1、材料科学与工程基础期末复习知识点总结材料科学与工程基础期末复习知识点第二章 物质结构基础名词解释：取向力、诱导力、色散力、费米能级、置换固溶体、间隙固溶体、肖脱基缺陷、弗仑克尔缺陷、稳态扩散、扩散通量、同素异构转变、结构弛豫、自由度、泡利不相容原理、洪特规则原子中电子的空间位置和能量1、电子的统计形态法描述 四个量子数n, 第一量子数n:决定体系的能量l, 第二量子数l:决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性 ml, 第三量子数ml:决定体系角动量在磁场方向的分量ms, 第四量子数ms：决定电子自旋的方向 +l/2，-l/2 2、电子分布遵从的基本原理：（1）泡利不相容原理：在一个原子中不可
2、能有运动状态完全相同的两个电子，即同一原子中，最多只能有两个电子处于同样能量状态的轨道上，且自旋方向必定相反。 n=1时最多容纳2个电子 n=2时最多容纳8个电子 主量子数为n的壳层中最多容纳2n2个电子。（2）能量最低原理：原子核外的电子是按能级高低而分层分布，在同一电子层中电子的能级依s、p、d、f的次序增大。 （3）洪特规则：简并轨道（相同能量的轨道）上分布的电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。 结合方式 基本结合：离子键、金属键、共价键-化学键合 派生结合：分子间作用力、氢键-物理键合基本结合：1. 离子键合离子键：原子核释放最外层电子变成的正离子与接收其放出电子而变成的负离子相
3、互之间的吸引作用（库仑引力）所形成的一种结合。典型的离子化合物有NaCl、MgCl2等。 特点：1 电子束缚在离子中；2 正负离子吸引，达到静电平衡，电场引力无方向性和饱和性-产生密堆积，取决于正负离子的电荷数和正负离子的相对大小。 3 构成三维整体-晶体结构；4 在溶液中离解成离子。 2. 共价键合共价键：两个原子共享最外层电子的键合。典型的例子有H2、O2、F2、SiC等。特点：1 两个原子共享最外层电子对；2 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；3 有饱和性和方向性，电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。3. 金属键合金属键：金属原子通过游离电子用库仑引力将原子结合到一起的键
4、合。即各原子都贡献出其价电子而变成外层为八电子的金属正离子，所贡献出来的价电子为所有金属原子（正离子）所共用，金属晶体的结合力就是价电子集体（自由电子气）与金属正离子间的静电引力。 特点：1 由正离子排列成有序晶格；2 各原子最外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；3 原子最外层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低，具有范性形变4. 混合键合在某些化合物中，存在着既有离子键合又有共价键合，即介于离子键和共价键之间的混合键。如氯化氢。电负性：元素的原子在化合物中把电子引向自己的能力，（表示吸引电子的能力） 同一周期 左 右
5、电负性增高 同一族 上 下 电负性降低 电负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属 非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属 非金属 成离子键 派生结合物理键合的作用力也是库仑引力，但在键合过程中不存在电子的交换，是电子在其原子或分子中的分布受到外界条件的影响产生分布不均匀而引起原子或分子的极性结合。物理键合的大小直接影响物质的许多物理性质，如熔点、沸点、溶解度、表面吸附等。包括分子间作用力、氢键等。1、分子间作用力分子（或电中性原子）间的结合力，又称范氏力。特点：无方向性和饱和性；键能最小。按原因和特性可分为：取向力；诱导力；色散力 分
6、子间作用力A. 取向力：极性分子永久偶极间静电相互作用B. 诱导力：被诱导的偶极与永久偶极间作用C. 色散力：电中性原子与非极性分子的瞬时偶极间的作用2、氢键质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成键的键合方式。特点a.有方向性，饱和性。b.分为分子内氢键和分子间氢键两种。c.键能一般为几到十几千卡/摩。形成氢键必须满足的条件(1)分子中必须含氢(2)另一个元素必须是电负性很强的非金属元素(F、O、N)。 各种键型的比较一般说来，化学键（离子，共价，金属）最强，氢键次之，分子键最弱。（后两者属于物理键）2-4 多原子体系电子的相互作用
7、和稳定性 杂化轨道和分子轨道理论A、杂化轨道理论杂化：在一个原子中不同原子轨道的线性组合称为原子轨道的杂化。杂化轨道：杂化后的原子轨道。杂化轨道理论：原子在化合中，受其他原子的作用，原来的状态发生改变，从而使能量相似、轨道类型不同的原子轨道重新组合成新的杂化轨道，在组合过程中，轨道的数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变，轨道的能量状态也改变。 杂化的本质：量子力学态叠加原理，一种数学方法，而不是物理过程。杂化：能级相近的单中心原子轨道的线形组合。杂化的目的：更有利于成键。杂化的动力：受周围原子的影响。杂化的规律：轨道数目守恒，空间取向改变；杂化轨道能与周围原子形成更强的键，或安排孤
8、对电子，而不会以空的杂化轨道存在。 等性杂化轨道和不等性杂化轨道：杂化轨道中，参与杂化的s、p、d等成分相等，称为等性杂化轨道；如果不相等，称为不等性杂化轨道。 B、分子轨道理论（1）分子中每个电子是在由各个原子核和其余电子组成的势场中运动，它的运动状态可用分子轨道描述。（2）分子轨道可近似地用能量相似的原子轨道组合得到。原子轨道通过线性组合成分子轨道时，轨道数不变，轨道能量改变。（3）分子中的电子根据泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则增填在分子轨道上。 组合成分子轨道的条件1）能量相近2）轨道最大重叠3）对称性匹配能量低于原子轨道-成键轨道能量高于原子轨道-反键轨道能量等于原子轨道-非键
9、轨道 1、轨道和键-“头碰头”相对于分子中键轴呈圆柱形对称的分子轨道称为轨道。 由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键，叫做键。键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的，具有较大的重叠程度，因此键比较稳定。键能围绕对称轴旋转，而不影响键的强度以及键跟键之间的角度（键角）。2、轨道和键- “肩并肩” 成键原子的未杂化p轨道，通过平行、侧面重叠而形成的共价键，叫做键。键是由两个p轨道从侧面重叠而形成的，重叠程度比键小，所以键不如键稳定。当形成键的两个原子以核间轴为轴作相对旋转时，会减少p轨道的重叠程度，最后导致键的断裂。3、轨道和键- “面对面” 具有两个通过分子轴对称节面的分
10、子轨道称为轨道。 凡是一个原子的d轨道与另一个原子相匹配的d轨道（例如dxy与dxy）以“面对面”的方式重叠（通过键轴有两个节面），所成的键就称为键。轨道不能由s或p原子轨道组成。 费米能级 费米能级是金属在绝对零度时电子的最高填充能级。 金属内的电子因泡利不相容原理故而不能每一个电子都在最低的能级，因此便一个一个依序往高能级填直到最后一个填进的那个能级即所谓费米能级。T=0K（基态）时，最高的被电子充满的能级能量为EF，EF以下能级全满，以上能级全空。T0K时，某些电子受到激发，移到费米能级以上的能级，达到平衡的分布。固体中的能带 能级分裂：n个同种原子接近时，相同的原子能级分裂成n个能量不
11、同的能级（分子轨道）。 能带：由许多聚集在一起的原子的许多分子轨道组成的近乎连续的能级带。带宽：能带中最高能级与最低能级的能量差。其与原子数目无关，仅取决于原子间距，间距小，带宽大。价带：价电子能级展宽成的能带。(可满可不满)满带：添满电子的价带。空带：价电子能级以上的空能级展宽成的能带。导带：0K时最低的可接受被激发电子的空带。禁带：两分离能带间的能量间隔，又称为能隙(Eg)能带理论是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子实和最外层电子，它们均处于不断的运动状态中。为使问题简化，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是
12、在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论能带理论的应用-导体、绝缘体、半导体 导体具有很好的导电性，能带分为两种类型，一种是价带没有填满，因此在很小的外电场作用下最高的被填充能级（费米能级）上的电子就能跃迁到相邻的空能级上，从而其下层能级上的电子又能跃迁到上一层，从而形成定向电流。另一种是价带和导带重叠，没有能隙，因而在外电场作用下电子能填入导带。半导体具有一定的导电性，其能带分为三种类型：（1）Eg非常小，热激活就足以使价带中费米能级上的电子跃迁到导带底部，同时在价带中留下“电子空穴”。在外电场作用下，导带中的电子和价带
13、中的电子空穴都可以向相邻的能级迁移，形成导电，此类为本征半导体。（2）Eg比较小，在基体中有少量的高价杂质，在能隙中存在着由高价杂质元素产生的新能级。热激活中电子从杂质能级跃迁到导带底部，从而形成导电电流，此称为N型半导体。（3）Eg比较小，在基体中有少量的低价杂质，在价带附近形成掺杂的能级，热激活使价带中费米能级上的电子跃迁到杂质能级，从而在价带中留下电子空穴，在外电场作用下，通过价带中的电子空穴的迁移产生电流，这类半导体称为P型半导体。绝缘体的各外层轨道都被电子充满，使晶体中相应的能带填满，而且能带与能带之间的能隙较大，电子需要很大的能量才能从价带跃迁至导带，因此导电性很差。 2-5 固体
14、中的原子有序 结晶与晶体1、结晶特性 晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序排列的固体物质(金属、大多陶瓷及一些聚合物)。 非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质(包括气体、液体和部分固体)。 结晶：形成晶体的过程。 晶体的性质 具有确定的熔点 能自发形成规则的多面体外形 稳定性（晶体的化学成分处于热力学的能量最低状态） 各向异性（不同的方向具有不同的物理性质） 均匀性（晶体各部分的宏观性质相同）晶体是一种均匀而各向异性的结构稳定性固体 1、晶体的对称元素2、点阵 点阵：晶体结构的微观特征。 某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列。 基元：原子、分子、离子或原子团 (组成、位
15、形、取向均同) 3、晶胞、晶系和空间点阵型式晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位。晶胞一定是一个平行六面体，但三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。 晶胞的基本要素：A.大小和形状 B.各原子坐标位置 晶轴上晶胞三个边的长度 a，b，c 和其夹角， 称为 晶格常数 。4、晶向指数和晶面指数A、晶向指数晶向：原点出发通过某点的射线（或通过若干结点的直线方向） 。晶向指数：晶胞各轴上投影的最低整数（可以是负值）。u v w 表示晶向，其中u v w 即晶向指数。一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线。晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列。u v w表示晶向族，代表原子密度相同的所有晶向（
16、与对称性相联系的原子排列相同但空间位向不同）。B、晶面指数晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。 晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面。 C、晶面族某晶面的晶面指数乘以-1后所表示的一组晶面仍与其平行，共为一晶面组，也用(h k l)表示。晶面族用h k l表示, 代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面，即同一晶体结构中相互平行的晶面以及空间方位虽不同但原子排列情况相同的晶面都属于同一晶面族。 5、晶面间距 晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距。 晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。 使用X-射线衍射结果，通过布拉格定律，可测定晶面间距：n = 2dsin = MHP
17、(光程差) n = 1，2，3，为衍射级数；为波长；为衍射角掌握如何在晶胞中画出晶向、晶面，或给定晶向或晶面，写出晶向指数或晶面指数。金属在固态时一般都是晶体。以金属键结合，且无方向性。金属结构配位数高，结构紧密，原子呈圆球状密堆积。常见的金属结构有：体心立方、面心立方、密排六方 体心立方bcc、面心立方fcc和密排立方hcp各自的点阵常数、最近的原子间距、晶胞中的原子数、配位数、致密度各是多少？（p52表2-15）体心立方和面心立方的四面体间隙和八面体间隙位置、数量、大小。（P54表2-16）2、离子晶体由离子键结合，无方向性和饱和性。正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及
18、化学量比限制。堆积形式决定于正负离子的电荷数和相对大小。硬度高、强度大、熔沸点高、膨胀系数小 由于电子少，多为绝缘体；不易吸收可见光，多为无色透明3、共价晶体由共价键结合，存在方向性和饱和性。配位数和方向受限制（配位须成键）多由非金属元素组成(IV-VIA族)N族元素共价晶体的配位数为（8-N）。强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、结构比较稳定、导电能力较差。 4、分子晶体组元为分子；以范氏力和氢键结合。若仅有范氏力：无方向性、饱和性，趋于密堆。常还受分子非球性及永久偶极相互作用影响。有氢键时：有方向性、饱和性，堆积密度低。 5、多晶型：一化合物有两种以上的晶型6、液晶热致液晶：
19、因温度变化（热）导致液晶相出现的物质纯化合物或均匀混合物。溶致液晶：在一定溶剂作用下，出现液晶相的物质。固溶体置换固溶体：晶体中的一种原子（离子）被其他原子（离子）替换后所形成的固溶体。影响置换固溶体的因素：离子大小、键的性质或极化的影响、晶体结构型和晶胞的大小、电价的影响。间隙固溶体：若所加的原子比较小，它们能进入晶格的间隙位置内，形成的固溶体称间隙型固溶体。晶体结构缺陷按照缺陷区相对晶体的大小，晶体缺陷可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷、提缺陷。点缺陷包括空位和间隙原子，如果只形成空位而不形成等量的间隙原子，这样形成的缺陷称为肖脱基缺陷。如果同时形成等量的空位和间隙原子，则所形成的缺陷称为弗仑
20、克尔缺陷。线缺陷（位错）：棱位错（刃位错）和螺旋位错。柏格斯矢量：为了表明位错存在时，晶体一侧的质点相对另一侧质点的位移，用一个柏格斯矢量b表示。它是指该位错的单位滑移距离。刃位错的方向和柏格斯矢量相互垂直，其滑移运动方向与柏格斯矢量平行；螺旋位错的方向与柏格斯矢量相互逆向平行，其滑移运动方向与柏格斯矢量方向垂直。位错的滑移和爬移：位错的滑移是沿着滑移面的移动。位错的爬移是位错线垂直滑移面的移动，只有刃位错才会出现爬移。面缺陷：晶界、亚晶界扩散稳态扩散：扩散物质的浓度分布不随时间变化，称为稳态扩散。稳态扩散用Fick第一定律描述。Jx=-DC/x。扩散通量：单位时间内通过垂直于给定方向的单位面
21、积的净原子数称为扩散通量。根据Fick第一定律，物质迁移方向与浓度梯度的方向相反。稳态扩散中通量正比于浓度梯度和扩散系数。固体中的转变1、同素异构转变：改变温度或压力等条件，可使固体从一种晶体结构变为另一种晶体结构，这种现象称为同素异构转变。2、结构弛豫：在外界因素影响下，一个偏离了原来平衡态或亚稳态的体系回复到原来状态的过程。相图自由度：在相平衡系统中可以独立改变的变量（如温度、压力或组分的浓度等），称为自由度。 相律：一般情况下，只考虑温度和压力对系统的平衡状态的影响，则相律可以表示为：F=C-P+2。凝聚系统的相律表示为：F=C-P+1。杠杆法则的使用。匀晶：固态、液态均能完全互溶，认识
22、匀晶相图。共晶：液态无限互溶，固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。认识共晶相图。给出一张相图能认识重要的点、线、相区，会根据杠杆法则计算两相区的比例。固体物质的表面结构润湿过程可分三类：沾湿、浸湿、铺展。沾湿是指液体与固体从不接触到接触，变液气界面和固气界面为固液界面的过程。此过程中体系自由能降低值（-G）为：-G= SG + LG - SL=Wa（粘附功）（Wa0为天然过程） 浸润是指固体浸入液体中的过程，此过程的实质是固气界面为固液界面所替代。SG - SL =Wi （Wi0为天然过程） 铺展：以固液界面替代气固界面的同时还扩展了气液界面。此过程自由能降低值（-G）为：-G= SG -
23、 LG - SL =S （S0说明液体可以在固体表面上自动展开。） 同一体系： Wa Wi S 液体表面张力的影响： 沾湿： LG 越大， 有利（Wa=A+lg） 浸湿： LG 无影响 (Wi=A0) 铺展： LG 越小， 有利（S=A-lg）接触角与润湿方程： SG - SL = LG cos 接触角的判定： 90： 润湿 ； 90 ： 不润湿第三章 材料组成与结构名词解释电子化合物、电子浓度、间隙化合物、铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体、再结晶、胶凝材料、构造、构象、构型、内聚能、内聚能密度、热塑性、热固性、残余应力、形变织构、分子取向、晶粒取向金属材料的组成和结构金属最常见
24、的的三种晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方。体心立方结构具有较高强度、硬度和熔点但塑性和韧性差； 面心立方具有良好塑性和韧性， 密堆六方强度低，塑性和韧性差。 合金的相结构：正常价化合物：金属元素和周期表中A、A、A族是一些元素形成的化合物，组元之间原子价符合化学上的化合价的规律，把这类化合物称为正常价化合物。电子化合物：可以用一定分子式表示，但组元间不符合化学价的规律，而是按照一定的电子浓度比值形成一定晶格类型的化合物。电子浓度是指化合物中的价电子数与原子数之比，即电子浓度=价电子数/原子数。间隙化合物：当过渡金属与原子半径很小的非金属形成稳定性较高的化合物，其组元之间原子半径之比大于0
25、.59时，就形成具有复杂晶格的间隙化合物。铁碳合金1.铁碳合金的基本组织(1) 铁素体（F） 碳溶解在铁中的固溶体，C%0.02%（727）， 硬度和强度低，但塑性和韧性好。(2) 奥氏体（A） 碳溶解在铁中的固溶体，C%2%（1148） 塑性和可锻性好，无磁性。(3) 渗碳体（Fe3C） 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁,熔点高。(4) 珠光体（P） 铁素体和渗碳体二者组成的混合物，(5) 莱氏体（Le） 奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混合）；(6) 马氏体 钢和铁从高温奥氏体状态急冷（淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体。硬度很高。 铁碳合金相图掌握：10个特征点（A,C,D,E,F,G,
26、K,P,S,Q），10条特征线(HJB,AC,CD,AE,ECF,ES,GS,GP,PSK,PQ)，4个单相区(液相区、奥氏体相区、铁素体相区、渗碳体相区)，5个两相区（L+A、L+Fe3C、F+A,A+ Fe3C，+ Fe3C）分类名称碳含量（Wc，%）室温组织工业纯铁工业纯铁0.02F非合金钢亚共析钢共析钢过共析钢0.02-0.770.770.772.06F+PPP+Fe3C白口铸铁亚共晶白口铁共晶白口铁过共白口铁2.064.34.34.36.67P+Ld+Fe3CLdLd+Fe3C掌握各种非合金钢和白口铸铁的相图，了解在不同温度下的组织结构。掌握共晶转变、共析转变和包晶转变。非合金钢和铸
27、铁的区别是有没有莱氏体组织。非晶态合金TTT曲线（Time,Temperature,Transition）:TTT曲线右侧是结晶态区，左侧是非晶态区。非晶态合金主要特点：高硬度和强度，延伸率低但不脆，很好的软磁性和优越耐腐蚀性。金属的再结晶再结晶：是指当变形金属加热到较高温度，原子的活动能力增大，其显微组织会发生明显的变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒；由拉长的晶粒变成等轴晶粒。这个过程也是一个新晶粒的成核和长大的过程，同时使加工硬化与残余应力也完全消除。这个过程称为再结晶。影响再结晶后晶粒大小的因素：再结晶温度越高，保温时间越长，再结晶的晶粒越粗大。变形度10%，细晶粒。无机非金属材料的组成与
28、结构ZnS、钙钛矿、尖晶石晶体、单晶硅等的晶体结构。掌握其晶体构型、原子在晶格中的排列、原子配位数等。硅酸盐的结构基础是SiO44-四面体，排列方式有：岛状、环状、链状、层状、架状。掌握每种排列方式的桥氧的数目。玻璃态的物质具有以下通性： （1）各项同性 （2）热力学介稳性 （3）状态转化的渐变性 （4）性质变化的连续性与可逆性胶凝材料：凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬固体，并能胶结其他物料，具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。无机胶凝材料：水硬性胶凝材料能在空气中硬化，也可以在水中硬化。气硬性胶凝材料不能在水中硬化，只能在气体介质中硬化。陶瓷的显微组织结构包括：晶相、玻璃相、气相。
29、碳的同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯高分子材料的组成与结构根据主链上原子的类型，高分子链可以分成以下五类：碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子、梯形和双螺旋形高分子。高分子的近程结构构造是指链中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元的排列顺序，支链的类型和长度等等。 构型是指某原子的取代基在空间的排列。 高分子链结构单元的键合方式1、 均聚物结构单元键接顺序：头头连接、头尾连接、尾尾连接。2、 共聚物的序列结构：无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物。高分子链的构型1、根据旋光异构单元的位置分为：全同立构、间同立构、无规立构。 2、几何异构：顺反交替、顺反无序、全
30、顺、全反。高分子链的远程结构构象：在分子内旋转的作用下，大分子链具有很大的柔曲性，可采取各种可能的形态，每种形态所对应原子及键的空间排列称为构象。 影响高分子链柔性的主要因素高分子的聚集态结构高分子分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力包括取向力、诱导力和色散力。内聚能是指1mol分子聚集在一起的总能量，它等于使1mol的液体蒸发或1mol的固体升华，使原来聚集在一起的分子分开到彼此不再相互作用的距离时所需要的总能量。U=H气化-RT。内聚能密度是单位体积的内聚能。内聚能密度在290Jcm-3以下时，分子间作用力较小，分子链比较柔顺，容易变形，具有较好的弹性，通常作橡胶；内聚能密度在300-400 Jcm-3之间者，分子链刚性大，可以用作塑料；内聚能密度高于400 Jcm-3的高分子具有较高的结晶性和强度，一般作纤维。分子取向：高分子链或链段朝着一定的方向占优势排列的现象。晶粒取向：晶粒的某晶轴或某晶面朝着某个特定的方向或与某个特定的方向成一个恒定的夹角或平行于
