材料科学基础复习-2015.

《材料科学基础》复习内容2015.6期末考试形式《材料科学基础》2014-2015第2学期类型1、名词解释（~15分）2、判断题（~20分）3、填空题（~20分）4、简答题（~15分）5、作图识图（~15分）6、计算题（~15分）第一章原子结构与键合概念：1、原子间键合类型及本质。2、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。材料中的键范德瓦尔力（二次键）共价键金属键半导体聚合物离子键陶瓷和玻璃金属结合键的特性离子键共价键金属键结构特点无方向性或方向性不明显，配位数大方向性明显，配位数小，密度小无方向性，无饱和性，配位数大，密度大力学特点强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性热学特点熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子有各种熔点高，导热性好，液态的温度范围宽电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为非导体导电体根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子金属材料：金属键陶瓷材料：共价键/离子键高分子材料：共价键/分子键/氢键第二章固体结构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、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。2、计算晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。体心立方堆垛因子（致密度）0.68配位数：8面心立方堆垛因子（致密度）0.74配位数：12密排六方堆垛因子（致密度）0.74配位数：12晶体结构=空间点阵+基元刚球模型三种典型金属结构的晶体学特点结构特征晶体结构类型面心立方(A1)体心立方(A2)密排六方(A3)点阵常数aaa,c(c/a=1.633)原子半径R晶胞内原子数426配位数12812致密度0.740.680.74a42a434321,222caa14种布拉菲点阵与7个晶系7个晶系棱边长度及夹角关系14种布拉菲点阵立方a=b=c,===90简单立方体心立方面心立方四方a=bc,===90简单四方体心四方菱方a=b=c,==90简单菱方六方a1=a2=a3c,==90,=120简单六方正交abc,===90简单正交底心正交体心正交面心正交单斜abc,==90简单单斜底心单斜三斜abc,90简单三斜立方晶系常见晶向由于3个坐标轴存在正、负值，因此在晶向指数中也可存在负值。如：]111[],111[,]111[晶向族：111立方晶系常见晶面晶面族：{100}六角晶系中的晶向、晶面（a）晶向（b）晶面]0211[]0011[]0001[)0101()1110()0001(注意：三指数系统与四指数系统转换关系晶带定律所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系：hu+kv+lw=0[uvw]（hkl）晶带轴晶带面晶带线性与平面原子密度线原子密度：在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，2个原子中心间的线段长度为l，此线段中包含的原子部分的尺寸为c，c/l为线原子密度（LD）。面原子密度：在特定的晶面上，晶面通过原子中心，由几个原子中心构成的平面的面积Ap，此平面中包含的原子部分的面积Ac，Ac/Ap为面原子密度（PD）。密度计算AvogardroNVAnAcmolatoms/10023.623x常数，阿伏加多罗—晶胞体积—原子重量—晶胞中的原子数—密度—rNVnAAc=r晶体结构可以视为原子密排面在空间一层一层平行堆垛的结果。密排面数量密排方向数量体心立方{110}61114面心立方{111}41106密排六方六方底面1底面对角线3密排面密排方向32种点群、230种空间群点群：是指一个晶体中所有点对称元素的集合。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。晶体外形中只能有32种对称点群的原因：(1)点对称与平移对称两者共存于晶体结构中，它们相互协调，彼此制约；(2)点对称元素组合时必须通过一个公共点，必须遵循一定的规则，使组合的对称元素之间能够自洽。空间群：用以描述晶体中原子组合的所有可能方式，是确定晶体结构的依据。230种空间群：晶体结构中32个点群和14种布拉菲点阵的组合得到。合金相结构合金（Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元（Component）：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形成各种相。相（Phase）：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构、成分和性能均一，并以界面（相界）相互分开的组成部分。合金中的相结构：可分为固溶体和中间相两大类。合金中的相结构：固溶体:置换式固溶体间隙式固溶体中间相（金属间化合物）:正常价化合物_符合化合物原子价规律电子化合物(休姆-罗塞里相)_电子浓度决定晶体结构间隙相_rX/rM0.59时，形成简单晶体结构间隙化合物_rX/rM0.59时，形成复杂晶体结构,Fe3C电子浓度:合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/a100)100(/BxxAaeA，B分别为溶剂、溶质的原子价，x为溶质的原子分数（%）固溶体定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型,这种类型的合金相称为固溶体。固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式（Substitutive）固溶体与间隙式（Interstitial）固溶体。间隙固溶体当溶质原子半径小，与溶剂原子半径差r41%时，溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中形成间隙固溶体通常原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、C、N、O等容易成为溶质间隙原子由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引起溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶体面心立方晶格中的间隙位于晶胞中心，由六个原子所组成的八面体中心（共4个）rB/rA=0.414位于晶胞体对角线上靠结点1/4处，由四个原子所组成的四面体中心（共8个）rB/rA=0.225设原子半径为rA,间隙中能容纳的最大圆球半径为rB体心立方晶格中的间隙位于晶胞六面体的面中心，由六个原子所组成的八面体中心（共6个）rB/rA=0.15由四个原子所组成的四面体中心（共12个）rB/rA=0.29设原子半径为rA,间隙中能容纳的最大圆球半径为rB注：体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称(其棱边长度不全相等)，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。置换固溶体—溶解度的影响因素晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。组元的晶体结构类型不同，其溶解度只能是有限的。原子尺寸：组元的原子半径差r15%时，有利于形成溶解度较大的固溶体；当r15%时，r越大则溶解度越小。化学亲和力（电负性因素）：组元间电负性相近，可能具有大的溶解度；电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。原子价因素：溶质的原子价（电子浓度）影响固溶体的溶解度，最大溶解度时，电子浓度e/a接近1.4。中间相（金属间化合物）两组元A和B组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶质含量超过其溶解度时，便可能形成新相，其成分处于A在B中、和B在A中的最大溶解度之间，故称为中间相。中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体（第二类固溶体或二次固溶体）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通常是金属键和其它典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合。因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。金属间化合物种类很多，主要包括三种：正常价化合物电子化合物间隙相和间隙化合物正常价化合物正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子化合物。例如：Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si等等电子化合物（休姆-罗塞里相）Hume-Rotheryphase电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物，即电子浓度决定晶体结构。电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，具有明显的金属特性。如：价电子浓度（e/a）：3/2—体心立方（相）；7/4—密排六方晶格（相）；21/13—复杂立方（相）；电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。间隙相当非金属原子半径（rX）与金属原子半径（rM）的比值rX/rM0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物，称为间隙相。在晶隙相晶格中金属原子位于晶格结点位置，而非金属原子则位于晶格的间隙处。间隙相中原子间结合键为共价键和金属键。间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是高合金钢和硬质合金中的重要强化相。通过化学热处理或气相沉积等方法，在钢的表面形成致密的间隙相薄层，可显著提高钢的耐磨性或耐腐蚀性。间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值rX/rM0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具有复杂的正交晶格。Fe3C中的Fe原子可以部分地被其它金属原子（Mn、Cr、Mo、W）所置换，形成(Fe、Mn)3C等，称为合金渗碳体。间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。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、弗兰克-瑞德源、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能。2、计算点缺陷浓度，位错密度。3、分析判断位错反应条件，位错受力分析。缺陷种类Imperfections,Defects点缺陷（Pointdefects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。线缺陷（Lineardefects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错。面缺陷（Interfacialdefects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。点缺陷的形成条件—原子热运动点缺陷的平衡浓度：设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为Ev，振动熵为ΔSf，k为波尔兹曼常数，则空位在T温度时的空位平衡浓度C：类似的，间隙原子平衡浓度C’：一般，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。热平衡缺陷（thermalequilibriumdefects）：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexpkTEAkTEkSNnCvvf'exp''exp'exp'''刃型位错螺型位错位错的运动位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，如强度、塑性、断裂等密切相关位错的运动方式主要是：滑移slip攀移climb位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现位错滑移的特点1)刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直；螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。2)刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致；螺型位错：滑移方向与位错运动方向垂直。3)螺型位错：如果在原滑移面上运