同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、第一章習(xí)題一，解釋下列名稱或術(shù)語鍵合力：固體材料中原子間用于相連接及保持一定的幾何形狀或物性的結(jié)合力。晶格能:：在0k時1mol離子化合物的各種離子相互移動至無限遠(yuǎn)及拆散成氣態(tài)所需要的能量電負(fù)性：原子得到電子的能力空間格子：將晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)基元抽象成幾何點，將實際晶體使用三維點陣表示的空間結(jié)構(gòu)晶胞：砸實際晶體中劃分出的平行六面體單位基元點陣：把晶體內(nèi)部的原子、離子或原子集團(tuán)等結(jié)構(gòu)抽象成幾何的點平行六面體：空間格子中的最小單位基元，由六個兩兩平行且大小相等的面組成晶面指數(shù)：表示晶體中點陣平面的指數(shù)，由晶面在三個晶軸的截距值決定點群：宏觀晶體對賀元素集合而成結(jié)的晶學(xué)群晶面常數(shù)：晶體定向中，軸率a：

2、b：c和軸角，統(tǒng)稱為晶體的幾何常數(shù)二，分別簡述形成離子鍵和金屬鍵的條件和特點離子鍵：條件：X1.7特點：沒有飽和性和方向性共價鍵：條件：0.7X1.7特點：有飽和性和方向性金屬鍵：條件：X0.5特點：沒有飽和性和明顯的反向性三，范德華鍵和氫鍵的聯(lián)系和區(qū)別聯(lián)系：都是依靠分子或分子的偶極矩引力而形成區(qū)別：范德華鍵無飽和性和方向性，氫鍵有明顯的飽和性和方向性四，簡述元素周期表中金屬離子半徑變化的規(guī)律同周期隨原子序數(shù)增加而減小，同主軸隨原子序數(shù)增加而增大，對角線上離子半徑大小大致相等。五，寫出單型三方柱，四方柱，四方雙錐，六方柱填型中各晶面的晶面指數(shù)，并寫出它們的對稱性。三方柱晶面指數(shù)(0 0 0 1

3、)(0 0 0 1)(1 1 2 0)(1 2 1 0)(2 1 1 0)對稱型 L33L23PC四方柱晶面指數(shù)(0 0 1)(0 1 0)(1 0 0)(0 1 0)(1 0 0)(0 0 1)對稱型 L44L25PC四方雙錐晶面指數(shù)（0 1 1）（1 0 1）（0 1 1）（1 0 1）（0 1 0）（1 0 0）（0 1 0）（1 0 0）（0 1 1）（1 0 1）（0 1 1）（1 0 1）對稱型 L44L25PC六方柱晶面指數(shù)（0 0 0 1）（0 0 0 1）（0 1 1 0）（1 0 1 0）（1 1 0 0 ）（0 1 1 0）（1 0 1 0）（1 1 0 0）對稱型 L4

4、6L27PC六，寫出立方體中六個晶面指數(shù)（0 0 1）（0 0 1）（0 1 0）（1 0 0）（0 1 0）（1 0 0）七，在六方晶體中標(biāo)出晶面（0 0 0 1）（2 1 1 0）（1 0 1 0）（1 1 2 0）（1 2 1 0）的位置（0 0 0 1）面opqrst（2 1 1 0）面osso （1 0 1 0）面tsst（1 1 2 0）面trrt （1 2 1 0）面qssq第二章1，原子半徑：分子內(nèi)部原子的中心距為兩個原子半徑之和離子半徑：離子周圍的一個其他原子不能侵入的勢力范圍配位數(shù)：在晶體結(jié)構(gòu)中，一個原子或離子直接相鄰的原子或異號離子數(shù)目稱為配位數(shù)點缺陷：亦稱零維缺陷，缺陷

5、尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維反向上的缺陷都很小熱缺陷：是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點肖特基缺陷：質(zhì)點由面位置遷移到新表面位置，而在晶體表面形成新的一層，同時在晶體內(nèi)部留下空位弗倫克爾缺陷：質(zhì)點離開正常格點后進(jìn)入到晶格間隙位置，其特征是空位和間隙點成對出現(xiàn)位錯：質(zhì)點在一維方向上偏離理想晶體中的周期性，規(guī)則性排列多產(chǎn)生的缺陷，這種缺陷的尺寸在一維方向上較長，而在另二維方向上較短2，四面體空隙個數(shù)=8*n/4=2n八面體空隙個數(shù)=6*n/6=n當(dāng)大小不等的球體進(jìn)行堆積時，其中較大的球?qū)戳胶土⒎阶罹o密堆積方式進(jìn)行堆積，而較小的球按自身大小填入其中的八面體空隙中或四面體空隙中3，原子

6、數(shù)配位數(shù)堆積系數(shù)面心立方480.68體心立方2120.74密排立方6120.744，證明：晶胞體積=33/2*a2*1.6a原子體積=4/3（a2/2）*6原子體積占晶胞體積=原子體積/晶胞體積=74.9% 空隙率=1-74.9%=25.1%5，刃型位錯的特點：伯格斯矢量與刃型位錯垂直刃型位錯有正負(fù)之分，把多余半原子面在滑移面上邊的刃型位錯稱為正刃型位錯，反之為負(fù)刃型位錯在刃型位錯的周圍要發(fā)生晶體的畸變，在多余的半原子面的這一邊晶體收擠壓縮變形，原子間距離變小，而另一邊的晶體則受拉膨脹變形，原子間距增大，從而使位錯周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)變，形成應(yīng)力場位錯在晶體中引起的畸變在位錯處最大，離位錯線越遠(yuǎn)的晶

7、格畸變越小，原子嚴(yán)重錯排列的區(qū)域只有幾個原子間距，因此，位錯是沿位錯線為中心的一條狹長管道螺旋位錯的特征：伯格斯矢量與刃型位錯平行螺旋位錯分為左旋和右旋，根據(jù)螺旋面旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱為右旋螺旋位錯，符合左手法則的稱為左旋位錯螺旋位錯只引起剪切畸變，而不引起體積膨脹和收縮，因為存在晶格畸變，所以在位錯線附近也形成應(yīng)力場，同樣的，離位錯線距離越遠(yuǎn)，晶格畸變越小，螺旋位錯也只包含幾個原子寬度的線缺陷。第三章1，根據(jù)和金組成元素及原子相互作用的不同，固態(tài)下形成的合金相基本上可以分為固溶體和中間相兩大類。和純金屬相比，由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點陣常數(shù)，力學(xué)性能，物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度

8、的變化。點陣常數(shù)的變化，由于溶質(zhì)和溶劑原子的大小不同，引起點陣畸變并導(dǎo)致點陣常數(shù)發(fā)生變化產(chǎn)生固溶強化，由于溶質(zhì)原子溶入，使固溶體強度，硬度升高物理和化學(xué)性能的變化，固溶體合金隨著固溶度的增加，點陣畸變增大，一般固溶體的電阻率升高，同時降低電阻溫度系數(shù)，有序變化時因原子間結(jié)合力增加，點陣畸變和反相畸變存在等因素都會引起固溶體性能突變，除了硬度和屈服升高，電阻率降低外，甚至有非鐵磁性合金有序變化后會具有明顯的鐵磁性2，材料的結(jié)構(gòu)指的是材料的原子結(jié)構(gòu)，結(jié)合鍵，原子的排列方式以及顯微組織，而組織指用金相觀察材料內(nèi)部時看到的涉及晶體或晶粒大小，方向，形狀，排列狀況等組成關(guān)系的組成物，材料的性能取決于其內(nèi)

9、部結(jié)構(gòu)，只有改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能達(dá)到改變性能的目的，材料的組織結(jié)構(gòu)的變化決定了其力學(xué)性能，物理性能和化學(xué)性能。3，中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體，中間相通?？梢杂没衔锏幕瘜W(xué)分子表示，大多數(shù)中間相原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其它典型鍵相混合的一種方式，因此它們都具有金屬性和固溶體一樣，電負(fù)性，電子濃度和原子尺寸對中間相的形成及晶體結(jié)構(gòu)性能都有影響，中間相可分為正常價化合物，電子化合物，原子尺寸因素有關(guān)的化合物與超結(jié)構(gòu)。4，共晶型：固態(tài)時兩組元完全互不相溶，存在一個共晶溫度，此時三相共存同晶型：固態(tài)液態(tài)時兩個組元都能以任意比例互溶包晶型：包晶型中有一個固溶體的了、凝固溫度隨

10、溶質(zhì)濃度增加升高，而無低共熔點共晶和包晶是恒溫轉(zhuǎn)變過程，而勻晶不是。共晶和包晶有一條恒溫轉(zhuǎn)變溫度線5，設(shè)一組為Wd熔體，從高溫開始冷卻，當(dāng)溫度降至液相線AB上的A點時，開始析出固溶體，隨著溫度下降，固相組成沿AC變化，液相沿AE變化，并且漸增，L漸減，當(dāng)溫度降到固相線CD時，L相組成E，固溶體組成為C，此時從液相中析出固溶體共晶剛結(jié)束時W液/W固=MF/FNL= L+初=初+（+）共=+初與（+）共初=（XE-XW）/（XE XC）*100%（+）共=(1-) *100%共晶剛結(jié)束時：=（XD-XW）/（XD XC）*100%=(1-) *100%6，f=c-+2=3-（一元情況下）因為一元凝

11、聚態(tài)時存在存在固溶體兩組元，即=2 f=1，所以此相變過程中溫度不變在相界上各點表示了一元組分的固溶關(guān)系，隨著時間變化，固液兩相組分不斷改變，因此相界線上點多為狀態(tài)點。7，兩元相圖相界線上為單相相界線上f=2-1+1=2，表示在單相區(qū)可任意變動溫度和組成而不會使相的數(shù)量發(fā)生變化兩相共存區(qū)f=2-2+1=1，表示溫度變化時，液相和固相的組成和數(shù)量也隨之變化8，成分為40%B的合金首先凝固出來的固體成分為80%B若首先凝固出來的固體成分含60%,合金成分為20%成分為70%B的合金最后凝固的液體成分為30%B合金成分為50%B，凝固到某溫度時液體含有40%B，固體含有80%B第五章晶體凝固的熱力學(xué)

12、；晶體形核、長大過程；固溶體平衡凝固和非平衡凝固的條件和組織；1，金屬從液相至固相的轉(zhuǎn)變稱為凝固，如果凝固后的固體是晶體，則又稱為結(jié)晶2，過冷度：熔點與實際凝固溫度之差過冷現(xiàn)象：金屬開始凝固的溫度恒低于其熔點，同一金屬，結(jié)晶的冷卻速度越大，過冷度越大，實際結(jié)晶溫度越低。金屬凝固的基本過程是形核與晶核的長大，形核的熱學(xué)驅(qū)動力是固體與液態(tài)的自由焓負(fù)差值，只有在過冷條件下才具有這一動力3，純金屬晶體的結(jié)晶石通過形核和長大兩個過程進(jìn)行的4，晶粒：在凝固時，每一個晶核在每一個溫度下擴(kuò)散充分進(jìn)行而形成的內(nèi)部成分均勻一致的物質(zhì)晶界：在純金屬中，晶核接著長成球形，然后迅速變得不穩(wěn)定，并形成枝晶，這些枝晶在溶液

13、中自由生長，最終互相接觸，凝固成純金屬，其枝晶本身的痕跡已經(jīng)消失，但在各個枝晶的相接處形成可見的晶界。5，單晶體：質(zhì)點按同一取向排列，由一個晶核生長而成，各向異性的晶體多晶體：由許多不同位向的小晶粒而組成多晶體每個晶粒具有各向異性，但由于晶粒位向不同，加上晶界作用，使各晶粒的有向性互相抵消，所有整個多晶體呈現(xiàn)出無向性。第六章2，特征：顯微結(jié)構(gòu)常有三種組成：晶相，玻璃相和氣相主要鍵合為離子鍵，共價鍵和他們的混合鍵組成多樣，從元素上說，可由一種元素或多種元素組成，從化合物來說，可以由簡單化合物到由多種復(fù)雜的化合物組成的混合物4，從負(fù)離子立方堆積出發(fā)，說明以下結(jié)構(gòu)類型：正離子填滿所有四面體空隙位置正

14、離子填滿一半填滿所有八面體空隙位置答：A2X反螢石型AX閃鋅型AX NaCl型5，負(fù)離子六方堆積出發(fā)正離子填滿一半四面體空隙一半八面體空隙· AX 纖鋅礦型AX2金紅石型 陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)包括三個主要內(nèi)容：晶相、玻璃相和氣孔，其中晶相又有多種，它們之間的比例和各自得特性都要影響材料整體的物理化學(xué)性能；例如晶相中的鍵合問題，玻璃相中的化學(xué)組成問題、氣孔的形態(tài)問題等；什么是無機(jī)非金屬材料（硅酸鹽材料）？一種或多種金屬元素（，等，通常為）的化合物，主要是金屬氧化物和金屬非金屬氧化物，幾乎包括除金屬、高分子外的所有材料。傳統(tǒng)四大類：陶瓷、玻璃、水泥、防火材料。特點：）性能上：高熔點，高硬度

15、，耐熱，耐磨損，耐氧化，耐化學(xué)腐蝕，電性能，光性能好。）纖維結(jié)構(gòu)上：由三種不同的組成。晶相多相：主晶相：主晶相的性能標(biāo)志著陶瓷材料的物化性能。次晶相、第三晶相不能忽視，雜質(zhì)次晶相使優(yōu)良性能大大降低。之間比例與各自特性對材料整體物化性能影響玻璃相：作用：填充晶粒間隙或起黏結(jié)劑作用，將分散晶粒黏結(jié)在一起提高致密度。降低燒結(jié)溫度，改善工藝和抑制晶粒長大。組成很不均勻，物理性質(zhì)也不均勻力學(xué)強度低，穩(wěn)定性差，容易軟化，故陶瓷材料的不利因素。氣相（氣孔）：形態(tài)類型：開口氣孔閉口氣孔陶瓷的許多電、熱性能都隨氣孔率、氣孔尺寸及分布不同而發(fā)生變化，所以要合理控制氣孔的含量、形態(tài)、分布。化學(xué)鍵合：離子鍵：既不具有

16、方向性也不具有飽和性，所以有利于離子在空間密堆排列，離子晶體的密度和熔點大。共價鍵：既具有方向性又有飽和性，不能達(dá)到密堆，堆積密度較低，共價晶體硬度高密度小，導(dǎo)電性低兩者混合鍵離子的堆積方法；哥希密特的結(jié)晶化定律：晶體的結(jié)構(gòu)取決于其組成質(zhì)點的數(shù)量關(guān)系、大小關(guān)系與極化關(guān)系。物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)可按照化學(xué)式類型AX，AX2，A2X3來討論，化學(xué)式類型不同，表示組成晶體的質(zhì)點的數(shù)量關(guān)系不同，結(jié)構(gòu)不同。晶體中組成質(zhì)點的極化性能不同，反映各離子的極化率不同，結(jié)構(gòu)不同。晶體中組成質(zhì)點的大小不同，則離子半徑比值不同，配位數(shù)與晶體結(jié)構(gòu)不同。典型無機(jī)化合物的晶體結(jié)構(gòu)；氯化鈉晶體、氯化銫晶體、閃鋅礦晶體、纖鋅礦晶體、螢石

17、晶體結(jié)構(gòu)，特別應(yīng)該了解在這些晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)離子的堆積方法、配位數(shù)、孔隙特征（四面體空隙和八面體空隙）等問題；一個晶胞中堆積方法配位數(shù)孔隙特征CsCl1個Bcc均8NaCl4個兩個fcc疊加均64個八面體，8個四面體，Na+完全填塞于八面體空隙中閃鋅礦（ZnS）4個兩套fcc疊加均48個四面體，4個八面體，Zn+交錯處于八分之一的立方體中心，占據(jù)四面體空隙數(shù)半數(shù)纖鋅礦（大方ZnS）S2-六方最密堆積均4Zn2+填入半數(shù)四面體空隙螢石（CaF2）Ca2+ fccCa2+ -8；F- -4F-填充在八個小立方體中心，8個四面體全被占據(jù)，八面體全空第七章高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)、高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)；高分子

18、的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)的基本概念、特征、機(jī)構(gòu)對性能的影響；重點要求掌握高分子鏈的組成、構(gòu)型、高分子鏈的柔順性等概念，高分子鏈柔順性的影響因素，高分子晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特點（晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型）。1，名詞解釋近程結(jié)構(gòu)：高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成，鏈接方式，空間立構(gòu)和交聯(lián)，序列結(jié)構(gòu)等問題遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)：高分子遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)包括分子的大小與形態(tài)，鏈的柔順性及分子在各環(huán)境中所采用的構(gòu)象結(jié)構(gòu)單元；組成高分子長鏈的小的均聚物重復(fù)單元：簡單重復(fù)結(jié)構(gòu)單元又稱鏈節(jié)，至少為雙官能團(tuán)的單體通過雙鍵打開，縮合聚合或開環(huán)聚合形成鏈結(jié)構(gòu)，當(dāng)中重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)為單元結(jié)構(gòu)。均方末端距：末端距是指線形高分子

19、鏈的一端到另一端達(dá)到直線距離，將末端距先平方再平均即鈞方末端距。均方旋轉(zhuǎn)半徑：指從大分子鏈的質(zhì)量中心到各個鏈段的質(zhì)量中心的距離自由旋轉(zhuǎn)鏈：假定分子鏈中每一個鍵都可以在鍵角所允許的方向自由轉(zhuǎn)動，不考慮空間位阻對移動的影響，我們稱這種鏈為自由旋轉(zhuǎn)鏈。高斯鏈：末端距分布符合高斯函數(shù)的分子鏈分子構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)成為構(gòu)象高分子構(gòu)型：通過化學(xué)鍵固定分子中原子的空間排列，要改變構(gòu)型必須經(jīng)過化學(xué)鍵的斷裂和重組。2，聚合物分子具有鏈狀結(jié)構(gòu)，一個典型的線型聚合物分子鏈長度與直徑之比是很大的，這樣一根細(xì)而長的聚合物鏈在無外力作用下，不可能是一條直線，一定要卷成團(tuán)，聚合物鏈能以不同程度

20、卷曲的特性稱為柔順性，柔順性是高分子特有的屬性，是橡膠高彈性的根由，也是決定高分子形態(tài)的主要因素，對高分子的物理力學(xué)性能有根本的影響。4，由于熱運動，分子的構(gòu)象在時刻改變著，高分子能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔順性，有熵增原理，孤立的高分子鏈總是自發(fā)的采取卷曲的構(gòu)象，使構(gòu)象熵趨于最大，從而導(dǎo)致高分子長鏈具有柔性，因此，高分子鏈的柔性本質(zhì)是熵運動。第八章復(fù)合材料的定義和基本特點；復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)層次；纖維增強復(fù)合材料的增強機(jī)制；不同復(fù)合材料界面功能，作用機(jī)理；復(fù)合材料界面的粘結(jié)方式，偶聯(lián)的作用機(jī)理。1，指倆種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)的不同的物質(zhì)組成的一種多相固態(tài)物質(zhì)，復(fù)合材料中一相為連續(xù)相為基體，

21、占主要組成之分，另一相為分散相，稱為增強相，分散相以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中，可是增強纖維，也可是顆粒狀或彌散的填料，兩相間存在著相界面。3，復(fù)合材料起增強作用的組分，在基體摻入增強體的過程中，增強體盡量不受損，并保證增強體在集體中按要求的方向和數(shù)量有規(guī)律排列和分布，在符合材料中增強材料與基體間有良好的界面結(jié)合。4，基體材料和基體之間的化學(xué)成分有顯著的變化，使二者彼此結(jié)合，并且有傳遞荷載作用的微小區(qū)域，傳遞效應(yīng)，阻斷效應(yīng)，不連續(xù)效應(yīng)，散射效應(yīng)，吸收效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)。第九章材料的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線；由拉伸試驗獲得材料的各種力學(xué)性能指標(biāo)的基本概念；材料強度、塑性、韌性、何黏彈性的概念；材料斷裂的形式及鑒別；第十章材料的物理性能含義