材料科学与工程基础第二版考试必备宝典.docx
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材料科学与工程基础第二版考试必备宝典
第1章绪论
1．材料科学与工程的四个基本要素
解：
制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用
2．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性
解：
①金属材料的基本特性：
a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：
a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：
粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：
a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf）；c.力学状态有三态：
玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础
1．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？
解：
泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则
2．电离能及其影响电离能的因素
解：
电离能：
从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。
影响因素：
①同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；②同一族，原子半径增大，电离能减小；③电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；
3．混合键合实例
解：
石墨：
同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合；高分子：
同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。
4.将离子键，共价键，金属键按有无方向性进行分类，简单说明理由
有方向性：
共价键
无方向性：
离子键，金属键
③金属键：
正离子排列成有序晶格，每个原子尽可能同更多的原子相结合，形成低能量的密堆结构，正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力，无饱和性又无方向性。
②共价键：
共用电子云最大重叠，有方向性
③离子键：
正负离子相间排列，构成三维晶体结构，无方向性和饱和性
5.简述离子键，共价键，金属键的区别
6.为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料
金属密度高的两个原因：
第一，金属有较高的相对原子质量。
第二，金属键没有方向性，原子趋于密集排列。
7.影响原子（离子）间距的因素：
（1）温度升高,原子间距越大,热膨胀性；
（2）离子价
负离子的半径>其原子半径>正离子的半径
（3）键能增强，原子距离缩短，键长减少（C-C单,双,叁键）；
（4）相邻原子的数目（配位数）
配位数增加，相邻原子的电子斥力越大,原子间距增大。
相邻原子的数目越多，原子间距（结合原子或离子有效半径）越大。
8.原子的电子排布式
按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。
解：
N:
1s22s22p3O:
1s22s22p4Si:
1s22s22p63s23p2Fe:
1s22s22p63s23p63d64s2Cu:
1s22s22p63s23p63d104s1Br:
1s22s22p63s23p63d104s24p5
9． 比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
解：
①金属材料：
简单金属（指元素周期表上主族元素）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。
②陶瓷材料：
陶瓷材料是一种或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。
③高分子材料：
高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。
④复合材料：
复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。
10．比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。
解：
键能大小：
化学键能>物理键能共价键≥离子键>金属键>氢键>范德华力共价键中：
叁键键能>双键键能>单键键能结合键的主要特点：
①金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；②离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；③共价键共用电子对，有饱和性和方向性；④范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；⑤氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。
结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：
①结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。
金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。
具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。
②密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。
金属的高密度有两个原因：
一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向
于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。
离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。
高分子中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小，所以其密度最低。
③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。
结合键的键能是影响弹性模量的主要因素，键能越大，则弹性模量越大。
陶瓷250~600GPa，金属70~350GPa，高分子~。
④塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性。
材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差，高分子材料具有一定的塑性。
11.晶体的共同性质
1）确定的熔点温度升高到某一值，排列方式解体，原子成无规则堆积，呈现液体；
2）自发形成规则多面体外形的能力；
3）稳定性（能量最低状态）；
4）各向异性（不同方向,物理性能不同）；
5）均匀性（一块晶体各部分的宏观性质相同）
12.名词解释：
致密度：
晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比。
13．同素异构转变，并举例说明。
解：
同素异构转变：
改变温度或压力等条件下，固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构。
例：
铁在不同温度下晶体结构不同，<906℃体心立方结构，α-Fe906～1401℃面心立方结构，γ－Fe1401℃～熔点（1540℃）体心立方结构，δ-Fe高压下（150kPa）密排六方结构，ε－Fe
14．按键合类型，晶体分哪几类？
各自的键合类型和主要特点如何？
解：
按键合类型，晶体分为：
金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体。
①金属晶体：
金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和性；低能量密堆结构。
（大多数金属晶体具有面心立方，体心立方和密排六方结构，金属晶体的原子排列比较紧密，其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高。
）②离子晶体：
离子键结合，无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子，离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小。
（硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点。
）③共价晶体：
共价键结合，具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制，晶体的配位数为（8-N）。
N表示原子最外层的电子数。
（强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点。
配位数比金属晶体和离子晶体低）④分子晶体：
范德华键合氢键结合；组元为分子，仅有范德华键时，无方向性和饱和性，趋于密堆，分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用，限制了堆砌方式；有氢键时，有方向性和饱和性。
16书中各例题
17.归纳总结3种典型金属结构的晶体学特点
结构特征
结构类型
体心立方bcc
面心立方fcc
密排六方hcp
点阵类型
体心立方
面心立方
简单六面
点阵常数
a
a
a，c，c/a=1．633
最近原子间距
d=（√3/2）a
d=（√2/2）a
d=√a2/3+c2/4=a
晶胞中原子数
2
4
6
配位数
8
12
12
致密度
18.已知916℃时，γ-Fe（面心立方）的点阵常数为 nm，分别求（100） ,（111）,（112）的晶面间距。
属于立方晶系d=a/√h2+k2+l2，面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时d=a/2√h2+k2+l2
∴（100）面， d=a/2√h2+k2+l22=
（111）面，d=a/√h2+k2+l2=
（112）面，d=a/2√h2+k2+l2=
19. 2-39在温度为912℃，铁从bcc转到fcc。
此温度时铁的两种结构的原子半径分别为和，
（1）求其变化时的体积变化V/O。
从室温加热到铁1000℃，铁的体积变化？
解：
（1）bccN1=2fccN2=4
ρ1=（N1/Na）MFe/a31，ρ2=（N2/Na）MFe/a32∴ρ1/ρ2=N1a32/N2a31=
VO=（V1−V2）/V1=1−V2/V1
∴Vo=1−=∴其变化时的体积变化为。
（2）912℃时，由bcc转变为fcc，体积减小；912℃-1000℃，受热膨胀，体积增大
20.计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度
21.计算（a）面心立方金属的原子致密度；（b）面心立方化合物NaCl的离子致密度（离子半径r（Na+）=,r（Cl-）=）;（c）由计算结果，可以引出什么结论？
（c）结论：
原子大小相同时，致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时，其原子的相对大小必然影响致密度。
22．有序合金的原子排列有何特点?
这种排列和结合键有什么关系？
解：
特点：
各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列，称为分点阵，整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称为超点阵或超结构。
232-57
24.如何根据固溶体密度判断固溶体类型
ρc<ρe间隙式固溶体
ρc=ρe置换式固溶体
ρc<ρe缺位式固溶体
25.举例说明非化学计量化合物判断其正负离子空缺情况
组分偏移化学式的化合物即为非化学计量化合物
如FeO中Fe2+氧化成Fe3+则形成阳离子空位
26.书上各例题
27.铝为面心立方晶体，摩尔质量为原子半径为，求铝的密度？
ρc=N*M/Na*V
28．晶体缺陷的分类。
肖脱基缺陷（SchottkyDefect）弗仑克尔缺陷（FrenkelDefect）：
点缺陷对晶体性质的影响
解：
肖脱基缺陷：
有空位，无间隙原子，原子逃逸到晶体外表面或内界面（晶界）。
弗仑克尔缺陷：
同时形成等量的空位和间隙原子，空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基（空位）缺陷。
点缺陷对晶体性质的影响：
点缺陷存在和空位运动，造成小区域的晶格畸变。
1）使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力，使电子在传导中的散射增加；2）加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动；3）使材料体积增加，密度下降4）比热容增大附加空位生成焓5）改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在，增加位错运动阻力,使强度提高，塑性下降。
29．柏氏矢量的物理意义。
解：
表示晶体形成位错的滑移方向和大小。
30.体积（晶格）扩散的微观机制类型
解：
体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置。
包括3种微观扩散机制：
①空位机制，其中一个原子与相邻空位交换位置。
②间隙机制，自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上。
③直接交换机制，相邻原子成对的互相交换位置
31.比较下列各因素对扩散系数的影响，并简要说明原因。
1．温度对扩散系数的影响
2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数
3．体积扩散系数（晶格或点阵）与短路扩散系数（沿位错、晶界、表面）
4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数。
5．铁的自扩散系数α（Fe）与γ（Fe）
解：
1.温度越高，扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律，温度提高，超过能垒几率越大，同时晶体的平衡空位浓度也越高，扩散系数提高。
2.原子的迁移要挤开通路上的原子，引起局部点阵畸变，部分破坏原子结合键才能通过。
键能越强，原子间的结合键力越强，激活能越大，扩散系数越小。
共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数。
3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况，原子排列越紧密，原子间的结合力越强，扩散激活能越高，而扩散系数越小；②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子，他们扩散所需的活化能也较小，相应的扩散系数较大。
D表面>D晶界>D沿位错>D晶内
4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散。
因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散。
间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙，而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时，需要首先形成空位，因而激活能高。
5.α（Fe）属于体心结构，γ（Fe）属于面心结构，面心结构点阵比体心结构点阵紧密，铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-（Fe）相比，在912℃时，Dα-（Fe）≈280Dγ-Fe
32.书上例题
33.无规网络模型的结构特点
342-66
35．结构弛豫，非晶态的晶化和熔体结晶有何异同？
解：
②结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料，常温或加热保温退火，许多性质将随时间发生变化，达到另一种亚稳态。
③非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点：
都是由亚稳态向晶态的相变，受成核和晶体生长控制。
非晶态晶化:
T＜Tg，相变驱动力大，成核功小，利于成核和晶体生长；粘度大，固相内扩散，扩散慢，不利于成核和晶体生长，更有利于保持非晶状态。
熔体冷凝结晶：
Tg＜T＜Tm，液体内的扩散
36．分别求W（Sn）=%和W（Sn）=50%时，在183℃转变时，各相的相对含量?
解：
②W（Sn）=50%wα=（−50）/（−19）×100%=%，wβ=1−wα=%
37.固体表面结构的主要特点?
解：
固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力。
晶体不同晶面的表面能数值不同，密排面的表面能最低，故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；
38.分析讨论影响材料表面能的因素?
解：
表面能是增加单位面积的表面，需要做的功.扩张表面时。
要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用。
作用力弱，做功小，表面能低。
1）键性：
表面能反映质点间的引力作用，强键力的金属和无机材料表面能较高。
低表面能物质：
水，石蜡 ， PE ，PTFE ，PA66
2）温度：
温度升高，表面能一般减小。
热运动削弱了质点间的吸引力。
3）杂质：
含少量表面能较小的组分，可富集于表面，显著降低表面能；含少量表面能较大的组分，倾向于体内富集，对表面能影响小
39.三种润湿的数学表达式?
解：
①沾湿：
WA=－ΔG=γSg+γLg－γSL
②润湿：
Wi=－ΔG=γsg-γsL
③铺展：
S=－ΔG=γsg-γLg-γsL
三种润湿的共同点:
液体将气体从固体表面排开，使原有的固/气（或液/气）界面消失，被固/液界面取代
三种润湿的规律：
沾湿粘附功Wa=A+γLgWa=γSg+γLg－γSL
浸湿Wi=A=γsg-γsL
铺展S=A－γLg
γSg越大，γSL越小，粘附张力A越大，越有利于各种润湿；
沾湿：
γLg大，有利沾湿；浸湿：
γLg，无影响;
铺展：
γLg小，有利铺展。
改变润湿性主要取决于γSg，γLg，γSL的相对大小，改变
γSg较难，实际上更多的是考虑改变γLg和γSL。
40.润湿的本质是
解：
润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降。
2-23
41.硅烷偶联剂？
硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物，其经典产物可用通式YSiX3表示。
式中，Y为非水解基团，包括链烯基（主要为乙烯基），以及末端带有Cl、NH2、SH、环氧、N3、（甲基）丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基，即碳官能基；X为可水解基团，包括Cl,OMe,OEt,OC2H4OCH3,OSiMe3,及OAc等。
由于这一特殊结构，在其分子中同时具有能和无机质材料（如玻璃、硅砂、金属等）化学结合的反应基团及与有机质材料（合成树脂等）化学结合的反应基团，可以用于表面处理
第三章思考题
1．高分子材料组成和结构的基本特征
解：
①平均分子量大和存在分子量分布；②高分子链具有多种形态；③分子链间以范氏力为主，部分化学键；分子内为共价键；④组成与结构的多层次性
2． 比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响
解：
①主链结构。
极性小的碳链高分子，分子内相互作用不大，内旋转位垒小，柔性较大。
主链中含非共轭双键，相邻单键的非键合原子（带*原子）间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易，柔顺性好。
主链中含共轭双键，因电子云重叠，没有轴对称性，Л电子云在最大程度交叠时能量最低，而内旋转会使Л键的电子云变形和破裂，不能内旋转，刚性链分子。
主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时，可提高分子链的刚性。
②取代基。
侧基极性越大，极性基团数目越多，相互作用越强，单键内旋转越困难，分子链柔顺性越差。
③氢键和交联结构的影响。
高分子的分子内或分子间形成氢键，氢键影响比极性更显著，增加分子链的刚性。
3.相容剂及其增容作用
添加相容剂是改善高分子分散相与基体之间相容性，稳定熔融分散混合效果的有效方法。
相容剂通常为两相高分子的共聚物。
相容剂共聚物的链段会与共混体系中相应的均聚物部分相互作用，从而降低表面张力，增强分散相与基体的粘附。
这一过程称为“增容作用”
4.内聚能密度对高聚物结构和性能的影响
内聚能密度:
单位体积的内聚能（CED）
CED<290（J/cm3）,分子间力小，分子链柔顺，非极性高聚物，用作橡胶；
CED﹦290～400（J/cm3）分子间力适中，分子链刚性大，用作塑料；
CED>400（J/cm3），多含强极性基团和氢键，分子间作用力大，有较高结晶性和强度，用作纤维。
5.聚合物制备方法，主要结构类型
加成聚合和缩聚
主要结构：
无规~ABBAABAB~Randomn<102
交替~ABABAB~Alternating
嵌段~AAAAAAAABBBBBBB~Block均聚链段n=102～3
接枝~AAAAAAAAAAAA~Graft主链和支链
6.与小分子相比，高分子有何特点
①平均分子量大和存在分子量分布
②高分子链具有多种形态
③组成与结构的多层次性
7.高分子按结构单元的化学组成可分为碳链高分子，杂链高分子，元素有机高分子，无机高分子，
8.聚乙烯可分为低密度聚乙烯，高密度聚乙烯，线性低密度聚乙烯，超高分子质量聚乙烯，改性聚乙烯
9.与低分子晶体比较，聚合物晶体的特点。
解：
特点：
①链段排入晶胞，分子链轴常与一根结晶主轴平行；②半晶结构（结晶不完全）；③熔程范围较宽，④结晶速度慢；⑤晶体形态多样。
10.名词解释：
热塑性聚合物：
指具有加热后软化、冷却时固化、可再度软化等特性的塑料
热固性聚合物：
一般先形成预聚物，成型时，经加热使其中潜在的官能团继续反应成交联结构而固化。
这种转变时不可逆的，只能成型一次，再加热时不能熔融塑化，也不溶于溶剂，一般是体型聚合物，如酚醛树脂、硫化橡胶等。
铁碳合金
1.高温莱氏体：
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体
2.铁素体F（Ferrite）:
C溶于α-Fe中的间隙固溶体，bcc，
（室温）C%%（727℃），硬度和强度低，
塑性韧性好。
3.奥氏体A（Austenite）C溶于γ-Fe中的间隙固溶体，fcc，（727℃）%C%%（1148℃），塑性和可锻性好，无磁性。
4.渗碳体Fe3C（cementite）铁和碳的间隙化合物，熔点高1600℃。
C含量%；正交晶系，塑性差，脆性大。
5.珠光体P（Pearlite）铁素体和渗碳体的共析混合物；
6.马氏体Martensite钢和铁从高温奥氏体急冷（淬火强化），化学成分不变，晶格重构,fcc变为bcc，碳在-Fe中的过饱和固溶体。
硬度和强度很高。
7.黄铜：
黄铜是由铜和锌所组成的合金
8.青铜：
纯铜（红铜）中加入锡或铅的合金
2.根据铁碳相图，说明各点（A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S和Q）的含义。
3碳对铁碳合金机械性能有何影响
铁素体软而韧，铁碳合金的塑性主要由铁素体提供；
渗碳体硬而脆。
铁素体和渗碳体形成片状珠光体，使铁碳合金的强度和硬度提高。
合金中珠光体的数量越多，合金的强度和硬度越高。
w（C）＝％，全部为珠光体，合金强度和硬度较高，兼有塑性和韧性。
合金组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体时，铁碳合金的塑性和韧性大大降低，强度也降低。
白口铸铁脆性很大，使用价值不大。
w（C）>％,沿珠光体边界形成网状Fe3CⅡ，降低了晶界的断裂强度，使合金脆性大大增加。
碳钢，一般要求w（C）<％
4.钢和铸铁在成分组织性能上的主要区别是什么
钢:
碳含量<%（重量）的铁-碳合金。
碳钢和合金钢
1碳钢
1）按碳含量（质量百分数）分类：
低碳钢C≤％
中碳钢％高碳钢C＞％
含碳量越高，碳钢硬度和强度越大，但塑（韧）性降低。
2）按钢中杂质的质量含量分类（杂质硫、磷含量）：
普通碳素钢S≤％，P≤％
优质碳素钢S≤％，P≤％
高级优质碳素钢S≤％，P≤％
3）按用途分类：
碳素结构钢：
桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等。
碳素工具钢：
刀具、模具、量具等。
合金钢:
碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢。
1）按含合金元素的总含量分类：
低合金钢（合金元素总质量分数≤5％）
中合金钢（合金元素总质量分数=5％～10％）
高合金钢（合金元素总质量分数＞10％）。
2）按主要合金元素种类分：
铬钢不锈钢铬镍钢锰钢硅锰钢等。
铸铁
含碳量＞％的铁-碳合金。
铸铁成分范围：
C:
～%,Si:
～%，Mn:
～%,S:
～%，P:
～%。
为改善性能，也加入Cr、Mo、V、Cu、Al等；
与钢相比，铸铁含碳和硅量较大，含杂质元素较多。
铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。
广泛用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域。
按质量分数计算，铸铁件在
农业机械中占40～60％；
汽车拖拉机中占50～70％；
机床制造中占60～90％。
灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等。
铸铁中，碳可以石墨G形式存在，与铁构成Fe－G平衡状态
5。
Fe-Fe3C相图
6.分析w（C）＝％、w（C）＝％、w（C）＝％、w（C）＝％的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程，用组织示意图说明各阶段的组织变化。
7.计算w（C）=%和w（C）=%的铁
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