1、武汉理工材料科学基础考研大纲材料科学基础大纲目录第二章 晶体结构 12.1 结晶学基础 12.2 结合力与结合能 12.3 堆积（记忆常识） 12.4 单质晶体结构（了解） 22.5 无机化合物结构（重点 每年必考） 22.6 硅酸盐晶体结构 3第三章 晶体结构缺陷 53.1 结构缺陷类型 53.2 点缺陷 53.5 固溶体 63.6 非化学计量化学物 7第四章 非晶态结构与性质 74.2 熔体的性质 74.3 玻璃的形成 8第五章 表面结构与性质 95.1 固体表面及其结构 95.3 润湿与黏附 10第六章 相图（必考） 12第七章 扩散 137.1 菲克定律（重点） 137.5 多元系统的
2、扩散 137.6 影响扩散的因素 14第八章 相变 148.1 相变概述 148.2 成核生长相变 15第九章 固态反应 179.1 概论 179.3 反应动力学 179.5 影响因素 19第十章 烧结 2010.1 概述 2010.2 烧结过程及机理 2010.4 再结晶和晶粒长大 2010.7 影响因素 21第十一章 腐蚀 21第十二章疲劳与断裂 22第二章 晶体结构2.1 结晶学基础1、概念：晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。晶胞 ：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。晶胞参数：胞的形状和大小可以用6个参数来表示
3、，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。七大晶系：布拉菲（Bravais）依据晶胞参数之间关系的不同，把所有晶体划归为7类，即7个晶系。晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。晶面族 ：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面族。晶向指数：用uvw来表示。其中u、v、w三个数字是晶向矢量在参考坐标系X、Y、Z轴上的矢量分量经等比例化简而得出。晶向族：晶体中原子排列周期相同的所有晶向为一个晶向族，用uvw表示。2、晶面指数和晶向指数的计算2.2 结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和
4、化学键化学键包括离子键、共价键、金属键物理键包括范德华键、氢键晶体中离子键共价键比例估算（公式2.16）式中xA、xB分别为A、B元素的电负性值。离子晶体晶格能：1摩尔离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放出的能量。2.3 堆积（记忆常识）1、最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原理。适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。原因：该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上2、两种最紧密堆积方式：面心立方最紧密堆积ABCABC 密排六方最紧密堆积ABABAB系统中：每
5、个球周围有6个八面体空隙 8个四面体空隙 N个等径球体做最紧密堆积时系统有2N个四面体空隙N个八面体空隙八面体空隙体积大于四面体空隙3、空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值（要学会计算）两种最紧密堆积方式的空间利用率为74.05（等径球堆积时）4、影响晶体结构的因素内因：质点相对大小（决定性因素）配位数。配位数：一个原子（或离子）周围同种原子（或异号离子）的数目为原子（或离子）的配位数，用CN来表示。极化。离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种现象称为极化。 影响：极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时使变形的电
6、子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化。外因（了解）：同质多晶 类质多晶 同质多晶转变2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点 每年必考）分析结构从以下几个方面入手：晶胞分子数，何种离子做何种堆积，何种离子添隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙半径的计算（刚好相切时），隙结构与性质的关系。1、NaCl型：4个NaCl分子 Cl离子做面心立方密堆积，Na离子填充八面体空隙，填充率100，正负离子配位数均为6，电价饱和。【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈
7、颗粒状，粒为多面体形状。离子键结合，因此有较高的熔点和硬度。2、立方ZnS结构：4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积，Zn离子填充四面体空隙填充率50，离子配位数均为4，电价饱和，【ZnS4】四面体画投影图（图2.26）注意：一定要画虚线，一定要标高，一定要有图例（白球黑球代表什么离子）3、萤石（CaF2）结构：（唯一正离子做堆积的结构）4个CaF2分子 Ca离子做面心立方密堆积，F离子填充四面体空隙，填充率100。正离子配位数为8，负离子配位数为4，电价饱和，【CaF8】或【FCa4】结构与性能：与NaCl相比，综合电价和半径因素，萤石质点间键力比NaCl强，表现为萤石硬度熔点密度高于NaC
8、l而水中溶解度低于NaCl。由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca离子填充，所以在111面网方向上存在毗邻的同号离子层，其静电斥力起主要作用，导致晶体在平行与111面网方向上易发生解理，因此萤石常呈八面体解理。碱金属氧化物R2O为反萤石结构，它们的正负离子位置刚好跟萤石结构中相反，性质相似，在111面网方向上也易发生解理。4、钙钛矿CaTiO3结构（每年必考）:Ca离子占据八个顶点，O占据六个面的面心，Ti离子位于体心。Ca和O共同做面心立方密堆积。Ti离子占据八面体空隙的1/4。晶胞分子数1，配位数：Ca 12，Ti 6，O 6，O电价饱和。理想情况下半径关系（会推导）结构与性能的关系：
9、电价饱和，晶体结构稳定。5、自发极化与铁电效应：（每年必考）自发极化：对于理想晶体而言，如果不存在外电场时，单位晶胞中的正负电荷不重合，具有一定的偶极矩，这种现象称为自发极化。产生自发极化的条件：离子位移后使离子固定在新位置上的力应该大于位移后的恢复力。BaTiO3具有铁电效应而CaTiO3不具有铁电效应的原因：要有铁电效应必须能够产生自发极化。Ba离子半径比较大，使得晶胞参数也比较大，从而使得结构中【TiO6】八面体空隙比较大，Ti与O之间有比较大的空隙，可以克服恢复力，可以发生自发极化。而CaTiO3中由于Ca离子半径小，使得晶胞参数也比较小，从而使结构中【TiO6】八面体空隙比较小，甚至
10、小于Ti离子尺寸，位移后恢复力很大，不能在新位置上固定下来，从而不能产生自发极化，没有铁电效应。2.6 硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体基本结构单元是【SiO4】四面体。硅酸盐晶体各种结构的共同特点（4条58页）（1）构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145o左右。（2）SiO4四面体的每个顶点，即O2-离子最多只能为两个SiO4四面体所共用。（3）两个相邻的SiO4四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4）SiO4四面体中心的Si4+离子可部分地被Al3+ 所取代。硅酸盐晶体分类：根据硅氧比分类（58页表2.13）岛状结构：镁橄榄石（结构，结
11、构与 性质的关系）镁橄榄石结构中，O2-离子近似于六方最紧密堆积排列，Si4+离子填于四面体空隙的1/8；Mg2+离子填于八面体空隙的1/2。每个SiO4四面体被MgO6八面体所隔开，呈孤岛状分布。结构与性质的关系：结构中每个O2-离子同时和1个SiO4和3个MgO6相连接，因此，O2-的电价是饱和的，晶体结构稳定。由于Mg-O键和Si-O键都比较强，所以，镁橄榄石表现出较高的硬度，熔点达到1890，是镁质耐火材料的主要矿物。同时，由于结构中各个方向上键力分布比较均匀，所以，橄榄石结构没有明显的解理，破碎后呈现粒状。 组群状：桥氧: 有限四面体群中连接两个Si4+离子的氧称为桥氧绿宝石结构:
12、绿宝石的基本结构单元是由6个SiO4四面体组成的六节环，六节环中的1个Si4+和2个O2-处在同一高度，环与环相叠起来。图中粗黑线的六节环在上面，标高为100，细黑线的六节环在下面，标高为50。上下两层环错开30o投影方向并不重叠。环与环之间通过Be2+和Al3+离子连接。 链状：单链，双链层状：单网层，复网层，水镁（铝）石层 滑石：沿C轴方向的复网层，两个硅氧层夹一层水镁石层，三八面体。结构与性质的关系：层内电价饱和，层间通过分子间力结合，有解理。 蒙脱石：复网层，结构与性质的关系：C轴长度随含水量而变化。第三章 晶体结构缺陷3.1 结构缺陷类型缺陷（概念）：晶体点阵结构中周期性势场的畸变按
13、照几何形态分类：点，线，面，体 点缺陷包括：空位，间隙，杂质，色心 线缺陷有：位错 面缺陷有：晶界，表面按照缺陷产生原因分类：热缺陷（本征缺陷），杂质缺陷和非化学计量缺陷（非本征缺陷） 热缺陷分为弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（理解图3.2）（弗伦克尔缺陷的特征是空位和间隙质点成对出现，肖特基缺陷特征是正负离子空位成对出现。）3.2 点缺陷（重点为缺陷反应方程式的书写以及缺陷浓度的计算）符号，书写原则，98页下面的两个基本规律点缺陷的符号表征：Kroger-Vink符号,空位（vacancy）用V来表示,间隙原子（interstitial）亦称为填隙原子，用Mi、Xi来表示, 错位原子 错位原子用M
14、X、XM等表示,自由电子（electron）与电子空穴 (hole）分别用e，和h 来表示基本规律：低价正离子占据高价正离子位置时，该位置带有负电荷，为了保持电中性，会产生负离子空位或间隙正离子。高价正离子占据低价正离子位置时，该位置带有正电荷，为了保持电中性，会产生正离子空位或间隙负离子。 缺陷反应方程式的一般式： 当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成肖特基缺陷；当晶体中剩余空隙比较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生弗仑克尔缺陷。 热缺陷浓度的计算：热力学方法，化学平衡方法3.5 固溶体固溶体:将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相
15、，这种晶体称为固溶体。分类：根据位置分为置置换型固溶体，间隙型固溶体 固溶度分为有限固溶体（不连续固溶体），无限固溶体（连续固溶体）形成置换固溶体的条件（4条）1. 原子或离子尺寸的影响Hume Rothery经验规则2、晶体结构类型的影响 3、离子类型和键性4、电价因素形成间隙型固溶体的条件1 杂质质点大小。即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。2晶体（基质）结构。 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。 3 电价因素。外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成
16、空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。为什么间隙固溶体不能是连续固溶体（149页最下面）？形成间隙式固溶体时，般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。会写方程式理论密度计算，化学式的确定1、理论密度计算 计算方法1）先写出可能的缺陷反应方程式；2）根据缺陷反应方程式写出固溶体可能的化学式3）由化学式可知晶胞中有几种质点，计算出晶胞中i质点的质量： 据此，计算出晶胞质量W： 3.6 非化学计量化学物（要仔细看课本，理解）四种类型不再赘述，关键是要导出方程式，得出空位浓度，电子浓度与氧压力和温度的关系，并说明其与密度，导电性
17、的关系。另外注意N型半导体与P型半导体第四章 非晶态结构与性质4.2 熔体的性质1、粘度：粘度是流体（液体或气体）抵抗流动的量度。FS dv/dx 物理意义：指单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。影响因素：对于硅酸盐晶体而言，熔体中聚合阴离子团越大粘度越大，反之亦然。因此影响粘度的因素就是影响聚合阴离子团大小的因素，主要有温度和添加剂。温度对粘度的影响：由于温度升高，聚合阴离子团将解聚为较小的阴离子团，因此温度升高主要使粘度变小。添加剂对粘度的影响：通常碱金属氧化物的加入使粘度变小（需要理解并能够用自己的话详细说明）二价金属氧化物有两重性，但主要使粘度降低。（需要理解并能够用自己
18、的话详细说明）高价金属氧化物使粘度增大（需要理解并能够用自己的话详细说明）硼反常现象（重点）：由于硼离子配位数变化引起性能曲线上出现转折的现象。当三氧化二鹏含量较少时使粘度增加，当三氧化二鹏含量较多时使粘度下降（需要理解并能够用自己的话详细说明）2、表面张力：（概念）熔体表面的质点受到内部质点的吸引力比表面层空气介质的引力大，因此表面层质点有趋向于熔体内部并使表面积有尽量收缩的趋势，结果就在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用着，这个力即表面张力。（物理意义）作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m.表面能：将熔体与另一相接触的相界面上（一般另一相指空气），在恒温、恒压条件下增加一个单位
19、表面积时所做的功，称为比表面能，简称表面能，单位为J/.影响因素：温度：温度升高，质点热运动增加，体积膨胀，相互作用松弛，表面张力降低。 添加物：一般说O/Si愈小，熔体中复合阴离子团愈大，e/r值变小，间作用力愈小，因此这些复合阴离子团就部分地被排挤到熔体表面层，使表面张力降低。加入碱金属氧化物，由于一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。分别加入等量的碱金属氧化物，表面张力改变规律如下：L12OSiO2Na2OSiO2K2OSiO2Cs2OSiO24.3 玻璃的形成热力学条件：玻璃太与晶态的G相差越小
20、越容易形成玻璃动力学条件：成核生长速度相差越大，越容易形成玻璃结晶化学条件：复合阴离子团越大越容易形成玻璃，排列越不规则越复杂越容易形成玻璃 璃网络形成体（其中正离子为网络形成离子），其单键强度335kJmol。这类氧化物能单独形成玻璃。网络改变体（正离子称为网络改变离子），其单键强度250kJ/mol。这类氧化物不能形成玻璃。但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。网络中间体（正离子称为网络中间离子），其单键强度介于250335kJ/mol。这类氧化物的作用介于玻璃形成体和网络改变体两者之间。单键强度越高，熔点越低的氧化物越易于形成玻璃。具有离子键或金属键向共价键过度的混合键型则容易形成玻璃第
21、五章 表面结构与性质5.1 固体表面及其结构产生表面现象的根本原因：材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态。弛豫：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。举例（NaCl单晶）重构：重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。举例（硅111面劈裂后的表面）固体的表面张力与表面自由能：概念，与液体表面张力和表面自由能的区别（5.1.1.4）与液体相比：1）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能；2）固体的表面张力是各向异性的。3）实际固体的表面绝大多数处于非平
22、衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 表面力场：体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。依性质不同，表面力可分为：1）化学力2）分子引力 固体表面结构：晶体表面结构（双电层得形成过程212页第三段及图5.6）5.3 润湿与黏附1、润湿：是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程 分类：沾湿，浸湿，铺展 三种行为自发进行的热力学条件：公式5.36 5.37 5.38 5.39 5.40沾湿： 浸湿: 铺展: 2、接触角与YOUNG方程YOUNG方程的推导，
23、或三种行为的接触角判据：沾湿： 浸湿： 铺展：其中，=0或不存在，S0 。3、表面粗糙度的影响： （1）90时，n，即在润湿的前提下，表面粗糙化后n变小，更易为液体所润湿。（2）90时，n，即在不润湿的前提下，表面粗糙化后n变大，更不易为液体所润湿。大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于90，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水在光滑石蜡表面上接触角在105110之间，但在粗糙的石蜡表面上，实验发现n可高达140。 4、黏附及其化学条件黏附（概念）：固体表面的剩余力场不仅可与气体分子及溶液中的质点相互作用发生吸附，还可与其紧密接触的固体或液体的质点相互吸引而发生粘附良好的黏附的表面
24、化学条件：1）被粘附体的临界表面张力C要大或使润湿张力F增加，以保证良好润湿。2）粘附功要大，以保证牢固粘附。3）粘附面的界面张力SL要小，以保证粘附界面的热力学稳定。4）粘附剂与被粘附体间相溶性要好，以保证粘附界面的良好键合和保持强度。为此润湿热要低。另外，粘附性能还与以下因素有关：1）粘附与固体表面的清洁度有关。 如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形成吸附膜，那么会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。因此，用焊锡焊东西时，要清洁表面，除去吸附膜，结合强度提高。2）粘附与固体的分散度有关。一般说，固体细小时，粘附效应比较明显，提高固体的分散度，可以扩大接触面积，从而可增加粘附强度。通常粉体具有很大
25、的粘附能力，这也是硅酸盐工业生产中一般使用粉体原料的一个原因。3）粘附强度与外力作用下固体的变形程度有关。如果固体较软或在一定的外力下易于变形，就会引起接触面积的增加，从而提高粘附强度。 第六章 相图（必考）三元系统相图（每年必考一个大题）规则：298页等含量规则，等比例规则，背向线规则301页重心规则306页小二的杠杆规则306页倒数二段一致熔融化合物的判断307页第三段温度下降方向的判断，最下面结晶结束点的判断308页第一段划分副三角形规则，倒数第二段不一致熔融化合物的判断309页界限性质的判断及方程，最下面无变量点性质的判断310页第一段和第二段仔细看311页熔体2和熔体3的结晶过程仔细
26、看，涉及到折线和穿相区两种情况312页规律三条314 315页过渡点以及化合物稳定性的判断316页多晶转变点多做题，熟能生巧第七章 扩散7.1 菲克定律（重点）第一定律的推导（会画模型）微观表达式：稳态扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化， 非稳态扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。第二定律的推导: 第一第二定律的内在联系（最后一句话）：菲克第一第二定律本质上是一个定律，均表明扩散的结总是使不均匀体系均匀化，由非平衡逐渐达到平衡。7.5 多元系统的扩散克肯达耳效应7.5.2（重点）由于多元系统
27、中各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为克肯达尔效应（Kirkendall effect）。这种现象在合金系统及一些氧化物系统普遍存在。在扩散过程中，标志物总是向着含低熔点组元较多的一侧移动。相对而言，低熔点组元扩散快，高熔点组元扩散慢。正是这种不等量的原子交换造成了克肯达尔效应。 克肯达尔效应的理论意义：克肯达尔效应揭示了扩散宏观规律与微观机制的内在联系，具有普遍性，在扩散理论的形成与发展以及生产实践都有十分重要的意义。 1）、克肯达尔效应直接否定了置换型固溶体扩散的换位机制，支持了空位机制。在锌铜互扩散中，低熔点组元锌和空位的亲和力大，易换位，这样在扩散过
28、程中从铜中流入到黄铜中的空位就大于从黄铜中流入到铜中的空位数量。即存在一个从铜到黄铜的净空位流，结果势必造成中心区晶体整体收缩，从而造成钼丝内移。 2）、克肯达尔效应说明，在扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数，由于DZnDCu，因此JZnJCu。注意，这里所说的DZn，DCu均不同于菲克定律中所用的扩散系数D。 克肯达尔效应的实际意义：肯达尔效应往往会产生副效应。若晶体收缩完全，原始界面会发生移动；若晶体收缩不完全，在低熔点金属一侧会形成分散的或集中的空位，其总数超过平衡空位浓度，形成孔洞，甚至形成克肯达尔孔，而在高熔点金属一侧的空位浓度将减少至低于平衡空位浓度，从而也改变了晶体的密度。试
29、验中还发现试样的横截面同样发生了变化。 7.6 影响扩散的因素外在因素：温度 杂质 气氛 固溶体类型内在因素：扩散物质性质的影响，扩散介质结构的影响，位错晶界表面的影响第八章 相变8.1 相变概述1、相变分类按照热力学分类：按照化学位偏导数的连续性分为一级相变，二级相变一级：两相化学位相等，但化学位一阶偏导数不相等，反应在宏观性质上，热焓突变，热效应较大，体积膨胀或收缩二级：两相化学位相等，化学位一阶偏导数相等，但化学位二阶偏导数不相等。表现在宏观性质上，热容，压缩系数和体膨胀系数发生变化，而体积及热效应没有实变。按照相变机理分为成核生长相变，连续性相变，有序无序相变和马氏体相变2、相变的条件
30、（重点）温度条件：若相变过程放热(如凝聚过程、结晶过程等) H0，要使G0，T=T0-T0，即T0T，这表明在该过程中系统必须“过冷却”，或者说系统实际相变温度比理论相变温度还要低，才能使相变过程自发进行。若相变过程吸热(如蒸发、熔融等) H0，要满足G0这一条件则必须T0，即T0 T，这表明系统要发生相变过程必须“过热”。结论：相变驱动力可以表示为过冷度(过热度)的函数，因此相平衡理论温度与系统实际温度之差即为该相变过程的推动力。 压力浓度条件：要使相变能自发进行，必须G P。，也即要使凝聚相变自发进行，系统的饱和蒸汽压应大于平衡蒸汽压P0。这种过饱和蒸汽压差为凝聚相变过程的推动力。 要使相变过程自发进行，应使G o，式(7)右边，R、T，c都为正值，要满足这一条件必须, cc。，液相要有过饱和浓度，它们之间的差值cc。即为这一相变过程的推动力。综上所述：相变要自发进行，系统必须过冷（过热）或者过饱和8.2 成核生长相变包括成核和生长两个过程1、 核化速率8.2.1.1 均态核化速率：均态核化速率势垒的推导（420和421页），核化速率的最终表达式（
