南昌大学材料科学导论期末试卷重点

1、材料科学导论复习题第一章1、重要概念【结构材料】是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。【功能材料】是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。【结合键】指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。【离子键】正负离子间的静电作用。【共价键】同号电荷聚集在两个原子之间，形成共用电子对。【金属键】在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为金属键。【氢键】【强健(一次键)】【弱键(二次键)】【对称性】若一个物体（

2、或晶体图形）当对其施行某种规律的动作以后，它仍然能够恢复原状（即其中点、线、面都与原始的点、线、面完全重合）时，就把该物体（图形）所具有的这种特性称之为“对称性”。【有序无序转变】【对称破缺】原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低的现象。2、问答题离子键及其晶体特点答：键合特点：无饱和性、方向性不明显、配位数大、强键（一次键）离子键材料的性能特点：高熔点、高硬度、低塑性、绝缘性能好共价键及其晶体特点答：键合特点：方向性明显，配位数小，密度小，有饱和性金属键及其晶体特点答：键合特点：无方向性无饱和性，强键金属键材料性能特点：良好的导电性及导热性、正的电阻温度系数、良好的强度及

3、塑性、特有的金属光泽、密度比较大。有序无序转变方式为什么高熔点的元素具有强的一次键和低的线膨胀系数？下图为A、B两种材料的键能曲线，请比较两种材料线膨胀系数的大小，简要说明理由。第二章1、重要概念【晶体】是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体【非晶体】物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。【空间点阵】向空间三维方向伸展的点阵称为空间点阵【七大晶系】等轴晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系【十四种布拉菲点阵】【晶向】通过晶体中原子中心的不同方向的原子列。【晶向族】原子排列情况相同在空间位向不同（即不平行）的晶向统称为晶向族。【晶面】在晶体学中，

4、通过晶体中原子中心的平面叫作晶面【晶面族】在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族。其用大括号表示，即abc。【晶面间距】同一晶面族相邻两晶面间的距离。【各向同性】晶体在不同的方向所测得的性能数值完全相同【各向异性】晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。【四面体间隙】由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大小：rB=0.225R，间隙数量为8个。【八面体间隙】位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6 个面心原子

5、所围成,大小rB=0.414R，rB为间隙半径，R为原子半径，间隙数量为4个。【无公度相】在一定的温度（或压强）范围内，某些晶体中出现某种局域的原子特性的周期性分布，称做调制结构。它的调制波长和点阵常数之间，可以有简单整数比的关系，也可以偏离简单整数比的关系。如果有简单整数比关系，便称做公度，如果偏离简单整数比关系，便称做无公度。存在公度调制结构的相称做公度相，存在无公度调制结构的相称做无公度相。公度相和无公度相之间的转变,叫做公度-无公度相变。【面心立方】原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。【体心立方】八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的

6、中心，角上八个原子与中心原子紧靠。【密排六方】原子排列在正六面柱体的各顶点和上下面的中心，在正六面柱体的中间还有3个原子。【致密度】致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，用K表示，（对一个晶胞而言）。【晶胞原子数】顶点*1/8+面心*1/2+体心*1【密排面】原子密度最大的面【配位数】配位数是指晶体结构中与任一原子最近邻并且等距离的原子数。2、问答及计算题晶体与非晶体有什么重要的差别？画出面心立方金属晶体中的任一最密排面和最密排方向，写出其晶面、晶向簇指数。画出体心立方晶体结构的基本单胞及间隙，写出单胞的原 子数和致密度下图为立方点阵晶胞，写出或计算出下列试题的答案：（1）写出以O为起点

7、的OA、OB、OC、OP1、OP4各方向的 晶向指数。几何条件：P4P6 = 3 AP4，P6P7 = 3 BP6，P1P7 = 2 CP1。 （2）写出晶面P2P3P5P7的晶面指数，并写出图中所包含的不通过O点的所有与其同一晶面族的晶面指数。课堂练习题等第三章1、重要概念晶体融化的判据：当原子热振动的均方根位移与原子间距之比值超过一定限度后，晶体即产生熔化。玻璃化转变温度：玻璃化过程的体积变化是连续的，但在体积连续变化过程中在温度Tg处斜率产生了明显的转折，这一转折称为玻璃化转变，对应于过冷液体转变为玻璃态，对应的温度Tg即为玻璃化转变温度。玻璃化转变的实质：玻璃化转变对应于液体原子非定域

8、性的丧失，原子被冻结在无序结构中，这就是玻璃化转变的实质，即结构无序的液体变成了结构无序的固体。结晶曲线示意图：见书(上)P73页位置无序的统计描述：由于非静态的长程无序特征，因此对非晶态的结构描述，一般都是用统计的方法来描述，即用它的径向分布函数来描述。伏龙诺依多面体。利用镜像分布函数来描述非晶态结构信息存在一定局限性。要获得结构的细节，还得乞助于构造模型：无规密堆模型：将液体是为均匀的，相干的而且基本上是无规的分子集合，其中并不包含晶态的区域，或在低温下存在大到足够容纳其他分子的空洞，只考虑了球形原子的堆积问题的球杆模型。无规网络模型：机构的基本单元为4个氧原子构成的四面体，并处于中心处的

9、四价硅原子键合；即相邻的四面体是拱顶点的，因而无线结构形成后，化学式保持为SiO2。这样可以形成一个无规网络结构，无线性的引入使Si-OSi键角可以对平均值产生偏离，键长也可以相应地予以伸缩，还可以沿SiO键来旋转四面体的方位。聚合物：由长链大分子（又称高分子）所构成的。高分子是由大量一种或几种较简单结构单元组成的大型分子,其中每一结构单元都包含几个连结在一起的原子，整个高分子所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。液晶态：一些物质的晶态结构受热熔融或被溶剂溶解后，变成具有流动性的液体，分子位置无序，但结构上仍然保持有序排列，即分子取向仍具有长程序，从而在物理性质上呈现

10、各向异性，形成一种兼有部分晶和液体性质的过渡状态，这种中间状态称为液晶态，具有这种状态的物质称为液晶。液晶的组成：形成液晶的有机分子通常是具有刚性结构的分子，分子量在200500g/mol，长度达几十个埃，长宽比在48之间。液晶的结构单元：可分为四类：1）棒状分子； 2）盘状分子； 3）友邦装货盘状分子连接而成的（柔性）长链聚合物； 4）有双亲分子自组装而成的膜。液晶的结构：一：热致液晶：1、向列相 第四章1、重要概念【合金】两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。【相】合金中具有同一聚集状态,同一结构，以及成分性质完全相同的均匀组成部分。【点缺陷

11、】现在我们设想这样一种情况：当温度足够高使得原子的振幅变得很大，以致于能挣脱周围原子对其的束缚(请读者考虑为什么振幅大，原子可以脱离平衡位置)。因此，这个原子就成为“自由的”，它将会在晶体中以多余的原子方式出现？如果没有正常的格点供该原子“栖身”，那么这个原子就处在非正常格点上即间隙位置。显然，这就是我们前面所说的间隙式原子。由于原子挣脱束缚而在原来的格点上留下了空位。这就是点缺陷形成的本质。【线缺陷】晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。【面缺陷】一块晶体常常被一些界面分隔成许多较小的畴区，畴区内具有较高的原子排列完整性，畴区之间的界面附近存在着较严重的原子错排。这种发生于整个界面上的广延

12、缺陷被称作面缺陷【肖特基空位】离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。【弗兰克空位】离位原子进入晶体间隙。【固溶体】是一种组元（溶质）溶解在另一种组元中（溶剂，一般为金属中），保持溶剂的点阵类型不变。【化合物】由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵。【固溶体特点】溶剂的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子（置换式固溶体），或是进入溶剂组元的间隙（间隙式固溶体）。【置换固溶体】溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。【间隙固溶体】溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。【一次固溶体】以纯金属元素为溶剂形成的固溶体。【二次固溶体】以化合物为溶剂，组元元

13、素之一为溶质而形成的固溶体。【点缺陷平衡浓度】在某一温度下，晶体自由焓最低时随对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度。【点缺陷过饱和平衡浓度】给定温度下，晶体中存在一平衡的点缺陷浓度，通过一些方法，如高温淬火、辐照或冷加工，使晶体中的点缺陷浓度超过平衡浓度。【色心】透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种缺陷。【超点阵】置换固溶体和间隙固溶体在一定条件下局部或全部成为有序排列，溶质原子和溶剂原子分别占据固定的位置，而且每个晶胞中溶质和溶剂原子之比是一定的，这种有序结构称为超点阵。【超晶格】2、问答及计算题点缺陷对离子晶体与金属晶体的导电性影响有何差别？置换固溶体和间隙固溶体

14、有什么差别？它们的形成条件如何？为什么说点缺陷是热力学平衡缺陷？如何获得过饱和点缺陷？ 固溶体如何分类？答：1、按溶质原子在点阵中所占位置分为：置换固溶体和间隙固溶体；2、按固溶体溶解度大小分为：有限固溶体和无限固溶体；3、按溶质原子在溶剂中的分布特点分为：有序固溶体和无序固溶体；4、按基体类型分为：一次固溶体和二次固溶体。弗兰克空位和肖特基空位的差别答：肖脱基（Schottky）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（Frenkel）缺陷:离位原子进入晶体间隙。在Fe中形成1mol空位的能量为104.675 kJ，计算从20升温至850时空数目增加多少倍？（玻尔兹曼常数为：

15、1.3810-23J/K）（6.21013）答：根据空位在T温度时的平衡浓度公式C=Ae-EkT，代入数据得， C2/C1=exp(-E/k)(1/T2-1/T1)=6.21013某晶体中形成一个空位所需要的激活能为0.321018J。在800时，1104个原子中有一个空位，在何温度时，103个原子中含有一个空位？（T=1201K）答：11104 =Aexp（-0.3210-181.3810-23 1073）（1） 11103=Aexp（-0.3210-181.3810-23T）（2）由（1）、（2）得 T=1201K第五章1、重要概念【位错】晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。【刃位错】

16、晶体在大于屈服值的切应力t作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。【螺位错】晶体在外加切应力t作用下，沿ABCD面滑移，图中BC线为已滑移区与未滑移区的分界处。在BC与aa线之间上下两层原子发生了错排现象，连接紊乱区原子，会画出一螺旋路径，该路径所包围的管状原子畸变区就是螺型位错。【混合位错】在外力t作用下，两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢量b），这样的位错称为混合位错。【攀移】指在热缺陷的作用下，位错在垂直滑移方向的运动，结果导致空位或间隙原子的增

17、值或减少。【滑移】位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。【位错线能量与柏式矢量关系】柏氏矢量的守恒性：对一条位错线而言，其柏氏矢量是固定不变的，此即位错的柏氏矢量的守恒性。推论： 1.一条位错线只有一个柏氏矢量。 2.如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的柏氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和。【派-纳力】位错移动受到一阻力点阵阻力,又叫派纳力。【不全位错】b小于滑移方向的原子间距的位错。面心立方晶体中，存在两种不全位错：肖克莱不全位错和弗兰克不全位错。【全位错】单位位错（全位错）b为沿滑移方向的原子间距的整数倍的位错。【位错反应条件】

18、其一，必须满足伯氏矢量的守恒性； b前 b后 其二，必须满足能量条件。 b2前 b2后【Cottrell气团】通常把围绕位错而形成的溶质原子聚集物，称为“科垂耳气团”（Cottrell Atmosphere），这种气团阻碍位错运动，产生强化。用柯氏气团可解释合金中出现的应变时效和屈服点现象。2、问 答及计算题判断位错反应1/21111/8110+1/4112+1/8 110 能否进行，为什么？为什么晶体滑移面和滑移方向都是密排面和密排方向？课堂练习第六章1、重要概念【小角度晶界】晶界两侧晶粒的位相差很小(10 ）一半多晶体各晶粒之间的晶界属于大角度晶界。其结构为几个原子范围内的原的混乱排列，可

19、视为一个过渡区。【孪晶】孪晶面两侧原子排列的规则不同，所以孪晶面也是一种面缺陷。经孪晶变形后形成的新取向的晶体部分称为孪晶。【相界】两种不同相的分界面。【共格界面】界面质点同时处于两点阵的结点上，将构成共格界面【半共格界面】半共格界面的界面能可以近似地认为由两部分组成：一项是共格界面的化学项化学，另一项是结构项结构，它是由失配位错产生的结构扭曲而引起的额外能量，【非共格界面】一般的说，两种任意取向的晶体沿任意面结合时就可能得到非共格界面【反相畴界】 第八章1重要概念：波粒二象性：与一个动量为P、能量为E的粒子相联系的单色场的波长或频率通过普朗克常量相联系：=h/p,=E/h.海森伯不确定原理：

20、xph。玻色子：粒子不受泡利不相容原理的约束，因此系统对于能够处于相同量子态Ei的粒子数目没有限制，描写粒子系统的波函数必然是对称的，满足这些要求的粒子称为玻色子。费米子：粒遵从泡利不相容原理，因而不能有2个粒子处于同一量子态Ei，系统的波函数必然是反对称的，满足这些要求的粒子称为费米子。波尔兹曼统计：a=1/e(E-)/ kT爱因斯坦统计：a=1/（e(E-)/ kT-1）金属自由电子：根据特鲁德-索末菲的自由电子模型，价电子完全公有化，构成了金属中导电的自由电子。能带:N个近自由电子在周期性势场中运动，每一个原子态的能及都分裂成N个相距很近的能及，每一个能级都离域与晶体的所有原子，当N非常

21、大时，各能级相距非常近，因此可以说它们形成一连续的能带。金属导体：金属能带结构特征为：最高占有带（价带）仅部分充满，在能带的费米能级附近的某些电子，在热激发或外电场作用下，能够获得附加的能量，而过度到该能带内的许多邻近的空能态中的任何一个，而不违背不相容原理。绝缘体：能带结构一个布里渊区（价带）是填满的，并且不与下一个全空的布里渊区（导带）重叠，由于价带的所有能级全部被占有，电子的能量被冻结，在价带中只有很少的电子具有足够的热能被激发到上面的空带上去，在一般外电场下，不能加速价带中的电子。半导体：能带结构和绝缘体类似，但在原子平衡间距处，价带和导带间的间隙要小得多，使得把价带中最上面的电子激发

22、到导带中去要容易的多。声子：能量为h/的晶格震动的简正模能量量子，称为声子。 第九章经典点导论：电导率因数：=q2vf2N(EF)0/3,材料的电导率正比于费米面处单位能量间隔的电子数N（EF）.不同的材料有不同的电导率。热点效应：塞贝克效应（应用：热电偶），帕尔贴效应（应用：制冷和制热）N型半导体：掺有施主杂质的半导体为n型半导体P型半导体:掺有受主杂质的半导体为p型半导体半导体能带：在硅原子的外层电子态结构中有2个3s态和6个3p态，随着原子间距离的缩短，杂化了s、p态能带发生交叠，且又分裂成2个能带。每个硅原子有4个价电子，这些价电子正好填满下面一个能带，该能带称为价带或满带，上面的一个

23、能带完全空着，称为导带，价带和导带由禁带隔开，其能隙为Eg。迁移率：载流子在单位电场作用下的漂移速度称为载流子的迁移率，只取正值，他描述了载流子的导电能力=|v/E|.散射：霍尔效应:将一半导体放在磁场中，磁场沿Z方向，磁感应强度为BZ,如在半导体中沿x方向通以电流，电流密度为Jx，则沿y方向将产生一电厂，这称为霍尔效应。霍尔系数：霍尔电场场强为Ey=RJXBZ,比例系数R称为霍尔系数PN结：当p型半导体和n型半导体接触在一起是便形成了p-n结。光电导：当光子能量大于禁带宽度的光照射在半导体材料上时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，从而产生电子-空穴对，光生载流子是由光注入产生的非平衡载流子，

24、光生载流子的产生使材料的电导率升高。光伏效应：当光子能量大于禁带宽度的光照射到p-n结时，同样也会产生光生电子空穴。由于p-n结空间电荷层有自建电场存在，在该电场的作用下，光生电子被扫向n型区一边，光生空穴被扫向p型区一边，如此便产生光生电动势，这被称为光伏效应。导电聚合物：孤子：反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态A相和B相，这2个状态的结构对称，能量相同，如果A相和B相在同一反式聚乙炔分子链上共存，2者之间就会形成畴壁，畴壁处蛋、双键交替的结构被破坏，此畴壁被称为孤子第十章1、重要概念【磁性来源】物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。电动力学定律：一个环形电流还应该具有一

25、定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。【磁性分类】物质的磁性大体可分为五类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。前三种为弱磁性、后两种为强磁性。【铁磁性转变】【居里点】当温度升高到居里点时，剧烈的热运动使磁畴全部瓦解，这时铁磁质就成为一般的顺磁质了。【反铁磁转变】【Neel点】磁状态转变的一个温度点，在此点之下物质是反铁磁性的，在此点之上则是顺磁性的【磁化率】磁化强度与磁场强度的比值定义为磁化率：=M/H【饱和磁化强度】在强磁性物质中，原子间的交换作用使得原子磁矩保持有秩序地排列，即产生谓自发磁化。原子磁矩方向排列规律一致的自发磁化区域叫做磁畴。该区域的磁化强度称为自发磁化强度，它

26、也是宏观物质的极限磁化强度，即饱和磁化强度，通常用符号Ms表示。【强磁材料的本征性能】【弱磁体】自发磁化强度为零。但在外磁场作用下仍具有相当于强顺磁性物质的磁化率的磁材料。【永(硬)磁材料】矫顽力较大，磁滞回线胖而大，剩磁也大的材料（单畴型永磁“AlNiCo“、永磁铁氧体、稀土永磁、碳钢、钨钢等）【软磁材料】高磁导率、矫顽力很小，磁滞回线比较瘦小，磁滞损耗较小的材料（硅钢、坡莫合金、纯铁、铁钴合金、非晶软磁合金、软磁铁氧体等）。【磁有序】【磁滞回线】当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小，M（或B）的变化滞后于H的变化。这种现象叫

27、磁滞。 在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线第十四章1、 重要概念【弹性】金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。【弹性极限】【塑性】材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。 【韧性】材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。【脆性】【单晶体滑移的临界切应力公式】【蠕变】金属或非金属晶体在恒应力作用下，除发生瞬时形变外，还要发生缓慢而持续的形变，这种形变量随着时间的延长而逐渐增加的现象。【滑移系】滑移面和滑移向的组合。 滑移

28、系越多，材料的塑性越好。【脆性断裂】提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，这种断裂为脆性断裂。（1）断裂特点：断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。（2）断口特征：平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。【延性断裂】【加工硬化】金属经冷加工变形后，其强度、硬度增加、塑 性降低。意义：（1）应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。（3）强化金属，提高力学性能。（4）提高低碳钢的切削加工性能。【陶瓷增韧】陶瓷的主要增韧机制有相变增韧和微裂纹增韧。【细晶强化】多晶体金属的晶粒通常是大角度晶界，相邻取向不同的的晶粒受力发生塑性变形时，部分晶粒内部的位错先开动，并沿一定晶体学平面滑移和增殖，位错在晶界前被阻挡，当晶粒细化时，需要更大外加力才能使材料发生塑性变形，从而达到强化的