材料化学考试

1、第一章1、材料的根本概念材料是人类赖以生存的根底，材料的进展和进步伴随着人类文明进展和进步的全过程。材料是国民经济建设， 国防建设和人民生活不行缺少的重要组成局部，是社会现代化的物质根底与先导。材料，尤其是材料的争辩、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。材料特别是材料与社会现代化及现代文明的关系格外亲热，材料对提高人民生活，增加国家安全，提高工 业生产率与经济增长供给了物质根底，因此材料的进展格外重要。材料是一切科学技术的物质根底，而各种材料的起点主要来源于材料的化学制备和化学改性。2、什么是材料科学工程具有物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、计算数学等多学科穿插与结合的特点，并且

2、具有鲜亮的工程性。3、什么是材料化学材料化学在争辩开发材料中的作用，就是用化学理论和方法来争辩功能分子以及由功能分子构筑的材料的结 构与功能关系，使人们能够设计型材料，供给的各种化学合成反响和方法使人们可以获得具有所设计构造的 材料。承受技术和工艺方法，合成物质和材料，通过化学反响实现各组分在原子或分子水平上的相互转换过程。涉及材料的制备、组成、构造、性质及其应用的一门科学。材料化学既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容。同时又是化学学科的一个组成局部，具有 4、材料的分类依据材料的使用性能：可分为构造材料与功能材料两类构造材料的使用性能主要是力学性能；功能材料的使用性能主要是光、

3、电、磁、热、声等功能性能。 互组合而成的复合材料。其次章1、原子结合-键合两种主要类型的原子键：一次键和二次键。一次键的三个主要类型：离子键、共价键和金属键。一次键都涉及电子的转移，或者是电子的共用。 一次键通常比二次键强一个数量级以上。金属键：自由电子和正离子组成的晶体格子之间的相互作用就是金属键。没有方向性和饱和性的。离子键：包含正电性和负电性两种元素的化合物最通常的键类型为离子键。阴阳离子的电子云通常都是球形 共价键：由两个原子共有最外层电子的键合，使每个原子都到达稳定的饱和电子层。共价键具有方向性和饱 和性。二次键：范德华键二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用。以弱静电吸引的方

4、式使分子或原子团连接在一起的，比前3 种键合力要弱得多。包含色散效应、分子极化、氢键 。色散效应：对称的分子和惰性气体原子，由于电子运动的结果，有时分子或原子的内部会发生电子的偏离而 引起瞬时的极化，形成诱导瞬间电偶极子，就会产生很弱的吸引力，这样的吸引力在其它力不存在时能使分子 间产生结合。分子极化：原子、离子及分子的电荷并不是固定在肯定部位上，它们在相互靠近时，电荷会发生偏移，形成永久弱电偶极子。氢键：由于分于极化形成的键。配价键：一种特别的共价键，两个原子的共用电子对是由其中的一个原子单独供给的。混合键：化合物中元素间电负性差大时有利于离子键，而电负性差值小时有利于共价键，混合键合可是单

5、个键 的中间特性，也可是具有一次和二次两种键型材料中的“混合”键。确定原子成键类型的重要因素：电负性 原子间电负性的差值泡利不相容原理：在每一轨道上只允许存在两个电子，且它们的自旋方向相反。2、什么叫配位数表征原子在固体中的排列, 指标。3、晶体微粒(原子、分子、离子等)在空间按肯定的规律呈周期性重复排列组成的固体。稳定晶体特征：电荷到达平衡；依据原子尺寸每个原子内键的数目和键的方向最严密地积存；静电排斥 力为最小。4、原子排列等级材料中原子的特别排列只延长至原子的最邻 近的区域。长程有序：材料在比键长大得多的距离呈现有序。特别原子排列普及整个材料内部无序：原子随机布满在封闭的空间中。氩气等气

6、体中原子是无序的。5、原子间距原子的平衡距离，它是斥力和引力之间平衡的结果。固体金属中为原子半径；离子化合物中是两种不同离子 半径的和6、晶胞：能保持整个点阵全部特征的点阵单元 。显示了系统全部特征的最小体积。7、点阵：原子形成有规章的、重复性的3 维格子状模型。点阵内每一个阵点的四周是一样的，每个阵点都与一个或多个原子联系在一起。8、点阵或晶胞的特征参数点阵参数：描述晶胞尺寸和外形的参数，它包括晶胞的各边的长度和各边之间的夹角。晶胞的原子数6812。积存因子：假设原子是刚性球，积存因子就是原子占据空间的分数。/晶胞APF 体密度 4 r 3积存因子 APF密度：晶胞体积33密度 /晶胞每个原

7、子的原子量晶胞体积阿佛加德罗常数线密度是沿一个方向单位长度上一样阵点的数目。面密度是在所关心的面的单位面积上的原子数。体密度是单位体积中的原子数。其中简洁立方a=2r，体心立方a=4r/3，面心立方a=4r/2，密排立方a=2r。 9、密排六方：晶胞内的总原子数=121/6+21/2+31=6 个。10、铸件的整体通常是由具有一样构造但取向不同的晶体组成，难形成一个晶体。陶瓷材料同样是多晶固体。材料是否为晶态或非晶态(无定形态)，这取决于它经受的热过程。少数材料是单晶。单晶材料没有晶界，性能独特。11、多晶转变：材料的一种晶体构造变成另一种晶体构造。多晶转变类型位移型转变：键角发生变化的构造畸

8、变，但不包含键的破坏，是一种可逆转变，转变速率较快。12、1金刚石型立方构造DC 晶胞如硅、锗、锡和碳。每个原子的配位数是4；其点阵是特别的面心立8 2离子半径比和配位数的关系：离子半径比离子半径比配位数0-0.15520.155-0.25530.255-0.41440.414-0.73260.732-1.081.01213、密勒指数确定方向密勒指数的步骤如下：使用右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标h1、k1、l1 和 h2、k2、l2。从“末”点坐标减去“始”点坐标。去掉分数。用方括弧 h k l 将数字括起来。假设有负号则在数字上面加一横线。晶面密勒指数标志的步骤如下：依据点阵参数的数目

9、定出晶面与 x，y，z 坐标轴相交各点。假设面平行一个轴，截距为无限大。假设晶面通过原点，则必需移动坐标系的原点。取这些相交点的倒数。消退分数，但不化为最小整数。(d ) 将最终数放入圆括号(h k l)内，负数的表示方法还是在数字上面加一横线。14、面间距布拉格定律：2dsin= n 其中d 为面间距。面间距d：即具有一样密勒指数的两个相邻平行晶面之间的距离d h k l，晶体的面间距可由晶体几何定出。h k l面间距为：ad 0(hkl)h2 k2l2 1/2a0 是点阵参数，h，k，l 代表相邻晶面的密勒指数。15、同素异构体或多晶型材料：凡具有不止一种晶体构造的材料。很多材料在特定温度

10、下其晶体构造会发生从 一种晶胞到另一种晶胞的转变。元素消灭这种行为称同素异构，而化合物消灭这种行为称多形性。16、材料性能与被测性能的晶体方向有关，则此材料属各向异性； 材料性能在各个方向上是一样的，则晶体是各向同性的。17、非晶态或无定形构造：只有短程有序无长程有序周期性的构造。由液态到固态没有突变现象。非晶态材料：玻璃：熔融物质在快速冷却时原子还没有来得及自行排列成周期性构造而形成的。玻璃共性：原子短程有序、长程无序；构造是各向同性的，所以性能在各个方向是均匀的；一般能透过可见光，但可调整配方使玻璃能吸取或透过各种波长的光；一般具有良好的电绝缘性和隔热性；在熔融之前可软化，所以可制成各种简

11、单的外形；玻璃的组成在肯定范围内连续可调，可依据需要制成不同性能的系列材料。凝胶：通过化学反响而不是熔融的方法生成的非晶态固体。气相沉积涂层：由蒸气在冷的基板上快速冷凝而形成。18、集中：原子或分子移动的机制称为集中，涉及一种原子移动到另一种原子中去的物质输运过程。集中存在于固体、液体和气体中，但气体中更主要是对流。集中机制：1自集中异类集中钢的渗碳：在CO/CO2 气氛中加热至高温，碳原子沉积在铁外表，并迁入渗碳体内，碳与铁结合形成铁碳化合物，近外表形成富碳层，具有很优异的抗磨性。2空位集中 间隙集中 置换、互换和环状集中集中。19、集中速率菲克第肯定律通量：在单位时间内通过单位面积的原子数

12、目。J Dcx式中 J 为通量原子数/m2.s；D 为集中力量，即集中系数m2/s，而c/x 则为浓度梯度/3。式中负号说明物质流是“逆”浓度梯度的，即由高浓度区域流向低浓度区域。仅限应用于浓度梯度不随时间而变的问题。集中系数的表达式为：DDEexpa 0 RT式中Ea 是集中激活能J/mol，T 是确定温度K。20、成分分布菲克其次定律菲克其次定律：描述原子的动态或非稳态集中，即集中原子的浓度是随时间而变化的。假设集中系数与位置无关，也就是等效地说集中系数与成分无关，则菲克其次定律的微分方程的形式为：dc D d 2 cdtd 2 x此微分方程在连续补充集中原子的条件下，有一个解是：xscc

13、xsccerfx2Dts0 cs 2Dtcx 则是经过时间t 之后，外表下x 处集中原子的浓度。如供给的集中原子耗尽，即不能连续补充，那么菲克其次定律的具体解的形式为：x 22DtC x exp 2DtD t 定热处理时温度对所需时间的影响。有效渗入距离为集中物质含量具有原始含量与外表含量平均值的地方。DtxDt有效渗入距离的表达式 ： erfDtxDterf对于板的1，对于圆柱的2。21、柯肯德尔效应：由于集中速率不同而引起的集中对界面的移动。22、集中类型：1体积集中2晶界集中3外表集中23、晶粒尺寸与障碍物数目、尺寸之间的关系如下：R=4r / f式中R 是晶粒的半径，r 是障碍物的半径

14、，f 是障碍物的体积分数。24、烧结：一种高温下使材料微粒连接在一起并且渐渐减小它们之间孔隙体积的过程。粉末材料压制成形粉末微粒彼此接触但有着大量的孔隙原子向边界集中使孔隙缩小 空位通过晶界从界面集中出去消退孔隙，材料变得致密。250.001 0.3mm 的金属粉末生产方法：1雾化法2粉末法3化学复原法26、非晶态材料：一般指非晶态半导体和非晶态金属为主的一些一般低分子非晶态材料，广义上非晶态材料还 应包括传统的氧化物玻璃、非氧化物玻璃和非晶态聚合物等。一非晶态材料特征：长程无序：位置几何无序：具体指原子在空间位置上排列的无序，又称拓扑无序。成分化学无序：具体指多元系中不同组元的分布为无规章随

15、机分布。短程无序：大量的这种具有某种程度变形的短程有序的构造单元的无序积存，组成了非晶态材料整体。非晶态材料构造的主要特征是长程无序而短程有序。短程有序的范围通常为1.52.0nm。晶态处于最低能态，而非晶态处于较高能态，非晶态固体有向晶态转化的趋势。二非晶态材料稳定性问题一般非晶态材料由于其形成过程中能量未充分释放，其热力学能不是最小。非晶态材料要向能量较低的亚稳态仍属非晶态或稳态即晶态转变，其中前者转变过程称为构造弛豫，而向能量最小的稳态即晶态转变过程称为结晶或结化。非晶态材料的构造驰豫发生在整个材料制备、退火及使用过程中。常温常压下，或加热到肯定的温度下保温退 火，随着构造驰豫过程的进展

16、，从一种亚稳态到达另一种亚稳态。驰豫过程中，非晶态材料并不发生结晶，即 不发生亚稳态向稳定态的相变，只是在微观上发生了构造的松弛，能量得到肯定程度降低。构造驰豫过程一般 发生在温度不太高的状况下，当温度较高时，原子集中力量增加，可以抑制势垒而重排列，材料就可从非晶 态转变为晶态。晶化温度非晶态材料稳定性的一个指标：非晶态材料加热至开头消灭晶化的温度。提高晶化温度，可增加 稳定性。第三章1、相关根本概念 这种图就叫相图或状态图。通常以组分、温度和压力为变量来绘制的，具直观性。相：体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一局部。相的数量用符号 表示。相数是体系中物理、化学性质不同，并能机械地可分别局部

17、的数目。气体只有一个气相。固体一般有多少种固体便有多少个相(固溶体为一相)，同种固体假设是晶型不同，就有不同 相。液体可以是一相，两相或多相，由互溶程度定。一个体系内包含着不同的元素及化合物，这些元素和化合物称为物种。平衡体系中足以用来确定全部各相组成所需要的、最少数目的物种称为独立组分，它是在体系的不同物相中能 够独立变易的成分数，简称组分。其数目称为独立组分数，用符号K表示。体系中的独立组分数不同于物种数 S。假设体系中各物质互不作用，而各相的组成又不同，则组分数就等于各相物质的数目(K=S)；假设体系中 n 个物种间发生了作用，并建立了化学平衡，则只有(n-1)个物种是独立的。例如：NH

18、4Cl(固NH (气+ HCl (气3两相体系内假设各物种间没有化学反响，则K=S=3；假设体系温度较高，3会发生反响，则K=，由于取任何两种物质作为独立组分，第三种物质都可以借化学反映平衡关系式产生出来。 NH3 和 HCl 1：1，则在气相内两种气体可看 作是NH4Cl1。(R)和浓度限制条件数(R)。组分数K 的数学定义式如下：K=S-R-R体系的自由度:指平衡体系中的独立可变因素(如温度，压力，浓度等)f 表示。这些因素的数目在肯定范围内任意的转变而不会引起相的生成，因此又称之为独立变量。自由度应是体系变量总数和非独立变量数目之差。 f=(K-1)+2-K( -1)=K-+2(吉布斯相

19、律的数学表达式): f*=K- +1，f*称为条件自由度。相律只适用于平衡状态。2、1固溶体主要有三种形式：置换式、间隙式和缺位式。2两种组分互溶状况：两种组分可以任何比例互溶，生成连续固溶体。两种组分有限度的互溶，只能生成有限固溶体。有限固溶体在构造上和相应的纯组分的晶格一样，只是晶格 参数略有不同；在组成上，直接和纯组分毗邻。有时称为初级固溶体。三种连续固溶体根本相图无论有没有最高低点，固相总比液相含有较多的参加后使熔点上升的组分。有限固溶体的状态图任一纯组分参加其他组分都使液相线降低为低共熔型状态图。aeb 是三相线，在此线上发生相转变：L(e) ab，冷却时，是从熔液中同时析出和两固相

20、，称之为共晶反响。参加一个组分使液相线降低而参加另一组分使之上升的转熔型有限固溶体状态图。当温度上升到某一值时，一种固体将变为一种液相和另一种固相，相总是包围着原固溶体的，故这种转 变叫做包晶反映或转熔反响：L3、二元相图绘制方法：热分析法、溶解度法、淬冷法、高温 X 射线仪、高速离心机、高温显微镜等直接观看和测定高温条件系相变。热分析法的根本原理：当体系缓慢而均匀地冷却(或加热)时，假设体系内没有相变发生，则温度将随时间均匀 地转变。当体系内有相变发生时，在温度-时间图上就会消灭转折点或水平段。利用这些曲线，可作温度-组成 图(相图)。4、二元低共熔体相图 三相共存点，叫做共晶点。Ecd。析

21、晶过程e的物系 从熔融态渐渐冷却。当温度高于 T1 时，以液态单相存在。温度下降到T1(p点)，组分A开头析出，同时放出凝固热，冷却速度变慢。随着A的不断析出，熔液含B的相对量增加，凝固温度沿pE线连续下降。在任何温度，固、液两相的数量比可由杠杠规章确定。 E，始终不变(直到液相消逝)，A B E 点组成的比例析出。E 点，发生共晶反响，温度不变，液相组成也不变，但数量渐渐削减。5、与原始熔体组成(H点)一样。液相完全消逝后，温度才又下降。当物系点落在 g 点时，共存的两共轭相的重量比听从杠杆规章。M点表示全为固相，N g 点固、液两相数量之比为: gNNM液相量WAMgNMLg各为相应的相对

22、含量，则杠杆支点就在同一温度下的物系点处。即两相的含量比应为联结线两端离支点距离的反比例。5、生成化合物的二元系相图形成稳定化合物体系的相图假设A 和B 生成的化合物在熔点温度以下都能稳定存在，则称之为温度化合物。图(a)A 与化合物AmBn B 的相图，E2 是AmBn B 的低共熔点。体系组成在E1 以左或E2 的右边，则开头结晶时，析出A B，然后在E1 E2 再析出化合物。物系组成在E1 ，E2 之间，液相冷却时，先析出化合物，然后在E1 E2 再析出A B。稳定化合物的熔点C 是一最高点，当化合物局部析出时，其溶化温度将降低。形成不稳定化合物体系的相图假设A 和B 所形成的固态化合物

23、C，在其熔点以下就分解出液相和固体A B 或另一化合物C，这类化合物叫做不稳定化合物。1：冷至温度T1，首先析出B，熔液组成将沿TBF 线下降。至T转时，化合物按以下反响析出： 熔体L+ B固化合物 C固。此时，三相共存(B，C 及组成在 F 的熔液)，温度不变，待已结晶出的 B 转熔并局部熔液反响B FGjE 两相区，温度又开头下降，化合物连续析出，液相组成沿FE线转变。到达E点后，A、C同时结晶出来。Ij线 E A的两相平衡区。点 2：熔化物的组成就是混合物组成。冷却过程中，首先析出B，液相组成沿TBF 线下移，到达F。在该温度，体系呈三相平衡，待转熔反响L+B=C 完毕后，物系落在GC

24、线上，体系为单相的固态化合物。3：物系的原始组成较化合物有更多的BT B 在转熔温度，体系就完全凝固呈化合物和B。假设体系在F 点以左，冷却过程不与FH 线相交，因此不发生转熔反响，而与低共熔体系一样。6、固态转变体系1+共析 +包析 1 2+单析7、相变类型依据人力学的观点分为一阶相变和二阶相变或称一级、二级从相变过程是否必需依靠原子在点阵中的集中运动和原子位移大小分为：重建型相变、位移型相变重建型相变特点：相变中涉及大量化学键的破坏，经受了很高的势垒，相变的潜热大，相变速率小；相与母相没有明确 的位向关系，且原子近邻的拓扑关系发生显著的变化。位移型相变特点是：无化学键的破坏，势垒小，相变的潜热小或完全消逝，可能是二级相变或弱一级相变；相与母相间 有明确的位向关系，且原子近邻的拓扑关系仍保持不变，相变对应的原子位移很小。8、一阶相变动力阻力G-G总 ，其中为形成单位面积的界面能，表示单位体能的应变能。2 G*核心的临界尺寸为：G-V形成临界晶核时的形成功为：总G2V体积的吉布斯自由能是相变的驱动力；和是相变的阻力。9、马氏体相变：无集中相变实质上就是马氏体相变。原子不发生随机走动的相变，这表示原 不是靠热运动，子即不是靠热能的激活跨越界面转入相的。根本特征：无集中的相变；一种发生均匀点阵