材料科学与工程基础复习提纲

复习提纲第一章 绪论 一、 材料的定义二、 材料的分类三、材料的重要作用四、材料科学与材料工程的研究内容及其二者区别第二章 材料结构基础一、物质的组成、状态与材料结构材料结构的四个层次二、 原子结构： （1）了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。玻尔模型 1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现（普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等）的基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设：1）任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；2）电子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在离核最近的轨道上；3）只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱，存在局限性。量子力学模型 量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrdinger 1887-1961）在1926年提出来的。薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（）。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。（2）能够描述有关电子能量的量子力学法则。能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。（3）能够用方框图表示出原子或离子核外电子的排布状态三、原子之间的相互作用：（1）原子结合键1）离子键与离子晶体离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用，有电子转移，结合力大，无方向性、无饱和性。离子键程度与元素的电负性有关。离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。2）共价键与原子晶体共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道重叠所形成负电区域的吸引力，不是正负离子间的静电力，结合力大。共价键有方向性和饱和性。原子晶体（共价晶体）：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。3）金属键与金属晶体金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性。金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。4) 氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。氢键具有方向性和饱和性。5) 范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Van der waals 键。6) 结合键分类一次键 （化学键）：金属键、共价键、离子键。二次键 （物理键）：分子键和氢键。7) 原子的排列方式 晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。非晶体：原子在三维空间内的呈现不规则排列。长程无序，各向同性。四、晶体学基础1. 空间点阵与晶体结构空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。特征：a 原子的理想排列；b 有14种。其中：空间点阵中的点阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。2. 晶胞 （1）晶胞：构成空间点阵的最基本单元。（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角,表示。晶胞中点的位置表示（坐标法）。3. 布拉菲点阵 14种点阵分属7个晶系。 4. 晶向指数与晶面指数晶向：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和晶面。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。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,k。 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。 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 计算公式（简单立方）： d=a/(h2+k2+l2)1/2注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=奇数时，d(hkl)=d/2。五、典型晶体结构及其几何特征1. 三种常见晶体结构 面心立方（A1, FCC）体心立方（A1, BCC）密排六方（A3, HCP）晶胞原子数 4 2 6点阵常数 a=2/2r a=4/3/3r a=2r配位数 12 8（86） 12致密度 0.74 0.68 0.74堆垛方式 ABCABC. ABABAB. ABABAB.结构间隙 正四面体正八面体 四面体扁八面体 四面体正八面体（个数） 8 4 12 6 12 6（rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414(1) 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。(2) 致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。K=nv/V。(3) 间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。(4) 掌握立方晶体的间隙2 离子晶体的结构 （1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。（半径比规则） （2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。 （3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。3. 共价键晶体的结构（1） 饱和性：一个原子的共价键数为8-N。（2） 方向性：各键之间有确定的方位（配位数小，结构稳定）六、 固体中的原子无序1. 固溶体按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。（1）置换固溶体1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。2）影响置换固溶体溶解度的因素a 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，有利于大量互溶。 b 晶体结构因素 结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。 c 电负性因素 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。 d 电价。 （上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）（2）间隙固溶体1）影响因素：原子半径和溶剂结构。2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。（3） 固溶体的性能 固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。1） 固溶强化：由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。2） 柯氏气团3） 有序强化（4）非化学计量化合物：高氧化态额低氧化态化合物的固溶体，一般为半导体。2.缺陷（1）点缺陷 1）空位：（空位浓浓的计算）肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。2） 间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。3） 置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。4） 点缺陷与材料行为：a. 结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）b.性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。） 力学性能（屈服强度提高。）(2) 线缺陷（位错）位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）1) 位错的基本类型a. 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（）；负刃型位错（）。b. 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。c. 混合位错模型：滑移面/位错线。2) 位错的性质a. 形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。b. 是已滑移区和未滑移区的边界。c. 不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。(3) 面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。1） 晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。2) 相界：相邻两个相之间的界面。3） 表面（4）扩散：定义及fick第一定律的应用3. 固体的转变（1）转变类型：同素异构体、非晶态的晶化、结构驰豫、相分离（2）相图：分析相图的点、线、区且确定相的组成和成分；利用杠杆原理计算各相的组成分数；条件变化时确定相的相互转变；掌握均晶相图、共晶共晶相图、包晶相图和共析相图；掌握共晶反应和共晶点、包晶反应和包晶点、共析反应和共析点。第三章 材料组成与结构一、 金属材料的组成与结构1. 三种常见金属晶体结构： 面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数。晶格类型fcc(A1)bcc(A2)hcp(A3)间隙类型正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体间隙个数84126126原子半径rA间隙半径rB2. 铁碳合金重点内容：铁碳合金的结晶过程及室温下的平衡组织，组织组成物及相组成物的计算。基本内容：铁素体与奥氏体、二次渗碳体与共析渗碳体的异同点、三个恒温转变。钢的含碳量对平衡组织及性能的影响；二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体相对量的计算；五种渗碳体的来源及形态。奥氏体与铁素体的异同点：相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%， 奥氏体最高含碳量为2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。成分、组织与机械性能之间的关系：如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为FP，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降3. FeFe3C相图，结晶过程分析及计算 （1）分析含碳0.530.77的铁碳合金的结晶过程，并画出结晶示意图。点之上为液相L；点开始L；点结晶完毕；点之间为单相；点开始转变；点开始 P共析转变；室温下显微组织为+ P。结晶示意图：1） 计算室温下亚共析钢（含碳量为）的组织组成物的相对量。组织组成物为、P，相对量为：或2） 分析含碳0.772.11的铁碳合金的结晶过程。点之上为液相L；点开始L；之间为L+；点结晶完毕；点之间为单相；点开始Fe3C转变；点开始 P共析转变；室温下显微组织为P + Fe3C。结晶过程示意图。3） 计算室温下过共析钢（含碳量为）的组织组成物的相对量。组织组成物为P、Fe3C，相对量为：或4） 分析共析钢的结晶过程，并画出结晶示意图。点之上为液相L；点开始L；点结晶完毕；点之间为单相；点 P共析转变；室温下显微组织为P。 结晶示意图：5） 计算含碳3.0%铁碳合金室温下组织组成物及相组成物的相对量。含碳3.0%的亚共晶白口铁室温下组织组成物为P、Fe3C，相对量为： 相组成物为F、Fe3C，相对量为： 6） 相图中共有几种渗碳体？说出各自的来源及形态。相图中共有五种渗碳体: Fe3C、Fe3C 、Fe3C 、Fe3C共析、Fe3C共晶 ；Fe3C：由液相析出，形态连续分布（基体）； Fe3C：由奥氏体中析出，形态网状分布； Fe3C：由铁素体中析出，形态网状、短棒状、粒状分布在铁素体的晶界上；Fe3C共析：奥氏体共析转变得到，片状；Fe3C共晶：液相共晶转变得到，粗大的条状。7） 计算室温下含碳量为合金相组成物的相对量。相组成物为、Fe3C，相对量为： 8） Fe3C的相对量：当x=6.69时Fe3C 含量最高，最高百分量为： 9） 过共析钢中Fe3C 的相对量：当x=2.11时Fe3C含量最高，最高百分量为： 10） Fe3C 的相对量计算：当x=0.0218时Fe3C含量最高，最高百分量为：11） 共析渗碳体的相对百分量为：12） 共晶渗碳体的相对百分量为：13） 说出奥氏体与铁素体的异同点。相同点：都是铁与碳形成的间隙固溶体；强度硬度低，塑性韧性高。不同点：铁素体为体心结构，奥氏体面心结构；铁素体最高含碳量为0.0218%， 奥氏体最高含碳量为2.11%，铁素体是由奥氏体直接转变或由奥氏体发生共析转变得到，奥氏体是由包晶或由液相直接析出的；存在的温度区间不同。14） 说出二次渗碳体与共析渗碳体的异同点。相同点：都是渗碳体，成份、结构、性能都相同。不同点：来源不同，二次渗碳体由奥氏体中析出，共析渗碳体是共析转变得到的；形态不同二次渗碳体成网状，共析渗碳体成片状；对性能的影响不同，片状的强化基体，提高强度，网状降低强度。15） 举例说明成分、组织与机械性能之间的关系如亚共析钢。亚共析钢室温下的平衡组织为FP，F的强度低，塑性、韧性好，与F相比P强度硬度高，而塑性、韧性差。随含碳量的增加，F量减少，P量增加（组织组成物的相对量可用杠杆定律计算）。所以对于亚共析钢，随含碳量的增加，强度硬度升高，而塑性、韧性下降。16） 说明三个恒温转变，画出转变特征图包晶转变(LBHJ)含碳量0.090.53范围的铁碳合金，于HJB水平线(1495)均将通过包晶转变，形成单相奥氏体。共晶转变(LCEFe3C)含碳放2.11一6.69范围的铁碳合金，于ECF平线上(1148)均将通过共晶转变，形成奥氏体和渗碳体两相混合的共晶体，称为菜氏体(Ld)。共析转变(S PFe3C)；含碳虽超过002的铁碳合金，于PSK水平线上(727)均将通过共析转变，形成铁素体和渗碳体两相混合的共析体，称为珠光体（P）。二、 无机非金属材料的组成与结构1. 无机非金属材料的组成与键合方式：2. 理解无机非金属材料中的简单晶体结构：如NaCl、CsCl、ZnS、金刚石立方、 CaF2和钙钛矿型，包括配位数、阳离子位置及晶胞，会计算理论密度。sodium chloride NaClcesium chloride CsClblende ZnSdiamond cubic金刚石立方fluorite CaF,硅酸玻璃原子结构perovskite 钙钛矿C（graphite 石墨）3. 根据无机非金属材料的化学式、组成离子及离子半径，确定其晶体结构由阳离子和阴离子的半径比RC/RA对比上表确定其配位数CN,再确定其晶体结构4. 了解五类常见硅酸盐结构。三、高分子材料的组成与结构1 基本概念：由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。2 化学组成（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例）（1） 单体：组成高分子化合物的低分子化合物。（2） 链节：组成大分子的结构单元。（3） 聚合度n：大分子链中链节的重复次数。3 高分子化合物的合成（1） 加聚反应a 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。（其产物为聚合物）b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。c 分类 均聚反应：由一种单体参与的加聚反应。 共聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应。（2） 缩聚反应a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子化合物的反应。b 分类 均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应。 共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。4 高分子化合物的分类（1） 按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂