材料科学与工程基础第二版考试必备宝典

第1章绪论1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。第2章物质结构基础1．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则2．电离能及其影响电离能的因素解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。影响因素：①同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；②同一族，原子半径增大，电离能减小；③电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；3．混合键合实例解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合；高分子：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。4.将离子键，共价键，金属键按有无方向性进行分类，简单说明理由有方向性：共价键无方向性：离子键，金属键③金属键：正离子排列成有序晶格，每个原子尽可能同更多的原子相结合，形成低能量的密堆结构，正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力，无饱和性又无方向性。②共价键：共用电子云最大重叠，有方向性③离子键：正负离子相间排列，构成三维晶体结构，无方向性和饱和性5.简述离子键，共价键，金属键的区别6.为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料金属密度高的两个原因：第一，金属有较高的相对原子质量。第二，金属键没有方向性，原子趋于密集排列。7.影响原子(离子)间距的因素：（1）温度升高,原子间距越大,热膨胀性；（2）离子价负离子的半径其原子半径正离子的半径（3）键能增强，原子距离缩短，键长减少（C-C单,双,叁键）；（4）相邻原子的数目(配位数)配位数增加，相邻原子的电子斥力越大,原子间距增大。相邻原子的数目越多，原子间距（结合原子或离子有效半径）越大。8.原子的电子排布式按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。解：N:1s22s22p3O:1s22s22p4Si:1s22s22p63s23p2Fe:1s22s22p63s23p63d64s2Cu:1s22s22p63s23p63d104s1Br:1s22s22p63s23p63d104s24p59．比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。解：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。10．比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。解：键能大小：化学键能物理键能共价键≥离子键金属键氢键范德华力共价键中：叁键键能双键键能单键键能结合键的主要特点：①金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；②离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；③共价键共用电子对，有饱和性和方向性；④范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；⑤氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：①结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。②密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。陶瓷250~600GPa，金属70~350GPa，高分子0.7~3.5GPa。④塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。11.晶体的共同性质1）确定的熔点温度升高到某一值，排列方式解体，原子成无规则堆积，呈现液体；2）自发形成规则多面体外形的能力；3)稳定性（能量最低状态）；4)各向异性（不同方向,物理性能不同）；5)均匀性(一块晶体各部分的宏观性质相同)12.名词解释：致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。13．同素异构转变，并举例说明。解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。例：铁在不同温度下晶体结构不同，906℃体心立方结构，α-Fe906～1401℃面心立方结构，γ－Fe1401℃～熔点（1540℃）体心立方结构，δ-Fe高压下(150kPa)密排六方结构，ε－Fe14．按键合类型，晶体分哪几类？各自的键合类型和主要特点如何？解：按键合类型，晶体分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。①金属晶体：金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和性；低能量密堆结构。（大多数金属晶体具有面心立方，体心立方和密排六方结构，金属晶体的原子排列比较紧密，其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。）②离子晶体：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化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小。（硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。）③共价晶体：共价键结合，具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制，晶体的配位数为（8-N）。N表示原子最外层的电子数。（强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。配位数比金属晶体和离子晶体低）④分子晶体：范德华键合氢键结合；组元为分子，仅有范德华键时，无方向性和饱和性，趋于密堆，分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用，限制了堆砌方式；有氢键时，有方向性和饱和性。15.2-1516书中各例题17.归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点结构特征结构类型体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp点阵类型体心立方面心立方简单六面点阵常数aaa，c，c/a=1．633最近原子间距d=（√3/2）ad=（√2/2）ad=√a2/3+c2/4=a晶胞中原子数246配位数81212致密度0.680.740.7418.已知916℃时，γ-Fe（面心立方）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）,（111）,（112）的晶面间距。属于立方晶系d=a/√h2+k2+l2，面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时d=a/2√h2+k2+l2∴（100）面，d=a/2√h2+k2+l22=0.1825nm（111）面，d=a/√h2+k2+l2=0.2107nm（112）面，d=a/2√h2+k2+l2=0.4470nm19.2-39在温度为912℃，铁从bcc转到fcc。此温度时铁的两种结构的原子半径分别为0.126nm和0.129nm，（1）求其变化时的体积变化V/O。从室温加热到铁1000℃，铁的体积变化？解：（1）bccN1=2fccN2=4ρ1=(N1/Na)MFe/a31，ρ2=(N2/Na)MFe/a32∴ρ1/ρ2=N1a32/N2a31=0.986VO=(V1−V2)/V1=1−V2/V1∴Vo=1−0.986=0.014∴其变化时的体积变化为0.014。（2）912℃时，由bcc转变为fcc，体积减小；912℃-1000℃，受热膨胀，体积增大20.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度21.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r(Na+)=0.097,r(Cl-)=0.181）;（c）由计算结果，可以引出什么结论？（c）结论：原子大小相同时，致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密度。22．有序合金的原子排列有何特点?这种排列和结合键有什么关系？解：特点：各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列，称为分点阵，整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称为超点阵或超结构。232-5724.如何根据固溶体密度判断固溶体类型ρcρe间隙式固溶体ρc=ρe置换式固溶体ρcρe缺位式固溶体25.举例说明非化学计量化合物判断其正负离子空缺情况组分偏移化学式的化合物即为非化学计量化合物如FeO中Fe2+氧化成Fe3+则形成阳离子空位26.书上各例题27.铝为面心立方晶体，摩尔质量为26.97原子半径为0.143nm，求铝的密度？ρc=N*M/Na*V28．晶体缺陷的分类。肖脱基缺陷(SchottkyDefect)弗仑克尔缺陷(FrenkelDefect)：点缺陷对晶体性质的影响解：肖脱基缺陷：有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基（空位）缺陷。点缺陷对晶体性质的影响：点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。1）使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散射增加；2）加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动；3）使材料体积增加，密度下降4）比热容增大附加空位生成焓5）改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。29．柏氏矢量的物理意义。解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小。30.体积（晶格）扩散的微观机制类型解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。包括3种微观扩散机制：①空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。②间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。③直接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置31.比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。1．温度对扩散系数的影响2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3．体积扩散系数（晶格或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数。5．铁的自扩散系数α(Fe)与γ(Fe)解：1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。共价键