材料科学基础考研大纲解析文档格式.docx

1、3.原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。堆垛层错（stacking fault）是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。例如在立方紧密堆积（CCP）结构中，其固有的正常堆垛顺序为三层重复的ABC ABC ABC，如果局部出现诸如ABC AC ABC或者ABC ABAC ABC，则在划线处便是堆垛层错的所在。它们在形式上也可看成是由一个完整的晶格沿层错面、其两侧晶格间发生非重复周期平移所导致的结果。堆垛层错：原子在堆垛过程中，某一层的原子层与另外一层的原子层成发生了

2、错误的堆垛。比如面心ABCABCABCACABC产生单位面积层错所需的能量称为层错能。4.显微组织基本概念和对材料性能的影响。显微组织：采用适当方法（如侵蚀）处理后的金属试样的磨面或其复型或用适当方法制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织。第2部分材料的晶态结构1.晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念。 按照原子的排列特征可将固态物质分为晶体和非晶体。晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列，而非晶体原子则是无规则排列的。晶态与非晶态往往是可以相互转换的。晶体结构的基本特征是，原子在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。晶体与

3、非晶体在性能上的区别：晶体融化时具有固定的熔点，而非晶体则无固定熔点，存在一个软化温度范围。晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。晶体的各向异性沿晶体不同方向测得的性能（例如导电性、导热性、弹性、强度等）并不相同。非晶体的性能不因方向而异，称为各向同性。实例：沿铜单晶体不同方向测定有关性能的最大值和最小值之比，对弹性模量来说可达2.86，抗拉强度则为2.70。但是实际用到的金属材料由于一般是多晶体材料，所以表现不出各向异性。空间点阵（简称点阵）阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由他们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵。晶格将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格

4、架叫晶格。晶胞从点阵中取出一个能代表点阵特征的最基本单元。 晶格常数三条棱边的边长，。布拉非点阵（即14种空间点阵），7个晶系。参考（上交P21）。晶面间距相邻的两个平行晶面之间的距离。通常，低晶面指数的面间距交大，而高指数的面间距则较小。此外，晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密；晶面间距越小，则排列越稀疏。2.晶体晶向指数与晶面指数的标定方法，。（参考上交P23P26）3.晶体结构及类型，常见晶体结构（bcc、fcc、hcp）及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向。（上交P35P41）金属晶体、共价晶体（金刚石结构，属于面心立方点阵）、离子晶体（型结构，荧石结构

5、，纤锌矿结构）金属晶体中存在许多间隙，其中位于6个原子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙，位于4个原子所组成的四面体中间的间隙叫四面体间隙。三种晶体结构中的原子密排面和密排方向，分别是，体心立方110 ，面心立方111 ，密排六方0001 ，这些原子密排面在空间一层一层平行地堆垛起来就分别构成这三种晶体结构。通常以配位数和致密度（堆积因子）两个参数来描述晶体中原子排列的紧密程度。配位数是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。致密度是晶体结构中原子体积占总体积的百分数。晶体结构类型原子数原子半径/晶格常数致密度配位数间隙类型间隙数目体心立方（BCC，A2）20.688四面体间隙12

6、八面体间隙6面心立方（FCC，A1）40.74密排六方（HCP，A3）4.合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点。所谓合金，是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。组成合金的基本的、独立的物质称为组元。改变和提高金属材料的性能，合金化是最主要的途径。所谓合金相，是指合金中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。它是由单相合金和多相合金组成。固态下所形成的合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。固溶体 溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型所形成的合金相称为固溶体。固溶体的性能特点 点阵常数改

7、变 产生固溶强化 物理和化学性能发生变化中间相 两组元A和B组成合金时，除了可以形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B两组元均不相同的新相，由于它们在二元相图的位置总是位于中间，通常把这些相称为中间相。大多数中间相中，原子间的结合方式属于金属键与其他典型键相混合的一种结合方式，因此，它们都具有金属性。5.离子晶体和共价晶体机构，离子晶体结构规则、典型的离子晶体结构。离子晶体结构（上交P56）：典型的离子晶体是碱金属元素和卤族元素之间形成的化合物晶体。这种晶体是以正负离子为结合单元的。它们的结合是依靠离子键的作用，即依靠正、负离子间的库伦作用。为形成稳定的晶体还必须有某种近

8、距的排斥作用与静电吸引作用相平衡。共价晶体结构（上交P68） 共价晶体中相邻原子通过共用电子形成稳定的电子满壳层结构，因此，共价晶体的共同特点是配位数服从8N法则，N为原子的价电子数，这就是说结构中每个原子都有8N个最邻近的原子。这一特点使得共价键结构具有饱和性。另外，共价晶体中各个键之间都有确定的方位，即共价键具有方向性，这也导致共价晶体中原子的配位数比金属晶体和离子晶体的小。离子晶体结构规则（上交P57） 鲍林在大量的实验基础上，应用离子键理论，归纳总结出离子晶体结构规则 负离子配位多面体原则 在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡取决于离子半径之和，而正离子

9、的配位数则取决于正负离子的半径比。 电价原则 在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价等于或接近等于与之邻近的各正离子静电键强度的总和。 负离子多面体共用顶、棱和面的规则。 不同种类正离子配位多面体间连接规则 在含有两种以上正离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。 节约规则 在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。典型的离子晶体结构（上交P59） 1.AB型化合物结构 型结构是离子晶体结构中最简单的一种，属于立方晶系简单立方点阵，和的配位数均为8，一个晶胞内含有各一个。型结构 自然界中有几百中化合物都属于型结构，

10、属立方晶系，面心立方点阵，每个钠离子被6和氯离子包围，每个晶胞的离子数为8, 4个和4个 立方型结构，又称闪锌矿型，属立方晶系，面心立方点阵。2.型化合物结构（萤石）型结构，属立方晶系，面心立方点阵；（金红石）型结构 ；方晶石型结构。 3.型化合物 典型代表是刚玉（），每个晶胞中含有4个和6个4.（钙钛矿）型结构 ；方解石（）型结构 5. 尖晶石（6.高分子材料的组成和结构的基本特征（上交P8），高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。结晶度：结构复杂的高分子链很难形成十分完善的晶体，即使在严格条件下培养的单晶也有许多晶体缺陷。实际上高分子的

11、结晶体总是由晶区和非晶区两部分组成。结晶度是指试样中结晶部分的质量分数或体积分数。高分子结构的基本特征：独特的链结构 高分子链具有柔顺性 高分子结构具有多分散性 高分子聚集态结构具有复杂性高分子材料结晶形态：（上交P70）：高分子结晶结构特征：高分子的结晶是分子的结晶；结晶速度慢和结晶不完整性；晶内存在大量的缺陷；一个大分子可以穿过若干个晶胞，甚至可以从结晶区到非结晶区再穿入结晶区。高分子单晶、高分子球晶、高分子树枝状晶、高分子串晶、伸直链晶体。高分子链在晶体中的构象：对于高分子链，无规线团构象是一种比较低能的状态，在熔体、熔体及非晶态固体中的聚合物分子力图作无规线团构象。只有结晶体具有最低能

12、量。高分子材料晶态结构模型（上交P72）：缨状微束模型、折叠链模型、伸直链模型、串晶的结构模型、球晶的结构模型液晶态的结构特征与分类（上交P77）：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体，兼有晶体和液体的部分性质的中间态称为液晶。分类：近晶型、向列型、胆甾型、柱状型第3部分点缺陷和扩散1.点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。根据晶体缺陷的几何特征，可以将它们分为三类： 点缺陷，其特征是三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称零维缺陷，包

13、括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。 线缺陷，特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称一维缺陷，如各类位错。 面缺陷，特征是在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷。晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等属于面缺陷。当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖脱基空位；二是挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗兰克尔空位；三是跑到其他空位中，使空

14、位消失或是空位移位。另外，在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成间隙原子。离子晶体中的点缺陷特点（上交 P84）。 点缺陷的平衡浓度：设N个原子组成的晶体中含有n个空位（或是间隙原子），则点缺陷的平衡浓度 其中系由振动熵决定的系数，为形成一个空位或间隙原子所需的能量，为玻耳滋曼常数，T为绝对温度。同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度要比空位的平衡浓度低得多。可见影响点缺陷平衡浓度的主要外部因素是温度。点缺陷对材料性能的影响：晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶体的热力学稳定性；另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振

15、动频率，引起组织熵和振动熵的改变，是晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。固溶体：溶质原子溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶体结构类型所形成的合金相称为固溶体，根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。影响固溶体固溶度的因素（上交 P42）：a. 晶体结构、b. 原子尺寸因素、c. 电负性因素、d. 电子浓度。所谓电子浓度就是合金中价电子数目与原子数目的比值，即 ，计算公式

16、，A,B分别为溶剂和溶质的原子价，x为溶质的原子数分数（%），还应指出，影响固溶度的因素还有温度。2.扩散概念和柯肯达尔效应，扩散第一定律、扩散第二定律。扩散的概念：扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程。 在固体中，原子或分子的迁移只能靠扩散来进行。扩散第一定律（菲克第一定律）：当固体中存在成分差异是，原子将从高浓度处向低浓度处扩散，扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。方程式是 式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反。第一定律描述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。扩散第二定律：大多数扩散过程是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而变化的。方程式是 。柯肯达尔

17、效应：在置换固溶体中由于两组元的原子以不同速率相对扩散而引起标记面漂移的现象。上坡扩散：物质从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果导致提高了浓度梯度，这种扩散称为上坡扩散。3.扩散驱动力及扩散机制，反应扩散。从热力学分析可知，扩散的驱动力是化学势梯度扩散机制：交换机制、间隙机制、空位机制。大多数情况下，原子扩散是借助空位机制。反应扩散：当某种元素通过扩散，自金属表面向内部渗透时，若该元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相（也可能是另一种固溶体），这种通过扩散形成新相的现象称为反应扩散或相变扩散。4.离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制。上交 P157P165 老外

18、P106107离子晶体中的扩散机制 为了维持电中性，在离子晶体中扩散必须牵涉至少两种带电物（离子和带电的空位）。另外，空位浓度随着杂质的加入而急剧增加。附加空位对扩散影响的程度取决于这些空位必须紧密地保留与杂质离子联结的程度。若空位可以自由地从它取代的杂质原子位置移开，这些空位可以显著地增加离子晶体中的扩散速率。在离子晶体中，由于离子键的结合能一般大于金属键的结合能，扩散离子所需克服的能垒比金属原子大得多，而且为了保持局部电中性，必须产生成对的缺陷，这就增加了额外的能量，再则扩散离子只能进入具有同样电荷的位置，迁移的距离较长，这些都导致了离子扩散速率通常远小于金属原子的扩散速率。阳离子的扩散系

19、数一般大于阴离子。聚合物中的扩散机制 聚合物中扩散机制与其他材料显著不同。由于在聚合物链中单个原子是不能单独自由移动的，在聚合物中自扩散概念必然相当于整个热塑性链的移动。在晶态区域内这种移动是极端困难的。在金属、离子和共价晶体中的杂质扩散是由单个原子或离子穿过点阵进行的，而在非晶态聚合物区域的相对开放的结构中则整个分子可以穿过点阵扩散。5.扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理。扩散系数： 式中称为扩散常数，是间隙扩散时溶质原子跳跃所需额外的热力学能，该迁移能等于间隙原子的扩散激活能Q。置换扩散或自扩散的激活能均比间隙扩散激活能要大。影响扩散的因素及原理：温度 温度是影响扩散速率的最主要因

20、素。温度越高，原子热激活能量越大，越容易发生迁移，扩散系数也越大。固溶体类型 不同类型的固溶体，原子的扩散机制是不同的。间隙固溶体的扩散激活能一般较小，例如，C，N等溶质原子在铁中的间隙扩散激活能（因为C,N等原子较小，在铁中形成间隙固溶体）比Cr，Al等溶质原子在铁中的置换扩散激活能（Cr，Al原子在铁中形成置换固溶体）要小得多，因此，钢件表面热处理在获得同样渗层浓度时，渗C，N比渗Cr或Al等金属周期短，铁中渗碳或渗氮比渗金属更容易。晶体结构 晶体结构对扩散有影响，有些金属存在同素异构转变，当它们的晶体结构改变后，扩散系数也随之发生较大的变化。不同结构的固溶体对扩散元素的溶解度是不同的，由

21、此所造成的浓度梯度不同，也会影响扩散速率。例如，钢渗碳通常选取高温下奥氏体状态进行，除了由于温度作用外，还因碳在中的溶解度远远大于在中的溶解度，这使碳在奥氏体中形成较大的浓度梯度，而有利于加速碳原子的扩散以增加渗碳层的深度。晶体缺陷 在实际使用中的绝大多数材料是多晶体材料，对于多晶体材料，扩散物质通常可以沿三种途径扩散，即晶内扩散、晶界扩散和表面扩散。以分别表示晶内、晶界和表面扩散激活能；分别表示晶内、晶界和表面扩散系数，则一般的规律是：，所以 化学成分 第三组元（或杂质）对二元合金扩散原子的影响较为复杂，可能提高扩散速率，也可能降低，或几乎无作用。某些第三组元的加入不仅影响扩散速率而且影响扩

22、散方向。应力的作用 如果合金内部存在应力梯度，应力就会提供原子扩散的驱动力，那么即使溶质分布是均匀的，也可能会出现化学扩散现象。如果在合金外部施加应力，使合金中产生弹性应力梯度，这样也会促进原子向晶体点阵伸长部分迁移，产生扩散现象。第4部分线、面和体缺陷1.位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。位错类型：刃型位错、螺型位错。刃型位错：设含有位错的晶体为简单立方晶体，在滑移面上多出一个半原子面，像一把刀刃插入晶体中，使滑移面上下两部分晶体之间产生了原子错排，称为“刃型位错”，多余的半原子面与滑移面的交线就称为刃型位错线。刃型位错线与滑移

23、方向垂直。多余的半原子面在滑移面上边称为正刃型位错，反之为负刃型位错。螺型位错：位错附近的原子是按螺旋形排列的，这种位错称为螺型位错。螺型位错平行于滑移方向。位错线：已滑移区和未滑移区得边界线。因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）。为了便于描述晶体中的位错，以及更为确切地表征不同类型位错的特征，柏格斯提出了采用伯氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量即柏氏矢量来揭示位错的本质。螺型位错的柏氏矢量（）与位错线平行，同向平行为右螺旋位错，反向平行为左螺旋位错。在好区中围绕位错作一闭合回路，回路的每一步，都连接相邻的同类原子，并且始终保持在晶体

24、的好区，这个回路称Burgers回路柏氏矢量的物理意义：柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变总累积的物理量。该矢量的方向表示位错的性质与位错的取向，即位错运动导致晶体滑移的方向；而该矢量的模表示了畸变的程度，称为位错的强度。由此，我们也可以把位错定义为柏氏矢量不为零的晶体缺陷。2金属晶体中的滑移面和滑移方向。金属材料发生塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向（即密排面和密排方向）。这是因为原子密度最大的晶面其面间距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面滑移；至于滑移方向为原子密度最大的方向

25、是由于最密排方向上的原子间距最短，即位错最小。一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。体心立方有48个滑移系，面心立方12个，密排六方3个。晶体结构滑移面滑移方向滑移系数目（总数）BCC1 1 01 1 21 2 348FCC1 1 11 1 0HCP（0 0 0 1）1 1 033.离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错（老外P130）离子晶体中的位错 一般而言，无论是滑移方向还是滑移面都不是密排的。结果，位错在离子晶体中的移动的阻力比金属晶体高。另外，同一类离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体中的滑移系数目，这些因素都会降低位错在离子晶体中的活动性。共价晶体中的位错 共价化

26、合物中的滑移系有某些与离子晶体相同的特性。如离子晶体那样，它的柏氏矢量比较长，位错移动的固有点阵阻力值高。此外，位错移动时必须破坏高的共价键能，从而使得它有高的强度。聚合物晶体中的位错 位错在聚合物的晶态区域存在。因为聚合物单胞尺寸很大，其几何关系比较复杂，所以，其柏氏矢量比其它晶体结构的大很多。聚合物中分子内的共价键比分子之间的二次键强很多，这导致主滑移方向倾向沿着高分子键的轴方向，位错在聚合物变形中并不起主要作用。4.晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界面等基本概念多数晶体物质由许多晶粒所组成，属于同一个固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界。而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所

27、组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）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”，此公共晶面就称孪晶面。具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界面”。按结构特点可以分为，共格界面、半共格界面、非共格界面。比如面心ABCABCABCACABC。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量晶粒度是指晶粒大小的量度，常用单位体积中的晶粒数目或单位面积上晶粒的数目来表示。晶粒尺寸：片晶的大小。常用的晶粒尺寸的量度是美国材料协会及测试协会（ASTM）的晶粒尺寸级别，方程式 ：是在放大倍数100下每（英寸）的晶粒数目。6.体缺陷基本概念体缺陷是专指晶态材料中失去有序特征的三维区域。类型：空洞、沉淀物。7.材料的强化方法及机制。.固溶强化：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。细晶强化 工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒