材料科学基础期末复习总结.docx
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材料科学基础期末复习总结
烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲
《材料科学基础》期末复习提纲
考试题型:
一、名词解释(5小题,10分)
二、简单题(5小题,22分)
三、计算题(4小题,34分)
四、选择题(14小题,14分)
五、填空题(40空,20分)
以下提纲进攻大家复习参考,内容较多,原则上标注了解的内容考试中没有出现。
第一章原子结构与键合(了解)
概述:
了解物质由原子组成,而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能
的重要因素。
第一节原子结构(了解)
1.物质的组成
物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的,这些微粒可能是原子、分子或离子;分子是能单独
存在、且保持物质化学特性的一种微粒;原子是化学变化中的最小微粒。
2.原子的结构
质子
m=1.671024g原子核
(1015m)
原子(10m)
10
中子m=1.6710g
24
核外电子,
m=9.111028ge=1.60221019C
3.原子的电子结构
电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解/波函数来描述,即原子中每个电子的空间
位置和能量可用四个量子数来确定:
a.主量子数(n):
决定原子中电子的能量及与核的平均距离,即表示电子所处的量子壳层。
如
K、L、M…;
b.轨道角动量量子数(li):
表示电子在同一壳层内所处的能级,与电子运动的角动量有关。
如
s、p、d、f…;
c.磁量子数(mi):
给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数,为2li+1,决定电子云的空
间取向;
d.自旋角动量量子数(si):
反映电子不同的自旋方向,其值可取±
1
2
。
核外电子的排布规则:
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a.能量最低原理:
电子的排布总是尽可能使体系的能量最低;
b.Pauling不相容原理:
在一个原子中,不可能有上述运动状态完全相同的两个电子;
c.Hund规则:
在同一个亚层中的各个能级中,电子的排布尽可能分占不同的能级,而且自旋方
向相同;
4.元素周期表
元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称;元素的外层电子结构随着原子序数的递增而呈
周期性的变化规律称为元素周期律;元素周期表是元素周期律的表现形式;元素的性质、原子结构
和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。
第二节原子间的键合(了解)
金属键
离子键
化学键(主价键)
共价键
结合键氢键
物理键(次价键)范德瓦尔斯力
1.金属键
由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称金属键。
特点:
电子共有化、既无
饱和性又无方向性。
由于金属键既无饱和性又无方向性,因而每个原子有可能同更多的原子相结合,并趋于形成低
能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子间的相互位置时,不至于破坏金属键,这就使金属具
有良好的延展性,并且由于自由电子的存在,金属一般具有良好的导电和导热性能。
2.离子键
离子键即,正负离子间的相互作用。
特点:
以离子为结合单元、无饱和性和方向性。
一般离子晶体中正负离子静电引力较强,结合牢固,因此,其熔点和硬度均较高。
另外,在离
子晶体中很难产生自由运动的电子,因此,它们都是良好的电绝缘体。
但在熔融状态下,正负离子
在外电场作用下可以自由运动,此时呈现离子导电性。
3.共价键
原子间通过共用电子对而形成的化学键即为共价键。
可分为极性键和非极性键。
特点:
有方向
性和饱和性。
共价晶体中各个键之间都有确定的方位,配位数较小,共价键的结合力极为牢固,故共价晶体
具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。
由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由运动,共
价结合的材料一般是绝缘体,导电能力较差。
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4.范德瓦尔斯力
静电力:
固有偶极间的相互作用,F∝
T
1
7
*r
分子间力
诱导力:
固有偶极与诱导偶极间的作用F∝
1
7
r
色散力:
诱导偶极间的相互作用F∝
1
7
r
特点:
次价键、无方向性、无饱和性
5.氢键
属于极性分子键,存在于HF、H2O、NH3等分子间,有饱和性和方向性。
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第二章固体结构
1、概念
空间点阵、晶体结构、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带定律、配位数、致密度、间隙固溶
体、置换固溶体、间隙相、间隙化合物。
2、计算与分析
晶体与非晶体的区别
熟练掌握晶向、晶面指数的标定,能够指出相应晶面的晶向和晶面指数,熟练掌握fcc、bcc晶
面间距的计算,原子的线、面密度,致密度。
掌握典型离子晶体结构,并会相关计算。
第一节晶体学基础(掌握)
按照原子或分子排列的特征可将固态物质分为两大类:
晶体和非晶体。
晶体结构的基本特征是,原子或分子或离子在三维空间呈周期性重复排列,即存在长程有序。
(各向异性)。
晶体与非晶体的区别:
a.根本区别:
质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列;
b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围
c.晶体具有各向异性,而非晶体呈各向同性(多晶体也呈各向同性,称“伪各向同性”)
一、空间点阵与晶胞(掌握)
1.空间点阵:
阵点在空间呈周期性规则排列,并具有完全相同的周围环境,这种由它们在三维
空间规则排列的阵列称为空间点阵。
2.晶胞:
由空间点阵中选取的基本单元即为晶胞,但必须服从一定的选取规则;
3.晶胞选取规则:
1.选取的平行六面体应能反映出点阵的最高对称性;2.平行六面体中棱和角
相等的数目应最多;3.当棱边夹角存在直角时,直角数目应最多;4.在满足上述条件下,平行六面体
应具有最小体积。
晶系与布拉维点阵:
晶系晶胞参数布拉维点阵举例
三斜a≠b≠c,α≠β≠γ≠90°简单三斜K2CrO7
单斜a≠b≠c,α=γ=90°≠β简单单斜,底心单斜β-S,CaSO4·2H2O
正交a≠b≠c,α=β=γ=90°
简单正交,底心正交,
体心正交,面心正交
α-S,Fe3C
六方a1=a2=a3≠c,α=β=90°,γ=120°简单六方Zn,Cd
菱方a=b=c,α=β=γ≠90°简单菱方As,Sb,Bi
四方a=b≠c,α=β=γ=90°简单四方,体心四方TiO2
立方a=b=c,α=β=γ=90°
简单立方,体心立方,
面心立方
Cu,Ag,Au
4.晶体结构与空间点阵的关系:
空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象,用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性,由于
各点阵的周围环境相同,故它只能由14中类型;而晶体结构指晶体中实际质点(原子、分子或离子)
的具体排列情况,它们能组成各种类型的排列,因此实际存在的晶体结构是无限的。
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二、晶向指数与晶面指数(掌握)
晶向:
空间点阵中各阵点列的方向。
晶面:
通过空间点阵中任意一组阵点的平面。
国际上通用米勒指数标定晶向指数和晶面指数。
1.晶向指数的标定
a.建立坐标系。
确定原点(阵点)、坐标轴和度量单位(棱边)。
b.求坐标。
u',v',w'。
c.化整数。
u、v、w。
d.加[]。
[uvw]。
说明:
a.指数意义:
代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b.负值:
标于数字上方,表示同一晶向的相反方向。
c.晶向族:
晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。
用
但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。
2.晶面指数的标定
a.建立坐标系:
确定原点(非阵点)、坐标轴和度量单位;b.量截距:
x、y、z;
c.取倒数:
h'、k'、l';d.化整数:
h、k、l;e.加圆括号:
(hkl)。
说明:
a.指数意义:
代表一组平行的晶面;
b.0的意义:
面与对应的轴平行;
c.平行晶面:
指数相同,或数字相同但正负号相反;
d.晶面族:
晶体中具有相同条件(原子排列和晶面间距完全相同),空间位向不同的各组晶面。
用{hkl}表示。
e.若晶面与晶向同面,则hu+kv+lw=0;
f.若晶面与晶向垂直,则u=h,k=v,w=l。
3.六方系晶向指数和晶面指数
a.六方系指数标定的特殊性:
四轴坐标系(等价晶面不具有等价指数)。
b.晶面指数的标定
标法与立方系相同(四个截距);用四个数字(hkil)表示;i=-(h+k)。
c.晶向指数的标定
标法与立方系相同(四个坐标);用四个数字(uvtw)表示;t=-(u+w)。
依次平移法:
适合于已知指数画晶向(末点)。
三轴晶向与四轴晶向之间的转换:
[UVW][uvtw]
Uut,Vvt,Ww
u(2UV)/3,v(2VU)/3,t(uv),wW
4.晶带:
所有平行或相交于某一晶向的晶面构成一个晶带。
晶带定律:
hu+kv+lw=0
5.晶面间距:
a.一组平行晶面中,相邻两个平行晶面之间的距离。
b.低指数晶面的面间距较大;晶面间的距离越大,晶面上的原子排列越密集。
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c.计算公式(简单立方):
d
hkl
a
hkl
222
注意:
只适用于简单晶胞,对于复杂晶胞:
需考虑附加原子面。
体心立方:
h+k+l=奇数;面心立方:
h、k、l不全为奇数或不全为偶数等情况下均有附加原子面。
第二节金属的晶体结构(掌握)
一、三种典型金属晶体结构的晶体学特征(熟练掌握)
晶体结构类型结构特征
fcc/A1bcc/A2hcp/A3
点阵参数aaa,c(c/a=1.633)
2
原子半径/Ra
4
3
4
a
a1ac
22
2234
晶胞内原子数/n426
配位数/CN12812
致密度/K0.740.680.74
四面体间隙
数量81212
大小(rB/rA)0.2250.2910.225
数量466
八面体间隙
大小(rB/rA)0.414
0.154<100>
0.633<110>
0.414
配位数(CN):
晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。
致密度(K):
晶体结构中原子体积占总体积的百分数。
K=nv/V。
间隙半径(rB):
间隙中所能容纳的最大圆球半径。
二、多晶型性(了解)
某种元素从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的固态相变称为同素异构转变;而某种化合物
经历上述的固态相变称为同分异构转变或多晶型性转变;同素异构转变对于金属是否能够通过热处
理操作来改变它的性能具有重要意义。
第三节合金相结构
合金:
指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金
属特性的物质。
合金化的目的是改变和提高金属材料的性能。
组成合金的基本的、独立的物质称为
组元;相:
指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分;
合金相可分为固溶体和中间相两大类。
一、固溶体(掌握)
固溶体指以某一组元为溶剂,在其晶体点阵中溶入其它组元原子所形成的均匀混合的固态溶体。
它最大的特点是保持溶剂的晶体结构类型:
根据溶质在固溶体点阵中的位置可分为置换固溶体和间
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隙固溶体;按固溶度则分为有限固溶体和无限固溶体;按溶质在固溶体中的排布,则分为有序固溶
体和无序固溶体。
1.置换固溶体:
当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时,溶质原子占据溶剂点阵的阵点,或者说溶质
原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子,这种固溶体就称为置换固溶体。
影响置换固溶体溶解度的因素:
①晶体结构(晶体结构相同是形成置换/无限固溶体的必要条件)
②原子尺寸因素:
原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。
△r=(rA-rB)/rA当
△r<15%时,有利于形成溶解度较大的固溶体;当△r≥15%时,则△r越大,则溶解度越小。
③化学亲和力(电负性因素):
电负性差越大,倾向于生成化合物而不利于固溶体,生成的化
合物越稳定,则固溶体的溶解度越小。
④原子价/电子浓度
电子浓度计算公式:
eA(100x)Bx
A、B:
溶剂和溶质的原子价;x:
溶质的原子数分数
a100
对于一价金属溶剂的极限电子浓度分别为:
fcc1.36;bcc1.48;hcp1.75。
⑤温度:
一般情况下,温度升高,固溶度升高。
2.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
形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素。
间隙固溶体都是有
限固溶体,而且溶解度很小。
注:
碳在γ-Fe中的溶解度为什么大于在α-Fe中的溶解度?
形成间隙固溶体的条件:
①△r>41%;②溶质为H、C、B、N等;③溶剂为过渡金属。
二、中间相(掌握)
中间相:
组成合金相的异类原子有固定的比例,所形成的固相晶体结构与所有组元均不相同,且这
种相成分多数处在A在B中的溶解限度和B在A中的溶解限度之间,即落在相图的中间部位,根
据影响因素可分为:
正常价化合物、电子化合物、原子尺寸因素化合物。
原子尺寸因素化合物:
根据结构不同可将原子尺寸因素化合物分为间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相。
前两者组成原子半
径差较大,后者原子半径差较小。
间隙相的特点:
r
①0.59
X
r
M
;②简单晶体结构;
③结合键为共价键和金属键,高熔点、高硬度,是合金工具钢和硬质合金中的主要强化相。
举例:
过渡金属氢化物,过渡金属氮化物,TiC、VC等。
间隙化合物的特点:
r
①X0.59
r
M
;②复杂晶体结构
③结合键为共价键和金属键,熔点和硬度均较高,是钢中的主要强化相。
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举例:
M3C型、M7C3型、M23C6型、M6C型,M代表Cr、Fe、W等过渡金属。
从晶体结构的角度,试说明间隙固溶体、间隙相以及间隙化合物之间的区别。
第四节离子晶体结构
一、离子晶体的结构规则(了解)
Ⅰ.负离子配位多面体规则:
在离子晶体中,正离子的周围形成了一个负离子配位多面体,正
负离子间的平均距离取决于离子半径之和,而正离子的配位数则取决于离子半径之比。
离子半径比、配位数与配位多面体的形状之间的关系
R+/R-正离子配位数负离子配位多面体
0→0.1552哑铃状
0.155→0.2253三角形
0.225→0.4144四面体
0.414→0.7326八面体
0.732→1.008立方体
1.0012最密堆积/十四面体
Ⅱ.电价规则:
在一个稳定的离子晶体结构中,每个负离子的电价Z-等于或近似于与临近的各
个正离子静电键强度S的总和
Z
Z
S
i
n
iii
Si:
第i种正离子静电键强度;Z+:
正离子电荷;n:
正离子配位数
Ⅲ.负离子多面体共用顶、棱和面的规则:
在一配位结构中,共用棱,特别是共用面的存在,
会降低这个结构的稳定性。
对于电价高、配位数低的正离子,此效应尤为显著。
Ⅳ.不同类正离子配位多面体间的连接规则:
在含有两种以上正离子的离子晶体中,一些电价
较高、配位数较低的正离子配位多面体之间,有尽可能互不结合的趋势。
Ⅴ.节约规则:
在同一晶体中,同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度的趋于一致。
二、典型离子晶体结构(掌握)
AB型化合物:
参数
晶体结构
CsCl型结构NaCl型结构
β-ZnS/闪锌
矿型结构
α-ZnS/纤锌
矿型结构
点阵结构类型简单立方面心立方面心立方六方晶系
配位数/CN8644
晶胞内原子数1442
举例CsBr、CsIMgO、NiOCuClZnO
三、硅酸盐的晶体结构(了解)
硅酸盐按其晶体结构可分为:
孤岛状、组群状、链状、层状和骨架状(均以[SiO4]为单元相互连
接)
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第三章晶体缺陷
1、概念
肖脱基缺陷、弗仑克尔缺陷、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、位
错反应、扩展位错
2、分析判断
位错反应条件,位错受力分析。
重点:
点缺陷,线缺陷,面缺陷的概念、点缺陷平衡浓度的计算、刃型位错和螺型位错的概念以及
特征、位错的分解及合成、位错的运动(滑移和攀移)、作用在位错线上的力、表面以及相界的概念
概述:
晶体缺陷即实际晶体偏离理想晶体结构的情况;根据其几何特征可分为点缺陷、线缺陷、
和面缺陷三类。
点缺陷:
在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。
如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷:
在两个方向上尺寸很小,而另一个方向上尺寸较大的缺陷。
主要是位错。
面缺陷:
在一个方向上尺寸很小,在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。
如晶界、相界、表面等。
第一节点缺陷
点缺陷指在三维空间的各个方向尺寸都很小,约为一个或几个原子尺寸,包括空位、间隙原子、
杂质或溶质原子。
一、点缺陷的形成(掌握)
肖特基缺陷:
离开平衡位置的原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置而留下的空位;
弗仑克尔缺陷:
离开平衡位置的原子挤入点阵的间隙位置,而在晶体中同时形成数目相等的空位和
间隙原子。
空位的形成能(Ev):
在晶体内取出一个原子放在晶体表面上(但不改变晶体表面的表面积和表面能)
所需要的能量。
热平衡点缺陷:
由于热起伏促使原子脱离阵点位置而形成的缺陷。
过饱和点缺陷:
晶体中点缺陷浓度超过点缺陷平衡浓度。
过饱和点缺陷获得的方式:
Ⅰ高温淬火Ⅱ冷变形加工(塑性变形)Ⅲ高能离子辐照
点缺陷存在的原因:
热起伏或能量起伏,因此说点缺陷是热力学上稳定的缺陷。
二、点缺陷的平衡浓度(掌握)
E
点缺陷的平衡浓度的计算:
CAexp(v)
RT
E:
点缺陷的形成能
v
三、点缺陷的运动(了解)
点缺陷的复合:
点缺陷在运动过程中,当一个间隙原子与一个空位相遇时,它将落入该空位,而使
二者都消失的过程;
迁移能(Em):
点缺陷从一个平衡位置到另一个平衡位置,必须得到足够的能量来克服周围势垒的障
碍,这一增加的能量即为点缺陷的迁移能。
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第二节位错/线缺陷
一、位错的基本类型和特征(掌握)
从位错的几何结构来看,晶体中的位错可分为刃型位错和螺型位错
1.刃型位错
模型:
滑移面/半原子面/位错线(位错线┻晶体滑移方向,位错线┻位错运动方向,晶体滑移方向
//位错运动方向。
)
分类:
正刃型位错:
多余半原子面在滑移面上方(┻);负刃型位错:
多余半原子面在滑移面下方(┳)。
特点:
a.多余半原子面在滑移面上方称为正刃型位错。
多余半原子面在滑移面下方称为负刃型位错。
b.刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线,它必与滑移方向垂直,也垂直于
滑移矢量。
c.滑移面必是同时包含位错线和滑移矢量的平面,其他面上不能滑移,在刃型位错中,位错线与
滑移矢量构成的滑移面唯一。
d.晶体中存在刃型位错之后,位错周围的点阵发生弹性畸变,既有切应力,又有正应力,就正
刃型位错而言,滑移面上方的点阵受压应力作用,下方点阵受到拉应力,负位错相反。
e.在畸变区,每个原子具有较大的平均能量,刃型位错属于线缺陷。
2.螺型位错
模型:
滑移面/位错线。
(位错线//晶体滑移方向,位错线┻位错运动方向,晶体滑移方向┻位错运动
方向。
)
分类:
左螺型位错;右螺型位错。
特点:
a.无额外半原子面,原子错排是呈轴对称的。
b.分为右旋、左旋
c.螺型位错线与滑移矢量平行,因此一定是直线,且位错线的移动方向与晶体滑移方向相互垂直。
d.纯螺型位错的滑移面不是唯一的,实际上,滑移通常在那些原子密排面上进行的。
e.螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变,但是,只有平行于位错线的切应变,没有正应变,
则不会引起体积膨胀和收缩,且在垂直于位错线的平面投影上,看不到原子的唯一,看不出有缺陷。
f.也属于线缺陷
3.混合位错
其滑移矢量既不平行也不垂直于位错线,而与位错线相交或成任意角度
位错的连续性:
位错是已滑移区和未滑移区的边界线,一根位错线不能终止于晶体内部,而只能露头于晶体表
面(包括晶界),若它终止于晶体内部,则必与其他位错线相连接(即位错结点),或在晶体内部形
成封闭线,形成封闭线的位错称为位错环。
二.伯氏矢量(掌握)
1.伯氏矢量的确立步骤:
①选定位错线正方向ξ,规定出纸面的方向为位错线的正方向;
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②逆时针作伯氏回路;
③连接终点至起点的有向线段即为伯氏矢量。
2.伯氏矢量的物理意义:
伯氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总积累的物理量;其方向表示位错的性质和位错的取向,
即位错运动导致晶体滑移的方向;其大小表示畸变程度,称位错强度;
3.伯氏矢量的守恒性:
伯氏矢量与伯氏回路的选取无关;一根位错线具有唯一的伯氏矢量。
4.柏氏矢量的表示方法
a
a.表示:
buvw
n
(可以用矢量加法进行运算)。
b求模:
a
buvw
222
n
三、位错的运动(掌握)
位错的基本运动形式:
攀移和滑移
1.滑移
a.位错的滑移是在外加切应力的作用下,通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上
不断地作少量的位移(小于一个原子间距)而逐步实现的。
b.当位错线沿滑移面滑移通过整个晶体时,就会在晶体表面
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