材料科学基础-复习题纲14页

第一部分材料的原子结构1、原子结构与原子的电子结构；原子结构、原子排列对材料性能的影响。

原子结构：原子由质子和中子组成的原子核以及核外的电子所构成。

原子核内的中子显电中性，质子带有正电荷。

对电子的描述需要四个量子数：主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离。

角动量量子数l: 给出电子在同一个量子壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。

磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。

自旋角动量量子数s：反映电子不同的自旋方向。

原子排列对材料性能影响：固体材料根据原子的排列可分为两大类：晶体与非晶体。

（有无固定的熔点和体积突变）晶体：内部原子按某种特定的方式在三维空间呈周期性重复排列的固体。

（常考名词解释）非晶体：指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。

（名词解释）各向异性：晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。

（名词解释）2、材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。

(常考简答题或是论述题，很重要)各结合键对材料性能的影响：1．金属材料：金属材料的结合键主要是金属键。

由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时，其内部的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流，所以金属具有良好的导电性；金属除依靠正离子的振动传递热能外，自由电子的运动也能传递热能，所以金属的导热性好；随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧，使自由电子的定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的电阻温度系数；当金属的两部分发生相对位移时，金属的正离子仍然保持金属键，所以具有良好的变形能力；自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。

金属中也有共价键（如灰锡）和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2）。

2．陶瓷材料：简单说来，陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。

离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。

3．高分子材料：高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。

其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。

尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能。

键能曲线：当作用于原子或是离子上的力仅为原子的吸引力和排斥力时能量随位置变化的曲线。

处的曲率正比于弹性模量应用：1.弹性模量：在x2.刚度：曲率半径越小，刚度越高。

3.膨胀系数：键能曲线越是左右不对称，线膨胀系数越大。

4.熔点高低：越趋于对称，熔点越高。

5．键长：x3、原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。

原子的堆垛即为原子的排列方式。

配位数是反映原子排列紧密程度的物理量之一，指晶格中任一原子周围与其最近邻且等距离的原子数目。

一般配位数越大，晶体排列结构越紧密。

4、显微组织基本概念和对材料性能的影响。

显微组织：将用适当方法（如侵蚀）处理后的金属试样的磨面或其复型或用适当方法制成的薄膜置于光学显微镜或是电子显微镜下观察到的组织。

单相组织：晶粒尺寸：细化晶粒可以提高材料的强度改善材料的塑性和韧性。

晶粒形状：等轴晶趋于各向同性。

柱状晶趋于各向异性。

多相组织：力学性能取决于各组成相相对量，和各自性能。

如果弥散相硬度明显高于基体相，提高材料的强度，塑性韧性必将下降。

第二部分材料的晶态结构1、晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。

（常考名词解释）晶体：原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列的物质。

非晶体：原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等。

晶体结构：晶体材料中原子按一定对称性周期性平移重复而形成的空间排列形式。

可分为7大晶系、14种平移点阵、32种点群、230种空间群。

空间点阵：指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。

晶格：为了便于描述空间点阵图形，用许多组假象的平行直线将阵点连接起来形成空间格子，称之为晶格。

晶胞：能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。

晶格常数：为了描述晶胞的形状和大小，用晶胞的三条棱长a，b，c以及三个夹角α，β，γ来表示，a，b，c, α，β，γ统称为晶格常数。

布拉菲点阵：布拉菲根据“每个阵点的周围环境相同”的要求，用数学方法证明晶体中的空间点阵只有14种，并称为布拉菲点阵。

晶面间距：同一组平行晶面的距离。

晶面间距越大，则该晶面上的原子排列越密集，反之，越稀疏。

2、晶体晶向指数与晶面指数的标定方法。

点（ ， ， ，）晶面（ ）晶面族{ } 晶向[ ] 晶向族< >负号写在数字上面。

可以自己找六面体标注一下（常考简答和论述）3、晶体结构及类型，常见晶体结构(bcc 、fcc 、hcp)及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。

（重点牢记，简答或论述）配位数：在晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数；致密度（堆积因子）：晶体结构中原子占据的体积与可利用的总体积的比率。

间隙： 八面体间隙：位于6个原子所组成的八面体中间的间隙。

四面体间隙： 位于4个原子所组成的四面体中间的间隙。

密排面：原子密度最大的晶面。

密排方向：原子密度最大的晶向。

4、固溶体、中间相的基本概念和性能特点。

固溶体：在固态条件下，一种组分（溶剂）内溶解了其它组分(溶质)而形成的单一、均匀的晶态固体。

中间相：两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差都有一容限，当溶质原子的加入量超过此容限时便会形成一种新相，由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。

性能特点：(1.)固溶体可在一定成分范围内存在，性能随成分变化而连续变化。

(2.)中间相的晶体结构不同于此相中的任一组元，不同元素之间所形成的中间相往往在晶体结构、结合键等方面都不同。

中间相一般具有较高的熔点和硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高。

5、离子晶体和共价晶体机构，离子晶体结构规则、典型的离子晶体结构。

离子晶体：由正、负离子或正、负离子集团通过离子键按一定比例和方式结合起来形成的晶体。

共价(原子)晶体:由同种非金属元素的原子或者异种元素的原子以共价键形成的晶体。

离子晶体结构规则：（1.）负离子配位多面体规则——鲍林第一规则在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。

（2.）电价规则——鲍林第二规则在一个稳定的离子晶体中，每个负离子的电价等于或接近等于与之邻接的各正离子静电键强度的总和。

（3.）关于负离子多面体共用点、棱与面的规则——鲍林第三规则在一配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。

（4.）不同种类正离子配位多面体间连接规则——鲍林第四规则在含有两种以上正离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。

（5.）节约规则——鲍林第五规则在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。

6、高分子材料的组成和结构的基本特征，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型。

以高分子化合物为基础的材料。

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，通常分子量大于10000，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。

所有的生命体都可以看作是高分子的集合体结构：高分子材料的结晶形态：单晶：具有一定几何外形的薄片状晶体。

一般聚合物的单晶只能从极稀溶液(质量浓度小于0.01wt%)中缓慢结晶而成。

球晶：聚合物最常见的结晶形态，为圆球状晶体，尺寸较大，一般是由结晶性聚合物从浓溶液中析出或由熔体冷却时形成的。

球晶在正交偏光显微镜下可观察到其特有的黑十字消光或带同心圆的黑十字消光图象。

伸直链晶片：由完全伸展的分子链平行规整排列而成的小片状晶体，晶体中分子链平行于晶面方向，晶片厚度基本与伸展的分子链长度相当。

这种晶体主要形成于极高压力下。

纤维状晶：纤维状晶是在流动场作用下使高分子链的构象发生畸变，成为沿流动方向平行排列的伸展状态，在适当条件下结晶而成。

分子链取向与纤维轴平行。

串晶是一种类似于串珠式的多晶体。

高分子链的构象:指有一定构造的分子通过单键旋转，形成的各原子或原子团在空间的排布。

不改变共价键结构。

由于单键的旋转，使连接在碳上的原子或原子团在空间的排布位置随之发生变化，所以构造式相同的化合物可能有许多构象。

它们之间互为构象异构体。

构象改变不会改变分子的光学活性。

晶态结构模型：1、樱状微束模型：结晶聚合物中晶区与非晶区互相穿插，同时存在。

在晶区分子链相互平行排列成规整的结构，而在非晶区分子链的堆砌完全无序。

该模型也称两相结构模型。

2、折叠链模型：聚合物晶体中，高分子链以折叠的形式堆砌起来的。

伸展的分子倾向于相互聚集在一起形成链束，分子链规整排列的有序链束构成聚合物结晶的基本单元。

这些规整的有序链束表面能大自发地折叠成带状结构，进一步堆砌成晶片。

第三部分，点缺陷和扩散1、点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。

（重点）点缺陷：在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷，是最简单的晶体缺陷。

点缺陷类型：空位，间隙原子，杂质或溶质原子，以及由他们组成的复杂的点缺陷如空位对、空位团等肖脱基空位：在个体中晶体中，当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定程度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来位置，迁移到晶体表面而使晶体内部留下空位，称为肖脱基空位。

弗兰克尔空位：离开平衡位置的原子挤入点阵中的间隙位置，而在晶体中同时形成相等数目的空位和间隙原子。

间隙原子：是原子脱离其平衡位置进入原子间隙而形成的。

置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。

置换固溶体：当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。

间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。

离子晶体中点缺陷的特点：不存在单个孤立的空位或间隙原子。

为保持晶体的电中性，空位只能以与晶体相同的正离子：负离子的空位簇的方式产生。

点缺陷的平衡浓度：Cv = Aexp(-Q/ RT) 影响因素：温度T（T越高平衡浓度越大），空位形成v能Q v(空位形成能越小，平衡浓度越大)点缺陷对材料性能的影响：使金属电阻增加；体积膨胀；使离子晶体的导电性改善；过饱和点缺陷，如淬火空位，辐照缺陷等还可以提高金属的屈服强度；提高材料的高温蠕变速率。