶体？ 点缺陷的平衡浓度的形成原因？
真题再现
平衡浓度的公式
n 点C缺陷 的运动Aexp(
EV
)
N
kT
3.2 位错 刃型位错和螺型位错的特点，混合位错。 伯氏矢量的确定？位错型的确定？特性？ 位错的运动？滑移、攀移，交割。要求会判断运动方向等问题
4.1 表象理论
菲克第一定律
J D d 物理意义，单位，使用条件
菲克第二定dx律 使用条件，理解其推导过程
化学扩散，自扩散 渗碳厚度计算
（x, t）
s
(s
0 )erf
( 2
x) Dt
x A Dt 或x2 BDt
薄膜扩散衰减分布
（x, t） M exp( x2 )
置换固溶体2中的D扩t 散 4Dt 柯肯达尔效应，互扩散系数
4.7 反应扩散
概念，不存在两相混合区的解释 4.8 离子晶体中的扩散
真题再现
第五章 材料的形变和再结晶（★★★★★）
5.1 弹性和粘弹性 了解弹性形变的本质 弹性模量的物理意义和其对材料的影响
真题再现
弹性不完整性的现象 粘性流动和粘弹性的概念，性质，粘弹性的物理模型
5.2 晶体的塑性变形 什么是滑移线和滑移带？什么是滑移系？ fcc,bcc,hcp的滑移系各是什么，会产生什么影响
（三）晶体中的缺陷 1．点缺陷 2．位错 3．面缺陷
（四）固体中的扩散 1．扩散的表象理论 2．扩散的热力学 3．扩散的微观理论与机制 4．扩散激活能 5．影响扩散的因素 6．反应扩散 7．离子晶体中的扩散
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
材料科学基础教程及习题_上海交通大学
目录第1章原子结构与键合 (1)1.1 原子结构 (1)1.2 原子间的键合 (2)1.3 高分子链 (2)本章重点复习 (3)第2章固体结构 (4)2.1 晶体学基础 (4)2.2 金属的晶体结构 (5)2.3 合金相结构 (7)2.4 离子晶体结构 (9)2.5 共价晶体结构 (10)2.6 聚合物的晶体结构 (11)2.7 非晶态结构 (13)本章重点复习 (13)第3章晶体缺陷 (15)3.1 点缺陷 (15)3.2 位错 (16)3.3 表面及界面 (18)本章重点复习 (20)第4章固体中原子及分子的运动 (23)4.1 表象理论 (23)4.2 扩散的热力学分析 (23)4.3 扩散的原子理论 (24)4.4 扩散激活能 (25)4.5 无规则行走与扩散距离 (25)本章重点复习 (25)第5章材料的形变和再结晶 (27)5.1 弹性和粘弹性 (28)5.2 晶体的塑性变形 (29)5.3 回复和再结晶 (33)5.4 高聚物的塑性变形 (36)本章重点复习 (36)第6章单组元相图及纯晶体凝固 (38)6.1 单元系相变的热力学及相平衡 (38)6.2 纯晶体的凝固 (39)本章重点复习 (40)第7章二元系相图及合金的凝固 (42)7.1 相图的表示和测定方法 (42)7.2 相图热力学的基本要点 (43)7.3 二元相图分析 (44)7.4 二元合金的凝固理论 (45)7.5 高分子合金概述 (47)本章重点复习 (48)第8章三元相图 (52)8.1 三元相图基础 (52)8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 (55)8.3 固态有限互溶的三元共晶相图 (57)8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 (58)8.5 包共晶型三元系相图 (59)8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 (60)8.7 形成稳定化合物的三元系相图 (60)8.8 三元相图举例 (61)8.9 三元相图小结 (63)本章重点复习 (64)第9章材料的亚稳态 (66)9.1纳米晶材料 (66)9.2 准晶态 (69)9.3 非晶态材料 (70)9.4 固态相变形成的亚稳相 (71)本章重点复习 (72)上海交通大学材料科学基础网络课程整理73材料是国民经济的物质基础。
上海交大考研材料科学基础总结
第1章原子结构和键合1.1原子结构1.1.1物质的组成（Substance Construction ）物质由无数微粒（Particles ）聚集而成分子（Molecule ）：单独存在 保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为2 M （protein ）为百万原子（Atom ）： 化学变化中最小微粒1.1.2原子的结构1.1.3原子的电子结构核外电子排布遵循以下3个原则：1.1.4元素周期表⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎨⎪⨯⎪⎪⎩-27-27-31（proton）（neutron）质子：正电荷m＝1.6726×10kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电中子：电中性m＝1.6748×10kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（ele ctron cloud ） m ＝9.109510kg，约为质子的1/1836i i n K L M N l (the orbital quantum number)主量子数（the principal quantum number)： 决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron)， 即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5?…， 用、、、……表示轨道动量量子数： 给出电子在同一量子壳层内所处的能级, 与电子运动的角动量有i n 1, s p d f m the inner quantum number)(spatial orientation of an electron cloud)1),1,0,⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅-i i 关(shape of the electron subshell)， 取值为0，1，2，用，，，……表示磁量子数( ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向， 取值为-l ，-(l i 1,s the spin quantum number)⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩i l 自旋角动量量子数( ： 表示电子自旋（spin moment ）的方向，11取值为＋或-22不可能有运动状态完全相同的电子， 同一亚层中电子尽量分占不同能级，2能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s -2s -2p -3s -3p -4s -3d -4p -5s -4d -5p -Pauli 不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund 原则（Hund' Rule)自⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩全充满半充满 全空旋方向相同 −−−−−−−−−−−→−−−−−−−−−−−−→电离核电荷↑，原子半径↓能↑，失电子能力↓，得电子能力↑最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓同周期元素：左右，金属性↓，非金属性↑同主族元素：上下，金属性↑，非金属性↓1.2原子间的键合1.2.1金属键（Metallic bonding ）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron ）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron ），形成电子云（electron cloud ）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好1.2.2离子键（Ionic bonding)实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation ）非金属原子 带负电的负离子（anion ）特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体1.2.3共价键（covalent bonding ）亚金属（C 、Si 、Sn 、 Ge ），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s 电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差1.2.4范德华力（Van der waals bonding)包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质1.2.5氢键（Hydrogen bonding ）极性分子键 存在于HF 、H2O 、NH3中 ，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性1.3高分子链（High polymer Chain)1.3.1高分子链的近程结构1.结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)2.高分子链的几何形态（structure ）⎧⎨⎩键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中⎧⎨链结构（Chain Structure)高分子结构热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生3.高分子链的键接方式4.高分子链的构型（Molecular configurations ）o 线热变软动热链联线胶联变强韧状性高分子（linear polymers）: 加后，甚至流，可反复加工－ 塑性（therm plastic）支高分子（branched polymers）：交高分子（crosslinked polymer）：性天然橡用S交后耐磨体型（立体网）高分子（network on three -dimensional poly ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩mer)处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configuration R取代基交替地在主平面，即旋光异构元交替R取代基全在主平面一，即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩链两侧规则s):R取代基在主平面不排列1.3.2高分子链的远程结构1.高分子的大小2.高分子链的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长 d 和键角θ，每个单键都能内旋转（Chain twisting ）故高分子在空间形态有mn-1( m 为每个单键内旋转可取的位置数，n 为单键数目)※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象统计学角度高分子链取 伸直（straight ）构象几率极小，呈卷曲（zigzag ）构象几率极大3.影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility ）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility ）第2章 固体结构2.1晶体学基础（Basis Fundamentals of crystallography ）晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodic repeated array ） ，即存在长程有序（long-range order ）性能上两大特点：1.固定的熔点（melting point ）,2.各向异性（anisotropy ）2.1.1空间点阵和晶胞⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩链结响决内势垒从酰响链链对称积响联响联单键内转碍联时主构的影：起定性作用,C -O,C -N,Si-O 旋的比C -C低，而使聚酯， 聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性↓↓※空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)※晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲一、课程说明课程编码4300655 课程类别专业方向课修读学期第三学期学分 2 学时32 课程英文名称Fundamentals of Materials Science适用专业应用化学先修课程大学物理、物理化学二、课程的地位及作用材料科学基础是研究材料的成分、结构与性能之间的关系及其变化规律的一门应用基础科学。
本课程的任务是向学生较全面系统地介绍材料科学基本原理，注意材料的共性与个性的结合，实现多学科知识的交叉与渗透。
学习本课程的目的是为后续专业课打下牢固的基础，同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。
先修课程为物理化学、高等数学。
通过材料科学基础的教学，使学生了解和掌握材料科学的基本理论，培养学生理论思维的能力，为从事材料学教学和科研打下扎实的理论基础。
三、课程教学目标1. 理解金属键、离子键、共价键、分子键和氢键几种典型结合键的，掌握三大固体材料的结构特点、性能特点，建立材料结构与性能之间的关系。
掌握晶体学的基础知识。
2．掌握晶体缺陷的类型、结构特征、性质及其对材料性能的影响3．掌握扩散第一定律、扩散第二定律及其应用、扩散机制、扩散系数的计算、影响扩散的因素和离子晶体的扩散。
4.掌握固体材料变形的基本方式，掌握形变金属及合金在退火过程中的变化。
核的规律，了解熔化熵对晶体生长的影响。
了解固溶体合金的凝固规律，了解材料的非晶态概念。
5. 掌握相图的基本知识，二元相图的基本类型，二元相图的分析与使用方法，熟练应用铁碳相图；掌握三元相图类型、定量法则、分析方法、等温截面、变温截面、液态投影图。
四、课程学时学分、教学要求及主要教学内容(一) 课程学时分配一览表章节主要内容总学时学时分配讲授实践第1章原子结构与键合 2 2 0第2章固体结构 6 6 0第3章晶体缺陷 6 6 0第4章固体中原子及分子的运动 4 4 0第5章材料的形变和再结晶 4 4 0第6章单组元相图及纯金属的凝固 4 4 0第7章二元系相图及合金的凝固 6 6 0(二) 课程教学要求及主要内容第一章原子结构与键合教学目的和要求：1. 了解原子结构及建合类型；2. 掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表；3. 熟悉一次键（金属键、离子键、共价键）、二次健（范德华力和氢键）的定义、特点；4. 掌握材料中的结合键的类型对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。
材料科学基础(上海交大)_第6章.答案
第6章 单组元相图及纯晶体凝固
6.1 单元系相变的热力学与相平衡
6.2 纯晶体的凝固
6.3 气固相变与薄膜生长
重点与难点：
• • • • • 结晶的热力学、结构和能量条件； 相律的应用； 克劳修斯——克拉珀龙方程的应用； 亚稳相出现的原因； 均匀形核的临界晶核半径和形核功的推 导； 润湿角的变化范围及其含义；
• 两条斜率不同的自由能曲线必然相交于一点
• 液、固两相的自由能相等 • 两相处于平衡而共存。 事实上， Tm—既不能完全结晶，也不能完全熔化 • 要发生结晶则体系必须降至低于Tm温度， • 而发生熔化则必须高于Tm 。
(2) 热力学条件
a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的
必要条件（之一）。
b △T越大, △Gv越小－过冷度越
图6.4
大， 越有利于结晶。
c △Gv的绝对值为凝固过程的驱 动力。
ΔT=Tm-T，是熔点Tm与实际凝固温度T之差 Lm是熔化热，
要使 ΔGv＜0，必须使Δ T＞0，即 T＜Tm，故ΔT
称为过冷度。
晶体凝固的热力学条件——实际凝固温度应低于
熔点Tm，即需要有过冷度，其中热分析实验装置示 意图见图6.5。
如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气 压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示，如 水的情况见图6.1（b）。根据相律，在汽、水、冰
的各单相区内（f＝1），温度可在一定范围内变动。
在熔点和沸点处，两相共存，f＝0，故温度不能变
动，即相变为恒温过程。
在单元系中，除了可以出现气、液、固三相之
间的转变外，某些物质还可能出现固态中的同素异
构转变，见图6.2和图6.3。
• bcc • fcc
上海交通大学材料科学基础专业考试大纲
上海交通大学材料科学基础专业考试大纲一、专业科目与代码：827材料科学基础二、指定参考书《材料科学基础》（第3版）徐祖耀等上海交通大学出版社《材料科学基础辅导与习题》（第3版）蔡珣等上海交通大学出版社三、827材料科学基础考试大纲一、复习要求：要求考生掌握金属材料的结构、组织、性能方面的基本概念、基本原理；理解金属材料的结构、组织、性能之间的相互关系和基本变化规律。
二、主要复习内容：（一）晶体学基础理解晶体与非晶体、晶体结构与空间点阵的差异；掌握晶面指数和晶向指数的标注方法和画法；掌握立方晶系晶面与晶向平行或垂直的判断；掌握立方晶系晶面族和晶向族的展开；掌握面心立方、体心立方、密排六方晶胞中原子数、配位数、紧密系数的计算方法；掌握面心立方和密排六方的堆垛方式的描述及其它们之间的差异。
重点：晶体中原子结构的空间概念及其解析描述(晶面和晶向指数)。
（二）固体材料的结构掌握波尔理论和波动力学理论对原子核外电子的运动轨道的描述。
掌握波粒两相性的基本方程。
掌握离子键、共价键、金属键、分子键和氢键的结构差异。
了解结合键与电子分布的关系和键合作用力的来源。
掌握影响相结构的因素。
了解不同固溶体的结构差异。
重点：一些重要类型固体材料的结构特点及其与性能的关系。
三、晶体中的缺陷掌握缺陷的类型；掌握点缺陷存在的必然性；掌握点缺陷对晶体性能的影响及其应用。
理解位错的几何结构特点；掌握柏矢量的求法；掌握用位错的应变能进行位错运动趋势分析的方法。
掌握位错与溶质原子的交互作用，掌握位错与位错的交互作用。
掌握位错的运动形式。
掌握位错反应的判断；了解弗兰克不全位错和肖克莱不全位错的形成。
重点：位错的基本概念和基本性质。
四、固态中的扩散理解固体中的扩散现象及其与原子运动的关系，掌握扩散第一定律和第二定律适用的场合及其对相应的扩散过程进行分析的方法。
掌握几种重要的扩散机制适用的对象，了解柯肯达尔效应的意义。
掌握温度和晶体结构对扩散的影响。
上海交大材料科学基础课件教学大纲
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
§1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
§2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键 (三)、共价键(四)、范德华力 (五)、氢键第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
§1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带6．晶面间距§2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(fcc)(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(bcc)(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征(hcp)§3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体2．间隙固溶体3．有序固溶体4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物§4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构§5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构 (三)、VA、VIA族亚金属结构§6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构 (二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态§7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
材料科学基础(上海交大) 第6章
6.2 纯晶体的凝固
纯晶体（单组元晶体）：由一种元素或化合物 构成的晶体。该体系称为单元系。
相变：从一种相到另一种相的转变。
固态相变：不同固相之间的转变 凝固：由液相至固相的转变。 结晶：如果凝固后的固体是晶体
这些相变的规律可借助相图直观简明地表示出来。
单元系相图——在热力学平衡条件下所存在的相
可有连续长大
二维形核
螺型位错长大
a．连续长大
vg u1Tk
粗糙界面——界面上约有一半的原子位
置空着——液相的原子可以进入这些位置—— 晶体便连续地向液相中生长——垂直生长。
b．二维形核（图6.14）
二维晶核：一定大小的单分子或 单原子的平面薄层。 光滑界面：二维晶核在相界面上 形成后，液相原子沿着二维晶核 侧边所形成的台阶不断地附着上 去，使此薄层很快扩展而铺满整 个表面。
图6.13
1). a≤2，在x＝0.5处界面能具有极小值——界面的平衡 结构应是约有一半的原子被固相原子占据而另一半 位置空着，这时界面为微观粗糙界面。 2). a≥2，曲线有两个最小值，分别位于x接近0处和接 近1处，说明界面的平衡结构应是只有少数几个原子 位置被占据，或者极大部分原子位置都被固相原子 占据，即界面基本上为完整的平面，这时界面呈光 滑界面。
c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。 （图6.11）
图6.11
6.2.4 晶核的长大
1 晶核长大的条件 （1）动态过冷 动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构
（1）液－固界面的构造(图6.12)
晶体凝固后呈现不同的形状: 小平面形状——水杨酸苯脂、硅、锗等晶 体 树枝形状——环己烷、大多金属晶体
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纯金属结晶，液－固共存，f =0，说明结晶为恒温。 二元系金属结晶两相平衡，f =2-2+1=1，说明有一个可变因素(T)，表明 它在一定（T）范围内结晶。 二元系三相平衡，f =2-3+1=0，此时温度恒定，成分不变，各因素恒定。
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相率的应用
• 相律是检验、分析和使用相图的重要工具。利用它可以分 析和确定系统中可能存在的相数，检验和研究相图。
6.1.1 相平衡条件和相律
• 相平衡的条件：通过一些数学推导和系统平衡条件dG=0可 得：处于平衡状态下的多相(P个相)体系中，每个组元(共 有C个组元)在各相中的化学势（chemical potential）都彼此 相等。
• 相平衡(phase equilibrium)是一种动态平衡。
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第六章 单组元相图 及纯晶体的凝固
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本章要求掌握的内容
• 应掌握的内容:
– 纯金属凝固的过程和现象 – 结晶的热力学、动力学、能量、和结构条件 – 过冷度对结晶过程和结晶组织的影响；过冷度、临界过冷度、有效过
冷度、动态过冷度之间的区别。 – 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功，形核率，均匀
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6.2.2 晶体凝固的热力学条件
自由能
G H TS
dG Vdp SdT
在等压时，dp＝0， 所以可推导得：
dG S dT
由于熵S恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。
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在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为
G H TS
令液相转变为固相后的单位体积自由能变化为 GV ，则
液相必须处于一定的过冷条件时方能结晶，而液体中客观存在的结 构起伏和能量起伏是促成均匀形核的必要因素。
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G* 1 A*
3
• 由上式可知：液-固之间的体积自由能差值只能补偿形成 临界晶核表面所需能量的2/3，而不足的1/3能量靠液相中 的能量起伏补充。
• 故均匀形核需要： – 过冷度 – 结构起伏 – 能量起伏
GV
LmT Tm
式中，△T＝Tm-T ，为过冷度，欲使△GV<0，须△T>0。晶体凝固的 热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm ，即需要有过冷度 (Degree of undercooling or supercooling)。
6.2.3 形核
晶体的凝固是通过形核与长大两个过程进行的 ，形核方式可以分为两类： 1）均匀形核核 (Homogeneous nucleation) 2）非均匀形核(Heterogeneous nucleation)。
结论：均匀形核的难度较大。
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2. 非均匀形核
由于均匀形核难度较大，所以液态金属多为非均匀形核。
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若晶核形成时体系表面能的变化为 GS ，则
GS AL L AW W AW LW
在三相交叉点，表面张力应达到平衡： LW L cos W
式中θ为晶核和型壁的接触角。由于
3
故体积自 由能变化：Gt
V GV
r3( 2 3cos
3
cos3 )GV
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G Gt GS
G
(
4 3
r
3GV
4r
2
L
)(
2
3cos
4
cos3
)
(
4 3
r
3GV
4r2L )
f
( )
非均匀形核时的临界晶核半径： r* 2L
GV
非均匀形核时的形核功：
Ghet*
Ghom
*
(
2
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位移型相变（Displasive transformation)和 重建型相变（Reconstructive transformation)
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6.2 纯晶体的凝固
• 结晶的现象 – 宏观现象
• 过冷现象 (Supercooling或Undercooling) • 结晶潜热 (Latent Heat of Crystallization)
dP H dT T Vm
式中，H为相变潜热；Vm 为摩尔体积变化；T是两相平衡温度。
当高温相转变为低温相时，H 0 ，
如果相变后体积收缩，即 V 0 ， 则
dP 0 dT
，相界线斜率为正；
如果相变后体积膨胀，即 V 0 ，则
dP 0 dT
，相界线斜率为负。
同素（分）异构转变时的体积变化很小，故固相线几乎是垂直的。
GV GS GL
GV (HS HL ) T (SS SL )
由于恒压下熔化时，
H P H L H S Lm
Sm
SL
SS
Lm Tm
式中Lm是熔化潜热，表示固相转变为液相时，体系向环境吸热，定
义为正值；Sm 为固体的熔化熵。
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在一定温度下，液相到固相转变（凝固）的单位体积自由能变化：
• 注意使用相律有一些限制：
– 只适用于热力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、各相压 力相等（机械平衡）、各相化学势相等（化学平衡）。
– 只表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量 。
– 不能预告反应动力学（即反应速度问题）。 – f ≥0
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6.1.2 单元系相图
单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压 力条件下所可能存在的相及多相的平衡。 现以水为例说明单元系相固的表示和测定方法：
相律
• 相律(phase rule)是表示在平衡条件下，系统的自由度数、 组元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学表 达式。
• 相律数学表达式：f=c-p+2
式中 p—平衡相数 c—体系的组元数 f—体系自由度（degrees of freedom）数 2－温度和压力
• 自由度数 f：是指在保持合金系平衡相的数目不变的条件 下，合金系中可以独立改变的、影响合金的内部及外部 因素。
形核，非均匀形核，蒸发，凝聚。 – 液-固界面的结构及温度梯度，晶体生长形态 、生长条件和长大机制。 – 气－固相变及薄膜生长
• 了解：
– 凝固理论的主要应用 – 控制结晶组织的措施 – 高分子的结晶特征
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基本概念
• 单组元晶体(纯晶体)：由一种化合物或金属组成的晶体。 该体系称为单元系（one component system）。
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有些物质稳定相形成需要很长的时间，在稳定相形成前，先 形成自由能较稳定相高的亚稳相，这称为Ostwald阶段，即 在冷却过程中相变顺序为
高温相（unstable) 亚稳相(metastable) 稳定相（stable)
有时可扩充相图，使其同时包含可能出现的亚稳相，如图6.4 所示：
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在单元系中．除了可以出现气、液、固三相之间的转变外，某 些物质还可能出现固态中的同素异构转变，如：
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纯Fe冷却曲线及晶体结构变化
磁性转变点，A2 α－Fe与γ－Fe间晶型转
变点，A3； γ－Fe与δ－Fe间晶型转变 点，A4 δ－Fe与液相转变点（熔 点），Tm 即：α－Fe←→γ－Fe←→δ －Fe ←→液相
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球冠晶核的体积：
V
1 h2 (3r h)
3 rh2
1 h3
3
r r2(1 cos )2 1r3(1 cos )3
3
r3[1 2cos cos2 1 (1 3cos 3cos2 cos3 )]
3
r3( 2 cos 1 cos3 )
3
3
r3( 2 3cos cos3 )
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除了某些纯金属，如铁等具有同素异构转变之外，在某些化合物中 也有类似的转变，称为同分异构转变或多晶型转变，如：
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图 6.3 SiO2平衡相图
上述相图中的曲线所表示的两相平衡时的温度和 压力的定量关系， 可由克劳修斯(Clausius)—克拉珀龙 (C1apeyron)方程决定，即
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• 组元（component）：组成合金的最基本、独立的物质。 可以是单一元素也可以是稳定的化合物。
• 相图(phase diagram)：表示合金系中合金的状态与温度、 成分之间的关系的图形，又称为平衡图或状态图。
• 单组元相图(single-component system phase diagram)是表示 在热力学平衡条件下所存在的相与温度，压力之间的对 应关系的图形。
Lm径则越小，则形核的几率越大，
晶核数目增多。 形核功 (nucleation
energy)：G*
16 3
3(GV )2
G*
16 3Tm2
3(Lm T )2
G* 1 A*
3
A*为临界晶核（critical nucleus）表面积
A*
4
(r*)2
16 2
GV2
• 在恒压下，相律表达式：f=c-p+1
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相率的应用
• 可以确定系统中可能存在的最多平衡相数
例：恒压下，单元系，因f ≥0，故P≤1-0+1=2，平衡相最大为二个。 注意 ：这并不是说，单元系中能够出现的相数不能超过二个，而是说，某一 固定T下，单元系中不同的相只能有两个同时存在，而其它相则在别的 条件下存在。
3cos
4
cos3
)
Ghom * f ( )
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由于0 ≤ f（θ）≤ 1，所以
Ghet* Ghom *