材料科學基礎

1、材料科學基礎考試大綱一、考試的基本要求材料科學基礎是材料學科的專業(yè)基礎課，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，是考生學習后續(xù)相關材料課程和今后從事材料專業(yè)的工作基礎課程。要求考生比較系統(tǒng)地掌握材料科學的基本概念、基礎理論及其應用。系統(tǒng)地理解材料與成分、組織結構與性能內(nèi)在聯(lián)系，具備綜合運用知識分析和解決工程實際問題的能力。二、考試內(nèi)容第1部分材料的原子結構與鍵合1. 原子結構與原子的電子結構；原子的結構：原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核，以及核外電子所構成。原子核內(nèi)的中子呈電中性，質(zhì)子帶有正電荷。通過靜

2、電吸引，帶負電荷的電子被牢牢地束縛在原子核的周圍。因為在中性原子中，電子和質(zhì)子數(shù)目相等，所以原子作為一個整體，呈電中性。原子的電子結構：電子在原子核外空間做高速旋轉遠動，原子中一個電子的空間位置和能量可用四個量子數(shù)來決定，a.主量子數(shù)n;b.軌道角動量量子數(shù)l；c.磁量子數(shù)；d.自選角動量量子數(shù)s原子結構、原子排列對材料性能的影響2. 材料中的結合鍵的類型、本質(zhì)，各結合鍵對材料性能的影響A. 金屬鍵：金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構成的鍵合，絕大數(shù)金屬以金屬鍵方式結合，它的基本特點是電子的共有化；當金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時不至于破壞金屬鍵，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電和導熱性能。B. 離子鍵：實質(zhì)是金屬原子將自己最外層的價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電子后使自己成為帶負電的負離子，這樣，正負離子依靠他們之間的靜電結合在一起。特點：以離子為結合單位；一般離子晶體中的正負離子靜電引力較強，結合牢固。因此其熔點和硬度均比較高。難產(chǎn)生自由遠動的電子，是良好的絕緣材料，但是在高溫熔融狀態(tài)下正負離子在外電場作用下可以自由遠動，此時呈現(xiàn)離子導電性。C. 共價鍵：由兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子形成的化學鍵。共價鍵晶體中各個鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小，共價鍵的結合極為牢固

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

5、構的基本特征是原子在三維空間呈周期性重復排列，即長程有序，與非晶體在性能上區(qū)別主要有兩點：a.晶體熔化時具有固定的熔點而非晶體卻無固定的熔點，存在一個軟化溫度范圍。B.晶體具有各向異性，而非晶體卻為各向同性空間點陣：陣點在空間呈周期性規(guī)則排列，并具有完全相同的周圍環(huán)境，這種由它們在三維空間規(guī)則排列的陣列稱為空間點陣晶格：由平行的直線將所有陣點連接起來，于是構成一個三維幾何格架，稱為空間格子晶胞：為說明點陣排列的規(guī)律和特點，可在點陣中取出一個具有代表性的基本單元作為點陣的組成單元布拉菲點陣：能夠反映空間點陣全部特征的14種單位平面六面體，這14種空間點陣也稱布拉菲點陣2.晶體晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的

6、標定方法。晶向指數(shù)的確定步驟：A. 以晶胞的某一點陣O為原點，過原點O的晶軸為坐標軸x，y，z，以晶胞點陣矢量的長度作為坐標軸的長度單位。B. 過原點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O最近的一個陣點P，確定P點的3個坐標值。D. 將3個坐標值化為最小整數(shù)u，v，w加上方括號，uvw即為待定晶向指數(shù)。晶面指數(shù)標定的步驟：A. 在點陣中設參考坐標系，設置方法與確定晶向指數(shù)時相同，但不能將坐標原點選在待確定指數(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窮大若該晶向與某軸負方向相截，則在此軸上截距為一負值C.

7、 取各截距的倒數(shù)D. 將三個倒數(shù)化為互為質(zhì)數(shù)的整數(shù)比，并加上圓括號，即表示為該晶面指數(shù)3. 晶體結構及類型，常見晶體結構(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. 合金相結構，固溶體、中間相的基本概念和性能特點。相是指合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結構和性質(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構類型中間相：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構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晶體機構，離子晶體結構規(guī)則、典型的離子晶體結構。5.高分子材料的組成和結構的基本特征，高分子材料結晶形態(tài)、高分子鏈在晶體中的構象、高分子材料晶態(tài)結構模型、液晶態(tài)的結構特征與分類。第3部分點缺陷和擴散1. 點缺陷的類型，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)表面的正常結點位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位弗蘭克爾空位：擠入點陣的間隙位置，而在晶體中同時形成數(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：當溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點陣的陣點，或者說溶質(zhì)原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，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缺陷特點，點缺陷的平衡濃度、影響因素及其對材料性能的影響。點缺陷的平衡濃度：晶體缺陷的存在，一方面造成了點陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學穩(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頻率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體的熵值增加，增加了晶體的熱力學穩(wěn)定性2. 擴散概念，擴散第一定律、

10、擴散第二定律。擴散是涉及一種原子移到另一種原子中去的物質(zhì)運輸擴散第一定律3.擴散驅動力及擴散機制。4.離子晶體中的擴散、聚合物中的擴散機制。5.擴散系數(shù)、擴散激活能，影響擴散的因素及原理。第4部分線、面和體缺陷1.位錯類型，刃型位錯、螺型位錯、位錯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、共價晶體和聚合物晶體中的位錯。4.晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯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量。6.體缺陷基本概念。7.材料的強化方法及機制。第5部分高聚物及非晶態(tài)結構1.高分子的鏈結構、高分子的聚集態(tài)結構。2.玻璃化轉變現(xiàn)象和玻璃化溫度，玻璃化轉變理論，影響玻璃化溫度的因素。3.高分子結晶能力，結晶速度，影響結晶速度的因素。4.玻璃態(tài)高聚物的結構與性能；高彈態(tài)高聚物的力學性質(zhì)，高彈性的特點，橡膠彈性對溫度的依賴關系；高聚物的粘彈性力學松弛現(xiàn)象，粘彈性與時間、溫度的關系。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，晶體凝固的熱力學條件，形核、晶體長大過程，凝固動力學及凝固組織。3.二元相圖中的勻晶、共晶、包晶、偏晶等相圖的結構分析；共析、包析反應；二元相圖