第三章金属与陶瓷结构
第三章 先进无机材料
• ③涂层破坏过程及其机制的研究：如涂层缺陷及 其形成，涂层应力及其形成、分布及消除途径， 涂层与底材解离过程及影响因素等研究为涂层的 品质改进、工艺优化乃至涂层设计、新涂层的研 制指明方向。 • ④对涂层的形成、显微结构及其性能的研究：是 进行涂层工艺设计的基础；涂层的性能取决于涂 层的化学组成、显微结构以及它对底材的界面结 合。
• ④显微结构分析上的进步，使人们更精细的了解 陶瓷材料的结构及其组成，从而可控制地做到工 艺-显微结构-性能关系的统一，对陶瓷技术起到 了指导作用。 • ⑤陶瓷材料性能的研究使新的性能的不断出现， 大大开拓了陶瓷材料的应用范围。⑥陶瓷材料无 损评估技术发展，加强了使用上的可靠性。 • ⑦相邻学科的发展对陶瓷科学的进步起到了推动 的作用。
• ④在航空工业中，硅质高温搪瓷能有效保护高温 合金抗高温燃气腐蚀，且具有一定的隔热作用， 已在高性能涡轮喷气发动机的燃烧室和火焰稳定 器等高温部件上广泛使用以延长其寿命。航空涡 轮喷气发动机的导向叶片和涡轮叶片则用渗涂含 硅或铬和钇的铝化物涂层。 • ⑤等离子喷涂或爆震波喷涂的碳化物、氧化物和 硬质合金涂层也已用于航空发动机内各种部件的 摩擦端面。含镉、硒或硫等化合物的涂层，加涂 在发动机内一些用一般方法难以测温的部位，涂 层的变色能指示发动机运转时该部位的最高温度， 这类涂层称之为示温涂层。
• 先进陶瓷从性能上可分为：结构陶瓷和功能陶瓷 两大类。 • 结构陶瓷：是以力学机械性能为主的一大类陶瓷。 特别适用于高温下应用的则称之为高温结构陶瓷。 • 功能陶瓷：利用材料的电、磁、光、声、热和力 等性能及其耦合反应，如铁电、压电陶瓷、正 （或负）温度系数陶瓷（PTC或NTC）、敏感陶 瓷、快离子导体陶瓷等等。
• 1.先进陶瓷 产生的因素： • ①在原料上，从传统陶瓷以天然矿物原料为主体发 展到用高纯的合成化合物。 • ②陶瓷工艺技术上的进步。如成型上的等静压成型、 热压注成型、注射成型、离心注浆、压力注浆成型 和流涎成膜等成型方法；在烧成上则有热压烧结、 热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、 等离子体烧结、自蔓燃烧结等。 • ③陶瓷科学理论的发展，为陶瓷工艺提供了科学上 的依据和指导，使陶瓷工艺从经验操作到科学控制， 以至发展到在一定程度上可依据实际使用的要求进 行特定的材料设计。
大连理工大学 材料科学导论 第三章 结构材料答案
第三章结构材料一、填空题：1、碳的质量分数大于2.11% 的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si 、Mn、S 、P等元素。
2、优质碳素结构钢的钢号是以碳的平均万分数来表示的。
3、碳钢常规热处理有退火、正火、淬火、回火四种4、碳在铁碳合金中的存在形式有与铁的间隙固溶、化合态的渗碳体、游离态的石墨。
5、高分子材料分子量很大，是由许多相同的结构单元组成，并以共价键的形式重复连接而成。
6、塑料、橡胶、纤维被称为三大合成高分子材料。
7、高分子按结构单元的化学组成可分为碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子。
8、聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。
9、聚乙烯可分为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、超高分子质量聚乙烯、改性聚乙烯。
10、陶瓷材料的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷，其中导电性与点缺陷有直接关系。
11、陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷材料的最大弱点。
12、陶瓷材料热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。
13、由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料叫做复合材料。
14、复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。
15、颗粒增韧的增韧机理主要包括相变增韧、裂纹转向增韧、和分叉增韧。
16、界面是复合材料中基体与增强材料之间发生相互作用和相互扩散而形成的结合面。
17、复合材料界面结合的类型有机械结合、溶解与侵润结合、反应结合、混合结合。
二、判断题：1、不锈钢中含碳量越低，则耐腐蚀性就越好。
（√）2、纯铝中含有Fe、Si等元素时会使其性能下降。
（√）3、正火是在保温一段时间后随炉冷却至室温的热处理工艺。
（×）4、受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环的塑料称为热塑性塑料。
（√）5、聚乙烯从是目前产量最大，应用最广泛的品种。
（√）6、陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容大。
（√）7、陶瓷材料中位错密度很高。
（×）8、陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
材料科学基础第三章典型晶体结构.答案
类似于NaCl型晶体结构的晶体较多，只是晶胞 参数不同而已。
常见的NaCl型晶体都是碱土金属氧化物和过渡 金属的二价氧化物。化学式可写为MO，其中M2＋ 是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了 NaCl中钠离子和氯离子的位置。这些氧化物有很 高的熔点，尤其是MgO（矿物名称方镁石），其 熔点高达2800℃左右，是碱性耐火材料镁砖中的 主要晶相。
反萤石型结构 ：在萤石型结构中正、负离子位置全部互换，并没 有改变结构形式，只是正、负离子位置对调。如Na2O
结构-性能关系：CaF2熔点较低，用作助熔剂/作晶核剂。 质点间 键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4级），熔点1410C，在水中 溶解度小。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体
连接方式
0,100
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25 0,100
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与金刚石晶胞的对比 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、-ZnS（纤锌矿）型结构 （AB type）
六方晶系，简单六方格子
C
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0,100
晶胞在（001）面的投影图
晶胞中由几套等同点？
在坐标为000和坐标为1/4 1/4 3/4 的 原 子 的 环 境 是 不 同 的 ， 它们不能独立抽象为一类等同 点，这是两类等同点。最后， 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。
这种结构可以看成是由2个面 心立方布拉维格子穿插而成： 这2个面心立方格子（图中的 灰色和红色点）沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
金属材料专业英语词汇(99单词)
金属材料专业英语词汇(99单词) metal: 金属ceramic: 陶瓷polymer: 聚合物Composites: 复合材料Semiconductors: 半导体Biomaterials: 生物材料Processing: 加工过程Structure: 组织结构Properties: 性质Performance: 使用性能Mechanical properties: 力学性能Electrical properties: 电性能Thermal behavior: 热性能Magnetic properties: 磁性能Optical properties: 光性能Deteriorative characteristics: 老化特性第二章原子结构与原子键Atomic mass unit (amu): 原子质量单位Atomic number: 原子数Atomic weight: 原子量Bohr atomic model: 波尔原子模型Bonding energy: 键能Coulombic force: 库仑力Covalent bond: 共价键Dipole (electric): 偶极子electronic configuration: 电子构型electron state: 电位Electronegative: 负电的Electropositive: 正电的Ground state: 基态Hydrogen bond: 氢键Ionic bond: 离子键Isotope: 同位素Metallic bond: 金属键Mole: 摩尔Molecule: 分子Pauli exclusion principle: 泡利不相容原理Periodic table: 元素周期表Polar molecule: 极性分子Primary bonding: 强键Quantum mechanics: 量子力学Quantum number: 量子数Secondary bonding: 弱键valence electron: 价电子van der waals bond: 范德华键Wave-mechanical model: 波粒二象性模型第三章金属与陶瓷的结构Allotropy: 同素异形现象Amorphous: 无定形Anion: 阴离子Anisotropy: 各向异性atomic packing factor(APF): 原子堆积因数body-centered cubic (BCC): 体心立方结构Bragg’s law: 布拉格定律Cation: 阳离子coordination number: 配位数crystal structure: 晶体结构crystal system: 晶系crystalline: 晶体的diffraction: 衍射face-centered cubic (FCC): 面心立方结构点群 point group对称要素 symmetry elements各向异性 anisotropy原子堆积因数 atomic packing factor（apf）体心立方结构 body-centered cubic （bcc）面心立方结构 face-centered cubic （fcc）布拉格定律 Braggs law配位数 coordination number晶体结构 crystal structure晶系 crystal system晶体的 crystalline衍射 diffraction中子衍射 neutron diffraction电子衍射 electron diffraction六方密堆积 hexagonal close-packed鲍林规则 Paulings rulesNaCl型结构 NaCl-type structureCsCl型结构 Caesium Chloride structure 闪锌矿型结构 Blende-type structure纤锌矿型结构 Wurtzite structure金红石型结构 Rutile structure萤石型结构 Fluorite structure钙钛矿型结构 Perovskite-type structure 尖晶石型结构 Spinel-type structure硅酸盐结构 structure of silicates岛状结构 island structure链状结构 chain structure层状结构 layer structure架状结构 framework structure 体材料 bulk material滑石 Talc叶蜡石 Pyrophyllite高岭石 Kaolinite石英 Quartz长石 Feldspar美橄榄石 Forsterite各向同性的 isotropic各向异性的 anisotropy晶格 lattice晶格参数 lattice parameters 密勒指数 miller indices非结晶的 amorphous多晶的 polycrystalline多晶形 polymorphism单晶 single crystal晶胞 unit cell电位 electron states（化合）价 valence电子 electrons极性分子 polar molecules原子面密度 atomic planar density 合金 alloy粒度，晶粒大小 grain size显微结构 microstructure重量百分数 weight percent四方的 tetragonal单斜的 monoclinic。
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。
人教版高中化学选修一第三章知识点汇总
人教版高中化学选修一第三章知识点汇总第三章探索生活材料3.1 合金一、认识合金1、合金：是由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有具有金属特性的物质。
2、合金的物理性质：（1）一般情况下，与各成分的金属相比，合金比纯金属硬度更大、更坚固。
（2）多数合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点都低。
（合金是混合物，但与其它的混合物不同，合金有固定的熔、沸点），因为，原子之间吸引力减弱。
（3）一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金比它的成分金属具有许多良好的物理的、化学的和机械的性能。
（4）合金的性能可以通过所填加的合金元素的种类、合金和生成合金的条件来加以调节。
（如生铁的熔点比纯铁的低）二、使用合金●常使用的合金有铁合金、铝合金、铜合金和新型合金。
生铁和钢是含碳量不同的的两种铁碳合金。
1、铁合金：根据含碳量的不同，铁的合金分为生铁和钢。
●生铁含碳量在2％～4％，还含有硅、锰及少量硫、磷等杂质，机械性能硬而脆，易断裂，可铸不可锻；●钢中含碳量一般在0.03％～2％之间，其它杂质含量也比生铁少，基本上不含硫和磷。
机械性能比生铁优良，硬而韧，有弹性，延展性好，可铸可锻，易加工。
2、钢：一般分为碳素钢和合金钢两大类。
根据含碳量不同，前者可以分为高碳钢、中碳钢和低碳钢。
●含碳量高，硬度大，韧性差、延展性差，含碳量低，硬度小，韧性好、延展性好。
后者最常见的一种是不锈钢，其合金元素主要是Cr和Ni，它在大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力；但不锈钢的不锈是相对的，在海水中会被腐蚀。
3、铝合金●Al是地壳中含量最多的金属元素，纯铝硬度和强度较小，不适于制造机器零件，制成铝合金可改善性能。
常见的铝合金有，硬铝4、常见的铜合金：●有黄铜(Cu-Zn合金，含Zn20%~36%)和青铜(Cu-Sn合金，含Sn10%~30%)5、新型合金：钛合金：被誉为“21世纪金属”的钛所形成的合金，具有质量轻、硬度大、耐腐蚀、良好的抗氧化性，可作为人造骨的材料，又被称为“亲生物金属”。
材料科学基础第三章
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。在达到 很大过冷度前已结晶完毕，无曲线后半部。
• 通常液态金属是不纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
• 2) 拓扑无序模型：一些近程有序的基本几 何单元密集无序堆垛或随机密堆垛。
• 原子处于永恒的热运动。液态中的近程有 序结构只能维持极短时间(~10-11s)即消散， 同时又有新结构出现。形成结构起伏或叫 相起伏。
• 相起伏现象是液态结构的重要特征之一， 是产生晶核的基础。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过 冷液体中，短程有序结构越大越稳定，而 稳定结构才可能成为晶核。因此称过冷液 体中尺寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 3.3.1.1 晶胚形成时的能量变化：
• 体积自由能：晶胚内部原子因规则排列而 低于液相原子自由能的差值称为体积自由 能。其值的降低为结晶动力。
• 表面自由能：晶胚表面原子因受力不均匀而偏离 平恒位置，其自由能反而高于液态原子，其差值 称为表面自由能。其值的增高为结晶阻力。
重庆大学工程材料第三章 金属的结晶
三、金属的同素异构转变 1、同素异构现象和同素异构体
§1结晶过程
有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型， 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这 两种或两种以上的晶格类型 种现象称为同素异构或多晶型性。 种现象称为同素异构或多晶型性。 同素异构 以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同 素异构体。 素异构体。 2、同素异构转变 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。同 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 在固态下 另一种晶格的现象。 另一种晶格的现象。
一、液态金属的结构特点
§1结晶过程
1. 液态金属的特点
长程无序 短程有序、 短程有序、长程无序 长程有序
有序原子团
气体 液体 晶体（固体） 晶体（固体）
1、原子排列的短程有序和长程无序 结构起伏 2、存在着结构起伏（相起伏） 存在着结构起伏（相起伏）
2.金属结晶的条件
金属 的 结 现 的现象
1结晶
第三章 材料制备的基本过程
新材料的发展，不仅与对材料的成分 结构 结构—性能的研究 新材料的发展，不仅与对材料的成分—结构 性能的研究 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 金属材料： 金属材料：凝固与结晶 陶瓷材料：烧结 陶瓷材料： 聚合物： 聚合物：反应合成
§1结晶过程
四、 金属铸锭的组织特点 1金属铸锭的组织示意图
2 金属铸锭中的缺陷
材料科学基础 复习题
材料科学基础复习题材料科学基础复习题介绍一、填空题1.材料科学的核心问题是结构和性能之间的关系。
材料的结构是理解和控制性能的中心环节，结构的最微细水平是原子结构，第二个水平是原子排列方式，第三个水平是显微组织。
2.根据材料的性能特点和用途，材料分为结构材料和功能材料。
根据原子间的键合特性，材料可分为四类：金属、陶瓷、聚合物和复合材料。
第一章材料的原子结构一、填空1.金属材料中原子结合以金属键为主，陶瓷材料（无机非金属材料）以共价键和离子键是主要的键，而高分子材料主要是共价键、氢键和范德华键。
第二章材料的结构一、填空1、晶体是基元（原子团）以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列的固体。
2、晶体与非晶体的最根本区别是晶体原子排布长程有序，而非晶体是长程无序短程有序。
3.晶胞是晶体结构中最小的单元。
4、根据晶体的对称性，晶系有三大晶族，七大晶系，十四种布拉菲bravais点阵，三十二种点群，230种空间群。
5.常见的金属晶格类型有体心立方、面心立方和紧密排列的六边形。
6.FCC晶体最紧密排列的方向是<110>，最紧密排列的表面是{111}，最紧密排列的表面的堆叠顺序是ABCABC。
7、fcc晶体的致密度为0.74，配位数为12，原子在（111）面上的原子配位数为6。
8.BCC晶体最紧密排列的方向为<111>，最紧密排列的表面为{110}，密度为0.68，配位数为8。
9、晶体的宏观对称要素有对称点、对称轴、对称面。
10.CSCL型结构属于简单立方晶格，NaCl型结构属于面心立方晶格，CaF2型结构属于面心立方格子。
11.MgO晶体为NaCl型结构，对称型为3l44l36l29pc，晶系为高级晶系，晶系为立方晶系，晶体键型为离子键。
12、硅酸盐晶体结构中的基本结构单元是硅氧四面体[sio4]。
13.几种硅酸盐晶体的复合阴离子为[Si2O7]6-，[si2o6]4-，[si4o10]4-，[alsi3o8]1-。
材料科学基础第三章
• 从纯金属冷却曲线可以看出：金属从液态 冷却到理论凝固温度(熔点)Tm时并不凝固， 而是再降至实际开始结晶温度Tn时才开始 结晶；随后温度回升到接近Tm时出现恒温 结晶(曲线平台)，结晶终止后温度继续下降。
• 曲线出现“平台”，是金属液固转变所释 放的潜热与系统散热量相等的结果。
• 在“平台”温度下，液固相不平衡，所以 “平台”温度不是熔点但相差不大。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶 核稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
(3-17)
• (VS=πh2(r-h/3), h=r(1-cosθ))
核功越小。
• 在过冷液相中，均匀形核依靠结构起伏形 成大于临界晶核的晶胚；再从能量起伏中
获得形核功形成稳定的晶核。结构起伏和 能量起伏是均匀形核的必要条件。
• 临 但界 晶晶胚核的半最径大尺rk随寸过rm冷ax却度随ΔT过增冷加度而的减增小加；而 增加。如图所示：两条曲线的交点为均匀 形核的临界过冷度ΔT*。当系统过冷度 ΔT<ΔT*时，
第三版胡赓祥材料科学基础的知识点总结及课后答案
第三版胡赓祥材料科学基础的知识点总结及课后答案第一章材料科学基础概念知识点总结1. 材料的定义与分类：材料是制造各种结构和器件的物质基础，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。
2. 材料的性能：包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等，是评价材料性能好坏的重要指标。
3. 晶体结构：晶体是由原子、离子或分子按照一定的空间点阵排列成的周期性结构，常见的晶体结构有金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。
4. 材料的制备方法：包括合成、加工、处理等，如熔炼、铸造、轧制、挤压、拉伸、热处理、腐蚀等。
5. 材料的设计与性能调控：根据材料的使用性能要求，进行结构、组成和制备工艺的设计，以实现性能的优化。
课后答案1. 材料是什么？请举例说明。
答案：材料是制造各种结构和器件的物质基础，如钢铁、水泥、塑料、玻璃等。
2. 材料的性能有哪些？它们对材料的用途有何影响？答案：材料的性能包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等，不同的性能影响材料在不同领域的应用。
例如，塑料的具有良好的柔韧性和耐腐蚀性，广泛应用于包装、建筑等领域；金属材料具有良好的导电性和导热性，广泛应用于电子、能源等领域。
3. 晶体结构有哪些类型？请简要介绍。
答案：晶体结构有金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等类型。
金属晶体是由金属原子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的强度和韧性；离子晶体是由正负离子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的熔点和硬度；共价晶体是由共价键连接的原子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较高的硬度和脆性；分子晶体是由分子按照一定的空间点阵排列成的结构，具有较低的熔点和脆性。
4. 材料的制备方法有哪些？它们对材料性能有何影响？答案：材料的制备方法包括合成、加工、处理等，如熔炼、铸造、轧制、挤压、拉伸、热处理、腐蚀等。
不同的制备方法对材料的性能有不同的影响。
例如，熔炼法制备的金属材料具有较高的纯度和均匀性；热处理工艺可以改变金属材料的组织结构和性能，如提高硬度和强度等。
材料的组织结构与性能的关系
第三章材料的组织结构与性能的关系在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。
上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。
微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。
掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。
结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。
对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。
所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。
结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。
大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。
面向２１世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。
其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。
总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。
功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。
金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。
由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。
这三种物理性质用的较多。
对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。
第三章 金属与陶瓷的结构
1.常见的三种金属晶体结构及晶体学特征？
☺ 面心立方fcc ☺ 体心立方bcc ☺ 密排六方hcp
2.常用来描述三种晶体结构特征的参数？(简答题必会)
晶胞内原子的数目，点阵常数，原子半径，配位数，致密度， 原子间隙（四面体间隙，八面体间隙）
3.晶胞中的原子数目?(计算题)
（１）如果阴阳离子的半径比小于0.155，如果阴阳离子半径比在0.155至0.225之间，则阴离子的 配位数为3，阴离子与阳离子形成平面正三角形结构． （３）如果阴阳离子半径比在0.225至0.414之间，则阴离子配 位数为４，阴离子位于四面体的中心．
（４）如果阴阳离子半径比在0.414至0.732，则阴离子位于八 面体的中心，周围由六个原子所包围，配位数为6． （５）如果阴阳离子半径比为在0.732至1.0之间则阴离子配位数 为８，阴离子位于体心立方的中央．
（６）陶瓷材料最为常见的配位数为4,6,8.
重要简答题：【各向异性是晶体的重要特征之一】
单 晶：对于晶体来说,如果晶体中的原子是按周期性重
复排列并且对整个晶体来说并没有被打断过,换句话说就是
由一个晶粒组成的晶体,这样的晶体称为单晶.
多 晶：大多数晶体都是由许多个晶粒组成的,这样的晶
体我们称为多晶.
非 晶:非晶材料中的原子的是非规则排列的,无周期性.
非晶态材料主要是在冷却过程中,利用先进的技术手段使得 材料进入了玻璃态,这样形成的材料称为非晶材料,非晶材料 是处于亚稳态的.
本章总结
常见三种金属晶体及陶瓷结构计 单晶与多晶的比较 各向异性 非晶固体
1.配位数与致密度?(简答)
定义:所谓配位数就是指晶体结构中任一原子周围最近邻 且等距离的原子数;致密度是指晶体结构中原子体积占总体积 的百分数.
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(Courtesy P.M. Anderson)
Adapted from Fig. 3.1, Callister 7e.
4原子/單位晶胞: 6 面心 x 1/2 + 8 角落 x 1/8
第三章 金屬與陶瓷結構
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• FCC 的 APF = 0.74 (APF的極大值) a2+a2=(4R)2
2a
a
對結晶固體則以晶體結構的概念來呈現，以單位晶胞 的觀念來詳細說明。
簡要的描述如何使用X- 光繞射技術在實驗上來決定晶 體結構 。
描述單晶、多晶和非結晶材料。
第三章 金屬與陶瓷結構
6
3.2 基本概念
圖 3.1 對面心立方晶體結構
（a）以硬球單位晶胞 來表示
第三章 金屬與陶瓷結構
7
晶格 (lattice) ：
第三章 金屬與陶瓷結構
電子被大電壓加速 後，會產生具有類 似波特性之高速電 子束。其波長較電 子間距離短，可以 產生具有類似X光 繞射之行為特性， 而於結晶材料原子 平面間產生繞射。 每一點為一特殊平 面繞射而得。
第三章 金屬與陶瓷結構
2
為什麼要研習金屬與陶瓷結構？
某些材料的性質直接受它們結晶結構所影響。
例如，未受變形之純鎂與鈹，具有某種晶體結構，則其較具有 另外一種晶體結構之純金屬金與銀為脆（即在較小程度之變形 下就會產生破斷）（見8.5節）。
某些陶瓷的永久磁性與鐵電性也可用它們的晶體結構來解釋 （見12.24節）。
即使具有相同成分之結晶與非結晶材質也會有相當大的性質差 異。
例如，一般來說，非結晶陶瓷與高分子為光之透明體；而具有 結晶（或半結晶）之相同材質則傾向於不透明或者半透明。
第三章 金屬與陶瓷結構
13
3.4 金屬之晶體結構
• 此族群材料原子的鍵結方式是金屬鍵，本質上無方向性。使 用硬球模式於金屬之晶體結構時，每壹圓球代表一離子核。
• 三種最常見於一般金屬中且相對簡單的晶體結構為：面心立 方晶體結構、體心立方以及六方最密堆積。
第三章 金屬與陶瓷結構
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表 3.1 16 種金屬的原子半徑和晶體結構
第三章 金屬與陶瓷結構
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FCC
a 2R 2
配位數:12 晶胞所含原子數:4＝ 6 x 1/2 + 8 x 1/8 APF =0.74
第三章 金屬與陶瓷結構
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圖 3.2體心立方晶體結構
(The Body-Centered Cubic Crystal Structure)
另一個常見的立方單位晶胞金屬晶體結構。 此單位晶胞的原子位於所有的八個角落和一原子位在立方
Adapted from Fig. 3.1(a), Callister 7e.
最密堆積方向：
a 2R 2
長度= 4R = 2 a
單位晶胞包含: 6 x 1/2 + 8 x 1/8
= 4 原子/單位晶胞
單位晶胞 原子數
APF =
4 4 ( 2a/4)3 3 a3
體積 原子
體積 = 0.74
原子
第三章 金屬與陶瓷結構
原子間距 r
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材料與堆積
結晶材料...
• 原子堆積方式為週期式的三度空間陣列
• 種類:
- 金屬
- 許多陶瓷
- 部分高分子
結晶 SiO2
Adapted from Fig. 3.22(a), Callister 7e.
非結晶材料...
Si Oxygen
• 原子堆積無週期性
• 產生於:
晶格意指一個三度空間排列的點與原子位置 ( 或球心 ) 在空間上的 規則幾何排列。
第三章 金屬與陶瓷結構
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能量與堆積
• 非緊密堆積, 任意排列
能量
典型的原子間 鍵結長度
典型的原子間 鍵結能
•緊密堆積, 規則排列
原子間r距 r
能量 典型的原子間 鍵結長度
典型的原子間 鍵結能
緊密、規則堆積的結構，具有較低能量
體的中心。 單位晶胞的長度 a 和原子半徑R的關係為：
a 4R 3
(3.3)
第三章 金屬與陶瓷結構
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圖 3.2 體心立方晶體結構 (BCC) 之示意圖
(a) 以硬球代表原子所呈現之單位晶胞，(b) 以縮小硬球代表原子 所呈現之單位晶胞，(c) 由許多原子組成體心立方結構體。
第三章 金屬與陶瓷結構
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面心立方晶體結構(FCC)
(The Face-Centered Cubic Crystal Structure) •其原子位於每一個角和所有立方面的中心。 面對角線方向原子相互接觸.
--注意： 為便於觀察，中心原子以不同顏色表示 ex: 鋁、銅、金、鉛、鎳、鉑、銀
•配位數 = 12
- 複雜結構 - 急速冷卻
“非晶質(Amorphous) =非結晶(Non-crystalline)
非結晶 SiO2
Adapted from Fig. 3.22(b), Callister 7e.
第三章 金屬與陶瓷結構
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圖 3.1 對面心立方晶體結構
（b）以縮小球模型來 表示
第三章 金屬與陶瓷結構
第三章 金屬與陶瓷結構
3
本章重點
原子以何種方式結合成固體？（以金屬為例） 材料密度與原子結構的關係 ？ 材料性質與結晶方向有關？
第三章 金屬與陶瓷結構
4
第3章
• 3.1 簡介 • 3.2 基本概念 • 3.3 單位晶胞 • 3.4 金屬之晶體結構 • 3.5 密度計算－金屬 • 3.6 陶瓷之晶體結構
• 3.7 密度計算－陶瓷 • 3.8 矽酸鹽陶瓷 • 3.9 碳 • 3.10 多形體和同素異形體 • 3.11 晶體系統 • 3.12~3.16結晶學點、方向與平 •面 • 3.17~3.21結晶和非結晶材料
第三章 金屬與陶瓷結構
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3.1 簡 介
固態中原子的某些排列。在此架構內，引入結晶與非 結晶的IT CELLS)
單位晶胞(Unit cell): 包含完整結晶體晶格樣式的最小重複體積
圖 3.1面心立方晶體結構 (FCC) 之示意圖
(a) 以硬球代表原子所呈現之單位晶胞
(b) 以縮小硬球代表原子所呈現之單位晶胞
第三章 金屬與陶瓷結構
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圖 3.1對面心立方晶體結構 （c）為許多原子的集合體
第三章 金屬與陶瓷結構
15
配位數
對金屬而言，每個原子具有相同鄰近或相接觸的原子數目， 此即為配位數。
配位數=12
圖 3.1
對面心立方晶 體結構
（a）以硬球單 位晶胞來表示
第三章 金屬與陶瓷結構
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原子堆積因子（ APF ）
APF 是基於原子硬球模型，在單位晶胞中固態球所佔的體積 分率。
（3.2）