材料科学基础复试要点透视

1、材料科学：研究材料的成分、组织结构、合成加工、性质与使用性能之间关系的科学。材料工程：是工程中的一个领域，包括材料设计、选用、制造、加工、工艺、质量控制与检测、工程应用及失效分析全过程。材料科学与工程：是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与用途之间有关知识和应用的科学。二者关系：材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。1、主量子数 n取值：1、2、3、4、是决定电子能量的主要参数，表征电子所处的壳层及电子运动轨道的大小主量子数1 2 34名称KLMN2、轨道角量子数 取值：是决定电子能量的另一个参数,

2、表征轨道的形状和轨道角动量的大小。l0 1 2    轨道名称 s p d   3、轨道磁量子数 取值：ml=0、±1、 ±2、 ±l表征轨道角动量在特殊方向（如磁场方向）上的可能分量或轨道在空间的可能取向。如 时 ， 3个可能的取向4、自旋方向量子数 取值：代表电子自旋的取向和自旋角动量在特殊方向的分量n主层l亚层m原子轨道1K01s01s2L012s2p00,±12s2pz、2px、2py3M0123s3p3d00,±10,±1, ±23s3pz、3px、3py

3、3dZ2、 3dxz、 3dyz、 3dxy、 3dx2-y24N01234s4p4d4f00,±10,±1, ±20,±1, ±2, ±34s4pz、4px、4py4dZ2、 4dxz、 4dyz、 4dxy、 4dx2-y2三. 多电子原子结构核外电子的排布（electron configuration)规律 能量最低原理:电子在原子轨道中的排布，要尽可能使整个原子系统能量最低。 Pauli不相容原理:每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。 Hund 规则:在 n 和 l 相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占 m 值不同的

4、轨道, 且自旋平行。半满全满规则：全满：p6，d10，f14；半满：p3，d5，f7；全空：p0，d0，f0。结合键：原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。一、离子键（Ionic Bonding）多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的静电吸引作用。二、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形成。三、金属键（Metallic Bonding）金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。u 实质：

5、金属最外层电子数很少（通常s、p 价电子数少于4），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）。四. 范德华键（Van der Waals Bonding)范德华键：材料中分子间存在的一种弱的作用力。五、氢键(Hydrogen Bonding) 类 型 作用力来源键合强弱 形成晶体的特点 离子键 原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力 强 无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电 共价键 相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子

6、核间的库仑引力 强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电 金属键 自由电子气与正离子实之间的库仑引力 较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性 分子键 原子间瞬时电偶极矩的感应作用 较弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键 氢原子核与极性分子间的库仑引力 弱有方向性和饱和性 晶体：内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体空间点阵（lattice）： 一系列规则排列于空间无数几何点构成的三维阵列称为空间点阵，简称点阵。晶格：用一系列相互平行的直线连接起来构成的空间格架，或空间格子(space lattice)。阵点（

7、结点）：构成空间点阵的每一个点。代表原子、分子、离子的中心。晶胞（cell）：从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的基本单元作为点阵的组成单元，这种最小的几何单元称晶胞。构成晶格的最基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌就构成空间点阵。2. 对称要素和对称操作 对称操作：使物体相等部分重复出现的操作，如反映、旋转、反伸及其联合动作等。 对称要素：进行对称操作时借助的几何要素（点、线、面）。 晶体的宏观对称要素：对称面、对称轴、对称中心、 旋转反伸轴（倒转轴）、旋转反映轴（映转轴）1）. 对称中心C 概念：晶体中心的一个假想定点，过此点任意直线的等距离两端，可找到晶体的相同部分，用C 表示。（2）. 对

8、称面P 概念：一个通过晶体中心的假想平面，能将晶体平分 为互为镜象的两个相等部分，以符号P 表示。（3）. 对称轴Ln 概念：通过晶体中心的一假想直线，晶体绕此直线旋转 一定角度，可使相等部分重复出现，记为Ln 。（4）. 旋转反伸轴Lin（倒转轴） 概念：过晶体中心一假想直线，晶体绕此直线旋转一定 角度，再对对称中心反伸，可使相等部分重复出现，以 Lin表示。（5）. 旋转反映轴Lsn（映转轴） 概念：过晶体中心的一假想直线，晶体绕此直线旋转 一定角度，再对过中心且垂直此直线的平面反 映，可使晶体相等部分重复，以Lsn 表示。 在晶体内部构造中，由物质质点所组成的平面成称为晶面；穿过物质质点

9、所组成的直线方向称为晶向。 1. 晶面指数 晶面指数确定： u 建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采用平移法）；u 晶面在三坐标上的截距 p、q、r； u 计算其倒数 1/p、1/q、1/r ； u 化成最小、整数比h：k：l ；放在圆方括号(hkl) 。晶面指数说明：u 若晶面平行于某一坐标轴，则晶面在该坐标轴上的截距为，晶面指数为0。u 若晶面与坐标轴相交在负端，则晶面指数为负值，负号放在数字顶上。u 某一晶面指数（hkl）代表了一组相互平行且无限大的晶面。u 凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同，只是空间取向不同的晶面，可归为同一晶面族（cryst

10、al plane group），用hkl表示。2. 晶向指数晶向指数的确定：u 建立坐标系，晶胞结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位 ；u 过坐标原点作所研究晶向的平行线； u 在该平行线上任取一点，求出该点的坐标（x、y、z）；u 化成最小、整数比u：v：w，放在方括号uvw中，即为晶向指数 。晶向指数说明：u 晶向指数有正、负、零，零表示该晶向与坐标轴垂直。若晶向所指的方向相反，则晶向数字相同，符号相反。u 代表一组在空间相互平行且方向一致的所有晶向。u 有些晶向在空间位向不同，但晶向上原子排列相同，这些晶向可归为一个晶向族(crystal direction group) ，用表示。：

11、表示晶体中原子排列方式相同，但空间位向不同的一组晶向，称为晶向族。3. 六方晶系晶面与晶向指数 六方晶系和立方晶系一样，可采用三指数法uvw、（hkl），但常常不能反映相同晶面（晶向）的类同关系。一般在标定六方结构的晶面、晶向指数时选择四个坐标轴：a1、a2、a3、c，其中a1、a2、a3处于同一底面，且它们之间夹角为120°，c轴垂直于底面。晶面指数（hkil）其中i= -（h+k） 晶向指数 uvtw 其中t= -（u+v）晶体类型结构质点质点间作用力晶体特性实例原子晶体原子共价键硬度大，熔点高，导电差金刚石,SiC离子晶体离子离子键硬而脆、熔点高、溶导电NaCl,BaO分子晶体

12、分子分子间力氢键硬度小、熔沸点低NH3，干冰金属晶体原子金属键热电良导体，有金属光泽。Au,Ag晶格类型体心立方晶格 bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构   晶胞常数abc90°abc90 °ab c/a1.63390 120 °晶胞内原子数    原子半径   致密度0.680.740.74配位数81212典型金属-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co1

13、. 置换固溶体 溶质原子取代了溶剂中原子或离子而形成的固溶体就称为置换固溶体。二. 形成置换固溶体的影响因素（1）质点尺寸因素 决定性因素。（2）晶体结构类型（3）电价因素（4）电负性因素（5）温度（6）离子的外层电子构型和键性三. 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（填隙型）。u 溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。u 影响因素：原子半径和溶剂结构。中间相通常可用化合物的化学分子式表示。大多数中间相中原子间的结合方式属于金属键与其他典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合的一种结合方式。因此，它们都具有金属性，也称金属间化合物。 1. 正常价化合物（Val

14、ence Compound) 2. 电子化合物（Electron Compound) 3. 原子尺寸因素有关的化合物(Size-Factor Compound) 硅酸盐结构的特点 结构中 Si4+间没有直接的键,它们是通过O2-连接起来的; 结构是以硅氧四面体为结构基础; 每一个O2-只能连接2个硅氧四面体; 硅氧四面体只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。具有五次旋转对称但并无无平移周期性的合金相。这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体 。可分成下列几种类型： u 一维准晶：这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。 u 二维准晶：它们是由

15、准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。 可分成下列几种类型： u 一维准晶：这类准晶相常发生于二十面体相或十面体相与结晶相之间发生相互转变的中间状态，故属亚稳状态。 u 二维准晶：它们是由准周期有序的原子层周期地堆垛而构成的，是将准晶态和晶态的结构特征结合在一起。 高分子材料是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合）用化学键连接在一起的材料。晶体点阵结构中周期性势场的畸变（实际晶体与理想晶体的偏离）称为晶体的结构缺陷。u 点缺陷（Point Defect）: 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原子尺寸大小的晶体缺陷。 u 线缺陷（Line Defect）

16、： 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错(Dislocation)。 u 面缺陷（Interfacial Defect）： 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。 点缺陷的运动和作用晶体中，质点的能量总是处于不断起伏变化当中能量起伏。 点缺陷在能量起伏的支配下，总是不断产生、运动和消亡。u 提高材料的电阻：定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡

17、力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。 u 加快原子的扩散迁移：空位可作为原子运动周转站。 u 形成其他晶体缺陷：过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。 u 改变材料的力学性能：空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降。 位错是晶体中存在的非常重要的晶体缺陷。位错：刃型位错、螺型位错、混合位错。位错在滑移面上受到垂至于位错线的作用力，当此力足够大，足以克服运动阻力时，位错便可以沿着作用力方向移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。 刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的

18、这种运动称为攀移。 刃、螺型位错滑移的比较：u 因为位错线和柏氏矢量平行，所以螺型位错可以有多个滑移面，螺型位错无论在那个方向移动都是滑移，称为交滑移。u 晶体两部分的相对移动量决定于柏氏矢量的大小和方向，与位错线的移动方向无关。 位错的增殖弗兰克（Frank,F.C.）-瑞德（Read,W.T.）增殖机制双交滑移增殖机制不同滑移面上运动的位错相遇时就可能发生互相切割现象，称为位错的交割，分别形成割阶（不同滑移面）和扭折（同一滑移面）。（1） b 等于单位点阵矢量的称为“单位位错”。（2） b等于单位点阵矢量的整数倍的为“全位错”。（3） b 不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位错”或称“

19、部分位错” 。不全位错：层错的边界就是不全位错。肖克莱（Shockley）不全位错弗兰克（Frank）不全位错位错除相互作用外，还可能发生分解或合成，即位错反应。位错反应有两个条件。 1）几何条件：反应前各位错柏氏矢量之和应等于反应后各 之和。 即： b前=b后 2）能量条件：反应过程是能量降低的过程。 Eb2 b2前b2后两个不完全位错夹住一片层错的组态称为扩展位错。-扩散(diffusion)：原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。 扩散的分类（1）根据有无浓度变化 自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。 (如纯金属或固溶体的晶粒长大

20、-无浓度变化) 互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩 散。（有浓度变化）（2）根据扩散方向 下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。 上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。（3）根据是否出现新相 原子扩散：扩散过程中不出现新相。 反应扩散：由之导致形成一种新相的扩散。（4）按原子的扩散方向分： 体扩散：在晶粒内部进行的扩散； 表面扩散：在表面进行的扩散称为； 晶界扩散：沿晶界进行的扩散称为。 表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称前两种情况为短路扩散。还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。菲克第一定律：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。 J：扩散通量，

21、表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质流量,单位为kg/m2·s； D：扩散系数，单位为m2/s， C：扩散物质的质量浓度，单位为kg/m2。 负号表明物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反，即表示物质从高的质量浓度区向低的质量浓度区方向迁移。 菲克第一定律可直接描述了稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化 。 该方程为菲克第二定律定律。如果假定D与浓度无关，则上式可简化为 菲克第二定律表达了扩散元素浓度与时间及位置的一般关系。扩散机制 1.间隙机制（直接间隙机制）在间隙固溶体中溶质原子的扩散是从一个间隙位置跳到近邻的另一间隙位置，发生间隙扩散。2.填隙机制（间接间隙机制）

22、在填隙机制中，有两个原子同时易位运动，其中一个是间隙原子，另一个是处于点阵上的原子。间隙原子将点阵上的原子挤到间隙位置上去，自己进入点阵位置。3.空位机制在置换固溶体中，一个处于点阵上的原子通过与空位交换而迁移。这相当于空位向相反的方向移动，也称为空位扩散。4.其他机制 直接换位机制 环形换位机制影响扩散系数的因素1. 温度 温度越高，扩散系数越大，扩散速率越快。2. 固溶体类型间隙固溶体中间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多，扩散速度也快得多。 3.晶体结构在温度及成分一定的条件下在致密度较小的晶体结构中扩散激活能较小，扩散易于进行，反之亦然。 晶体的各向异性也影响

23、扩散系数。晶体的对称性越低，则扩散各向异性越显著。4.第三组元的影响二元合金中加入第三组元时对扩散系数的影响比较复杂，有的促进扩散，有的阻碍扩散。5.晶体缺陷的影响相图是表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的简明图解。表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为平衡相图。组元通常是指系统中最简单、最基本、可以独立存在的物质。系统中，成分、结构相同，性能一致，有界面分开的均匀的组成部分叫做相。组织：不同形貌及含量的相或组元的微观图像。自由度是指平衡系统中独立可变的因素。自由度数是指平衡系统中自由度的最大数量。处于热力学平衡状态的系统中自由度与组元数和相数之间的关系定律，通常简称为相律。吉布斯(

24、Gibbs,W.)相律:F=C-P+n凝固(solidification)：从液相转变为固相的过程 。结晶(crystallization)：凝固后得到固态晶体的转变 过冷：纯金属在结晶冷却过程中结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm的现象。具有半径为rc尺寸的晶核临界晶核形核需要：a. 过冷条件 b. 结构起伏 c. 能量起伏 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数。(单位：个/cm3sec)相界面的推移速度受（固相传热速度）控制。晶体生长方式以（平面状）向前推进。晶体生长以（树枝状）方式生长。在工业生产中，合金熔液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平

25、衡条件，称为非平衡结晶平衡结晶指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝晶间的成分不同，称枝晶偏析（晶内偏析）。纯金属在凝固时，其理论凝固温度(Tm)不变，当液态金属中的实际温度低于Tm时就引起过冷，这种过冷称为热过冷。界面前沿液体中的实际温度低于由溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷称为成分过冷。影响晶体生长方式的主要因素：温度梯度G，凝固速度R，溶质浓度C0。构成共晶体两相的性质及相的体积分数会影响晶体形貌由非共晶成分在非平衡冷却条件下所得到的全部共晶组织称为伪共晶。铸锭三晶

26、区：表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区定向凝固是使铸件全部沿同一方向生长。由此产生有相同取向的柱状、片层状及棒状所构成的单相或双相组织，它的纵向性能明显高于横向性能。聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡（分子结构对称）（如聚乙烯）、（规整性好）（如有规立构聚丙烯）、（分子链相互作用强）（如能产生氢键或带强极性基团，如聚酰胺等）的聚合物易结晶。 分子链的结构还会影响结晶速度，一般（分子链结构越简单）、（对称性越高）、（取代基空间位阻越小）、（立体规整性越好），结晶速度越快。界面：两个物质之间的接触面。同相界面：相同晶体结构及相同化学成分的晶粒之间的界面。异相界面：具有不同晶体结构、化学成分也

27、可能不相同的区域之间的紧密界面。吸附：气相中的分子或原子沾集到固体（或液体）的表面上。偏析：固体（或液体）中的溶质原子富集在表面层内。项目物理吸附化学吸附作用力范德华力静电库仑力吸附热几 KJ/mol几十 KJ/mol吸附、脱附速率非热激活、快热激活，慢吸附层厚度多层单层选择性无有吸附层光谱峰位移产生新吸收峰晶界小角晶界对称侧倾晶界不对称侧倾晶界扭转晶界大角晶界 任意大角晶界 特殊大角晶界 早期的晶界模型：皂泡模型 过冷液体模型 小岛模型晶界原子排列的理论模型 重位点阵模型 O点阵模型 DSC点阵模型 结构单元模 多面体单元模型晶界迁移速度取决于晶界两侧的化学位差和晶界原子的迁移率。 凸侧的化

28、学位高，晶界移动总是向着曲率中心移动。晶界的迁移速度随形变能的大小呈性线变化。影响晶界迁移的主要因素 溶质原子 晶界第二相颗粒 温度 晶粒位向 复杂半共格相界面相界面非共格相界面半共格相界面共格相界面材料的组织、结构在温度、压力和成分改变时所发生的转变统称为固态相变。分为一级相变、二级相变或高级相变固态相变的特点u 相界面：新相与母相的界面u 界面能：固/固界面能u 应变能：共格应变能和体积应变能u 取向关系：新相与母相的晶体学取向关系u 惯习面：新相的主平面或主轴平行的母相的晶面u 晶体缺陷：新相中伴随出现晶体缺陷相界面主导相变阻力晶核形貌表面积体积共格弹性畸变能片状针状大小非共格界面能球状小大非均匀形核 晶界形核 位错形核 空位形核非协同型长大型长大（平民式） 同型长大（平民式） （平民式） 协同型长大（军队式） 原子同时独立迁移 台阶机制 切变机制 纯金属在一定的温度和压力下，由一种结构转变为另一种结构的现象称为同素异构转变（同素异晶转变）。若在固溶体中发生这种结构的转变，则称为多型性转变。脱溶沉淀：由过饱和固溶体析出新相的过程。时效