材料科学导论复习要点(完结篇)

复习要点(Emphasisofrevision)考试是以PPT和上述参考书内容为主。试题一共10题，有一半简单计算一半概念题。试题内容包含在上述复习要点中。的局部为重点复习内容PPT第二讲(英文参考书第二章〕原子结构的回忆电子，质子，中子，原子的量子力学，电子态，周期表固体中的原子键合键能键能〔BondEnergy〕通常是指在101.3KPa和298K下将1mol气态分子拆开成气态原子时，每个键所需能量的平均值，键能用E表示。是表征化学键强度的物理量，可以用键断裂时所需的能量大小来衡量。根本的原子键离子键，共价键，金属键正负离子间的静电相互作用是离子键的根源。共价键的本质在于两个原子各有一个自旋相反的未成对的电子，由于原子轨道相重叠而构成价键轨道，导致体系的能量下降。金属键在本质上和共价键有类似的地方，但是其外层电子比共价键更公有化，电子自由游移于正离子之间，普及整个晶体，构成近自由电子，这就像是正离子浸在近自由电子的海洋之中。金属键和共价键最明显的区别就是金属键缺乏方向性和饱和性。二次键〔范德华力〕PPT第三讲(英文参考书第三章〕结构基元：通过周期性重复排列而组成晶体的最根本的重复单元。晶体结构面心立方结构，体心立方结构，六角密堆结构原子堆积因素原子堆积系数APF=原子总体积／结构基元体积配位数：相邻原子周围没有电子轨道重叠的参考原子〔离子〕的数量。〔1〕面心立方结构：配位数CN=12每个结构基元的原子数，n=4面上：6×1／2=3角上原子数：8×1／8=1原子堆积系数APF=0.68总体积:结构基元的体积:〔2〕体心立方结构：a=4R√3配位数CN=8每个结构基元的原子数，n=2中间原子数：1×1=1角上原子数：8×1／8=1原子堆积系数APF=0.68〔3〕六角密堆结构：配位数CN=12每个结构基元的原子数，n=6中间原子数：1×3=3角上原子数：12×1／6=2角上原子数：2×1／2=1原子堆积系数APF=0.7原子堆积系数密度计算：其中：Vc=a3(FCC和BCC)，a=2R√2(FCC)；a=4R√3(BCC)；n—原子中的结构基元数；A---分子量；NA=6.023×1023atoms/mol.晶面指数结晶取向PPT第四讲(英文参考书第四、五章〕点缺陷：包括〔空缺，间隙，杂质〕晶体中的点缺陷是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷。空缺数目NV=NSexp(-QV/KBT),NS:规那么晶格位置的数目；QV：形成完整晶格空位所需的能量；KB：玻尔兹曼常量；T：开尔文温度位错：晶体中某处一列或假设干列原子有规律的错排。位错对材料的力学性能如塑性形变、强度、断裂等起着决定性作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错分类：刃位错、螺位错、混合位错伯格矢量b:表征位错线的性质、总畸变的积累、位错强度刃位错的伯格矢量与位错线垂直；螺位错的伯格矢量与位错线平行晶界：晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面。晶界分类：根据相邻晶粒间位向差的大小不同分为：〔1〕小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于10°的晶界。〔2〕大角度晶界〔占90%以上〕：相邻晶粒的位向差大于10°的晶界。孪晶界：指两个晶体〔或一个晶体的两局部〕沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面称为孪晶面。扩散机制扩散：质点通过热运动进行定向位移。扩散机制：〔1〕间隙机制：间隙质点沿晶格间隙进行的迁移。间隙扩散机制适用于间隙固溶体中间隙质点的扩散。〔2〕空位机制：在置换固溶体中，一个处于阵点上的原子通过空位交换位置而迁移。〔3〕换位机制：指两个相邻原子直接换位而到达原子迁移的效果。扩散方程菲克第一定律：物质从高浓度区向低浓度区迁移所遵循的规律：在单位时间内通过垂直于扩散方向单位截面的物质流量〔扩散通量〕与该截面处的浓度梯度成正比。设扩散沿x方向进行，Fick第一定律表达式：D:扩散系数，单位为m2·s-1；C：扩散组元的体积浓度，单位为㎏·m-3或mol·m-3；菲克第二定律：在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即，将代入上式，得。如果扩散系数D与浓度无关，那么上式可以写成PPT第五讲(英文参考书第六章〕应力和应变张力:受到拉力作用时，物体内部任一截面两侧存在的相互牵引力。弹性变形弹性模量:材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。泊松比:材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。塑性变形屈服强度:材料开始产生宏观塑性形变时的应力。PPT第六讲(英文参考书第七章〕脱位和塑性变形塑性变形：材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那局部变形。单晶单晶的滑动,分解施加到滑动系统上的外加应力。多晶材料：比单晶强加强机制减少晶粒尺寸晶界是位错运动的障碍：小角度晶界阻止位错效果不大；大角度晶界阻止滑移，增加材料的强度。固溶强化填隙式或替代式杂质引起晶格应变，因此，这些杂质与位错应变场作用，阻止了位错运动。应变硬化通过增加位错密度来增强。在适当熔点以下的塑性形变，使韧性金属变强。应变硬化的原因：塑性形变使位错密度增加。回复、再结晶和晶粒长大当外力移除，大局部位错、晶粒变形和应变能被保存了。冷加工前的恢复原状可通过热处理实现，包括两个过程：修复和重结晶。然后是晶畴生长。修复过程：加热-增加扩散-增加位错运动-减少位错密度，形成低能位错结构-减少内部应变能重结晶:固态金属及合金在加热(或冷却)通过相变点时，从一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程。晶畴生长:驱动力：整个晶界区域的减少导致系统能量的减少，大晶粒形成。PPT第七讲(英文参考书第八章〕韧性与脆性断裂脆性固体的断裂强度与原子间的凝聚力有关。韧性材料-广泛的塑性变形和断裂前能量吸收〔“韧性”〕脆性材料-小的塑性变形和断裂前的低能量吸收脆性断裂过程：无明显的塑性变形→裂纹扩展速度非常快→裂缝传播几乎垂直于外加应力方向→裂缝往往沿原子键的特定晶面解理面方向传播裂解。断裂力学的原理应力集中对于一个长的裂缝面向垂直外加应力裂纹尖端附近的最大应力是：其中：σ0—外加应力，a—裂缝的半长，ρT—裂纹尖端的曲率半径。〔注意，a是内部缺陷的半长，是外表缺陷的全长〕应力集中系数是：疲劳〔循环应力〕材料、零件、构件在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤而产生裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展突然完全断裂的过程。影响疲劳的因素：=1\*GB3①应力大小；=2\*GB3②外表质量蠕变〔随时间变化的变形〕蠕变是在高温的恒定负载时，材料随着时间的变化发生永久变形的现象。例如：涡轮叶片，蒸汽发生器。蠕变的过程：瞬时变形，主要是弹性的。初级/瞬态蠕变。应变、斜率随时间的变化而变化：加工硬化。二次/稳态蠕变。劳损率是常数：加工强度平衡和回复第三。应变率迅速增加直至破坏：内部裂缝，空洞，晶界别离形成等。PPT第八讲(英文参考书第九章〕定义和根本概念相和微观结构相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成局部。〔如单相、两相、多相合金。〕相图：用来表示相平衡系统的组成与一些参数〔如温度、压力〕之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。二元匀晶系统〔完整的固体溶解度〕杠杆规那么杠杆定律是一种机械的比喻的质量平衡计算。在两相间的联络线是类似于一个支点平衡的杠杆。1〕所有材料必须是在某一个相或其他相：Wα+WL=12〕混合相质量=一相的质量＋另一相的质量：WαCα+WLCL=Co3〕由上述方程得到杠杆定律。WL=(Cα-Co)/(Cα-CL)；Wα=(Co-CL)/(Cα-CL)PPT第九讲金属的相变(英文参考书第十章〕相变〔微结构的变化〕能被分为三种：1相变成分和相的数量呈现出无变化的扩散型相变〔熔化，纯金属固化，再结晶〕2相变成分和相的数量呈现出变化的扩散型相变〔共晶或共晶的变化〕3非扩散相变〔结构中所有原子的相对位移〕相变动力学相变涉及到结构和成分〔对多相系统〕的变化，所以会使原子重新整理和再分布。相变过程包括：新相的成核、在原相根底上新相的生长〔s形曲线，时间的对数为x轴，材料的变化百分比为y轴〕。成核：均相〔在过冷的相中固体颗粒自发的形成〕和非均相〔新相出现在容器壁上、杂质颗粒等〕成核吉布斯自由能G=H-TS,H=U+PV，h是焓，s是熵r*是临界核的大小,一个临界尺寸r*固体核的形成会有一个的屏蔽能阿伦尼乌斯方程：Vd是原子从液体依附到固体核的频率。△G*太高，成核被抑制△G*-1/△T2随着TD的下降，均相成核显著增加太小，低原子的移动能力抑制了成核速率。对于非均相成核：非均相成核在一个更低的过冷温度下核屏障临界核的大小相变速率和相的增长一旦新相的一个稳定的核超过了临界尺寸，它将开始增长，并利用原子能不断向粗糙界面迁移。相变速率由成核速率和增长速率共同决定的。高温条件下，接近Tm时，成核速率低，增长速率高，低温是相反。定量描述相变率rate=1/t0.5亚稳态和平衡状态相变动力学均相和非均相成核核屏障临界核的大小亚稳态和平衡状态PPT第十讲(英文参考书第十一章〕金属合金的类型金属制备金属合金的热加工退火，消除应力钢的热处理沉淀硬化合金的类型：金属合金根据组成不同分为两类：铁合金和非铁合金。铁合金中铁是主要成分，包括钢和铸造铁铁合金的产量远大于其他种类的金属，主要原因有三个：〔1〕地壳中含铁的化合物产量大〔2〕金属铁和钢合金可以通过相对节约的提炼，合金和制造技术生产〔3〕金属合金功能多样，适应于广泛的机械和物理性能铁合金最大的缺陷是容易腐蚀。合金的分类：一．铁合金钢钢是一种可能含有明显其他元素的铁碳合金，成千上万的合金具有不同的组成和热处理。机械性质随碳元素含量不同而较敏感，含量根本少于1.0%；一些更相近的钢通过含碳量的不同而被命名为低碳，中碳和高碳型。简单碳钢含有的杂质较少，含有少量的锰。1.1低碳钢〔1〕总体碳含量低于0.25%，对于热处理不敏感，强度通过冷处理而加强。〔2〕微结构由铁素体和珠光体组成。(3)因此，这些合金相对较软且脆弱但是却具有杰出的可塑性和韧性；除此之外，它们易于焊接，是所有钢中生产本钱最低的。(4)典型的应用包括自动化躯体组成，结构塑型,薄板被用于管道，建筑物，桥梁和罐头盒。1.2中碳钢〔1〕碳含量在0.25~0.60%之间，根本需要经过热处理用于提高机械强度。〔2〕主要用于温和条件。〔3〕经过热处理的合金强度高于低碳钢，但是可塑性和韧性却降低。〔4〕应用主要是车轮，跑道，齿轮和其他机器部件。1.3高碳钢〔1〕碳含量在0.60~1.40%之间〔2〕主要用于温和和坚硬条件，通常用于切割工具和工具成型模具。1.4不锈钢不锈钢在不同条件下都具有很高的耐腐蚀性，最显著的元素是铬，至少含有11%2.铸铁总体上铸铁中碳含量高于2.14%，实际上大局部含量在3.0%~4.5%之间，易于融化和铸造。二．非铁合金1.铜合金：拥有良好的物理性能2.铝合金：具有低密度，高导电性和热传导性，某些情况下较好的耐腐性。3.镁合金：最突出的性质是低密度，所有金属中最低的4.钛合金：是一种新工程材料，具有一些特有性质，强度很高，具有较高的可塑性，易于锻造。5.难熔金属：熔点很高。金属制造方法：制造方法一般包括精炼，合金和热处理。成型处理成型处理时通过塑性变形改变金属片段的方法，当温度很高的情况下结晶出现从而实现形变。金属变形通过锻造，摇晃，喷出和定型。铸造金属热处理1.退火：使材料在高温下停留一段时间然后以一定速率冷却的过程。目的：〔1〕释放内部压力〔2〕增加可塑性，韧性和柔软度〔3〕产生特殊微结构2.钢的热处理问题：在冷却过程中很难保持钢铁所有局部保持相同的环境，外表冷却快于内部。相同结构马氏散铁的产量取决于：组成，熄火环境，样本尺寸和形状。回火处理：马氏散铁是最硬和最易碎的钢铁微结构。沉淀硬化可硬化性不同于硬度。可硬化曲线：可硬化性：可硬化性随碳含量的增加而增加。影响因素：熄灭方式：在中冷却速度快于油中，空气中较慢样本的形状和尺寸：降温速度取决于从物体外表出去热量的速度，外表积越大速度越快析出硬化PPT第十一讲(英文参考书第十二、三章〕陶瓷纤维的结构和性质晶体结构稳定的陶瓷晶体结构：阳离子周围的阴离子与之接触。有一个特定的阴阳离子半径比RC/RA，可以使结构稳定。例：岩盐结构NaCl的结构:rC=rNa=0.102nm,rA=rCl=0.181nm⇒rC/rA=0.56配位数CN=6;FCC结构NaCl,MgO,LiF,FeO都是这种晶体结构。氯化铯的结构：rC=rCs=0.170nm,rA=rCl=0.181nm⇒rC/rA=0.94配位数CN=8〔ZincBlende〕锌的结构：配位数CN=4ZnS,ZnTe,SiC都是这种晶体结构。Fluorite(CaF2):rC=rCa=0.100nm,rA=rF=0.133nm⇒rC/rA=0.75配位数CN=8面心结构〔FCC〕晶体结构取决于：〔1〕堆叠顺序〔HCP或FCC〕〔2〕由阳离子占据的间隙位陶瓷纤维的应用和加工工艺=1\*GB3①眼镜=2\*GB3②微晶玻璃=3\*GB3③粘土制品=4\*GB3④耐火材料=5\*GB3⑤磨料磨具=6\*GB3⑥水泥=7\*GB3⑦先进陶瓷PPT第十二讲(英文参考书第十四、五章〕聚合物结构高聚物：是一种由聚集在一起的重复化学单体的聚合物分子所构成的材料。一些聚合物分子含有成千上万个单体，即所说的大分子。高聚物有自然界的，也有人工合成的。自然界的如：皮革、橡胶、纤维素或DNA；人工合成的如：锦纶或涤纶。分子量化学式中各原子的相对原子质量的总和，就是相对分子质〔Relativemolecularmass〕，用符号Mr表示结晶度结晶度用来表示聚合物中结晶区域所占的比例，聚合物结晶度变化的范围很宽，一般从30%～80%。聚合物的特性，应用和加工工艺应用=1\*GB3①塑料=2\*GB3②高分子纤维=3\*GB3③弹性体/橡胶=4\*GB3④硫化橡胶PPT第十三讲(英文参考书第十六、十七章〕复合材料颗粒增强复合材料是由一种或多种颗粒均匀分散在基体材料中组成的材料。包括大颗粒增强和分散颗粒增强复合材料。两者的区别在于增强机制的差异。它们采用的是连体力学机制。大颗粒复合材料用混合定律预测的弹性模量要在上限值和下限值之间：上限值下限值、分别为复合材料中颗粒、基体的体积分数纤维增强复合材料包括连续取向复合材料和非连续取向复合材料是由各种基体与纤维增强体符合而成，一般按基体材料分类，如聚合物基体、金属基体和陶瓷基体。影响因素：纤维长度的影响：：纤维的直径：纤维拉伸强度：纤维基质的结合强度2、纤维取向和浓度的影响2.1连续取向复合材料(1)在轴向上连续取向复合材料的弹性模量:；(2)纵向加载时，纤维和基体相的负载比例：在横向上的弹性模量：水平拉伸强度:：纤维破坏前后基质的应力：纤维的拉伸强力 2.2非连续取向复合材料：非连续无规取向纤维复合材料纵向的拉伸强度：I>Ic时：I>Ic时：非连续无规取向纤维复合材料的弹性模量：:纤维的效率参数结构复合材料：包括层状复合材料和三明治复合材料材料的腐蚀与降解金属腐蚀：各类金属结构一般在大气干湿交替或浸水条件下工作，金属与水或电解质溶液接触，极易发生电化学反响而受到的破坏。电化学过程：金属原子失去电子的过程称氧化反响，也称为阳极反响M→Mn++ne-金属原子被氧化成另一种化学物质的一局部的过程称为复原反响。Mn++ne-→M腐蚀率：：暴露t时后，试样失去的重量；、：密度和暴露试样的面积：常数，它的大小取决于单位制的习惯单位是：mol/m2-s,n：电子的数量，与金属原子电离有关，陶瓷材料的腐蚀陶瓷腐蚀由金属和非金属元素混合而成，因为已经被腐蚀，所以几乎对所有的环境尤其是室温下，都能够对腐蚀免疫。陶瓷腐蚀由于多腐蚀的抵抗性而被广泛应用。聚合物的降解聚合物也能够通过环境相互作用的方式经历降解。然而,不良的相互作用被指定为退化而不是腐蚀，因为过程根本上是不一样的。聚合物通过膨胀和溶解可能降解。共价原子结合破裂，可能是热能，化学反响和辐射作用的结果，通常还伴随着机械/结构整合性的下降。还要还必须强调因为聚合物的化学复杂性，他们的降解机制并不是很能被理解。溶胀和溶解当聚合物暴露在液体中,降解的主要形式是溶胀和溶解作用。当溶胀时，液体或溶质扩散，被聚合物吸收；小的溶质分子进入和占据了聚合物分子的位置。因此大分子被迫分开，样品溶胀或溶解。溶胀和溶解的特性也被温度和分子结构所影响。一般来说，不断增长的分子质量，不断增长的结晶度与交联的程度和不断降低的温度最终导致了这个退化的过程。键合断裂聚合物也可能经历退化的过程称为别离--分子链的断裂。这个引起了在点上的分子链片段的别离和分子质量的减少。放射物的影响辐射效应：某些类型的辐射〔电子束、X射线、紫外线辐射〕，拥有足够的能量穿透聚合物试样组成的原子或电子。化学反响效应：氧气、臭氧和其他物质由于化学反响会引起或加速断链。热效应：热降解对应于高温下的分子链的断裂，其结果是，一些聚合物在化学反响下产生了气态物质。这些反响证实了物质重量的损失，聚合物的热稳定性是用来衡量其抵御这种分解的能力。梯形聚合物风化作用：许多聚合物的使用都是在要暴露在户外条件下。由此产生的任何退化称为风化，其实，这可能是几个不同进程的组合。PPT第十四讲(英文参考书第十八章〕导电

半导电子和空穴半导体器件：p–n结晶体管导电聚合物和离子材料介电行为本征半导体：导电性由纯物质的电子结构决定。例子：Si,Ge,GaP,GaAs,InSb,CdS,ZnTe导电带中电子的数量随温度指数增加：n=CT3/2exp(-Eg/2kT)其中C是材料常数，Eg是带缝宽度受激发进入导电带的电子在价键带留下空穴〔正电性〕在电场下，电子与空穴向相反的方向移动，参与导电。由于在本征半导体中，电子和空穴都是电荷载体，导电率为σ=n|e|μe+p|e|μh。P是空穴浓度，μh是空穴移动性对本征半导体而言，电子移动性大于空穴移动性，即：μe>μh在本征半导体中，空穴是由每个受到激发的电子进入导电带时产生的，因此：n=p，σ=n|e|(μe+μh)=p|e|(μe+μh)〔仅适用于本征半导体〕n〔或p〕随温度指数上升，而μe和μh那么随温度〔几乎直线〕下降。本征半导体的导电性随温度而增加〔与金属不同〕 非本征半导体：导电性由杂原子的电子结构决定。与本征半导体不同，非本征半导体的电子浓度与空穴浓度不等。如果空穴浓度p>n电子浓度，称为p型而n型是n>p人们可以通过控制增加杂原子即掺杂〔增加小量浓度的杂原子〕，来设计非本征半导体的导电性，两种常见的掺杂方法为扩散与离子植入。N型半导体取代的杂质每个原子比半导体母体有更多的价电子产生额外的电子载体，额外的电子来于杂质。产生额外导电电子的杂质称为供体。元素周期表第六列和第五列的元素是第四列元素如硅，锗半导体的供体。供体状态下产生的的空穴离价谱很远而且不能移动。导电主要是通过供出的电子传导。P型半导体取代的杂质每个原子比母体有较少的价电子产生额外的电子载体，额外的电子来自母体与邻近原子的化合键是不完整的，可以看做是与杂原子微弱键和的空穴，在元素周期表中第三列的元素是第四例半导体硅，锗的供体。这种类型的杂质称为受体。与空穴〔受体〕对应的能态接近最高价带的能态。电子能很容易地从价带跃迁形成完整的价键留下空穴，导电主要是通过空穴传导。温度的影响导电根本方程：σ=n|e|μe+p|e|μh，因此，温度依耐型热导率是由温度依耐型载体浓度与移动性决定外部区：所有p供体状态的电子是受激发的冻结区：热能太低不能激发电子从p供体状态到导电带内部区：通过带缝的激发占主要地位载流子迁移率：指载流子〔电子和空穴〕在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。迁移率主要影响到晶体管的两个性能：①载流子浓度决定半导体材料的电导率〔电阻率的倒数〕的大小。迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力越大。②影响器件的工作频率。掺杂物是非纯洁物，像在金属中一样，载流子的迁移率随杂质浓度下降掺杂水平小于1020，掺杂剂对迁移性的影响是可以忽略的。对于掺杂浓度在1024m-3以下，由于增强的热分散的作用，电子和空穴的迁移都随温度的增加而下降。在本征半导体中，温度依耐型的迁移率，μe和μh与强指数温度依耐型的载体浓度相比拟弱。PPT第十五讲(英文参考书第十九、二十章〕热容量

热膨胀系数

导热系数热应力：温度改变