【材料科学基础】重点论述题总结(一)

【材料科学基础】重点论述题总结（一）一、原子键合

1.简述金属材料的性质与键合的关系金属键结合力主要是正离子和电子云之间的静电库仑力，对晶体结构没有特殊的要求，只要求排列最紧密，这样势能最低，结合最稳定。金属晶体性质与键合关系：（1）金属内原子面之间相对位移，金属键仍旧保持，故具有良好的延展性；（2）在一定电位差下，自由电子可在金属中定向运动，形成电流，显示出良好的导电性；（3）随温度升高，正离子（或原子）本身振幅增大，阻碍电子通过．使电阻升高，则具有正的电阻温度系数；d）固态金属中，不仅正离子的振动可传递热能，且电子运动也能传递热能，故比非金属具有更好的导热性；（4）金属中的自由电子可吸收可见光的能量，被激发、跃迁到较高能级，因此金属通常不透明；（5）当激发出的电子跳回到原来能级时，将所吸收的能量重新辐射出来，使金属具有金属光泽；（6）金属的结合能比离子晶体和原子晶体要低一些，但过渡金属的结合能则比较大。

2.依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？特点是什么？晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。

3.结合键对材料物理及力学性能的影响对物理性能的影响（1）熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料的最低；（2）密度：金属键的最高，共价键、离子键的较低，高分子材料的最低；（3）导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。对力学性能的影响（1）强度：结合键强，则强度也高，但还受组织的影响；（2）塑韧性：金属键最好，共价键、离子键最低；（3）弹性模量：共价键、离子键最高，金属键次之，二次键最低。二、固体结构

1.置换固溶体溶解度的影响因素（1）晶体结构类型的影响溶质与溶剂晶体结构相同，是形成连续固溶体的必要条件。（2）原子尺寸的影响相互替代的原子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定①

时，有利于形成无限固溶体；

②

15%<△r

<30%时，溶质与溶剂之间形成有限固溶体；③△rr>30%时，溶质与溶剂之间很难或不能形成置换固溶体。（3）电负性的影响溶质与溶剂元素之间的化学亲和力愈强，即合金组元间电负性差愈大，倾向于生成化合物而不利于形成固溶体；

生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度就愈小。电负性相近有利于形成固溶体，电负性相差很大时将形成中间相或化合物。（4）原子价（电子浓度）因素电子浓度一定时，溶质原子电价越高溶解度越低。（5）此外，固溶度还与温度有关，不同温度下溶解度不同。

2.

间隙固溶体溶解度的影响因素（1）溶质质点大小添加的溶质原子越小，越易形成间隙固溶体。（2）溶剂晶体的结构一般晶体中空隙越大，结构越疏松，就越易形成间隙固溶体。如：MgO：四面体间隙；TiO2：一半的八面体间隙；沸石：六元环通路MgO，TiO2，沸石间隙逐渐增大，形成间隙固溶体可能性增大。（3）电价因素填隙型固溶体，可通过生成空位或产生部分置换来维持结构中的电中性。（电价差距越小，溶解度越大）

3.固溶体的性质点阵常数改变对置换固溶体：rB

>rA

时，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大；rB

<rA

时，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小。对间隙固溶体：点阵常数随溶质原子的溶入总是增大的，点阵常数改变的影响比置换固溶体大得多。产生固溶强化（强度，Hv）：溶质原子的溶入使固溶体的强度和硬度升高。而且间隙固溶体强化效果更好。物理和化学性能的变化固溶体的电学，热学，磁学等物理性质也随成分而连续变化。（1）光学性能：白宝石（Al2O3）添加Cr离子或者Ti离子会改变颜色，变为红宝石和蓝宝石。（2）电学性能：非计量化合物成为半导体（3）介电性能：化合物如ZnO掺杂N改变能带，促进气敏传感。（4）热学性能：加工硬化后金属点缺陷浓度大大增加，不利于导热.（5）抗腐蚀性能：不锈钢中，金属Cr元素的加入提高阳极极化电位，抗腐蚀性提高。三、扩散

1.扩散机制有哪些（1）交换机制：相邻原子的直接交换机制，即两个相邻原子互换了位置。包括：环形交换机制、直接交换机制。（2）间隙机制：在间隙扩散机制中，原子从一个晶格中间隙位置迁移到另一个间隙位置。包括推填机制、挤列机制。（3）空位机制：晶体中扩散原子离开自己的点阵位置去填充空位，而原先的点阵位置形成新的空位，如此反复，实现原子的扩散。（柯肯达尔效应、扩散性蠕变就属于空位机制）（4）晶界扩散以及表面扩散：由于晶界、表面及位错等都可视为晶体中的缺陷，缺陷产生的畸变使原子迁移比完整晶体内容易，导致这些缺陷中的扩散速率大于完整晶体内的扩散速率。因此，常把这些缺陷中的扩散称为“短路”扩散。扩散系数有如下结论：D表面>D晶界>D位错

2.晶体结构对扩散的影响？本质：晶体结构～原子空间排列紧密程度。晶体的致密度越高⇒原子扩散路径越窄⇒晶格畸变越大。晶体的致密度越高⇒原子结合能越大⇒扩散激活能越大⇒扩散系数减小。晶体结构对扩散有影响，同素异转变时→扩散系数也随之改变，α-Fe和γ-Fe中自扩散系数：bcc>fcc，BCC位FCC的245倍。晶体致密度：（体心立方致密度<面心立方致密度，扩散系数大，原子易迁移）（1）合金元素在不同结构固溶体中的扩散也有差别：C原子在α-Fe和γ-Fe中的扩散系数：bcc>fcc，BCC位FCC的30倍。（2）结构不同的固溶体对扩散元素的溶解限度是不同的，由此所造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速率。例如，钢渗碳通常选取高温下奥氏体状态时进行，除了由于温度作用外，还因碳在γ-Fe中的溶解度远远大于在α-Fe中的溶解度，使碳在奥氏体中形成较大的浓度梯度而有利于加速碳原子的扩散以增加渗碳层的深度。（3）晶体的各向异性一般来说，晶体的对称性越低，则扩散各向异性越显著。扩散方向上的致密度越小，原子沿这个方向的扩散也越快。在高对称性的立方晶体中，未发现D有各向异性；具有低对称性的菱方结构的铋，沿不同晶向的D值差别很大，最高可达近1000倍。

3.什么是柯肯达尔效应？其意义是什么？形成置换固溶体的两种金属扩散偶中，两种金属以不同的速率相对扩散而造成原始界面漂移的现象成为柯肯达尔效应。柯肯达尔效应的实际意义有：（1）揭示了扩散宏观规律与微观扩散机制的内在联系，具有普遍性；（2）直接否认了置换式固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制；（3）扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢；（4）克根达耳现象往往会产生副效应，如收缩不完全会造成克根达耳孔等，这些副效应在实际当中往往产生不利的影响，因而应设法加以控制。

4.解释上坡扩散、扩散机制、总结扩散在材料科学中的应用上坡扩散是扩散过程中扩散元素从低浓度向高浓度处扩散；如各种溶质原子气团的形成和共析反应产物的形成均为上坡扩散。扩散机制主要为：间隙固溶体中溶质原子在间隙