材料化学考试重点整理

1、第一章1、材料的基本概念材料是人类赖以生存的基础，材料的发展和进步伴随着人类文明发展和进步的全过程。材料是国民经济建设，国防建设和人民生活不可缺少的重要组成部分，是社会现代化的物质基础与先导。材料，尤其是新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。材料特别是新材料与社会现代化及现代文明的关系十分密切，新材料对提高人民生活，增加国家安全，提高工业生产率与经济增长提供了物质基础，因此新材料的发展十分重要。材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料的起点主要来源于材料的化学制备和化学改性。2、什么是材料科学工程具有物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、计算数学等多学科交叉与结合的特点，

2、并且具有鲜明的工程性。3、什么是材料化学材料化学在研究开发新材料中的作用，就是用化学理论和方法来研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构与功能关系，使人们能够设计新型材料，提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。采用新技术和新工艺方法，合成新物质和新材料，通过化学反应实现各组分在原子或分子水平上的相互转换过程。涉及材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。材料化学既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容。同时又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。是材料学专业学生的一门重要的专业基础知识课程。4、材料的分类（1）按照材料的使用性

3、能：可分为结构材料与功能材料两类结构材料的使用性能主要是力学性能；功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能。（2）以材料所含的化学物质的不同将材料分为四类：金属材料、非金属材料、高分子材料及由此三类材料相互组合而成的复合材料。第二章1、原子结合-键合两种主要类型的原子键：一次键和二次键。（1）一次键的三个主要类型：离子键、共价键和金属键。（一次键都涉及电子的转移，或者是电子的共用。）一次键通常比二次键强一个数量级以上。 金属键：自由电子和正离子组成的晶体格子之间的相互作用就是金属键。没有方向性和饱和性的。 离子键：包含正电性和负电性两种元素的化合物最通常的键类型为离子键。阴阳离子的

4、电子云通常都是球形对称的，故离子键没有方向性和饱和性。 共价键：由两个原子共有最外层电子的键合，使每个原子都达到稳定的饱和电子层。共价键具有方向性和饱和性。（2）二次键：范德华键（二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用。）以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的，比前3种键合力要弱得多。包含色散效应、分子极化、氢键。 色散效应：对称的分子和惰性气体原子，由于电子运动的结果，有时分子或原子的内部会发生电子的偏离而引起瞬时的极化，形成诱导瞬间电偶极子，就会产生很弱的吸引力，这样的吸引力在其它力不存在时能使分子间产生结合。 分子极化：原子、离子及分子的电荷并不是固定在一定部位上，它们在相互

5、靠近时，电荷会发生偏移，形成永久弱电偶极子。 氢键：由于分于极化形成的键。（3）配价键：一种特殊的共价键，两个原子的共用电子对是由其中的一个原子单独供给的。混合键：化合物中元素间电负性差大时有利于离子键，而电负性差值小时有利于共价键，混合键合可是单个键的中间特性，也可是具有一次和二次两种键型材料中的“混合”键。确定原子成键类型的重要因素：电负性原子间电负性的差值泡利不相容原理：在每一轨道上只允许存在两个电子，且它们的自旋方向相反。2、什么叫配位数表征原子在固体中的排列，是每个原子周围的最邻近的原子数目。配位数是原子堆积在一起的紧密度和有效性的指标。3、晶体微粒（原子、分子、离子等）在空间按一定

6、的规律呈周期性重复排列组成的固体。稳定晶体特征：电荷达到平衡；按照原子尺寸每个原子内键的数目和键的方向最紧密地堆积；静电排斥力为最小。4、原子排列等级（1）短程有序：在一个中心原子周围最近邻原子的局部排列。（材料中原子的特殊排列只延伸至原子的最邻近的区域。）（2）长程有序：材料在比键长大得多的距离呈现有序。（特殊原子排列遍及整个材料内部）（3）无序：原子随机充满在封闭的空间中。（氩气等气体中原子是无序的。）5、原子间距原子的平衡距离，它是斥力和引力之间平衡的结果。（固体金属中为原子半径；离子化合物中是两种不同离子半径的和）6、晶胞：能保持整个点阵全部特征的点阵单元。显示了系统所有特征的最小体积

7、。7、点阵：原子形成有规则的、重复性的3维格子状模型。点阵内每一个阵点的周围是相同的，每个阵点都与一个或多个原子联系在一起。8、点阵或晶胞的特征参数（1）点阵参数：描述晶胞尺寸和形状的参数，它包括晶胞的各边的长度和各边之间的夹角。（2）晶胞的原子数（3）配位数：简单立方为6,体心立方为8,面心立方为12。（3）堆积因子：假设原子是刚性球，堆积因子就是原子占据空间的分数。堆积因子APF原子数/晶胞每个原子的体积晶胞体积APF体密度4r3(4) 密度：密度原子数/晶胞每个原子的原子量密度晶胞体积阿佛加德罗常数 线密度是沿一个方向单位长度上相同阵点的数目。 面密度是在所关心的面的单位面积上的原子数。

8、 体密度是单位体积中的原子数。其中简单立方a=2r，体心立方a=4r/V3,面心立方a=4r/V2,密排立方a=2r。9、密排六方：晶胞内的总原子数=(12X1/6)+(2X1/2)+(3X1)=6个。10、铸件的整体通常是由具有相同结构但取向不同的晶体组成，难形成一个晶体。大多数金属形成多晶体组织。陶瓷材料同样是多晶固体。材料是否为晶态或非晶态(无定形态)，这取决于它经历的热过程。少数材料是单晶。单晶材料没有晶界，性能独特。11、多晶转变：材料的一种晶体结构变成另一种晶体结构。多晶转变类型 位移型转变：键角发生变化的结构畸变，但不包含键的破坏，是一种可逆转变，转变速率较快。 重建型转变：键被

9、破坏，重新形成新的结构。这种转变比第一种转变所需的能量要更大，其转变速率也较慢。12、(1)金刚石型立方结构(DC晶胞)如硅、锗、锡和碳。每个原子的配位数是4;其点阵是特殊的面心立方结构。每个晶胞内应当是8个原子。(2)离子半径比和配位数的关系：离子半径比配位数0-0.15520.155-0.25530.255-0.41440.414-0.73260.732-1.081.01213、密勒指数(1) 确定方向密勒指数的步骤如下：(a) 使用右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标一一h1、k1、11和h2、k2、12。(b) 从"末”点坐标减去"始”点坐标。(c) 去掉分数。(d

10、) 用方括弧hkl将数字括起来。若有负号则在数字上面加一横线。(2) 晶面密勒指数标志的步骤如下：按照点阵参数的数目定出晶面与x,y,z坐标轴相交各点。如果面平行一个轴，截距为无限大。若晶面通过原点，则必须移动坐标系的原点。(b)取这些相交点的倒数。（c）消除分数，但不化为最小整数。（d）将最终数放入圆括号（hkl）内，负数的表示方法还是在数字上面加一横线。14、面间距布拉格定律：2dsinB=n入其中d为面间距。dhkI）,晶体的面间距可由已知晶体几何定面间距d:即具有相同密勒指数的两个相邻平行晶面之间的距离（出。（hkl）面间距为：d(hkl)a。2221/2hkI式中ao是点阵参数,h,

11、k,I代表相邻晶面的密勒指数。15、同素异构体或多晶型材料：凡具有不止一种晶体结构的材料。很多材料在特定温度下其晶体结构会发生从一种晶胞到另一种晶胞的转变。元素出现这种行为称同素异构，而化合物出现这种行为称多形性。16、材料性能与被测性能的晶体方向有关，则此材料属各向异性；材料性能在各个方向上是相同的，则晶体是各向同性的。17、非晶态或无定形结构：只有短程有序无长程有序周期性的结构。由液态到固态没有突变现象。抑止物质的晶化固态反应过程，则能发生非晶态固化反应，获得非晶态材料。非晶态材料：（1）玻璃：熔融物质在快速冷却时原子还没有来得及自行排列成周期性结构而形成的。玻璃共性：原子短程有序、长程无

12、序； 结构是各向同性的，所以性能在各个方向是均匀的； 一般能透过可见光，但可调节配方使玻璃能吸收或透过各种波长的光； 一般具有良好的电绝缘性和隔热性； 在熔融之前可软化，所以可制成各种复杂的形状； 玻璃的组成在一定范围内连续可调，可根据需要制成不同性能的系列材料。（2）凝胶：通过化学反应而不是熔融的方法生成的非晶态固体。（3）气相沉积涂层：由蒸气在冷的基板上快速冷凝而形成。18、扩散：原子或分子移动的机制称为扩散，涉及一种原子移动到另一种原子中去的物质输运过程。扩散存在于固体、液体和气体中，但气体中更主要是对流。扩散机制：（1）自扩散异类扩散（钢的渗碳：在C0/C02气氛中加热至高温，碳原子沉

13、积在铁表面，并迁入渗碳体内，碳与铁结合形成铁碳化合物，近表面形成富碳层，具有很优异的抗磨性。）（2）空位扩散间隙扩散置换、互换和环状扩散（一般情况下，对扩散起决定作用的机制是空位和间隙扩散。）19、扩散速率（菲克第一定律）通量：在单位时间内通过单位面积的原子数目。JDX式中J为通量（原子数/m2.s）；D为扩散能力，即扩散系数（口2/$）,而厶c/Ax则为浓度梯度（原子数/mm）。式中负号说明物质流是“逆”浓度梯度的，即由高浓度区域流向低浓度区域。（仅限应用于浓度梯度不随时间而变的问题。）扩散系数的表达式为:DoexpEaRT式中Ea是扩散激活能（J/mol）,T是绝对温度（K）。20、成分分

14、布（菲克第二定律）菲克第二定律：描述原子的动态或非稳态扩散，即扩散原子的浓度是随时间而变化的。若扩散系数与位置无关，也就是等效地说扩散系数与成分无关，则菲克第二定律的微分方程的形式为:deDd2cdTd2x（1）此微分方程在连续补充扩散原子的条件下，有一个解是：CsCxCsCoerf2、Dt式中es是材料表面处扩散原子的恒定浓度,6是材料内部扩散原子的初始均匀浓度,而ex则是经过时间t之后，表面下x处扩散原子的浓度。（2）如提供的扩散原子耗尽，即不能连续补充，那么菲克第二定律的具体解的形式为:2xexp2、Dt4Dt菲克第二定律的一个推论为：只要Dt项为常数，在不同条件下也可获得相同的浓度分布

15、。这能确定在完成特定热处理时温度对所需时间的影响。有效渗入距离为扩散物质含量具有原始含量与表面含量平均值的地方。有效渗入距离的表达式xerfDterfDt对于板的Y为1,对于圆柱的Y则是2。21、柯肯德尔效应：由于扩散速率不同而引起的扩散对界面的移动。22、扩散类型：（1）体积扩散（2）晶界扩散（3）表面扩散23、晶粒尺寸与障碍物数目、尺寸之间的关系如下：R=4r/f式中R是晶粒的半径，r是障碍物的半径，f是障碍物的体积分数。24、烧结：一种高温下使材料微粒连接在一起并且逐渐减小它们之间孔隙体积的过程。粉末材料压制成形t粉末微粒彼此接触但有着大量的孔隙t原子向边界扩散使孔隙缩小t空位通过晶界从

16、界面扩散出去t消除孔隙，材料变得致密。25、直径为0.001至0.3mm的金属粉末生产方法：（1）雾化法（2）粉末法（3）化学还原法26、非晶态材料：一般指非晶态半导体和非晶态金属为主的一些普通低分子非晶态材料，广义上非晶态材料还应包括传统的氧化物玻璃、非氧化物玻璃和非晶态聚合物等。（一）非晶态材料特征:（1）长程无序： 位置（几何）无序：具体指原子在空间位置上排列的无序，又称拓扑无序。 成分（化学）无序：具体指多元系中不同组元的分布为无规则随机分布。（2）短程无序： 在每个原子的近邻原子的排列仍具有一定的规律性，呈现一定的几何特征。具有确定配位数和一定结构单元。 大量的这种具有某种程度变形的

17、短程有序的结构单元的无序堆积，组成了非晶态材料整体。 非晶态材料结构的主要特征是长程无序而短程有序。短程有序的范围通常为1.52.0nm。 晶态处于最低能态，而非晶态处于较高能态，非晶态固体有向晶态转化的趋势。（二）非晶态材料稳定性问题一般非晶态材料由于其形成过程中能量未充分释放，其热力学能不是最小。非晶态材料要向能量较低的亚稳态（仍属非晶态）或稳态（即晶态）转变，其中前者转变过程称为结构弛豫，而向能量最小的稳态即晶态转变过程称为结晶或结化。非晶态材料的结构驰豫发生在整个材料制备、退火及使用过程中。常温常压下，或加热到一定的温度下保温退火，随着结构驰豫过程的进行，从一种亚稳态到达另一种亚稳态。

18、驰豫过程中，非晶态材料并不发生结晶，即不发生亚稳态向稳定态的相变，只是在微观上发生了结构的松弛，能量得到一定程度降低。结构驰豫过程一般发生在温度不太高的情况下，当温度较高时，原子扩散能力增加，可以克服势垒而重新排列，材料就可从非晶态转变为晶态。晶化温度一一非晶态材料稳定性的一个指标：非晶态材料加热至开始出现晶化的温度。提高晶化温度，可增加稳定性。第三章1、相关基本概念相图：研究相平衡体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化，并用图形来表示体系状态的变化，这种图就叫相图或状态图。通常以组分、温度和压力为变量来绘制的，具直观性。相：体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分。相的数量用符

19、号表示。相数是体系中物理、化学性质不同，并能机械地可分离部分的数目。气体只有一个气相。固体一般有多少种固体便有多少个相（固溶体为一相），同种固体若是晶型不同，就有不同相。液体可以是一相，两相或多相，由互溶程度定。一个体系内包含着不同的元素及化合物，这些元素和化合物称为物种。平衡体系中足以用来确定所有各相组成所需要的、最少数目的物种称为独立组分，它是在体系的不同物相中能够独立变易的成分数，简称组分。其数目称为独立组分数，用符号K表示。体系中的独立组分数不同于物种数S。如果体系中各物质互不作用，而各相的组成又不同，则组分数就等于各相物质的数目（K=S）;如果体系中n个物种间发生了作用，并建立了化学

20、平衡，则只有（n-1）个物种是独立的。例如：NHQ（固）円_!NH3（气）+HCI（气）两相体系内若各物种间没有化学反应，则K=S=3;若体系温度较高，会发生反应，则K=，因为取任何两种物质作为独立组分，第三种物质都可以借化学反映平衡关系式产生出来。倘若体系中NH3和HCI的浓度之间还有一定的限制条件，例如二者的比例为1:1，则在气相内两种气体可看作是NH4CI，因此组分数为1。在确定体系组分时，体系的组分数等于物种数减去各物种间存在的独立的化学平衡关系式数（R）和浓度限制条件数（R'）。组分数K的数学定义式如下：K=S-R-R'精品文档体系的自由度：指平衡体系中的独立可变因素

21、(如温度，压力，浓度等)的数目，用f表示。这些因素的数目在一定范围内任意的改变而不会引起新相的生成，因此又称之为独立变量。自由度应是体系变量总数和非独立变量数目之差。f=(K-1)+2-K(-1)=K-+2(吉布斯相律的数学表达式)对于凝聚体系，外压影响不大，只有温度是影响平衡的外界条件。相律可表示为：f*=K-+1，f*称为条件自由度。相律只适用于平衡状态。2、(1)固溶体主要有三种形式：置换式、间隙式和缺位式。(2)两种组分互溶情况： 两种组分可以任何比例互溶，生成连续固溶体。 两种组分有限度的互溶，只能生成有限固溶体。有限固溶体在结构上和相应的纯组分的晶格相同，只是晶格参数略有不同；在组

22、成上，直接和纯组分毗邻。有时称为初级固溶体。TD三种连续固溶体基本相图无论有没有最高(低)点，固相总比液相含有较多的加入后使熔点升高的组分。有限固溶体的状态图 任一纯组分加入其他组分都使液相线降低为低共熔型状态图。aeb是三相线，在此线上发生相转变：L(e)a(a)+3(b),冷却时，是从熔液中同时析出a和B两固相,称之为共晶反应。 加入一个组分使液相线降低而加入另一组分使之升高的转熔型有限固溶体状态图。当温度升高到某一值时，一种固体将变为一种液相和另一种固相，新相B总是包围着原固溶体a的，故这种转变叫做包晶反映或转熔反应：aL+B3、二元相图绘制方法：热分析法、溶解度法、淬冷法、高温X射线仪

23、、高速离心机、高温显微镜等直接观察精品文档和测定高温条件下体系相变。当物系点落在g点时，共存的两共轭相的重量比服从杠杆规则。M热分析法的基本原理：当体系缓慢而均匀地冷却点表示或为固相）时N如果体系内液相有相变发生，则温度将随相'数量匀地改变。当体系内有相变发生时，在温度-时间图上就会固相量转折点或水平段。利用这些曲线，可作温度-组成图（相图）。液相量WLMg上式为相图中的杠杆规则。把双相区中的结线视作一杠杆，杠杆两端4、二元低共熔体相图各为相是的相对含量三相共存支点就在同一温度下的物系点处。即两相的液含量比组为联结线两端固相的组成分别为例。c和d。IaLbMn(gLX/B+LEA+0B

24、rrol%5、生成化合物的二元系相图（1）形成稳定化合物体系的相图（若A和B生成的化合物在熔点温度以下都能稳定存在，则称之为温度化合物。）或B。稳定化合物的熔点C是析杠出贝度下降到TE,固相B析出，此时熔液的A、B饱和液相组成为E，始终不变（直到液相消失），A和B以E点组成的比例析出。（2）形成不稳定化合物体系的相图（如果A和B所形成的固态化合物木C，在其熔点以下就分解出液相和固体图可看成是由两个低共熔混合物的相图合并而成。）a组分化合物始析册同与放出的相图，冷却2速是细熔点。体系组成在E1以左或E2的右边，则开始结断析时，熔液含BA勺组成在E1，E2之间，液相冷却时，先析出化合物鞭然后在;两

25、相的数或一最高点，当化合物部分析出时，其融化温度将降低，当最后一滴液滴干涸时，固相组成与原始熔体组成（H点）相同。液相完全消失后，温度才又下降。A或B或另一化合物C'，这类化合物叫做不稳定化合物。）点2:熔化物的组成就是混合物组成。冷却过程中，首先析出体系呈三相平衡，待转熔反应L+B=C结束后，物系落在B,液相组成沿TBF线下移，到达F。在该温度,GC线上，体系为单相的固态化合物。点3:物系的原始组成较化合物有更多的B。在T转时，已析出的B与熔液作用产生化合物后尚有剩余。所以,在转熔温度，体系就完全凝固呈化合物和B。若体系在F点以左，冷却过程不与FH线相交，因此不发生转熔反应，而与低共

26、熔体系相同。6、固态转变体系丫a+B（共析）丫+3a（包析）a1a2+3（单析）7、相变类型（1）按照人力学的观点分为一阶相变和二阶相变（或称一级、二级）（2）从相变过程是否必须依靠原子在点阵中的扩散运动和原子位移大小分为：重建型相变、位移型相变 重建型相变特点：相变中涉及大量化学键的破坏，经历了很高的势垒，相变的潜热大，相变速率小；新相与母相没有明确的位向关系，且原子近邻的拓扑关系发生显著的变化。 位移型相变特点是：无化学键的破坏，势垒小，相变的潜热小或完全消失，可能是二级相变或弱一级相变；新相与母相间有明确的位向关系，且原子近邻的拓扑关系仍保持不变，相变对应的原子位移很小。G总_GvV点1

27、:冷至温度T1,首先析岀B,熔液组成将沿TbF线下降。至T转时，化合C（固）。此时，三相共in熔并部分熔液反应两相（度又开始下降，化合:E点后，A、C同时结晶出来。Ij线AV，其中为形成单位面析出：存（B，C及组成在F的熔液），温度不变，待已结晶出的*形成化合物，直待B消失后，体系进入I物继续形成临界晶核成沿勺形成功改变。到达E点后，A、Cb和上是相变的阻组成为E的熔液三相平衡，待液滴消失后，体系进入化合物与的两相平衡区。9、马氏体相变：无扩散相变实质上就是马氏体相变。原子不发生随机走动的相变，这表示原核心的临界尺寸为:Gv体积的吉布斯自由能是相变的驱动力;不是靠热运动,子8、一阶相变动力阻力

28、即不是靠热能的激活跨越界面转入新相的。基本特征：无扩散的相变；一种发生均匀点阵变形的转变；存在一个无畸变面；马氏体内有滑移或孪晶变形。第四章1、缺陷：实际晶体中的原子是围绕平衡位置震动的，且晶体含有结构缺陷，局部或多或少地偏离于理想的周期结构。这些偏离被称为晶体的缺陷或不完整性。2、缺陷分类（一）按缺陷来源进行分类（1）热缺陷（2）掺杂缺陷（3）与环境介质交换引起的缺陷（4）外部作用（二）按几何结构进行分类（1）零维缺陷-点缺陷点缺陷在各方向上的延伸都很小，属于发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷。可分为两大类：原子性缺陷、电子性缺陷。（2）一维缺陷-线缺陷。线缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，如位错、点缺陷链等。位错有