材料科学基础.docx

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材料科学基础

材料科学基础复习参考材料

一、名词解释

1.刃位错和螺位错（Edgedislocationandscrewdislocation）

EdgeDislocation刃位错Anextraportionofaplaneofatoms,orhalf-plane,theedgeofwhichterminateswithinthecrystal.Itisalineardefectthatcentersaroundthedislocationline.

中文：

刃位错的几何特征是位错线与原子滑移方向相垂直，滑移上面部位错线周围原子受压力作用原子间距小于正常晶格间距滑移下位错线周围原子受张应力作用原子间距大于正常晶格间距

ScrewDislocation螺旋位错Formedbyashearstressthatisappliedtoproducethedistortion.Forthescrewdislocation,theBurgersvectorisparalleltothedisloctionline.

中文：

螺位错的几何特征是位错线与原子滑移方向平行，位错线周围原子的配置是螺旋状的即形成螺旋位错后原来与位错线垂直的晶面变成以位错线为中心轴的螺旋面

2.弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（SchottkydefectandFrenkeldefect）

Frenkeldefect弗伦克尔缺陷

是正常格点上的质点进入间隙位置，同时在原格点上留下1个空位时生成的一种点缺陷。

Formedbyacationleavingitsnormalpositionandmovingintoaninterstitialsite.Interstitialandvacancyformsinpairsanddoesnotresultinvolumechange.

Schottkydefect肖特基缺陷

是质点离开正常格点后进入表面新位置，同时在晶体内部留下空位所形成的一种点缺陷。

ASchottkydefectisacationvacancy-anionvacancypaircreatedbyremovingonecationandoneanionfromtheinteriorofthecrystalandthenplacingthembothatanexternalsurface.FormationofSchottkydefectwillleadtovolumeincrease.

3.间隙型固溶体和置换型固溶体（Interstitialsolidsolutionandsubstitutionalsolidsolution）

Substitutionalsolidsolution（置换型固溶体）

Thesoluteorimpurityatomsreplaceofsubstituteforthehostatoms其溶质原子位于点阵节点上替代了部分溶剂原子

Interstitialsolidsolution（间隙型固溶体）

Theimpurityatomsfillthevoidsorintersticesamongthehostatoms.其溶质原子位于点阵的间隙中

4.连续固溶体（无限固溶体，完全互溶固溶体）与有限固溶体（不连续固溶体，部分互溶固溶体）

（Limitedsolidsolutionandcompletesolidsolution）

有限固溶体：

指固溶度小于100%的固溶体

无限固溶体：

指两个或多个晶体机构相同的组元形成的范围为0~100%

5.稳定扩散与不稳定扩散（Steady-statediffusionandnon-steady-statediffusion）

Steady-StateDiffusion稳定扩散

Thediffusionconditionforwhichthereisnonetaccumulationordepletionofdiffusionspecies.Thediffusionfluxisindependentoftime.稳定扩散：

在所研究的扩散过程中，扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程。

这类问题可直接使用菲克第一定律而得到解决。

Nonsteady-StateDiffusion不稳定扩散

Thediffusionconditionforwhichthereissomenetaccumulationordepletionofdiffusionspecies.ThediffusionfluxVarywithtime.不稳定扩散:

在所研究的扩散过程中，扩散物质浓度分布随时间变化的一类扩散，这类问题的解决应借助于菲克第二定律。

6.一致转变（熔融）与不一致转变（熔融）（Congruenttransformationandincongruenttransformation）

Congruenttransformation

Atransformationofonephasetoanotherofthesamecompositionissaidtobecongruent.

incongruenttransformation

Forincongruenttransformations,atleastoneofthephaseswillexperienceachangeincomposition.

同质多晶和类质同晶像（PolymorphismandIsomorphism）

Polymorphism同质多晶

化学组成相同的物质，在不同热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象，称为同质多晶现象

Theabilityofasolidmaterialstoexistmorethanoneformorcrystalstructure.

Isomorphism类质同象现象

化学组成不同的晶体，具有相似的化学式和相同晶形的现象，称为类质同象

Solidsubstancewithdifferentcompositionshavethesamestructure.Inthephasediagramsense,isomorphicitymeanshavingthesamecrystalstructureorcompletesolidsolubilityforallcompositions.

7.结晶态的与非晶态的（Crystallineandamorphous）

8.重建性转变和位移性转变

重建性转变：

不能简单的通过原子位移来实现，转变前后结构差异大，必须破坏原子间的键，形成一个具有新键的结构。

位移性转变：

位移性转变仅仅是结构畸变，转变前后结构差异较小，转变时，并不打开任何键或改变最终的临近配位数，只是原子的位置发生少许位移，使次级配位有所改变。

9.晶子学说与无规则网络学说

硅酸盐玻璃是由无数”晶子”组成，”晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成。

所谓”晶子”不同干一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在”晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大。

”晶子”分散在无定形介质中，并从”晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。

网络学说强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性，无序性等方面。

这些结构特征可以在玻璃的各自同性、内部性质的均匀性与随成分改变时玻璃性质变化的连续性等基本特性上得到反映。

10.网络形成体，网络中间体和网络改变体

网络形成体：

其中正离于为网络形成离子，其单键>335kJ/mol。

这类氧化物能单独形成玻璃

网络中间体：

正离子称为中间离子，其作用介于玻璃形成体和网络变性体两者之间。

键强越强的氧化物熔融后负离子团也愈牢固，因此键的破坏和重新组合也愈困难，成核位垒也愈高，故不易析晶而易形成玻璃

网络改变体：

正离子称为网络变性离子，单健强度<250kJ/mol。

这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变

11.自扩散与互扩散（Self-diffusionandinter-diffusion）

Interdiffusion互扩散Inasolidwithmorethanonetypeofelement,atomstendtomigratefromregionsoflargeconcentration.

Self-Diffusion自扩散

12.固相烧结与液相烧结（Solidstatesinteringandliquidstatesintering）

固相烧结：

是指松散是粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被置于不超过其熔点的设定温度中，在一定气氛保持下，保持一段时间的操作过程。

液相烧结：

也是二元系或多元系粉末烧结过程，但烧结温度超过其某一组元的熔点，因而形成液相。

13.初次再结晶、晶粒长大、二次再结晶

初次再结晶：

是从塑性形变的具有应变的基质中，生长出新的无应变晶粒的成核和生长过程。

晶粒长大：

为了减少晶界面积，晶界以扩散方式运动。

其结果是小晶粒缩小并消失，而另一些晶粒则长大。

二次再结晶：

坯体中，少数大晶粒尺寸的异常增加，其结果是个别晶粒尺寸增加。

是区别于正常晶粒长大的。

14.硼反常现象

由于B3+配位数的变化引起性能曲线上出现较折的现象。

15.液相独立析晶

如果冷却速度不是快到使液相完全失去析晶能力，但也不是慢到足以使它能够和系统中其它晶相保持原有的相图关系，则此时液相犹如一个原始配料的高温熔体那样独立析晶，重新建立一个新的平衡体系，不受系统中已存在的其它晶相制约。

16.均匀成核（核化）和非均匀成核（核化）

（1）HomogeneousNucleation均匀成核

晶核从均匀的单相熔体中产生的几率处处相同。

（2）HeterogeneousNucleation非均匀成核

借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以及各种催化位置等而形成晶核的过程

二、综合、简答题

1.简述晶体结构与空间点阵区别与关系

答：

晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而构成，晶体结构的形式是无限多的。

空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。

空间点阵式从几何角度建立的一种空间构造，其结点周围的环境理所当然是相同的，晶体结构中质点周围的环境不一定是相同的。

2.晶体的基本性质之一是各向异性，但为什么多晶材料往往是各向同性的？

（英）

3.简述高岭石结构与蒙脱石结构及其与性能的关系

答：

高岭石的基本结构单元是由硅氧层和水铝石层构成的单网层，单网层平行叠放便形成高岭石结构。

结构与性质的关系：

根据电价规则可以计算出单层网中O

的电价是平衡的，即理论上层内是电中性的，所以高岭石的层间只能靠物理键来结合，这就决定了高岭石也容易解离成片状的小晶体。

但单网层在平行叠放时是水铝石层的OH

与硅氧层的O

相接触，故层间靠氢键来结合。

由于氢键结合比分子间力强，所以水分子不容易进入单层网之间，晶体不会因为水量增加而膨胀。

蒙脱石具有复网层结构，由两层硅氧四面体层和夹在中间的水铝石层所组成。

结构与性质的关系：

蒙脱石晶包c轴长度随水含量而变化，甚至空气湿度的波动也能导致c轴参数的变化，所以，晶体易于膨胀和压缩。

加水膨胀，加热脱水并产生较大收缩，一直干燥到脱去结构水之前，其晶格结构不会被破坏。

随层间水进入的正离子使复网层电价平衡，它们易于被交换，使矿物具有很高的阳离子交换能力。

4.为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度要高的多？

答：

-石英和

-石英在573摄氏度的晶型转变属于位移性转变，由于位移性转变仅仅是键长和键角的调整，未涉及旧键破坏和新键形成，因而转变速度很快，常在一个确定温度下发生。

-石英和

-鳞石英之间的转变是重建性转变，因为破坏旧键并重新组成新键需要较大的能量，多以重建性转变的速度很慢。

高温型的变体经常以介稳状态存在于室温条件下。

5.硅酸盐晶体结构有何特点，怎样表征其化学式？

答：

特点：

1.结构中Si

离子位于O

形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO

]四面体。

Si-O-Si键是一条夹角不等的折线，一般在145°左右。

2.[SiO

]四面体的每个顶点，即O

最多只能为两个[SiO

]四面体所共用。

3.两个相邻的[SiO

]四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。

4.[SiO

]四面体中心的Si

离子可部分地被Al

所取代，取代后结构本身不发生大的变化，即所谓同晶取代，但晶体的性质却可以发生很大的变化。

这为材料的改性提供了可能。

在表征硅酸盐晶体的化学式时，通常有两种方法：

一种是所谓的氧化物方法，即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价，3价的金属氧化物，最后是SiO

。

另一种是无机络盐表示法，是把构成硅酸盐晶体的所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号【】括起来即可。

先是1价，2价的金属离子，其次是Al

和Si

离子，最后是O

或OH

离子。

6.硅酸盐晶体的分类依据是什么？

可分为哪几类，每类的结构特点是什么？

答：

硅酸盐化学式中Si/O比例不同时，结构中德尔基本结构单元[SiO

]四面体之间的结合方式亦不相同，据此，可以对其结构进行分类。

X射线结构分析表明，硅酸盐晶体中[SiO

]四面体的结合方式有岛状，组群状，链状，层状和架状等五种方式。

岛状结构：

这类结构中[SiO

]四面体以孤岛装存在，它们之间通过其他正离子的配位多面体来连接。

组群状结构：

组群状结构是2个，3个，4个或6个[SiO

]四面体通过共用氧相连接形成单独的硅氧络阴离子团。

链状结构：

硅氧四面体通过共用的阳离子相连接，形成向一维方向无限延伸的链。

依照硅氧四面体共用顶点数目的不同，分为单链和双链两类。

层状结构：

层状结构是每个硅氧四面体通过3个桥氧连接，构成向二维方向伸展的六节环状的硅氧层（无限四面体群）。

7.简述固溶体与化合物、机械混合物的区别。

固溶体

机械混合物

化合物

形成原因

以原子尺寸“溶解”生成

粉末混合

原子间相互反应生成

物系相数

均匀单相系统

多相系统

均匀单相系统

化学计量

不遵循定比定律

遵循定比定律

结构

与原始组分中主晶体（溶剂）相同

与原始组分均不相同

8.影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？

答：

形成置换型固溶剂的条件：

1.原子或者离子的影响。

2.晶体结构类型的影响。

3.离子类型和键型。

4.电价因素

形成间隙型固溶剂的条件：

1.杂质质点的大小。

2.晶体（基质）结构。

3.电价因素

9.非化学计量化合物有何特点？

答：

非化学计量化合物具有如下特点：

1.非化学计量化合物的产生以及缺陷浓度与气氛性质，分压大小有关，这有别于其他缺陷；

2.这种化合物可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体，即不等价置换是发生在同一种离子中的高价态与低价态间的相互置换；

3.缺陷浓度与温度有关，这点也可以从平衡常数看出；

14.影响熔体粘度的因素有哪些？

试分析一价金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。

答：

影响熔体粘度的主要因素是温度和化学组成。

一价金属氧化物这些正离子由于电荷少，半径大，与O

的作用力较小，提供系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，而使活化能减低，粘度变小。

15.为什么极性共价键化合物的熔体冷却时容易形成玻璃？

答：

离子键向共价键过的的混合键称为极性共价键，它主要在于有s-p电子形成杂化轨道，并构成

键和

键。

这种混合键既有共价键的方向性和饱和性，不易改变键长和键角的倾向，促进生成具有固定结构的配位多面体，构成玻璃的近程有序；又具有离子键易改变键角，易形成无对称变形的趋势，促进配位多面体不按一定方向连接的不对称变形，构成玻璃远程无序网络结构。

因此极性共价键的物质比较容易形成玻璃态。

16.液体的表面张力与表面能在数值上是一致的，而固体的表面张力与表面能在数值上常不同，为什么？

答：

在液体中，由于液体原子（分子）间的相互作用力相对较弱，它们之间的相对运动较容易。

因此，液体中产生新的表面过程实质上是内部原子（分子）克服引力迁移到表面上成为表面原子（分子）的过程。

新形成的液体表面很快就达到一种动态平衡状态。

液体的表面自由能与表面张力在数值上时一致的。

但是，对于固体来说，其中原子（分子，离子）间的相互作用力相对较强。

就大部分固体而言，组成它的原子（分子，离子）在空间按一定的周期性排列，形成具有一定对称性的晶格。

即使对于许多无定形的固体，也是如此，只是这种周期性的晶格延伸的范围小得多（微晶）。

固体在表面原子总数保持不变的情况下，由于弹性形变而使表面积增，也就是说，固体的表面自由能中包含了弹性能。

表面张力在数值上已经不再等于表面自由能。

33.简述下列因素对固相反应的影响：

（1）反应物化学组成与结构；

（2）反应物尺寸与分布；

（3）反应温度与压力

答：

（1）化学组成是影响固态反应的内因，是决定反应方向和速度的重要条件。

从热力学角度看，在一定温度，压力条件下，反应可能进行的方向是自由焓减少的过程，而且负值愈大，过程的推动力也愈大，则沿该方向反应的几率也大。

从结构角度看，反应物质中质点间的作用愈大，则可动性和反映能力愈小，反之亦然。

（2）首先物料颗粒尺寸愈小，比表面积愈大，反映界面和扩散界面增加，反应产物层厚度减少，使反应速度增大。

同时，按威尔表面学说，随粒度减小，键强分布曲线变平，弱键比率增加，反应和扩散能力增强。

因此，粒径愈小，反应速率愈快，反之亦然。

此外，颗粒尺寸的影响也直接反映也在各动力学方程中的速度常数项K，因为K值是反比于颗粒半径R

。

其次，同一反应物系由于物料尺寸不同，反应速度也可能会属于不同动力学范围控制。

在实际生产中往往不可能控制均等的物料粒径，这时物料的颗粒级配对反应速度同样是重要的，因为物料颗粒大小对反应速度的影响是平方关系，于是，即使少量较大尺寸颗粒存在，都可能显著地延缓反应过程的完成。

（3）温度是影响固态反应速度的重要外部条件。

一般随温度升高，质点热运动动能增大，反应能力和扩散能力增强。

对于化学反应，因其速度常数K=Aexp（-Q/RT）。

式中碰撞系数A是几率因子P和反应物质点碰撞数目Z

的乘积（A=PZ

），Q是反应活化能。

显然，随温度升高，质点动能增高，于是K值增大。

对于扩散过程，因扩散系数D=D

exp（-u/RT），式中D

=

即决定于质点在晶格位置上的本征振动频率

和质点间平均距离

。

故温度升高，扩散系数D增大。

说明温度对反应和扩散过程有着类似的影响。

但由于u值通常比Q值小，因此温度对化学反应的加速作用一般也比对扩散过程为大。

在两固相间的反应中，增大压力有助于颗粒的接触面积增加，加速物质传递过程，使反应速度增加。

但对于有液，气相参与的反应中，扩散过程主要不是通过固体粒子的直接接触实现的。

因此，提高压力有时并不表现出积极作用，甚至会适得其反。

36.二次再结晶的推动力、原因、对性能影响、防止方法

答：

二次再结晶的推动力是大晶粒晶面与邻近高表面能和小曲率半径的晶面相比有较低的表面能，在表面能驱动下，大晶粒界面向曲率半径小的晶粒中心推进，以致造成大晶粒进一步长大以及小晶粒的消失。

从工艺控制考虑，造成二次再结晶的原因主要是原始粒度不均匀、烧结温度偏高和烧结速率太快，其它还有坯体成型压力不均匀，局部有不均匀液相等。

烧结体中出现二次再结晶，由于大晶粒受到周围晶界应力的作用或由于本身易产生缺陷，结果常在大晶粒内出现隐裂纹，导致材料机、电性能恶化。

为避免气孔封闭在晶粒内，避免晶粒异常生长，应防止致密化速率太快，在烧结体达到一定的体积密度以前，应该用控制温度来抑制晶界移动速率。

防止二次再结晶的最好的方法是引入适当的添加剂，抑制晶界迁移，有效地加速气孔的排除。

37影响烧结的因素

答：

一、原始粉料的粒度

烧结是基于表面张力作用下的物质迁移而实现的。

无论在固态或液态烧结中，细颗粒由于增加了烧结的推动力，缩短了原子扩散距离和提高了颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。

烧结速率ρ-1/3，ρ减小，速率增大。

为防止二次再结晶，起始粒径必须细而且均匀，如果细颗粒内有少量大颗粒存在，则易发生晶粒异常生长而不利于烧结。

原始粉末的粒度不同，烧结机理有时也会发生变化

二、外加剂的作用

在固相烧结中，少量外加剂（烧结助剂）可与主晶相形成固溶体，促进缺陷增加。

在液相烧结中，外加剂能改变液相的性质（如粘度、组成等），因而都能起促进烧结的作用。

（1）外加剂与烧结主体形成固溶体

（2）产生液相3）形成化合物4）阻止多晶转变（5）扩大烧结范围

三、烧结温度和保温时间

提高烧结温度无论对固相扩散或对溶解—沉淀等传质都是有利的。

变的值。

但是单纯提高温度会促使二次再结晶而使制品性能恶化。

在有液相的烧结中，温度过高使液相量增加，粘度下降，使制品变形。

只有体积扩散导致坯体致密化，表面扩散只能改变气孔形状而不能引起颗粒中心距的逼近，因此不出现致密化过程。

39.用淬冷法研究相平衡有什么优缺点。

答：

淬冷法研究相平衡简单，直观，可以用肉眼借助显微镜观察相态。

对粘度较大的材料如硅酸盐材料的相平衡研究，一般采用淬冷法。

淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的实验，先由温度间隔范围较宽实验起，然后逐渐把间隔缩小，从而可以得到精确的结果。

此外，除了以同一组成的物质在不同温度下做实验外，还应该取不同组成的物质在同一温度下做实验。

因而此法的工作量相当大，而且对某些相变速度特别快的系统，淬冷有时也难以阻止降温过程中发生新的相变。

四、判断题、选择题、填空题复习

第四章非晶态结构与性质

1.熔体粘度与温度关系

温度升高，粘度降低。

2.熔体粘度与组成关系

硅酸盐熔体粘度随大小由溶体中硅氧四面体网络连接程度决定，粘度随O/Si的上升而下降。

在石英熔体中四面体网络结构没有断裂，加入碱和碱士金属使石英熔体产生分化作用，结果非桥氧增加，低聚物增加，网络断裂程度增加，粘度降低。

3.硼反常

4.玻璃的通性

答：

1.各项同性。

2.介稳性。

3.由熔融态向玻璃态转化过程是可逆的与渐变的，在一定温度范围内完成，无固定熔点。

4.由熔融态向玻璃态转化时物理，化学性质随温度变化的连续性。

5.物理，化学性质随成分变化的连续性

5.形成玻璃的热力学条件

答：

玻璃和晶体两种状态的内能差值不大，故析晶的推动力较小，因此玻璃这种能量的亚稳态在实际上能够长时间稳定存在。

6.玻璃形成的动力学手段

物质的结晶过程由晶核生成速率Iv和晶核生长速率（u）决定。

而Iv和u均与过冷度有关（DT＝TM－T）。

如果成核速率与