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》复习提纲第1页共48页《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10(10m)原子15(10m)原子核2819m=9.1110ge=1.602210C核外电子，24m=1.6710g质子24m=1.6710g中子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±21。核外电子的排布规则：烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲第2页共48页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）金属键离子键共价键范德瓦尔斯力结合键氢键物理键（次价键）化学键（主价键）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。烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲第3页共48页4.范德瓦尔斯力静电力：固有偶极间的相互作用，F∝rT7*1诱导力：固有偶极与诱导偶极间的作用F∝r71色散力：诱导偶极间的相互作用F∝r71分子间力特点：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。烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲第4页共48页第二章固体结构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,Au4.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。烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲第5页共48页二、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uvw表示，数字相同，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]tuU，tvV，wW3/)2(VUu，3/)2(UVv，)(vut，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=05.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。烟台大学环境与材料工程学院2012级《材料科学基础》复习提纲第6页共48页c.计算公式（简单立方）：222hkladhkl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）结构特征晶体结构类型fcc/A1bcc/A2hcp/A3点阵参数aaa,c(c/a=1.633)原子半径/Ra42a43221,2234aac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)0.2250.2910.225八面体间隙数量466大小(rB/rA)0.4140.1541000.6331100.414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》复习提纲第7页共48页隙固溶体；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△r15%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：100)100(BxxAaeA、B：溶剂和溶质的原子价；x：溶质的原子数分数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△r41%；②溶质为H、C、B、N等；