Fundamentals of Materials Science and Engineering上海交大最新版.docx

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FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering上海交大最新版

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第一章原子结构

一.波尔原子模型：

1.在任意轨道上绕核运动，在一些符合一定量化的轨道上运动2.电子离核越远，原子所含能量越高，电子尽可能在离核较近的轨道上3.电子只有从较高能级跃迁到较低能级才以光子形式释放能量

波动力学模型：

量子力学模型量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrödinger1887-1961）在1926年提出来的。

薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（ψ）。

给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式ψ=f（x,y,z），称为振幅方程或波动方程。

二.能量最低原理：

电子的排布总是尽可能使体系的能量最低

三.泡利不相容原理：

在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子

四.洪德原则：

在同一个亚层中，各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。

五.原子键合：

1.金属键：

定义：

金属中的电子与金属正离子相互间结合构成的键合

特点：

1.无方向性无饱和性2.电子公有化3.良好的延展性4.导电导热性，金属光泽

2.离子键：

定义:

金属将最外层的电子给予非金属原子，是自己成为带正电的正离子，而得到价电子的非金属成为带负电的负离子，正负离子靠静电引力相互结合在一起构的键合特点：

1.以离子为结合单元，而不是原子2.无方向性无饱和性3.配位数高，熔点硬度高，绝缘体

3.共价键：

定义：

由两个或多个电负性相差不大的原子相互结合在一起形成共用电子对而形成的键合特点：

1.方向性，饱和性2.共用电子对3.熔点高，质硬脆，结构稳定，导电能力差。

4.配位数小

4.范德华力定义：

借助微弱的瞬时的电偶极矩的感应作用将原来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合

特点:

1.无方向性，无饱和性2.一种长程作用力，属于物理键3.键能比化学键小1~2能级3.在很大程度上改变材料的性质

5.氢键定义：

氢原子与两个电负性相差很大半径很小的原子结合形成的具有比一般次价键大的键力的极性分子键

特点：

1.有方向性，饱和性2.可存在于分子内，分子间

6.分子键定义：

六．高分子1.交联聚合物：

高分子链通过交联反应从线型结构转变为体型结构形成的高聚物，不可以热塑加工。

2.支化聚合物：

是高分子形成线型结构，可以热塑加工

3.链型聚合物：

由侧翼的高分子链连接到主链上形成的高聚物

4线型聚合物：

连接通过首尾相接形成的聚合物

5.体型聚合物：

高分子链通过交联反应从线型结构转变为体型结构形成的高聚物

6.均聚物：

由不同链节通过共价键形成的聚合物

7.共聚物：

由相同的链节通过共价键形成的聚合物

8.热塑性聚合物：

加热时能软化，冷却时硬化，可热塑加工

9.热固性聚合物：

这种聚合物一旦由化学作用固化或硬化，再进行加热时将不能变软或熔化

简答题：

1.金属键为何具有良好的延展性，导热导电性？

2.解释原子结合力，原子结合能，及两者联系？

第二章固体结构

1.晶体：

原子在空间呈有规律的周期性重复排列

2.非晶体：

原子无序排列，无长程有序结构

3.准晶体：

不符合晶体的对称条件，但成一定规律有序排列类似于晶体的结构

4.一维准晶体：

在三维空间，一个方向成准周期，其他方向呈周期性的晶体

5.二维准晶体：

由准周期有序排列的原子层周期的堆垛而构成的，将晶态和非晶态结构特征结合在一起

6.纳米晶体：

至少在一个方向上存在一个或几个纳米尺寸的结构单元的晶体

7.阵点：

将晶体结构看成完整无缺的理想晶体，将每个质点抽象为无规则的排列于空间的几何点

8.空间点阵：

晶体中质点排列的几何学构像，用以描述晶体的对称性和周期性

9.晶体结构：

晶体中质点排列的实际情况

10.晶胞：

晶格的最小重复单元

11.晶格：

用假想的直线将质点连接起来构成的几何学框架

12.晶向族:

由于对称关系而等价的各个晶向构成晶向族

13.晶面族：

凡晶面间距和晶面上原子排列完全相同，只是空间位向不同的各个晶面构成晶面族

14.晶带：

所有平行于或相交于同一晶向直线的各个晶面构成晶带

15.晶向：

晶体中原子列的方向

16.晶面：

晶体中原子构成的面

17.配位数：

晶体中任一原子周围最近邻且等距离的原子的个数

18致密度：

晶体结构中原子体积与总体积的百分比

19.多晶型性：

某些固态金属在不同的温度或压力下呈现不同的晶体结构

20.合金：

由不同金属或金属于非金属通过烧结、熔炼等方法组合在一起，形成具有金属性质的物质

21.组元：

组成合金的基本的、独立的物质

22.相：

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

23.固溶体：

以某以组元为溶剂，在溶剂中融入其他组元原子形成的固态物质

24.中间相：

两组元A、B除形成以A为基体的固溶体和以B为基体的固溶体外，还可形成于A、B具有不同晶体结构的新相，由于它在二元相图中处在中间位置，称为中间相

25置换固溶体：

溶质原子溶于溶剂时，溶质原子占据了溶剂的点阵阵点或者溶质原子置换了溶剂点阵阵点的部分溶剂原子

26间隙固溶体：

溶质原子融入溶剂晶格间隙中形成的固溶体

27有序固溶体：

对某些具有一定原子比的固溶体，从高温缓慢冷却某一温度时，溶质原子会从统计随机分布的状态过渡到占有一定位置的，有序排列状态的固溶体

28固溶强化：

与纯金属相比，由于溶质原子的溶入，时固溶体的强度硬度升高

29间隙化合物：

非金属的原子半径与金属原子半径比值大于0.59时，形成的复杂的结构的相

30间隙相：

非金属的原子半径与金属原子半径比值小0.59时，形成的简单构的相

31拓扑密堆相：

由两种大小不同的金属构成的一类中间相，通过某种配合使原子配位数，空间利用率很高的复杂结构

32配位多面体：

以某一原子为中心用直线将周围相邻原子中心连接在一起构成的多面体，每个面都是三角形

33.离子晶体结构：

通常离子晶体主要键合离子键，由于离子键没有方向性没有饱和性，离子趋于紧密排列构成复杂晶体结构，排列方式主要取决于正负离子半径的大小

34金属晶体结构：

通常金属晶体主要键合是金属键，由于金属键没有方向性，没有饱和性，原子趋于紧密排列形成简单晶体结构

35共价晶体结构：

共价晶体通常主要键合是共价键，共价键具有方向性，饱和性，原子趋于形成配位数小的晶体结构

36陶瓷晶体结构：

主要是离子键或兼有离子键和共价键的晶体

37液晶：

由固态转化成液态过程中存在的中间态，这种状态下的物质叫液晶

38玻璃：

具有玻璃转变点的非晶态固体

39玻璃转变点：

非经陶瓷或高聚物液态冷却转化为钢化玻璃时的温度

40熔点：

由固态转变为液态时的温度

41各向异性：

材料的各项物理、化学性能与测量方向有关，不同方向的测得性能不同

42各向同性：

材料的各项物理、化学性能与测量方向无关

43金属化合物：

由金属或亚金属构成的一类合金相，它的点阵与溶剂的不同，与溶质的点阵不同，是一种新的点阵

44电子化合物：

可用化学式表示，不符合化合价规律，在一定成分范围内变化的，以化合物为基的固溶体

45正常价化合物：

在离子化合物中，正负离子比例严格按照化学式定义的化合价关系

46无定形：

完全无取向的非晶态

47分子晶体：

48高分子球晶：

冷却结晶时生长不受限制，外形成球状的

49单晶：

构成陶瓷或多晶体的一个单独晶体

50多晶：

由许多不同形状，大小，取向的晶粒构成的晶体

51晶界：

属于同一固相，但位向不同的晶粒之间的界面

52：

相界：

不同两相之间的界面

53.自间隙原子：

处于自身晶格间隙的原子

简答题

1.画出体心立方晶体结构，面心立方晶体结构，密排六方晶体结构，单独画出（110）面上的原子分布，会标各个晶面，晶向

2.计算计算晶面间距，（用公式计算时注意修正）？

3.计算致密度，配位数，八面体间隙，四面体间隙（体心立方，面心立方）？

4.密排面和密排方向的判断？

5.固溶强化机制，及影响因素？

答：

固溶强化是由于溶质原子溶入溶剂时使固溶体强度硬度升高，其机制是溶质原子与位错的弹性交互作用，化学交互作用，静电交互作用以及固溶体产生塑性变形时改变了溶质原子以短程有序或偏聚的形式存在的状态，使系统能量升高，变形抗力增加。

影响因素：

1.原子尺寸差越大，固溶强化效果越好。

2.原子化合价差越大，固溶强化效果越好3.置换型要比间隙型强化效果差4.溶质原子分数越大，固溶强化效果越好。

6.影响溶解度的因素？

答：

1.固溶体的类型，固溶体类型相同是形成无限固溶体必要条件2.原子尺寸因素，原子半径差小于15%时，有利于形成溶解度大的固溶体，原子半径差大于15%时，半径差越大，溶解度越小3.化学亲和力，只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度4.原子价因素，溶质的原子价越高，其溶解度越小。

7.正负离子半径对离子晶体结构是怎样影响的？

答：

Ｒ＋/R-0→0.155时，正离子配位数为2，负离子配位多面体的形状为哑铃状，Ｒ＋/R-0.155→0.225时，正离子的配位数为3，负离子配位多面体形状为三角形，Ｒ＋/R-0.225→0.414，正离子配位数为4，负离子配位多面体形状为四面体，Ｒ＋/R-0.414→0.732，正离子配位数为6，负负离子配位多面体形状为八面体，Ｒ＋/R-0.732→1.00，正离子配位数为8，负离子配位多面体形状为立方体，Ｒ＋/R-1.00，正离子配位数为12，负离子配位多面体形状为最密堆积。

8.聚合物聚集态和金属晶体结构异同点？

答：

聚合物聚集态又称三次结构，它是指在分子间力作用下大分子相互敛集在一起所形成的组织结构。

分为晶态，非晶态两种结构，聚合物聚集态结构总是包含一定的非晶态，聚合物聚集态结构与大分子本身结构有关，分子链越长，结晶越困难，还受强烈的外界条件影响，温度、应力的影响，属于分子结晶，结晶速度慢，结晶不完整性，晶内存在大量的缺陷，一个大分子可以贯穿晶区和非晶区。

金属晶体结合键为金属键，由于金属键没有方向性和没有饱和性，从而金属趋于紧密排列，形成简单晶体结构。

金属键电子公有化，良好的延展性，导热导电性。

9.高分子球晶形成过程？

答：

形核的初始阶段，只是一个多层片晶，然后逐渐向外张开生长，不断分叉，生长成捆束状形式，最后形成球状晶体。

10.纳米晶体形成途径？

答：

1.以非晶态为起始相使之晶化过程成长为纳米晶2.以粗晶为起始相使之在塑性变形过程中成长为亚稳态的纳米晶3.通过沉积效应或溅射4.通过沉淀反应

11.单晶体、多晶体、纳米晶体材料组织及性能特点

答：

单晶体，原子呈周期性排列，晶内无错排，具有规则外形，固定的熔点，受力时容易变形。

多晶体，由多个晶粒组成，各个晶粒的外形，取向，大小各不相同，没有规则的外形，有固定的熔点，受力时不容易变形，至少需呀5个滑移系。

纳米晶，至少在一个房向上有一个纳米尺寸的结构单元的晶体，具有三个效应，小尺寸效应，量子尺寸效应，表面与界面效应，比表面积大，熔点，晶化温度低。

第三章晶体缺陷

1.点缺陷：

三维空间上，各个方向尺寸都很小，又称为零维缺陷。

2.线缺陷：

一个方向上尺寸延伸很长，其他方向上尺寸很小，又称为一维缺陷。

3.面缺陷：

两个方向上尺寸很长，一个尺寸很小，又称为二维缺陷。

4.空位形成能：

在晶体内取出一个原子放在晶体的表面上所需要的能量。