湖南大学材料考研知识删减版.docx
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湖南大学材料考研知识删减版
材料科学基础知识点总结
绪论：
材料概述及分类
合金：
有两种或者两种以上的金属或者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。
固溶体：
以合金中某一组元作为溶剂，在其晶体点阵中融入其它组元原子，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固态溶体。
置换固溶体：
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。
间隙固溶体：
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。
金属间化合物：
金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物总称为金属间化合物，由于金属间化合物在合金相图中处于相图的中间位置，故也称为中间相。
形成无限固溶体的条件是（即休姆-罗瑟里规则）：
①溶质和溶剂的尺寸差别必须不大于15%，即r1-r2/r1≤15%。
②两类原子的电负性必须相近。
③两类原子的价必须相似。
④两个组分必须具有完全相同的晶体结构类型。
热塑性聚合物：
具有线性和支化高分子链结构，在共价键聚合链间具有二次键，加热后会变软，可反复加热和再成形，例如，PE。
热固性聚合物：
具有三维共价键网结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，加热时维持原有形状并降解——烧焦或燃烧，一旦定型后不能再改变形状，无法再生，例如，橡胶。
相关真题：
2009年论述题5.试从结合键的角度分析工程材料的分类及特点。
（15分）
答：
金属材料：
简单金属（指元素周期表上的主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主；特点：
大多数金属强度和硬度较高，塑性较好。
陶瓷材料：
是由一种或者多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键，特点：
硬、脆，不易变形，熔点高。
高分子材料：
大分子内的原子之间的结合方式为共价键，而大分子与大分之间的结合键为范德瓦尔键和氢键。
特点：
有很高的分子量,质轻,密度小,有优良的力学性能、绝缘性能和隔热性能。
复合材料：
是由两种或者两种以上的材料组合而成的物质，结合键种类繁多，非常复杂，性能差异也很大。
2011年简答题（10分）10.为什么固溶体强度比纯金属的高？
答：
因为合金两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，阻碍位错运动，造成固溶强化。
2012年简答题（10分）5.按照形成固溶体的条件来讨论MgO-CaO能形成何种固溶体。
已知Ca2+和Mg2+离子的半径分别为0.1nm和0.071nm，Ca和Mg的电负性分别为1.0和1.2。
答：
尺寸：
（0.1-0.072）/0.1=28%>15%,不符合休姆-罗瑟里规则；电负性：
Ca的电负性分别为1.0和Mg的电负性分别1.2，同一周期上下，接近。
晶体结构：
MgO和CaO，都为FCCNaCl结构。
电子浓度：
价电子数相同。
综上所述，根据形成无限固溶体的条件知，MgO-CaO不能形成无限固溶体，可以形成有限固溶体。
补充试题：
1.比较固溶体和金属间化合物在成分、结构和性能方面的差异。
类别
成分
结构特点
力学性能特点
固溶体
溶质浓度可在固溶度范围内变化
保持溶剂的点阵类型
强度、硬度比溶剂高，但总体看强度硬度依然很低，而塑性、韧性较好
金属间化合物
成分固定或在一定范围内波动，可用化学分子式表示
其点阵类型不同于组成它的任一组元
熔点较高、硬度高，而塑性、韧性差
第一章原子结构与键合
金属键
一次键离子键
共价键
原子键（结合键）范德瓦尔键
二次键氢键
所有的一次键都涉及到或者电子从一个原子向另一个原子的转移，或者电子在原子间的共用。
金属键的本质：
金属正离子与自由电子之间的相互吸引。
离子键的本质：
正电性原子和负电性原子之间的相互吸引。
共价键的本质：
共价电子对的结合。
二次键与一次键的根本区别就是二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用，二次键是来源于某些原子或分子中形成的电偶极子。
一次键通常比二次键强一至两个数量级。
金属健：
金属正离子与自由电子之间的相互作用构成的金属原子间的结合力称为金属键。
离子键：
电子由正电性原子向负电性原子的转移形成离子键，离子键无方向性和饱和性。
（影响因素：
原子间的高电负性差值有利于离子键的形成）
共价键：
相邻原子由于共享电子对所形成的价键，具有饱和性和方向性。
键-能曲线：
将一对原子或离子有关的能量描述为两原子或离子之间距离的函数的关系曲线称为键能曲线，它是键-力曲线的积分。
利用键-能曲线，可以估算键能、平均键长、弹性模量和线膨胀系数等。
其他外力或能源（如：
施加外载荷、电磁场或温度变化）作用于系统，键长和有效键能就有可能改变，从而改变键能曲线图。
在X0处U（x）的大小，即能量势阱的深度，就是键的固有强度，即键能的度量；另，平衡间距X0（原子之间中心到中心的平均距离）对应于键长。
键能曲线在X0处的曲率正比例弹性模量，曲率半径越小，弹性模量越大，刚度越大。
物理解释：
能量势阱的两壁越陡，将原子从平衡位置移动所需的能量越大。
线膨胀系数αth随键能曲线的不对称的增大而增大。
2009年简答题（10分）1.一次键的种类及其本质是什么？
2009年论述题（15分）1.什么是键能曲线？
利用键能曲线可以得到材料的哪些特性参量。
采用哪些方法可以改变键能曲线的形状？
解：
略；略；其他外力或能源（如：
施加外载荷、电磁场或温度变化）作用于系统，键长和有效键能就有可能改变，从而改变键能曲线图。
2010年简答题（10分）1.说明离子晶体、共价晶体和金属晶体中原子间的键合特征。
影响原子间成键类型的重要因素有哪些？
离子晶体一定含有离子键，可能含有共价键；共价晶体只含有共价键；金属晶体：
简单金属晶体只含有金属键，过渡族金属晶体含有金属键和共价键，以金属键为主。
键合特征
①离子键：
以离子而不是以原子为结构单元，无方向性和饱和性。
②共价键：
共用电子对，有饱和性和方向性。
③金属键：
电子共有化，无饱和性和方向性。
影响原子间成键类型的重要因素：
①电负性②价电子数。
电负性相差大、价电子数相差很小容易形成离子键，电负性相差小、价电子数相差很大容易形成共价键，电负性相差不大不小、价电子数相差很小容易形成金属键。
2010年简答题（10分）2.如何根据材料的键能曲线来判断材料的弹性模量、膨胀系数的大小？
弹性模量：
曲率半径越小，弹性模量越大，刚度越大。
物理解释：
能量势阱的两壁越陡，将原子从平衡位置移动所需的能量越大。
线膨胀系数αth：
随键能曲线的不对称的增大而增大。
2011年论述题（15分）1.定性比较陶瓷材料、金属材料和高分子材料的弹性模量高低，并从材料中结合键的角度分析存在差异的原因。
答：
弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。
在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。
结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大。
由于陶瓷材料主要含有离子键和共价键，金属材料主要含有金属键，而高分子材料分子之间主要是二次键起作用，而结合键能的大小顺序是离子键最高，共价键次之，金属键第三，二次键最弱，所以这三种材料的弹性模量由高到低依次是：
陶瓷材料、金属材料、高分子材料。
实际上，常见的陶瓷的弹性模量为250～600GPa，常见的金属材料的弹性模量为70～350GPa，而高分子材料的弹性模量为0.7～3.5GPa。
2012年简答题（10分）1.简述一次键和二次键的本质特点，并从结合键的角度讨论金属的力学性能。
所有的一次键都涉及到或者电子从一个原子向另一个原子的转移，或者电子在原子间的共用。
二次键与一次键的根本区别就是二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用，二次键是来源于某些原子或分子中形成的电偶极子。
一次键通常比二次键强一至两个数量级。
金属材料的结合键主要以金属键为主，而金属键是金属正离子与自由电子之间的相互作用，金属键无饱和性和方向性，因此金属对外力响应时无需考虑电荷的性质，因而原子间可以相对滑动，并且吸收冲击能量而不至于破坏金属键，所以金属材料的强韧性好，塑形变形能力强。
第二章晶体学基础
空间点阵：
组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在三维空间中形成有规律的某种对称排列，如果我们用点来代表组成晶体的粒子，这些点的空间排列就称为空间点阵。
单胞：
完全描述空间点阵的最小重复单元称为单胞。
阵点：
单胞的顶点称为阵点
点阵常数：
晶胞的大小取决于其三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角α，β，γ，我们把a，b，c，α，β，γ这六个参量称为点阵常数。
基元：
处在一个阵点的“物质群”称为基元。
晶体结构：
组成晶体的结构基元（分子、原子、离子、原子集团）依靠一定的结合键结合后，在三维空间做有规律的周期性的重复排列方式。
简单的讲就是：
空间点阵+结构基元=晶体结构
若晶体的性质和测量方向无关，则称晶体称为各向同性的；若晶体的性质和测量方向有关，则称晶体是各向异性的。
配位数（CN）：
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：
晶体结构中原子体积占总体积的百分数。
原子堆垛因子（APF）：
在晶体结构中原子占据的体积与可利用的总体积的比率定义为原子堆垛因子。
APF=在单胞中原子体积/单胞体积
影响配位数的因素：
中心原子的大小。
中心原子的最高配位数决定于它在周期表中的周次。
中心原子的电荷。
中心原子的电荷高，配位数就大。
③中心原子的成键轨道性质和电子构型。
从价键理论的观点来说，中心原子成键轨道的性质决定配位数，而中心原子的电子构型对参与成键的杂化轨道的形成很重要。
④配体的性质。
同一氧化态的金属离子的配位数不是固定不变的,还取决于配体的性质。
配合物的中心原子与配体间键合的性质，对决定配位数也很重要。
晶向族：
晶体中的原子排列情况相同，空间位向不同的一组晶向，称一个晶向族，用表示。
晶面族：
晶体中具有相同的条件（这些晶面上的原子排列情况和晶面间距分别完全相同），只是空间位向不同（即不平行）的各个晶面，总称为晶面族，用{hkl}表示。
线密度：
在晶体方向单位长度上有原子中心的数目。
ρL=在一个单胞内沿方向上原子中心的数目/包含在一个单胞内线的长度
面密度：
在晶体学面单位面积上的原子或离子中心的数目。
ρP=在一个单胞内中心原子一个面上的原子数目/包含在一个单胞中的面的面积。
金刚石：
金刚石晶体结构的空间点阵就是一个面心立方点阵，但决不能说金刚石晶体结构是由两个面心立方点阵穿插而成。
因为这样说，就把只有抽象几何意义的空间点阵看成了由具体的碳原子构成了图形。
常见的几个晶体类型的参数（务必牢记）
晶体结构
每个晶胞内的原子数n
配位数CN
密排面
原子堆垛因子
密排面间距
密排方向
密排方向最小原子间距
每个晶胞中四面体间隙个数
每个晶胞中八面体间隙个数
BCC
2
8
{110}
0.68
<111>
12
6
FCC
4
12
{111}
0.74
<110>
8
4
HCP
6
12
{0001}
0.74
<11-20>
a
12
6
2010年简答题（10分5.简要说明晶体结构与空间点阵的关系。
答：
空间点阵是把晶体的质点抽象为阵点，用来描述和分析晶体结构的周期性和对称性，要求各个阵点的周围环境相同，它只有14种类型。
而晶体结构是指具体的物质粒子排列分布，由于结构基元可以是无穷多种，因而构成的具体的晶体结构也有无穷多种。
两者之间的关系可用“空间点阵+结构基元=晶体结构”来描述。
（后面可以不用写，只是帮助理解：
在实
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