材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)考試大綱一、考試的基本要求材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，著重研究材料的成分、加工方法與材料的組織、性能之間的關(guān)系以及其變化規(guī)律，是發(fā)揮材料潛力、充分利用現(xiàn)有材料和研究開發(fā)新材料的理論基礎(chǔ)，是考生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)材料課程和今后從事材料專業(yè)的工作基礎(chǔ)課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握材料科學(xué)的基本概念、基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用。系統(tǒng)地理解材料與成分、組織結(jié)構(gòu)與性能內(nèi)在聯(lián)系，具備綜合運(yùn)用知識(shí)分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。二、考試內(nèi)容第1部分材料的原子結(jié)構(gòu)與鍵合1. 原子結(jié)構(gòu)與原子的電子結(jié)構(gòu)；原子的結(jié)構(gòu)：原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核，以及核外電子所構(gòu)成。原子核內(nèi)的中子呈電中性，質(zhì)子帶有正電荷。通過(guò)靜

2、電吸引，帶負(fù)電荷的電子被牢牢地束縛在原子核的周圍。因?yàn)樵谥行栽又?，電子和質(zhì)子數(shù)目相等，所以原子作為一個(gè)整體，呈電中性。原子的電子結(jié)構(gòu)：電子在原子核外空間做高速旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)動(dòng)，原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)來(lái)決定，a.主量子數(shù)n;b.軌道角動(dòng)量量子數(shù)l；c.磁量子數(shù)；d.自選角動(dòng)量量子數(shù)s原子結(jié)構(gòu)、原子排列對(duì)材料性能的影響2. 材料中的結(jié)合鍵的類型、本質(zhì)，各結(jié)合鍵對(duì)材料性能的影響A. 金屬鍵：金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構(gòu)成的鍵合，絕大數(shù)金屬以金屬鍵方式結(jié)合，它的基本特點(diǎn)是電子的共有化；當(dāng)金屬受力變形而改變?cè)又g的相互位置時(shí)不至于破壞金屬鍵，這就使金屬具有良好的延展性，并且

3、，用于自由電子的存在，金屬一般具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。B. 離子鍵：實(shí)質(zhì)是金屬原子將自己最外層的價(jià)電子給予非金屬原子，使自己成為帶正電的正離子，而非金屬原子得到價(jià)電子后使自己成為帶負(fù)電的負(fù)離子，這樣，正負(fù)離子依靠他們之間的靜電結(jié)合在一起。特點(diǎn)：以離子為結(jié)合單位；一般離子晶體中的正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此其熔點(diǎn)和硬度均比較高。難產(chǎn)生自由遠(yuǎn)動(dòng)的電子，是良好的絕緣材料，但是在高溫熔融狀態(tài)下正負(fù)離子在外電場(chǎng)作用下可以自由遠(yuǎn)動(dòng)，此時(shí)呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。C. 共價(jià)鍵：由兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過(guò)共用電子形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵晶體中各個(gè)鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小，共價(jià)鍵的結(jié)合極為牢固

4、，故共價(jià)晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)；束縛在相鄰原子間的共用電子對(duì)不能自由地運(yùn)動(dòng)，共價(jià)結(jié)合形成的一般都是絕緣體，其導(dǎo)電能力較差。D.范德華力E.氫鍵 鍵-能曲線及其應(yīng)用。3. 原子的堆垛和配位數(shù)的基本概念及對(duì)材料性能的影響。配位數(shù)（CN)是指晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)；致密度是指晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。4.顯微組織基本概念和對(duì)材料性能的影響。第2部分材料的晶態(tài)結(jié)構(gòu)1. 晶體與非晶體、晶體結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣、晶格、晶胞、晶格常數(shù)、布拉菲點(diǎn)陣、晶面間距等基本概念。晶體：原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的固態(tài)物質(zhì)非晶體：原子呈無(wú)規(guī)則排列的固態(tài)物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)

5、構(gòu)的基本特征是原子在三維空間呈周期性重復(fù)排列，即長(zhǎng)程有序，與非晶體在性能上區(qū)別主要有兩點(diǎn)：a.晶體熔化時(shí)具有固定的熔點(diǎn)而非晶體卻無(wú)固定的熔點(diǎn)，存在一個(gè)軟化溫度范圍。B.晶體具有各向異性，而非晶體卻為各向同性空間點(diǎn)陣：陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列，并具有完全相同的周圍環(huán)境，這種由它們?cè)谌S空間規(guī)則排列的陣列稱為空間點(diǎn)陣晶格：由平行的直線將所有陣點(diǎn)連接起來(lái)，于是構(gòu)成一個(gè)三維幾何格架，稱為空間格子晶胞：為說(shuō)明點(diǎn)陣排列的規(guī)律和特點(diǎn)，可在點(diǎn)陣中取出一個(gè)具有代表性的基本單元作為點(diǎn)陣的組成單元布拉菲點(diǎn)陣：能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的14種單位平面六面體，這14種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲點(diǎn)陣2.晶體晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的

6、標(biāo)定方法。晶向指數(shù)的確定步驟：A. 以晶胞的某一點(diǎn)陣O為原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)O的晶軸為坐標(biāo)軸x，y，z，以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位。B. 過(guò)原點(diǎn)O作一直線OP，使其平行于待定的晶向。C. 在直線OP上選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)P，確定P點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值。D. 將3個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u，v，w加上方括號(hào)，uvw即為待定晶向指數(shù)。晶面指數(shù)標(biāo)定的步驟：A. 在點(diǎn)陣中設(shè)參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同，但不能將坐標(biāo)原點(diǎn)選在待確定指數(shù)的晶面上，以免出現(xiàn)零截距B. 求的待定晶面在三個(gè)晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行，則在此軸上的截距為無(wú)窮大若該晶向與某軸負(fù)方向相截，則在此軸上截距為一負(fù)值C.

7、 取各截距的倒數(shù)D. 將三個(gè)倒數(shù)化為互為質(zhì)數(shù)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，即表示為該晶面指數(shù)3. 晶體結(jié)構(gòu)及類型，常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)(bcc、fcc、hcp)及其幾何特征、配位數(shù)、堆積因子（致密度）、間隙、密排面與密排方向。4. 合金相結(jié)構(gòu)，固溶體、中間相的基本概念和性能特點(diǎn)。相是指合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成成分。固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子鎖形成的均勻混合的固態(tài)熔體，他保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型中間相：如果組成合金相的異類原子有固定的比例，所形成的固相的晶體結(jié)構(gòu)與所有的組元均不同，且這種相的成分多數(shù)處在A在B中溶解限度和B在A中的溶解限

8、度之間，即落在相圖的中間部位離子晶體和共價(jià)晶體機(jī)構(gòu)，離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則、典型的離子晶體結(jié)構(gòu)。5.高分子材料的組成和結(jié)構(gòu)的基本特征，高分子材料結(jié)晶形態(tài)、高分子鏈在晶體中的構(gòu)象、高分子材料晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型、液晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征與分類。第3部分點(diǎn)缺陷和擴(kuò)散1. 點(diǎn)缺陷的類型，肖脫基空位、弗蘭克爾空位、間隙原子和置換原子，間隙固溶體和置換固溶體等基本概念點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子肖脫基空位：遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點(diǎn)位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位弗蘭克爾空位：擠入點(diǎn)陣的間隙位置，而在晶體中同時(shí)形成數(shù)目相等的空位和間隙原子間隙原子：在一定條件下，晶體表面上的原子也有可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成

9、間隙原子置換原子：置換了溶劑原子的雜質(zhì)稱為置換原子 間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說(shuō)溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)分子分布于溶劑晶體間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體離子晶體中的點(diǎn)缺陷特點(diǎn)，點(diǎn)缺陷的平衡濃度、影響因素及其對(duì)材料性能的影響。點(diǎn)缺陷的平衡濃度：晶體缺陷的存在，一方面造成了點(diǎn)陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性，另一方面，由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了周圍原子的振動(dòng)頻率，引起組態(tài)熵和振動(dòng)熵的改變，使晶體的熵值增加，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性2. 擴(kuò)散概念，擴(kuò)散第一定律、

10、擴(kuò)散第二定律。擴(kuò)散是涉及一種原子移到另一種原子中去的物質(zhì)運(yùn)輸擴(kuò)散第一定律3.擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力及擴(kuò)散機(jī)制。4.離子晶體中的擴(kuò)散、聚合物中的擴(kuò)散機(jī)制。5.擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散激活能，影響擴(kuò)散的因素及原理。第4部分線、面和體缺陷1.位錯(cuò)類型，刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)、位錯(cuò)線和滑移線的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意義。2金屬晶體中的滑移面和滑移方向。3.離子晶體、共價(jià)晶體和聚合物晶體中的位錯(cuò)。4.晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)和相界面等基本概念。5.晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及測(cè)量。6.體缺陷基本概念。7.材料的強(qiáng)化方法及機(jī)制。第5部分高聚物及非晶態(tài)結(jié)構(gòu)1.高分子的鏈結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。2.玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和玻璃化溫度，玻璃化轉(zhuǎn)變理論，影響玻璃化溫度的因素。3.高分子結(jié)晶能力，結(jié)晶速度，影響結(jié)晶速度的因素。4.玻璃態(tài)高聚物的結(jié)構(gòu)與性能；高彈態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì)，高彈性的特點(diǎn)，橡膠彈性對(duì)溫度的依賴關(guān)系；高聚物的粘彈性力學(xué)松弛現(xiàn)象，粘彈性與時(shí)間、溫度的關(guān)系。熱固性和熱塑性聚合物的概念及材料特性。第6部分相平衡和相圖1.相律的基本概念，相平衡的相率解釋。2.純晶體的凝固，晶體凝固的熱力學(xué)條件，形核、晶體長(zhǎng)大過(guò)程，凝固動(dòng)力學(xué)及凝固組織。3.二元相圖中的勻晶、共晶、包晶、偏晶等相圖的結(jié)構(gòu)分析；共析、包析反應(yīng)；二元相圖