材料科学基础
主讲教师：吕宇鹏
2002－2003学年第一学期
绪论
1 课程性质：技术基础课。
2 学习材料科学的重要性
（1）材料科学
研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系的科学。（四要素关系如2）材料科学在社会与社会发展中的地位
①社会需求是材料发展的巨大动力
信息与材料：信息获取（传感器：化合物）－信息传递（光纤：无机、有机材料）－信息贮存（金属与合金）－信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料）－信息处理（处理器芯片硅－锗）。
②能源与材料：贮氢材料（钛锰及稀土类合金）、太阳能电池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（锆合金等）。
③航空航天材料：发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。
④人与材料：金属、无机、高分子及其复合材料。
（3）材料的四大家族
①金属材料：综合性能等。
②陶瓷材料：高温、稳定性能等。
③高分子材料；耐腐蚀等特殊性能。
④复合材料：1＋1大于2。
3 内容安排
（1）内容核心：材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及其在各种条件下的变化规律。
（2）内容结构
材料学原理（1－8章）―相变原理（9章）―工程与功能材料学（10－11章）
（3）学时安排
总学时：114 （周一3，4；周三1，2；周五1，2）
实验：12
4 学习方法
提纲挈领、记好笔记、及时复习。
5 教材与参考书
教材
刘智恩.材料科学基础.西北工业大学出版社.2000年8月第一版
参考书
石德柯.材料科学基础.机械工业出版社.1999年5月第一版
赵品.材料科学基础教程.哈尔滨工业大学出版社.2002年三月第二版
殷景华.功能材料概率.哈尔滨工业大学出版社.1999年8月第一版
预习名词：金属键、晶体、空间点阵、晶体结构、晶胞
第一章材料中的原子排列
第一节原子的结合方式
1 原子结构
2 原子结合键
（1）离子键与离子晶体
原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；
离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体
原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；
原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体
原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；
金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
（4）混合键。如复合材料。
3 结合键分类
（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式
（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列
一晶体学基础
1 空间点阵与晶体结构
（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5 特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：
空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6
（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
（3）形状和大小
有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。
3 布拉菲点阵图1－7 14种点阵分属7个晶系。
4 晶向指数与晶面指数
晶向：空间点阵中各阵点列的方向。
晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。
国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。
（1）晶向指数的标定
a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。
b 求坐标。u’,v’,w’。
c 化整数。u,v,w.
d 加[ ]。[uvw]。
说明：
a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用
（2）晶面指数的标定
a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。
b 量截距：x,y,z。
c 取倒数：h’,k’,l’。
d 化整数：h,k,k。
e 加圆括号：(hkl)。
说明：
a 指数意义：代表一组平行的晶面；
b 0的意义：面与对应的轴平行；
c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；
d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。
e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;
f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
（3）六方系晶向指数和晶面指数
a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。
b 晶面指数的标定
标法与立方系相同(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k)。
c 晶向指数的标定
标法与立方系相同(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。
依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。
坐标换算法：[UVW]~[uvtw]
u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。
（4）晶带
a ――：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。
晶带轴晶带面
b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面//晶带轴；
hu+kv+lw=0
c 晶带定律
凡满足上式的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带。推论：
(a)由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：
u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。
(b)由两晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其决定的晶面(hkl)。
H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。
（5）晶面间距
a ――：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。
b 计算公式（简单立方）：
d=a/(h2+k2+l2)1/2
注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数、体心
立方h+k+l=奇数时，d(hkl)=d/2。
二典型晶体结构及其几何特征
1三种常见晶体结构
面心立方（A1, FCC）体心立方（A1, BCC）密排六方（A3, HCP）
晶胞原子数 4 2 6
点阵常数a=2/2r a=4/3/3r a=2r
配位数12 8（8＋6）12
致密度0.74 0.68 0.74
堆垛方式ABCABC.. ABABAB.. ABABAB..
结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体（个数）8 4 12 6 12 6
（r B/r A）0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414
配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。
致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。K=nv/V。
间隙半径（r B）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。
2 离子晶体的结构
（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。
（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。
（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。
3 共价键晶体的结构
（1）饱和性：一个原子的共价键数为8-N。
（2）方向性：各键之间有确定的方位
（配位数小，结构稳定）
三多晶型性
元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。
四影响原子半径的因素
（1）温度与应力
（2）结合键的影响
（3）配位数的影响（高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化。
（4）核外电子分布的影响（一周期内，随核外电子数增加至填满，原子半径减小至一最小值。
第三节原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。
晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。
（晶体缺陷可分为以下三类。）
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
一点缺陷
1 点缺陷的类型图1－31
（1）空位：
肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。
弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。
（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。
（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2 点缺陷的平衡浓度
（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对应的n值即为平衡空位数。）
（2）点缺陷的平衡浓度
C=Aexp(-?Ev/kT)
3 点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生
平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。
过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。
（2）点缺陷的运动
（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
4 点缺陷与材料行为
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）
力学性能（屈服强度提高。）
二线缺陷（位错）
位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）
位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。
1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。
1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。
1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。
1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。
之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
1 位错的基本类型
（1）刃型位错
模型：滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻
位错运动方向，晶体滑移方向//位错运动方向。）
分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。
（2）螺型位错
模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动
方向，晶体滑移方向┻位错运动方向。）
分类：左螺型位错；右螺型位错。
（3）混合位错
模型：滑移面/位错线。
2 位错的性质
（1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。
（2）是已滑移区和未滑移区的边界。
（3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。
3 柏氏矢量
（1）确定方法 (避开严重畸变区)
a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。
b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。
c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。
（2）柏氏矢量的物理意义
a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。
b 表示晶体滑移的方向和大小。
c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。
d 判断位错的类型。
（3）柏氏矢量的表示方法
a 表示: b=a/n[uvw] （可以用矢量加法进行运算）。
b 求模：/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。
4 位错密度
（1）表示方法：ρ＝K/V
ρ＝n/A
（2）晶体强度与位错密度的关系（τ-ρ图）。
位错观察：浸蚀法、电境法。
5 位错的运动
（1）位错的易动性。
（2）位错运动的方式
a 滑移：位错沿着滑移面的移动。
刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面
螺型位错的滑移：具有多个滑移面。
位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用。
b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。
机制：原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。
分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、原子加入）。
应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。
（3）作用在位错上的力（单位距离上）
滑移：f=τb；
攀移：f=σb。
6 位错的应变能与线张力
（1）单位长度位错的应变能：W=αGb2。
（α＝0.5~1.0, 螺位错取下限，刃位错取上限。）
（2）位错是不平衡的缺陷。
（商增不能抵销应变能的增加。）
（3）位错的线张力：T=αGb2。
（4）保持位错弯曲所需的切应力：τ＝Gb/2r。
7 位错的应力场及其与其它缺陷的作用
（1）应力场
螺位错：τ＝Gb/2πr。（只有切应力分量。）
刃位错：表达式（式1－9）
晶体中：滑移面以上受压应力，滑移面以下受拉应力。
滑移面：只有切应力。
（2）位错与位错的交互作用
f=τ b ，f=－σb （刃位错）。
同号相互排斥，异号相互吸引。（达到能量最低状态。）（3）位错与溶质原子的相互作用
间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。
柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。
（4）位错与空位的交互作用
导致位错攀移。
8 位错的增殖、塞积与交割
位错的增殖：F-R源。
（1）位错的塞积
分布：逐步分散。
位错受力：切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻
力。
（2）位错的交割
位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量（变化方向和大小）。
割阶：位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。
扭折：――――――――位于―――――――――。
对性能影响：增加位错长度，产生固定割阶。
9 位错反应
（1）位错反应：位错的分解与合并。
（2）反应条件
几何条件：∑b
前=∑b
后
；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。
能量条件：∑b2
前>∑b2
后
; 反应后位错的总能量小于反应前位错的总能
量。
10 实际晶体中的位错
（1）全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。
（实际晶体中的典型全位错如表1－7所示）
（2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。
（实际晶体中的典型不全位错如表1－7所示）
（3）肖克莱和弗兰克不全位错。
肖克莱不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。（结合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。）
弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）
（4）堆垛层错与扩展位错
堆垛层错：晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排。
扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错称之。
三面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。
1 晶界
（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。
（2）分类
大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围
内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分
为对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。
2 相界
（1）相界：相邻两个相之间的界面。
（2）分类：共格、半共格和非共格相界。
3 表面
（1）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。
（2）分类
物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。
化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。
4 界面特性
（1）界面能会引起界面吸附。
（2）界面上原子扩散速度较快。
（3）对位错运动有阻碍作用。
（4）易被氧化和腐蚀。
（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。
第二章固体中的相结构
合金与相
1 合金
（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。
（2）组元：组成合金最基本的物质。（如一元、二元、三元合金〕
（3）合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。
2 相
（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）
（2）相的分类
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。
中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。
第一节固溶体
按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。
按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。
按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。
1 置换固溶体
置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。
（1）影响置换固溶体溶解度的因素
a 原子尺寸因素
原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。
△r=(r A-r B)/r A
当△r<15%时，有利于大量互溶。
b 晶体结构因素
结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
c 电负性因素
电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d 电子浓度因素
电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）
2 间隙固溶体
（1）影响因素：原子半径和溶剂结构。
（2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
3 固溶体的结构
（1）晶格畸变。
（2）偏聚与有序：完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。
4 固溶体的性能
固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。
（1）固溶强化：由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。
（2）柯氏气团
（3）有序强化
第二节金属间化合物
中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为金属间化合物。
1 正常价化合物
（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。
（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。
（3）组成：AB或AB2。
2 电子化合物（电子相）
（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。
（2）键型：金属键（金属－金属）。
（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。
3 间隙化合物
（1）形成：尺寸因素起主要作用。
（2）结构
简单间隙化合物（间隙相）：金属原子呈现新结构，非金属原子位于其
间隙，结构简单。
复杂间隙化合物：主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。
（3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换。
4 拓扑密堆相
（1）形成：由大小原子的适当配合而形成的高密排结构。
（2）组成：AB2。
5 金属化合物的特性
（1）力学性能：高硬度、高硬度、低塑性。
（2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。
第三节陶瓷晶体相
1 陶瓷材料简介
（1）分类：结构陶瓷（利用其力学性能）：强度（叶片、活塞）、韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料）。
功能陶瓷（利用其物理性能）
精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。
功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。
结合键：离子键、共价键。
硅酸盐陶瓷：主要是离子键结合，含一定比例的共价键。可用分子式表示
其组成。
2 硅酸盐陶瓷的结构特点与分类
（1）结构特点
a 结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的共价键。硅位于
氧四面体的间隙。
b 每个氧最多被两个多面体共有。氧在两个四面体之间充当桥梁作用，
称为氧桥。
（2）结构分类
a 含有限Si-O团的硅酸盐，包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si-O
团两类。
b 链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。
c 层状硅酸盐：Si-O团底面共顶连接成二维结构。
d 骨架状硅酸盐：Si-O团共顶连接成三维结构。
第四节分子相
1 基本概念
（1）高分子化合物：由一种或多种化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物或高聚物。
（2）分类
按相对分子质量：分为低分子聚合物（<5000）和高分子聚合物（>5000）。
按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物。
2 化学组成
（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例）
（1）单体：组成高分子化合物的低分子化合物。
（2）链节：组成大分子的结构单元。
（3）聚合度n：大分子链中链节的重复次数。
3 高分子化合物的合成
（1）加聚反应
a 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。（其产物
为聚合物）
b 组成：与单体相同。反应过程中没有副产物。
c 分类
均聚反应：由一种单体参与的加聚反应。
共聚反应：由两种或两种以上单体参与的加聚反应。
（2）缩聚反应
a 概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种
低分子化合物的反应。
b 分类
均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应。
共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的缩聚反应。
4 高分子化合物的分类
（1）按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂、涂料等。
（2）按生成反应类型：加聚物、缩聚物。
（3）按物质的热行为：热塑性塑料和热固性塑料。
5 高分子化合物的结构
（1）高分子链结构（链内结构，分子内结构）
a 化学组成
b 单体的连接方式
均聚物中单体的连接方式：头－尾连接、头－头或尾－尾相连、无轨连接。
共聚物中单体的连接方式：
无轨共聚：ABBABBABA
交替共聚：ABABABAB
嵌段共聚：AAAABBAAAABB
接枝共聚：AAAAAAAAAAA
B B
B B
B B
c 高分子链的构型（按取代基的位置与排列规律）
全同立构：取代基R全部处于主链一侧。
间同立构：取代基R相间分布在主链两侧。
无轨立构；取代基R在主链两侧不规则分布。
d 高分子链的几何形状：线型、支化型、体型。
（2）高分子的聚集态结构（链间结构、分子间结构）
无定形结构、部分结晶结构、结晶型结构（示意图）
6高分子材料的结构与性能特点
（1）易呈非晶态。
（2）弹性模量和强度低。
（3）容易老化。
（4）密度小。
（5）化学稳定性好。
第五节玻璃相
1 结构：长程无序、短程有序
（1）连续无轨网络模型。
（2）无规密堆模型。
（3）无轨则线团模型。
2 性能
（1）各向同性。
（2）无固定熔点。
（3）高强度、高耐蚀性、高导磁率（金属）。
第三章凝固与结晶
凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。
凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。
凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。
第一节材料结晶的基本规律
1 液态材料的结构
结构：长程有序而短程有序。
特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。
2 过冷现象
（1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（见热分析实验图）
（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。
△T=Tm-T (见冷却曲线)
注：过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行）。
3 结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（2）描述结晶进程的两个参数
形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。
长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内
迁移的距离。用G表示。
第二节材料结晶的基本条件
1 热力学条件
（1）G-T曲线（图3－4）
a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。
dG/dT=-S
b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。
d2G/d2T=-C p/T
c 液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。
二曲线相交于一点，即材料的熔点。
（2）热力学条件
△Gv=－L m△T/T m
a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。
b △T越大, △Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。
c △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。
2 结构条件
结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。
第三节晶核的形成
均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。
非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。
1 均匀形核
（1）晶胚形成时的能量变化
△G＝V△Gv+σS
=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ (图3－8)
〔2〕临界晶核
d△G/dr=0
r k=-2σ/△Gv
临界晶核：半径为r k的晶胚。
（3〕临界过冷度
r k=-2σTm/Lm△T
临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△T k.
△T≥△T k是结晶的必要条件。
（4）形核功与能量起伏
△G k＝S kσ/3
临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。
能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。
（5）形核率与过冷度的关系
N=N1.N2(图3－11，12)
由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。
2 非均匀形核
（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。
（2）自由能变化：表达式与均匀形核相同。
（3）临界形核功
计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σsl cos
θ计算能量变化和临界形核功。
△G k
/△G k=(2-3cosθ+cos3θ)/4
非
a θ=0时，△G k非＝0，杂质本身即为晶核；
b 180>θ>0时, △G k非<△G k, 杂质促进形核；
cθ=180时，△G k非＝△G k，杂质不起作用。
（4）影响非均匀形核的因素
a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16）
b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点
阵常数相近。
c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）
第四节晶核的长大
1 晶核长大的条件
（1）动态过冷
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度
（3）合适的晶核表面结构。
2 液固界面微结构与晶体长大机制
粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：垂直长大。
光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：二维晶核长大、依靠缺陷长大。
3 液体中温度梯度与晶体的长大形态
（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）
粗糙界面：平面状。
光滑界面：台阶状。
（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
粗糙界面：树枝状。
光滑界面：树枝状－台阶状。
第五节凝固理论的应用
1 材料铸态晶粒度的控制
Zv=0.9(N/G)3/4
（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。
（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。
（3）振动和搅拌。输入能力，破碎枝晶。
2 单晶体到额制备
（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。
（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
3 定向凝固技术
（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。
（2）制备方法。
4 急冷凝固技术
（1）非晶金属与合金
（2）微晶合金。
（3）准晶合金。
第四章二元相图
相：（概念回顾）
相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。
二元相图：
第一节相图的基本知识
1 相律
（1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。
（2）表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。
（3）应用
可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。
可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元
合金变温进行。
2 相图的表示与建立
（1）状态与成分表示法
状态表示：温度－成分坐标系。坐标系中的点－表象点。
成分表示：质量分数或摩尔分数。
（2）相图的建立
方法：实验法和计算法。
过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。
相图结构：两点、两线、三区。
3 杠杆定律
（1）平衡相成分的确定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）
（2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。
（3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。
第二节二元匀晶相图
1 匀晶相同及其分析
（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。
（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。
（3）相图分析（以Cu-Ni相图为例）
习题课
一、判断正误 正确的在括号内画“√”，错误的画“×” 1、金属中典型的空间点阵有体心立方、面心立方和密排六方三种。 2、位错滑移时，作用在位错线上的力F的方向永远垂直于位错线并指向滑移面上的未滑移区。 3、只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，间隙固溶体则不能。 4、金属结晶时，原子从液相无序排列到固相有序排列，使体系熵值减小，因此是一个自发过程。 5、固溶体凝固形核的必要条件同样是ΔG＜0、结构起伏和能量起伏。 6三元相图垂直截面的两相区内不适用杠杆定律。 7物质的扩散方向总是与浓度梯度的方向相反。 8塑性变形时，滑移面总是晶体的密排面，滑移方向也总是密排方向。 9．晶格常数是晶胞中两相邻原子的中心距。 10．具有软取向的滑移系比较容易滑移，是因为外力在在该滑移系具有较大的分切应力值。11．面心立方金属的滑移面是｛１１０｝滑移方向是〈１１１〉。 12．固溶强化的主要原因之一是溶质原子被吸附在位错附近，降低了位错的易动性。13．经热加工后的金属性能比铸态的好。 14．过共析钢的室温组织是铁素体和二次渗碳体。 15．固溶体合金结晶的过程中，结晶出的固相成份和液相成份不同，故必然产生晶内偏析。16．塑性变形后的金属经回复退火可使其性能恢复到变形前的水平。 17．非匀质形核时液体内部已有的固态质点即是非均匀形核的晶核。 18.目前工业生产中一切强化金属材料的方法都是旨在增大位错运动的阻力。 19、铁素体是α-Fe中的间隙固溶体，强度、硬度不高，塑性、韧性很好。 20、体心立方晶格和面心立方晶格的金属都有12个滑移系，在相同条件下,它们的塑性也相同。 21、珠光体是铁与碳的化合物，所以强度、硬度比铁素体高而塑性比铁素体差。 22、金属结晶时，晶粒大小与过冷度有很大的关系。过冷度大，晶粒越细。 23、固溶体合金平衡结晶时，结晶出的固相成分总是和剩余液相不同，但结晶后固溶体成分是均匀的。 24、面心立方的致密度为0.74，体心立方的致密度为0.68，因此碳在γ-Fe(面心立方)中的溶解度比在α-Fe（体心立方）的小。 25、实际金属总是在过冷的情况下结晶的，但同一金属结晶时的过冷度为一个恒定值，它与冷却速度无关。 26、金属的临界分切应力是由金属本身决定的，与外力无关。 27、一根曲折的位错线不可能是纯位错。 28、适当的再结晶退火，可以获得细小的均匀的晶粒，因此可以利用再结晶退火使得铸锭的组织细化。 29、冷变形后的金属在再结晶以上温度加热时将依次发生回复、再结晶、二次再结晶和晶粒长大的过程。 30、临界变形程度是指金属在临界分切应力下发生变形的程度。 31、无限固溶体一定是置换固溶体。 32、金属在冷变形后可形成带状组织。 33、金属铅在室温下进行塑性成型属于冷加工，金属钨在1000℃下进行塑性变形属于热加工。
第一章 1.简述一次键与二次键各包括哪些结合键这些结合键各自特点如何 答：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。 ①离子键：由于正、负离子间的库仑（静电）引力而形成。特点：1）正负离子相间排列，正负电荷数相等；2）键能最高，结合力很大； ②共价键：是由于相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层结构而形成。特点：结合力很大，硬度高、强度大、熔点高，延展性和导电性都很差，具有很好的绝缘性能。 ③金属键：贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合的方式。特点：它没有饱和性和方向性；具有良好的塑性；良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数。 ④范德瓦耳斯键：一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。也称为分子键。特点：键合较弱，易断裂，可在很大程度上改变材料的性能；低熔点、高塑性。 2.比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料在结合键上的差别。 答：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。 3. 晶体与非晶体的区别稳态与亚稳态结构的区别 晶体与非晶体区别： 答：性质上，(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点,在熔化过程中,温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度 为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与 点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度 为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系 是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ， 致密度为 ，配位数是 ,，晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数 为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912e 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ， 致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的 方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径 R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间 隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ；（2） ； （3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑 性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物 是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固 溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼： 0.091nm ，a-Fe ：0.124nm ，g-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空
第二章 思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因？ 2. 从结构、性能等面描述晶体与非晶体的区别。 3. 谓理想晶体？谓单晶、多晶、晶粒及亚晶？为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性？谓空间点阵、晶体结构及晶胞？晶胞有哪些重要的特征参数？ 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al 、α-Fe 、Mg 三种材料属种晶体结构？描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）谓配位数？谓致密度？金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等面比较有异同？ 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。谓间隙固溶体？它与间隙相、间隙化合物之间有区别？（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么？ 6. 已知Cu 的原子直径为2.56A ，求Cu 的晶格常数，并计算1mm 3 Cu 的原子数。 7. 已知Al 相对原子质量Ar （Al ）=26.97，原子半径γ=0.143nm ，求Al 晶体的密度。 8 bcc 铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm 3；fcc 铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm 3。当铁由bcc 转变为fcc 时，其密度改变的百分比为多少？ 9. 谓金属化合物？常见金属化合物有几类？影响它们形成和结构的主要因素是什么？其性能如？ 10. 在面心立晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（）和（034）属六晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反之，求（3121）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相互转换后结果。 12.在一个立晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个
Test of Fundamentals of Materials Science 材料科学基础试题库 郑举功编
东华理工大学材料科学与工程系 一、填空题 0001.烧结过程的主要传质机制有_____、_____、_____ 、_____，当烧结分别进行四种传质时，颈部增长x/r与时间t的关系分别是_____、_____、_____ 、_____。 0002.晶体的对称要素中点对称要素种类有_____、_____、_____ 、_____ ，含有平移操作的对称要素种类有_____ 、_____ 。 0003.晶族、晶系、对称型、结晶学单形、几何单形、布拉菲格子、空间群的数目分别是_____、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 、_____ 。 0004.晶体有两种理想形态，分别是_____和_____。 0005.晶体是指内部质点排列的固体。 0006.以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，属于这个球的八面体空隙数为，所以属于这个球的四面体空隙数为。 0007.与非晶体比较晶体具有自限性、、、、和稳定性。 0008.一个立方晶系晶胞中，一晶面在晶轴X、Y、Z上的截距分别为2a、1/2a 、2/3a，其晶面的晶面指数是。 0009.固体表面粗糙度直接影响液固湿润性，当真实接触角θ时，粗糙度越大，表面接触角，就越容易湿润；当θ，则粗糙度，越不利于湿润。 0010.硼酸盐玻璃中，随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数，热膨胀系数逐渐下降。当Na2O含量达到15%—16%时，桥氧又开始，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。 0011.晶体结构中的点缺陷类型共分、和三种，CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为。 0012.固体质点扩散的推动力是________。 0013.本征扩散是指__________，其扩散系数D＝_________,其扩散活化能由________和_________ 组成。0014.析晶过程分两个阶段，先______后______。 0015.晶体产生Frankel缺陷时，晶体体积_________，晶体密度_________；而有Schtty缺陷时，晶体体积_________,晶体密度_________。一般说离子晶体中正、负离子半径相差不大时，_________是主要的；两种离子半径相差大时，_________是主要的。 0016.少量CaCl2在KCl中形成固溶体后，实测密度值随Ca2+离子数/K＋离子数比值增加而减少，由此可判断其缺陷反应式为_________。 0017.Tg是_________,它与玻璃形成过程的冷却速率有关，同组分熔体快冷时Tg比慢冷时_________ ,淬冷玻璃比慢冷玻璃的密度_________,热膨胀系数_________。 0018.同温度下，组成分别为：(1) 0.2Na2O－0.8SiO2 ；(2) 0.1Na2O－0.1CaO－0.8SiO2 ;(3) 0.2CaO－0.8SiO2 的三种熔体，其粘度大小的顺序为_________。 0019.三T图中三个T代表_________, _________,和_________。 0020.粘滞活化能越_________ ,粘度越_________ 。硅酸盐熔体或玻璃的电导主要决定于_________ 。 0021.0.2Na2O-0.8SiO2组成的熔体，若保持Na2O含量不变，用CaO置换部分SiO2后，电导_________。0022.在Na2O－SiO2熔体中加入Al2O3(Na2O/Al2O3<1),熔体粘度_________。 0023.组成Na2O . 1/2Al2O3 . 2SiO2的玻璃中氧多面体平均非桥氧数为_________。 0024.在等大球体的最紧密堆积中，六方最紧密堆积与六方格子相对应，立方最紧密堆积与_______ 相对应。0025.在硅酸盐晶体中，硅氧四面体之间如果相连，只能是_________方式相连。
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
一、选择题： 第6章 1.形成临界晶核时体积自由能的减少只能补偿表面能的。 （A）1/3 （B）2/3 （C）3/4 第7章 2.在二元系合金相图中，计算两相相对量的杠杆法则用于。 （A）单相区中（B）两相区中（C）三相平衡水平线上 3.已知Cu的T m=1083?C，则Cu的最低再结晶温度约为。 （A）100?C （B）200?C （C）300?C 4.能进行攀移的位错必然是。 （A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错 5.A和A-B合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A试样方向移动，则。（A）A组元的扩散速率大于B组元 （B）B组元的扩散速率大于A组元 （C）A、B两组元的扩散速率相同 6.，位错滑移的派-纳力越小。 （A）位错宽度越大（B）滑移方向上的原子间距越大（C）相邻位错的距离越大 7.形变后的材料再升温时发生回复与再结晶现象，则点缺陷浓度下降明显发生 在。 （A）回复阶段（B）再结晶阶段（C）晶粒长大阶段 第6章 8.凝固时在形核阶段，只有核胚半径等于或大于临界尺寸时才能成为结晶的核心，当形成的核胚 半径等于临界半径时，体系的自由能变化。 （A）大于零（B）等于零（C）小于零 9.铸锭凝固时如大部分结晶潜热可通过液相散失时，则固态显微组织主要为。（A）树枝晶（B）柱状晶（C）胞状晶 10.下述有关自扩散的描述中正确的为。 （A）自扩散系数由浓度梯度引起 （B）自扩散又称为化学扩散 （C）自扩散系数随温度升高而增加 11.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。 （A）fcc （B）bcc （C）hcp 12.对于变形程度较小的金属，其再结晶形核机制为。 （A）晶界合并（B）晶界迁移（C）晶界弓出 13.形变后的材料在低温回复阶段时其内部组织发生显著变化的是。 （A）点缺陷的明显下降 （B）形成亚晶界 （C）位错重新运动和分布 第6章 14.凝固时不能有效降低晶粒尺寸的是以下哪种方法？
第二章思考题与例题 1. 离子键、共价键、分子键和金属键的特点，并解释金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高的原因？ 2. 从结构、性能等方面描述晶体与非晶体的区别。 3. 何谓理想晶体？何谓单晶、多晶、晶粒及亚晶？为什么单晶体成各向异性而多晶体一般情况下不显示各向异性？何谓空间点阵、晶体结构及晶胞？晶胞有哪些重要的特征参数？ 4. 比较三种典型晶体结构的特征。（Al、α-Fe、Mg三种材料属何种晶体结构？描述它们的晶体结构特征并比较它们塑性的好坏并解释。）何谓配位数？何谓致密度？金属中常见的三种晶体结构从原子排列紧密程度等方面比较有何异同？ 5. 固溶体和中间相的类型、特点和性能。何谓间隙固溶体？它与间隙相、间隙化合物之间有何区别？（以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么？ 6. 已知Cu的原子直径为2.56A，求Cu的晶格常数，并计算1mm3Cu的原子数。 7. 已知Al相对原子质量Ar（Al）=26.97，原子半径γ=0.143nm，求Al晶体的密度。 8 bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm3；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少？ 9. 何谓金属化合物？常见金属化合物有几类？影响它们形成和结构的主要因素是什么？其性能如何？ 10. 在面心立方晶胞中画出[012]和[123]晶向。在面心立方晶胞中画出（012）和（123）晶面。 11. 设晶面（152）和（034）属六方晶系的正交坐标表述，试给出其四轴坐标的表示。反 之，求（3 1）及（2112）的正交坐标的表示。（练习），上题中均改为相应晶向指数，求相 2 1 互转换后结果。 12.在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标，6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数，各个棱边和对角线的晶向指数。 13. 写出立方晶系的{110}、{100}、{111}、{112}晶面族包括的等价晶面，请分别画出。 14. 在立方晶系中的一个晶胞内画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 15 在六方晶系晶胞中画出[1120]，[1101]晶向和（1012）晶面，并确定（1012）晶面与六方晶胞交线的晶向指数。 16.在立方晶系的一个晶胞内同时画出位于（101），（011）和（112）晶面上的[111]晶向。 17. 在1000℃，有W C为1.7%的碳溶于fcc铁的固溶体，求100个单位晶胞中有多少个碳原子？（已知：Ar(Fe)=55.85，Ar(C)=12.01） 18. r-Fe在略高于912℃时点阵常数a=0.3633nm，α-Fe在略低于912℃时a=0.2892nm，求：（1）上述温度时γ-Fe和α-Fe的原子半径R；（2）γ-Fe→α-Fe转变时的体积变化率；（3）设
2-1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论 答：配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。 配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象 多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象 位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式 重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。 晶体场理论：认为在晶体结构中，中心阳离子与配位体之间是离子键，不存在电子轨道的重迭，并将配位体作为点电荷来处理的理论。 配位场理论：除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外，还考虑了 共价成键的效应的理论。 2-2 面排列密度的定义为：在平面上球体所占的面积分数。 （a）画出MgO（NaCl型）晶体（111）（110）和（100）晶面上的原子排布（b ）计算这三面的面排列密度 解：MgO晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。 （a）（111）（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。 （b）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中， （111）面：面排列密度 = （110）面：面排列密度 = （100）面：面排列密度 = 2-4 设原子半径为R，试计算体心立方堆积结构的（100）、（110）、（111）面的面排列密度和晶面族的面间距。解：在体心立方堆积结构中： （100）面：面排列密度 = 面间距 = （110）面：面排列密度 = 面间距 = （111）面：面排列密度 = 面间距 = 2-8 试根据原子半径R计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。 解：面心立方晶胞： 六方晶胞（1/3）： 体心立方晶胞： 2-9 MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？ 解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2(r++r-)=0.424(nm) 体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52% 密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm3) MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。
第1章晶体结构 1．在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数，并绘图示之。 2．画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]， [011]，[111]，[231]，[321]。 3．纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=27，原子半径r=0.143nm，求铝晶体的密度。 4．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？ 5．试举例说明：晶体结构与空间点阵？单位空间格子与空间点阵的关系？6．什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？ 7．何谓配位数（离子晶体/单质）？ 8．何谓对称操作，对称要素？ 9．计算面心立方结构（111）与（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。 10．已知室温下α-Fe（体心）的点阵常数为0.286nm，分别求（100）、（110）、（123）的晶面间距。 11.已知室温下γ-Fe（面心）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）、（110）、 （112）的晶面间距。 12.已知Cs+半径为0.170nm，Cl－半径为0.181 nm，计算堆积系数。 13.MgO 属NaCl型结构，若r Mg 2+=0.078nm，r O 2-=0.132nm，（1）试用鲍林规则 分析氧化镁晶体结构？（2）计算堆积密度？（3）画出氧化镁在（100）、（110）、（111）晶面上的结点和离子排布图？ 答案
1.答：晶面指数为：（120），见图ABCD 面；晶向指数为：[102]，见图OP 向。 2.答： 3. 4. 5.
第一章 习题 1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？ 2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？ 3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下 元素结构有什么区别？性质如何递变？ 4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？ 5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子， 9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。试求铬的相对原子质量。 6.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素 之含量百分比。 7.锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定锡的 价电子数。 8.铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚 层中有几个电子？ 9.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断 其金属性强弱。 10.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 11.图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材 料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。 12.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自 由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？ 13.S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。试解释S这种行为的原因。
14.A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示： 这里x A和x B分别为A和B元素的电负性值。已知Ti、O、In和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。 15.Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a)1mm3中存在多少原子？b)1g中含有多少原子？ 16.尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃) 高？ 17. 高分子链结构分为近程结构和远程结构。他们各自包括内容是什么？ 18. 高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释之。 19. 分别绘出甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)之原子排列与键合. 20. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现。若用氯取代聚乙 烯中8%的氢原子，试计算需添加氯的质量分数。 21. 高分子材料相对分子质量具有多分散性。表1-1为聚乙烯相对分子质量分布表 表1-1 试计算该材料的数均相对分子质量，重均相对分子质量以及数均聚合度n n。 22. 有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩 尔分数。
1. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为 12 。 3a, 配2.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为4/ 位数为 8 ，致密度为。 3. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。 4. 螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。 5. 在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。 6. 均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。 7. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。 8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。 9．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。 10. 间隙相和间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制。 11.相律是分析相图的重要工具，当系统的压力为常数时，相律的表达式为 f＝c－p＋1。 12.根据相律，二元合金结晶时，最多可有 3 个相平衡共存，这时自由度 为 0 。 13.根据相区接触法则可以推定，两个单相区之间必定有一个两相区，两个 两相区之间必须以单相区或三相共存水平线隔开。二元相图的三相区是一条水平线，该区必定与两相区以点接触，与单相区以线接触。 14.铸锭的宏观组织是由表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区三个区组 成。 15.莱氏体是共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体组成的混合物。
16. 相变反应式L （液）→ （固）+（固）表示 共晶 反应；γ（固）→（固）+（固）表示 共析 反应。 17. 固溶体合金结晶时，其平衡分配系数K o 表示固液两平衡相中的 溶质浓度 之比。 18.铁碳合金中，一次渗碳体由 液相 产生，二次渗碳体由 奥氏体 产生，三次渗碳体由 铁素体 产生。 19. 一个滑移系是由 滑移面 和 滑移方向 组成。 20. 面心立方晶格的滑移系有 12 个，体心立方晶格的滑移系有 12 个。 21.滑移常沿晶体中 最密排 的晶面及晶向发生。 22.扩散的驱动力是 化学位梯度 。 23.所谓上坡扩散是指 沿着浓度降低的方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化 ， 反应扩散是指 通过扩散使固溶体的溶质组元浓度超过固溶体极限而 形成新相的过程 。 24.在Fick 第一定律的表达式dx dC D J -=中，负号表示 扩散由高浓度向低浓度方向进行 。 一、 选择题 1．Fe―Fe 3C 合金中，合金具有最好流动性的是（B ）。 A. C%=% B. C%=% C. C%=% 2．凝固的热力学条件为（C ）。 A. 形核率 B.系统自由能增加 C. 过冷度 3．二元相图中，当有二次相析出时，固溶线表现为（A ）。 A. 垂线 B. 水平线 C. 斜线 4. 符号表示（C ）。 A. 晶面族 B. 晶向族 C. 晶向 5. A 和A-B 合金焊合后发生柯肯达尔效应，测得界面向A 试样方向移动，则（A ）。
材料科学基础考前重点复习题 1. Mn 的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数α为0.632nm ，密度ρ为26.7g/cm 3，原子半径r 等于0.122nm ，问Mn 晶胞中有几个原子，其致密度为多少？ 答案解析：习题册 P9 2-22. 2. 如图1所示，设有两个α相晶粒与一个β相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知β相所张的两面角为80℃，界面能ααγ为0.60Jm -2, 试求α相与β相的界面能αβγ。 图1 答案解析：习题册 P17 3-42. 3. 有两种激活能分别为1Q ＝53.7kJ/mol 和2Q ＝201kJ/mol 的扩散反应，观察在温度从25℃升高到800℃时对这两种扩散的影响，并对结果进行评述。 答案解析：习题册 P21 4-8. 4. 论述强化金属材料的方法、特点和机理。 答：(1)结晶强化。通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，提高金属材料的性能。包括细化晶粒，提高金属材料纯度。 (2)形变强化。金属材料在塑性变形后位错运动的阻力增加，冷加工塑性变形提高其强度。 (3)固溶强化。通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料强化。 (4)相变强化。合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料强化。 (5)晶界强化。晶界部位自由能较高，存在着大量缺陷和空穴。低温时，晶界阻碍位错运动，晶界强度高于晶粒本身；高温时，沿晶界扩散速度比晶内扩散速度快，晶界强度显着降低。强化晶界可强化金属材料。 5. 什么是回复，请简述金属材料冷变形后回复的机制。试举例说明回复的作用。 答：（1）回复是冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但物理性能、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。 （2）回复机制：低温回复主要与点缺陷迁移有关，冷变形时产生大量的点缺陷，空穴与间隙原子。温度较高时，中温回复会发生位错运动和重新分布。位错滑移，异号位错相遇而抵消，位错缠结重新排列，位错密度降低。高温回复，刀刃位错可获得足够的能量产生攀移，垂直排列形成亚晶界，多边化亚晶粒，位错弹性畸变能降低。 6. 请简述扩散的微观机制有哪些？什么是短路扩散？试举例说明短路扩散在材料制备中的应用一例。 答：（1）主要有间隙扩散、空位扩散。 （2）晶体中原子沿表面、晶界、亚晶界、位错等结构缺陷的扩散速度比原子在晶内扩散的速度快，因此称这种扩散为短路扩散。 α α 80o β
单项选择题： 第1章原子结构与键合 1.高分子材料中的C-H化学键属于。 （A）氢键（B）离子键（C）共价键 2.属于物理键的是。 （A）共价键（B）范德华力（C）离子键 3.化学键中通过共用电子对形成的是。 （A）共价键（B）离子键（C）金属键 第2章固体结构 4.以下不具有多晶型性的金属是。 （A）铜（B）锰（C）铁 5.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。（A）fcc （B）bcc （C）hcp 6.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。 （A）氮（B）碳（C）硼 7.面心立方晶体的孪晶面是。 （A）{112} （B）{110} （C）{111} 8.以下属于正常价化合物的是。 （A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C 第3章晶体缺陷 9.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷 10.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为。 （A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错 11.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系是？ （A）垂直（B）平行（C）交叉 12.能进行攀移的位错必然是。 （A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错 13.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是 （A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金 14.大角度晶界具有____________个自由度。 （A）3 （B）4 （C）5 第4章固体中原子及分子的运动 15.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。 （A）距离（B）时间（C）温度 16.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。 （A）原子互换机制（B）间隙机制（C）空位机制 17.固体中原子和分子迁移运动的各种机制中，得到实验充分验证的是 （A）间隙机制（B）空位机制（C）交换机制 18.原子扩散的驱动力是。（4.2非授课内容） （A）组元的浓度梯度（B）组元的化学势梯度（C）温度梯度
材料科学基础A习题 第五章材料的变形与再结晶 1、某金属轴类零件在使用过程中发生了过量的弹性变形，为减小该零件的弹性变形，拟采取以下措施： （1）增加该零件的轴径。 （2）通过热处理提高其屈服强度。 （3）用弹性模量更大的金属制作该零件。 问哪一种措施可解决该问题，为什么？ 答：增加该零件的轴径，或用弹性模量更大的金属制作该零件。产生过量的弹性变形是因为该金属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减小其承受的应力，故可减小其弹性变形；用弹性模量更大的金属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能力，也可减小其弹性变形。 2、有铜、铝、铁三种金属，现无法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这几种金属的其他各种数据可以查阅到。请通过查阅这几种金属的其他数据确定铜、铝、铁三种金属弹性模量大小的顺序（从大到小排列），并说明其理由。 答：金属的弹性模量主要取决于其原子间作用力，而熔点高低反映了原子间作用力的大小，因而可通过查阅这些金属的熔点高低来间接确定其弹性模量的大小。据熔点高低顺序，此几种金属的弹性模量从大到小依次为铁、铜、铝。 3、下图为两种合金A、B各自的交变加载-卸载应力应变 曲线（分别为实线和虚线），试问那一种合金作为减振材 料更为合适，为什么？ 答：B合金作为减振材料更为合适。因为其应变滞 后于应力的变化更为明显，交变加载-卸载应力应变回线 包含的面积更大，即其对振动能的衰减更大。 4、对比晶体发生塑性变形时可以发生交滑移和不可以发生交滑移，哪一种情形下更易塑性变形，为什么？ 答：发生交滑移时更易塑性变形。因为发生交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易塑性变形。 5、当一种单晶体分别以单滑移和多系滑移发生塑性变形时，其应力应变曲线如下图，问A、B中哪一条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？ 应力
材料科学基础 练习题 参考答案 第一章 原子排列 1. 作图表示立方晶系中的(123),(012),(421)晶面和[102],[211],[346]晶向 . 附图1-1 有关晶面及晶向 2. 分别计算面心立方结构与体心立方结构的{100},{110}和{111}晶面族的面间距, 并指出面间距最大的晶面(设两种结构的点阵常数均为a ). 解 由面心立方和体心立方结构中晶面间的几何关系, 可求得不同晶面族中的面间距如附表1-1所示. 附表1-1 立方晶系中的晶面间距 显然, FCC 中{111}晶面的面间距最大, 而BCC 中{110}晶面的面间距最大. 注意: 对于晶面间距的计算, 不能简单地使用公式, 应考虑组成复合点阵时, 晶面层数
会增加. 3. 分别计算fcc和bcc中的{100},{110}和{111}晶面族的原子面密度和<100>,<110>和<111>晶向族的原子线密度, 并指出两种结构的差别. (设两种结构的点阵常数均为a) 解原子的面密度是指单位晶面内的原子数; 原子的线密度是指晶面上单位长度所包含的原子数. 据此可求得原子的面密度和线密度如附表1-2所示. 可见, 在BCC中, 原子密度最大的晶面为{110}, 原子密度最大的晶向为<111>; 在FCC 中, 原子密度最大的晶面为{111}, 原子密度最大的晶向为<110>. 4. 在(0110)晶面上绘出[2113]晶向. 解详见附图1-2. 附图1-2 六方晶系中的晶向 5. 在一个简单立方二维晶体中, 画出一个正刃型位错和一个负刃型位错. 试求: (1) 用柏氏回路求出正、负刃型位错的柏氏矢量. (2) 若将正、负刃型位错反向时, 说明其柏氏矢量是否也随之反向. (3) 具体写出该柏氏矢量的方向和大小. (4) 求出此两位错的柏氏矢量和. 解正负刃型位错示意图见附图1-3(a)和附图1-4(a).
简答题 第一章材料结构的基本知识 1、说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义。 答：结构转变的热力学条件决定转变是否可行，是结构转变的推动力，是转变的必要条件；动力学条件决定转变速度的大小，反映转变过程中阻力的大小。 2、说明稳态结构与亚稳态结构之间的关系。 答：稳态结构与亚稳态结构之间的关系：两种状态都是物质存在的状态，材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转交过程的推动力和阻力(即热力学条件和动力学条件)，阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。稳态结构能量最低，热力学上最稳定，亚稳态结构能量高，热力学上不稳定，但向稳定结构转变速度慢，能保持相对稳定甚至长期存在。但在一定条件下，亚稳态结构向稳态结构转变。 3、说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。 答：离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子(离子或分子)间结合方式或作用力。离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原于相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。 共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。 分子键是由分子(或原子)中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。 当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。 第二章材料的晶体结构 1、在一个立方晶胞中确定6个表面面心位置的坐标。6个面心构成一个正八面体，指出这个八面体各个表面的晶面指数、各个棱边和对角线的晶向指数。
解八面体中的晶面和晶向指数如图所示。图中A、B、C、D、E、F为立方晶胞中6个表面的面心，由它们构成的正八面体其表面和棱边两两互相平行。 ABF面平行CDE面，其晶面指数为； ABE面平行CDF面，其晶面指数为； ADF面平行BCE面，其晶面指数为； ADE面平行BCF面，其晶面指数为(111)。 棱边，，，，， ，其晶向指数分别为[110]，，[011]，，[101]。 对角线分别为，其晶向指数分别为[100]，[010]，[001] 图八面体中的晶面和晶向指数 2、标出图中ABCD面的晶面指数，并标出AB、BC、AC、BD线的晶向指数。 解：晶面指数： ABCD面在三个坐标轴上的截距分别为3/2a,3a,a, 截距倒数比为 ABCD面的晶面指数为（213） 晶向指数： AB的晶向指数：A、B两点的坐标为 A（0，0，1），B（0，1,2/3）(以a为单位) 则，化简即得AB的晶向指数 同理：BC、AC、BD线的晶向指数分别为，，。
《晶体结构与缺陷》 第一章习题及答案 1-1.布拉维点阵的基本特点是什么？ 答：具有周期性和对称性，而且每个结点都是等同点。 1-2.论证为什么有且仅有14种Bravais点阵。 答：第一，不少于14种点阵。对于14种点阵中的任一种，不可能找到一种连接结点的方法，形成新的晶胞而对称性不变。 第二，不多于14种。如果每种晶系都包含简单、面心、体心、底心四种点阵，七种晶系共28种Bravais点阵。但这28种中有些可以连成14种点阵中的某一种而对称性不变。例如体心单斜可以连成底心单斜点阵，所以并不是新点阵类型。 1-3.以BCC、FCC和六方点阵为例说明晶胞和原胞的异同。 答：晶胞和原胞都能反映点阵的周期性，即将晶胞和原胞无限堆积都可以得到完整的整个点阵。但晶胞要求反映点阵的对称性，在此前提下的最小体积单元就是晶胞；而原胞只要求体积最小，布拉维点阵的原胞都只含一个结点。例如：BCC晶胞中结点数为2，原胞为1；FCC晶胞中结点数为4，原胞为1；六方点阵晶胞中结点数为3，原胞为1。见下图，直线为晶胞，虚线为原胞。 BCC FCC 六方点阵 1-4.什么是点阵常数？各种晶系各有几个点阵常数？ 答：晶胞中相邻三条棱的长度a、b、c与这三条棱之间的夹角α、β、γ分别决定了晶胞的大小和形状，这六个参量就叫做点阵常数。 晶系a、b、c，α、β、γ之间的关系点阵常数的个数 三斜a≠b≠c，α≠β≠γ≠90o 6 (a、b、c 、α、β、γ) 单斜a≠b≠c，α=β=90≠γ或α=γ=90≠β 4 (a、b、c、γ或a、b、c、β) 斜方a≠b≠c，α＝β＝γ＝90o 3 (a、b、c) 正方a=b≠c，α=β=γ=90o 2 (a、c) 立方a=b=c，α=β=γ=90o 1 (a) 六方a=b≠c，α=β=90o,γ=120o 2 (a、c) 菱方a=b=c，α=β=γ≠90o 2 (a、α) 1-5.分别画出锌和金刚石的晶胞，并指出其点阵和结构的差别。 答：点阵和结构不一定相同，因为点阵中的结点可以代表多个原子，而结构中的点只能代表一个原子。锌的点阵是六方点阵，但在非结点位置也存在原子，属于HCP结构； 金刚石的点阵是FCC点阵，但在四个四面体间隙中也存在碳原子，属于金刚石结构。 见下图。