第四章材料的凝固
材料由液相至固相的转变成为凝固，如果凝固后的固体是晶体，则凝固又称为结晶。在恒压条件下，晶体的凝固需要过冷度，即实际凝固温度应低于理论凝固温度（即熔点）。材料的凝固经历了形核与生长两个过程。
形核可分为均匀形核与非均匀（异质）形核。对于均匀形核，当过冷液体中出现晶胚时，一方面，体系的体积自由能下降，这是凝固的驱动力，另一方面，由于形成了新的表面而增加了表面能，这成为凝固的阻力；综合驱动力和阻力的作用，可导出晶核的临界半径，临界半径对应的自由能称为形核功，其值等于表面能的三分之一，这部分的能量必须依靠液相中存在的能量起伏来补偿。显然，材料的凝固需要过冷度、结构起伏和能量起伏。纯金属在实际凝固时所需的过冷度很小，其原因是实际凝固时发生的是非均匀（异质）形核，异质基底通常可有效地降低单位体积的表面能，从而降低形核功。
影响形核后的晶体生长方式的重要因素是液-固界面的微观结构。液-固界面的微观结构可分为光滑界面和粗糙界面。连续生长方式对应的是粗糙界面，而二维形核和藉螺型位错生长二者对应的是光滑界面。凝固时晶体的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液体中的温度分布情况：在正的温度梯度下，光滑界面结构的晶体其生长形态呈台阶状，而粗糙界面的晶体其生长形态呈平面状；在负的温度梯度下，光滑界面和粗糙界面结构的晶体其
生长形态多呈树枝状。
材料的凝固速度是由形核率和晶体长大速度两个因素决定的。形核率受形核功因子和扩散几率因子两个因素控制，而晶体的长大速度则与生长方式有关。材料凝固后的晶粒尺寸随形核率的增加面减小，随晶体长大速度的增加面增大，控制晶粒尺寸主要从控制这两个因素着手，主要原因的途径有增大过冷度、加入形核剂以及采用振动或搅拌等物理方法。
材料科学基础课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分 课程名称：材料科学基础 所属专业：材料化学 课程性质：专业基础课 学分：4学分（72学时） （二）课程简介、目标与任务、先修课与后续相关课程 课程简介： 本课程是材料专业的一门重要的专业理论基础课。本课程围绕材料化学成分、组织结构、加工工艺与使用性能之间的关系及其变化规律，系统介绍材料的晶体结构、晶体缺陷、弹塑性变形及回复和再结晶、材料中的扩散、结晶与凝固、材料中的相变、相结构与相图等内容及其相互联系。 目标与任务： 学习本课程的目的是为了使学生认识材料的本质，了解金属、无机非金属材料的化学成分、热加工工艺、组织结构与性能之间的关系及其变化规律，为以后学习和工作中如何控制材料的化学成分和生产工艺以提高材料的性能、改进和发展各种热加工工艺以及合理地选材打下系统而坚实的理论基础。 先修课与后续相关课程： 先修课：数学、物理、化学、物理化学等。 后续相关课程：其他相关专业课程。 （三）教材与主要参考书。 教材： (1) 石德柯，材料科学基础，机械工业出版社，第二版。 (2) 胡赓祥，蔡珣，材料科学基础，上海交通大学出版社，第二版。 主要参考书： (1) 赵品，材料科学基础教程，哈尔滨工业大学出版社，年第二版。 (2) 刘智恩，材料科学基础，西北工业大学出版社，年第二版。
二、课程内容与安排 绪论1学时 第一章材料结构的基本知识 第一节原子结构 第二节原子结合建 第三节原子排列方式 第四节晶体材料的组织 第五节材料的稳态与亚稳态结构 （一）教学方法与学时分配 讲授，1学时。 （二）内容及基本要求 主要内容： 【掌握】：熟悉金属键、离子键、共价键、范德华力和氢键的定义、特点。 【了解】：了解原子结构及键合类型；掌握物质的组成、原子的结构、电子结构和元素周期表； 【一般了解】：对什么是材料科学、材料的结构与内部性能之间的关系等知识进行概论。 第二章晶体结构 第一节晶体学基础 第二节纯金属的晶体结构 第三节离子晶体的结构 第四节共价晶体的结构 （一）教学方法与学时分配 讲授，10学时。 （二）内容及基本要求 主要内容： 【重点掌握】：熟悉晶体的特点、空间点阵、晶胞、晶系和布拉菲点阵，晶向和晶面的表示方法，晶体的对称性。 【掌握】：掌握材料的结合方式、晶体学基础、三种典型的金属晶体结构，致密度和配位数，点阵常数和原子半径，晶体的原子堆垛方式和间隙，多晶型性。
《材料科学基础》教案大纲 四年制本科材料科学与工程专业用 80 学时 4 学分 一、课程性质和任务 《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。 二、课程学习的目标和基本要求： 1．对能力培养的要求 通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。 2 ．课程的重点和难点 本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。 难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等， 3 ．先修课程及基本要求 无机化学、物理化学、材料力学 三、课程内容及学时分配 ?教案基本内容 第一章材料的结构（ 22 学时） 1.1 晶体学基础 1.2 常见的晶体结构 1.3 固溶体的晶体结构
1.4 金属间化合物的晶体结构 1.5 硅酸盐结构 1.6 非晶态固体结构 1.7固体的电子能带结构理论 1.8 团簇与纳M材料结构 1.9 准晶结构 本章重点： ?结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、 ?单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。 ?常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。 ?给定条件下晶胞参数和堆积系数的计算、硅酸盐玻璃 4个基本结构参数计算。 ?固体的电子能带结构理论及应用 本章难点： 晶体的微观对称要素、晶体定向与晶面指数、晶向指数的确定晶体极射赤平投影、缺陷化学反应方程、硅酸盐晶体结构固体的电子能带结构。 第二章晶体缺陷（ 8学时） 2.1 点缺陷 2.2 位错的结构 2.3 位错的运动 2.4 位错的应力场 2.5 位错与晶体缺陷的相互作用 2.6 位错的增殖、塞积与交割…． 2.7 实际晶体中的位错 本章重点：
期末总复习 一、名词解释 空间点阵：表示晶体中原子规则排列的抽象质点。 配位数：直接与中心原子连接的配体的原子数目或基团数目。 对称：物体经过一系列操作后，空间性质复原；这种操作称为对称操作。 超结构：长程有序固溶体的通称 固溶体：一种元素进入到另一种元素的晶格结构形成的结晶，其结构一般保持和母相一致。 致密度：晶体结构中原子的体积与晶胞体积的比值。 正吸附：材料表面原子处于结合键不饱和状态，以吸附介质中原子或晶体内部溶质原子达到平衡状态，当溶质原子或杂质原子在表面浓度大于在其在晶体内部的浓度时称为正吸附； 晶界能：晶界上原子从晶格中正常结点位置脱离出来，引起晶界附近区域内晶格发生畸变，与晶内相比，界面的单位面积自由能升高，升高部分的能量为晶界能； 小角度晶界：多晶体材料中，每个晶粒之间的位向不同，晶粒与晶粒之间存在界面，若相邻晶粒之间的位向差在10°～2°之间，称为小角度晶界； 晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界或相界上的富集，也称内吸附，有因为尺寸因素造成的平衡偏聚和空位造成的非平衡偏聚。 肖脱基空位：脱位原子进入其他空位或者迁移至晶界或表面而形成的空位。 弗兰克耳空位：晶体中原子进入空隙形而形成的一对由空位和间隙原子组成的缺陷。 刃型位错：柏氏矢量与位错线垂直的位错。 螺型位错：柏氏矢量与位错线平行的位错。 柏氏矢量：用来表征晶体中位错区中原子的畸变程度和畸变方向的物理量。 单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错 派—纳力：位错滑动时需要克服的周围原子的阻力。 过冷：凝固过程开始结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠金属本身的能量起伏获得成核驱动力的形核过程。 过冷度：实际结晶温度和理论结晶温度之间的差值。 形核功：形成临界晶核时，由外界提供的用于补偿表面自由能和体积自由能差值的能量。 马氏体转变：是一种无扩散型相变，通过切变方式由一种晶体结构转变另一种结构，转变过程中，表面有浮凸，新旧相之间保持严格的位向关系。或者：由奥氏体向马氏体转变的
材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。
材料科学基础考题 Ⅰ卷 一、名词解释（任选5题，每题4分，共20分） 单位位错；交滑移；滑移系；伪共晶；离异共晶；奥氏体；成分过冷 二、选择题（每题2分，共20分） 1．在体心立方结构中，柏氏矢量为a[110]的位错( )分解为a/2[111]+a/2]111[. (A) 不能(B) 能(C) 可能 2．原子扩散的驱动力是：( ) (A) 组元的浓度梯度(B) 组元的化学势梯度(C) 温度梯度 3．凝固的热力学条件为：（） （A）形核率(B)系统自由能增加 （C）能量守衡（D）过冷度 4．在TiO2中，当一部分Ti4+还原成Ti3+，为了平衡电荷就出现（） (A) 氧离子空位(B) 钛离子空位(C)阳离子空位 5．在三元系浓度三角形中，凡成分位于（）上的合金，它们含有另两个顶角所代表的两组元含量相等。 （A）通过三角形顶角的中垂线 （B）通过三角形顶角的任一直线 （C）通过三角形顶角与对边成45°的直线 6．有效分配系数k e 表示液相的混合程度，其值范围是（） （A）1 金属凝固原理复习题部分参考答案 （杨连锋2009年1月） 2004年 二 写出界面稳定性动力学理论的判别式，并结合该式说明界面能，温度梯度，浓度梯度对界面稳定性的影响。 答：判别式, 2 01()()2 (1)m c v D s g m v D g G T k ωωωω * *??- ??? =-Γ- ++?? -- ??? ，()s ω的正负决定 着干扰振幅是增长还是衰减，从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的，界面能不可能是负值，所以第一项始终为负值，界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的，温度梯度为正，界面稳定，温度梯度为负，界面不稳定。第三项恒为正，表明该项总使界面不稳定，固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定，溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。 三 写出溶质有效分配系数E k 的表达式，并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影 响。若不考虑初始过渡区，什么样的条件下才可能有0s C C * = 答：0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出，搅拌对流愈强时，扩散层厚度N δ愈小， 故s C * 愈小。生长速度愈大时，s C * 愈向0C 接近。（1）慢的生长速度和最大的对流时，N L v D δ《1，0E k k = ；（2）大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时，N L v D δ》1，E k =1 （3）液相中有对流，但属于部分混合情况时，0 1E k k <<。1E k =时，0 s C C * = ，即在 大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。 四 写出宏观偏析的判别式，指出产生正偏析，负偏析，和不产生偏析的生长条件。 答：0 1s q q C k C k = -+，s C 是溶质的平均浓度，0C 是液相的原始成分，q 是枝晶 内溶质分布的决定因素，它是合金凝固收缩率β，凝固速度u 和流动速度v 的函数， (1)(1)v q u β=-- 。0s C C =，即 1p u v β β =- -时，q=1，无宏观偏析。0s C C >时，对于01k <的合金来说，为正偏析，此时 1p u v β β >- -。0s C C <时，对于01k <的合金来 说，为负偏析，此时 1p u v β β <- -。 五 解：用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算 金属键: 金属键（metallic bond）是化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成. 晶体: 是由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体 同素异晶转变（并举例）: 金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。液态纯铁冷却到1538℃时，结晶成具有体心立方晶格的δ-Fe；继续冷到1394℃时发生同素异晶的转变,转变为面心立方晶格γ-Fe；再继续冷却到912℃时，γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe。 晶胞: 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体，反映晶格特征的最小几何单元。 点阵常数: 晶胞三条棱边的边长a、b、c及晶轴之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数 晶面指数: 晶体中原子所构成的平面。 晶面族: 晶体中具有等同条件（这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同），而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族 晶向指数: 晶体中的某些方向，涉及到晶体中原子的位置，原子列方向，表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。 晶向族（举例）; 晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向族。<111>:[111],[-1-11][11-1][-1-1-1][1-1-1][-111][-11-1][1-11] 晶带和晶带轴: 所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。 配位数: 在晶体中，与某一原子最邻近且等距离的原子数称为配位数 致密度: 晶胞内原子球所占体积与晶胞体积之比值 晶面间距: 两近邻平行晶面间的垂直距离 对称:通过某种几何操作后物体空间性质完全还原为原始状态 空间点阵：将构成物质结构的粒子抽象为质点后，质点在三维空间的排列情况 布拉菲点阵:考虑点阵上的阵点的具体排列而得到的点阵具体排列形式，而不是强调是布拉菲数学计算得到的十四种排列 固溶体：溶质原子在固态的溶剂中的晶格或间隙位置存在，晶体结构保持溶剂的物质 中间相：两种或以上元素原子形成与其组元的晶体结构均不相同的化合物 准晶：有独特结构和对称性的物质，原子排列在晶体的有序 《材料科学基础教程》复习题与思考题 一、选择与填空 1-1下列组织中的哪一个可能不是亚稳态，即平衡态组织 a)马氏体+残余奥氏体 b)上贝氏体 c)铁素体+珠光体 d)奥氏体+贝氏体 1-2下列组织中的哪一个可能不是亚稳态 a) 铁碳合金中的马氏体 b) 铁碳合金中的珠光体+铁素体 c) 铝铜合金中的α+GPZ d) 铁碳合金中的奥氏体+贝氏体 1-3单相固溶体在非平衡凝固过程中会形成成分偏析： a)若冷却速度越大，则成分偏析的倾向越大； b)若过冷度越大，则成分偏析的倾向越大； c)若两组元熔点相差越大，则成分偏析的倾向越小； d)若固相线和液相线距离越近，则成分偏析的倾向越小。 1-4有两要平等右螺旋位错，各自的能量都为E1，当它们无限靠近时，总能量为。 a) 2E1 b) 0 c) 4E1 1-13两根具有反向柏氏矢量的刃型位错在一个原子面间隔的两个平行滑移面上相向运动以后，在相遇处。 a) 相互抵消 b) 形成一排间隙原子 c) 形成一排空位 1-15位错运动方向处处垂直于位错线，在运动过程中是可变的，晶体做相对滑动的方向。 a) 随位错线运动方向而改变 b) 始终是柏氏矢量方向 c) 始终是外力方向 1-16位错线张力是以单位长度位错线能量来表示，则一定长度位错的线张力具有量纲。 a) 长度的 b) 力的 c) 能量的 1-17位错线上的割阶一般通过形成。 a) 位错的交割 b) 共格界面 c) 小角度晶界 1-7位错上的割阶一般通过形成。 a) 孪生 b) 位错的交滑移 c) 位错的交割 1-23刃形位错的割阶部分。 a) 为刃形位错 b) 为螺形位错 c) 为混合位错 1-24面心立方晶体中Frank不全位错最通常的运动方式是。 a) 沿{111}面滑移 b) 沿垂直于{111}的面滑移 c) 沿{111}面攀移 1-25位错塞积群的一个重要效应是在它的前端引起。 a）应力偏转 b)应力松弛 c)应力集中 1-26面心立方晶体中关于Shcockley分位错的话，正确的是。 a) Shcockley分位错可以是刃型、螺型或混合型; b) 刃型Shcockley分位错能滑移和攀移; c) 螺型 Shcockley分位错能交滑移。 1-27汤普森四面体中罗-罗向量、不对应罗-希向量、希-希向量分别有个。 a)12，24，8，12 b)24，24，8，12 c)12，24，8，6 1－32 ，位错滑移的派－纳力越小。 a) 相邻位错的距离越大 b) 滑移方向上的原子间距越大 c)位错宽度越大 1－33层错和不全位错之间的关系是。 a)层错和不全位错交替出现； b) 层错和不全位错能量相同； c)层错能越高，不全位错柏氏矢量模越小； d)不全位错总是出现在层错和完整晶体的交界处。 1－34位错交割后原来的位错线成为折线，若。 a) 折线和原来位错线的柏氏矢量相同，则称之为扭折，否则称之为割阶； 第12章陶瓷材料 12.1复习笔记 一、陶瓷概述 （1）陶瓷 ①定义 传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。 ②分类 陶瓷一般归纳为：工程陶瓷和功能陶瓷。 （2）新型无机材料 新型无机材料是指在传统硅酸盐材料的基础上，用无机非金属物质为原料，经粉碎、配制、成型和高温烧结制得的无机材料，如功能陶瓷，特种玻璃，特种涂层等。 （3）新型无机材料与传统硅酸盐材料的比较 ①从组成上看 新型无机材料的组成远远超过硅酸盐的范围，除氧化物和含氧酸盐之外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。 ②从性能上看 a．新型无机材料不仅具有熔点高，硬度高，化学稳定性好，耐高温，耐磨损等优点； b．一些特殊陶瓷还具有一些特殊性能，如介电性、压电性、铁电性、半导性、软磁性、硬磁性等。 二、陶瓷材料的典型结构 陶瓷是指由金属（类金属）和非金属元素之间形成的化合物。这些化合物的结合键主要是离子键或共价键。 1．离子晶体陶瓷结构 （1）分类 ①NaCl型结构：MgO、NiO、FeO等； ②CaF2型结构：等； ③刚玉型结构：等； ④钙钛矿型结构：。 （2）刚玉型结构（如图12-1-1所示） 图12-1-1Al2O3晶体结构 刚玉型结构中每晶胞有6个氧离子、4个铝离子。其中： ①氧离子占密排六方结点位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中，但只填2/3如图12-1-1（b）所示； ②铝离子的排列要满足铝离子之间的间距最大，因此每三个相邻的八面体间隙，就有一个是有规律地空着，如图12-1-1（a）所示。 （3）钙钛矿型结构（如图12-1-2所示） 图12-1-2钙钛矿结构 钙钛矿型结构中每个晶胞中有1个钛离子、1个钙离子、3个氧离子。其中： ①原子半径较大的钙离子与氧离子作立方最密堆积； ②半径较小的钛离子位于氧八面体间隙中，构成钛氧八面体[TiO6]。钛离子只占全部八面体间隙的1/4。 2．共价晶体陶瓷结构 共价晶体陶瓷多属金刚石结构。 （1）SiC结构 SiC结构与金刚石结构类似，只是将位于四面体间隙的碳原子全换成了硅原子，如图12-1-3所示，属面心立方点阵，每个单胞拥有硅、碳原子各4个。 第二章固体结构 1、晶体:是指原子（或分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。 非晶体:原子杂乱分布，或仅有局部区域为短程规则排列。 2、晶体结构（晶体点阵）: 晶体中，实际原子、分子、离子或原子集团按一定几何规律的具体排列方式。 5、空间点阵：由周围环境相同的阵点在空间排列的三维阵列。 3、晶格：用直线将空间点阵的各阵点连接起来，构成一个三维空间格架。这种用于描述晶体中原子排列规律的空间格架称为晶格。 4、晶胞：晶格中，能完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 6、结构晶胞：如果在点阵晶胞的范围内，标出相应晶体结构中各原子的位置，这部分原子构成了晶体结构中有代表性额部分，含有这一附加信息的晶胞称为结构晶胞。 8、晶体结构与空间点阵的区别：空间点阵只有14种，晶体结构是无限多的； 9、结构晶胞与点阵晶胞的区别： 点阵晶胞—仅反映周期性最小的，体积最小，但不一定反映点阵的对称性，只含一个结点。 结构晶胞--具有较高对称性的最小重复单元，既反映周期性，也反映对称性，但不一定最小。 10、晶向：晶体中，穿过两个以上阵点的任意直线，都代表晶体中一个原子列的空间位向，称为晶向. 晶面：晶体中，某些原子构成的原子平面，称为晶面. 11、密勒指数: 国际通用、用以表示晶向和晶面空间位置的符号,分晶向指数和晶面指数. 12、晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向。 13、面心立方结构(A1) Al, 贵金属, α-Fe, Ni, Pb, Pd, Pt等 体心立方结构(A2) 碱金属, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, -Fe等 密排六方结构(A3) α-Ti, Be, Zn, Mg, Cd等 14、配位数CN —晶体中，与任一原子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。 k = nv/V n：晶胞原子数 v：单原子的体积 V：晶胞体积 15、晶体的多晶型性（同素异构）：化学组成相同的物质在不同温度或压力条件下具有不同的晶体结构的现象，称为多晶型性（同素异构)。 1、肖脱基空位:离位原子迁移到晶体的外表面or内界面，这种空位叫肖脱基空位。 第六章相平衡和相图 6-1名词解释 相组元数独立组元数自由度相图相平衡凝聚系统介稳平衡无变量点可逆多晶转变不可 逆多晶转变一级变体间转变二级变体间转变一致熔融化合物不一致熔融化合物共熔界线转熔界线连线规则切线规则低共熔点（三升点）单转熔点（双升点）双转熔点（双降点）液相独立析晶 6-2什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？ 6-3固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？ 图6-1 图6-2 6-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回答：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？ 6-5图6-2是具有多晶转变的某物质的相图，其中DEF线是熔体的蒸发曲线。KE是晶型I的升华曲线；GF是晶型II的升华曲线；JG是晶型III的升华曲线，回答下列问题：（1）在图中标明各相的相区，并写出图中各无变量点的相平衡关系；（2）系统中哪种晶型为稳定相？哪种晶型为介稳相？（3）各晶型之间的转变是可逆转变还是不可逆转变？ 6-6在SiO2系统相图中，找出两个可逆多晶转变和两个不可逆多晶转变的例子。 6 - 7 C2S有哪几种晶型？在加热和冷却过程中它们如何转变？β-C2S为什么能自发地转变成γ-C2S？在生产中如何防止β-C2S 转变为γ-C2S？ 6-8今通过实验测得如图6-3所示的各相图，试判断这些相图的正确性。如果有错，请指出错在何处？并说明理由。 图6-3 6-9根据图6-4所示的二元系统相图回答：（1）注明各相区；（2）写出无变量点的性质及其相平衡关系；（3）写出M1和M2熔体的平衡冷却析晶过程；（4）计算从熔体刚冷至T P温度及离开T P温度时系统中存在各相的百分含量。 6-10图6-5为具有一个不一致熔融化合物的二元系统，在低共熔点E发生如下析晶的过程：L A＋A m B n。E点B含量为20％，化合物A m B n含B量为64％，今有C1和C2两种配料，其配料点分置于E点两侧。已知C1中B含量是C2中B含量的1.5倍，且在达低共熔点温度前的冷却析晶过程中，从该二配料中析出的初晶相含量相等。试计算C1和C2的组成。 图6-4 图6-5 6-11图6-6是一个未完成的具有一个不一致熔化合物并形成固溶体的二元系统相图。请根据已给出的诸点完成此相图的草图。 第1章材料的结构 1.1复习笔记 一、材料的结合方式 1．化学键 （1）定义 组成物质整体的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为化学键。 （2）分类 ①共价键 a．定义 同类原子或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，而是借共用电子对所产生的力结合，形成的键被称为共价键。 b．特点 既有方向性又有饱和性。 ②离子键 a．定义 当两种电负性相差大的原子相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子，成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成的键被称为离子键。 b．特点 离子键无方向性和饱和性。 ③金属键 a．定义 由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合形成的键称为金属键。 b．特点 金属键无方向性和饱和性 c．电子气理论 金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。 ④范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起形成的键，称为范德瓦尔键，又称分子键。 2．工程材料的键性 在实际的工程材料中，原子（或离子、分子）间相互作用的性质，只有少数是以上四种键型的极端情况，大多数是这四种键型的过渡。如果以四种键为顶点，作个四面体，就可把工程材料的结合键范围示意在四面体上，如图1-1-1所示。 图1-1-1工程材料键性 二、晶体学基础 1．晶体与非晶体 （1）原子排列的三个等级（不考虑原子的结构缺陷） 无序排列，短程有序和长程有序。 （2）晶体 ①定义 物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质称为晶体。 ②特点 a．晶体具有一定的熔点。 b．晶体具有各向异性：晶体的某些物理性能和力学性能在不同方向上具有不同的数值。 （3）非晶体 ①定义 在整体上是无序的，但原子间也靠化学键结合在一起，故在有限的小范围内观察还有一定规律，即近程有序，这样的物质称为非晶体。 ②特点 a．非晶体不具有一定的熔点，它实质上是一种过冷的液体结构，往往被称为玻璃体。 b．非晶体具有各向同性。 2．空间点阵 将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。 关于新型材料结构与性能的关系相关文章读后感 通过阅读文献，我了解了关于新型材料的一些基础知识。 新型材料是指那些新近发展或正在发展的、具有优异性能和应 用前景的一类材料。新型材料的特征： （1）生产制备为知识密集、技术密集和资金密集； （2）与新技术和新工艺发展密切结合。如：大多新型材料通过 极端条（如超高压、超高温、超高真空、超高密度、超高频、 超高纯和超高速快冷等）形成。 （3）一般生产规模小，经营分散，更新换代快，品种变化频繁。 （4）具有特殊性能。如超高强度、超高硬度、超塑性，及超导 性、磁性等各种特殊物理性能。 （5）其发展与材料理论关系密切。 新型材料的分类，根据性能与用途分为新型结构材料和功能材料。新型结构材料是指以力学性能为主要要求，用以制造各种机器零件和工程结构的一类材料。新型结构材料具有更高力学性能（如强度、硬度、塑性和韧性等），能在更苛该介质或条件下工作。 功能材料指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等性能的种类材料。广泛用于能源、计算机、通信、电子、激光、空间、生命科学等领域。根据材料本性或结合键分为金属材料、元机非金属材料、高分子材料、复合材料 新型材料，在国民经济中具有举足轻重的地位。对新一代材 料的要求是：（1）材料结构与功能相结合。（2）开发智能材料。 智能材料必须具备对外界反应能力达到定量的水平。目前的材料还停留在机敏材料水平上，机敏材料只能对外界有定性的反应。 （3）材料本身少无污染，生产过程少污染，且能再生。（4）制造材料能耗少，本身能创造新能源或能充分利用能源。 材料科学发展趋势：（1）研究多相复合材料。指两个或三个主相都在一个材料之中，如多相复合陶瓷材料，多相复合金属材料，多相复合高分子材料，金属—陶瓷、金属—有机物等。（2）研究并开发纳米材料。①把纳米级晶粒混合到材料中，以改善材料脆性。②利用纳米材料本身的独特性能。 基于材料结构和性能关系研究的材料设计,其核心科学问题有三: (l)寻找决定材料体系特性的关键功能基元； (2)材料微观结构和宏观功能特性的关系的研究； (3)基于功能基元材料体系的设计原理。 各种新型材料的开发研究越来越引起人们的重视,活性碳纤维(ACF)(或纤维状活性碳(FAC)是近几十年迅速发展起来的一种新颖的高效吸附材料。 ACF的吸附性能与其结构特征有密切关系.影响性能的结构因素可分为两个方面:其一为孔结构因素,如比表面积、孔径、孔容等。在通常情况下,比表面积与吸附量有正比关系;其二为表面官能团的种类和含量,例如含氮官能团的ACF对含硫化合物有优异的吸附能力. 第一章晶体几何基础 1-1 解释概念： 等同点：晶体结构中，在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点。 空间点阵：概括地表示晶体结构中等同点排列规律的几何图形。 结点：空间点阵中的点称为结点。 晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。 对称：物体相同部分作有规律的重复。 对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合为对称型，也称点群。 晶类：将对称型相同的晶体归为一类，称为晶类。 晶体定向：为了用数字表示晶体中点、线、面的相对位置，在晶体中引入一个坐标系统的过程。 空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合。 布拉菲格子：是指法国学者 A.布拉菲根据晶体结构的最高点群和平移群对称及空间格子的平行六面体原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成14种类型的空间格子。 晶胞：能够反应晶体结构特征的最小单位。 晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数（a、b、c、α 、β、γ ）. 1-2 晶体结构的两个基本特征是什么？哪种几何图形可表示晶体的基本特征？ 解答：⑴晶体结构的基本特征： ①晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。 ②晶体的内部质点呈对称分布，即晶体具有对称性。 ⑵14种布拉菲格子的平行六面体单位格子可以表示晶体的基本特征。 1-3 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。 解答：对称面—m，对称中心—1，n次对称轴—n，n次旋转反伸轴—n 螺旋轴—ns ，滑移面—a、b、c、d 1-5 一个四方晶系的晶面，其上的截距分别为3a、4a、6c，求该晶面的晶面指数。 解答：在X、Y、Z轴上的截距系数：3、4、6。 截距系数的倒数比为：1/3:1/4:1/6=4:3:2 晶面指数为：（432） 补充：晶体的基本性质是什么？与其内部结构有什么关系？ 解答：①自限性：晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的反映。 ②均一性和异向性：均一性是由于内部质点周期性重复排列，晶体中的任何一部分在结构上是相同的。异向性是由于同一晶体中的不同方向上，质点排列一般是不同的，因而表现出不同的性质。 ③对称性：是由于晶体内部质点排列的对称。 ④最小内能和最大稳定性：在相同的热力学条件下，较之同种化学成分的气体、液体及非晶质体，晶体的内能最小。这是规则排列质点间的引力和斥力达到平衡的原因。 晶体的稳定性是指对于化学组成相同，但处于不同物态下的物体而言，晶体最为稳定。自然界的非晶质体自发向晶体转变，但晶体不可能自发地转变为其他物态。 第4章 单相及多相合金的结晶 一、判断题 1、、“平衡凝固”条件下，凝固后零件断面的成分均匀地为C S =C 0。所以“平衡凝固”开始时晶体析出的成分即为C 0。（ × ） 2、对于“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面前沿不存在溶质富集层，即界面处及其前方的液相成分处处相同。（ √ ） 3、在“平衡凝固”及“液相充分混合”所假设的溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S ?、C L ?随凝固过程的进行均始终在不断升高。（ √ ） 4、在“液相只有有限扩散”以及 “液相中部分混合（有对流作用）”溶质再分配条件下，固-液界面处的固相及液相成分C S ?、C L ?随凝固过程的进行始终不断升高。（ × ） 5、其他条件相同情况下，无论K 0＜1 还是K 0＞1，溶质平衡分配系数K 0小的合金更易于发生出现成分过冷。（×） 6、其他条件相同情况下，原始浓度C 0高的合金更易于出现成分过冷。（ √ ） 7、是否出现成分过冷及成分过冷的程度，既取决于合金性质因素（K 0、C 0、D L 、m L ）,也取决于工艺因素（R ，G L ）（ √ ） 8、无论是纯金属还是合金，只有当凝固界面液相一侧形成负温度梯度时，才可能出现过冷现象。（ × ） 9、在满足胞状晶生长的成分过冷条件下，若增大凝固界面前方的温度梯度G L ，则可能出现柱状树枝晶的生长方式。（ × ） 10、在“液相只有有限扩散”溶质再分配条件下，当达到稳定状态时，界面处及其前方液相成分随时间变化均符合 0) '(=??t x C L ，且溶质富集层以外的成分均为C L =C 0。（ √ ） 11、如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大液体实际温度梯度G L ，凝固界面有向“平整界面”变化的可能。（ √ ） 12、成分过冷较小时胞状晶生长方向垂直于固-液界面，与晶体学取向无关。（ √ ） 13、“液相部分混合”（有对流作用）的溶质再分配，若液相容积很大以及容积并非很大情况下，'x ＞＞δN 处的)'(x C L 均为C 0，。（ × ） 14、如果某合金的当前凝固存在成分过冷程度处于“胞状晶”生长方式的范围内，若大幅度增大R ，生长方式有向“柱状树枝晶”变化的可能。（ √ ） 15、规则共晶也可能出现胞状共晶或树枝状共晶形态。这是由于第三组员在界面前沿形成尺度达数百个层片厚度数量级的富集层，产生成分过冷而引起的。（ √ ） 二、填空题 1、在合金其他性质不变的情况下，若 降低 G L / R 比值或 提高 合金成分 C 0，合金固溶体结晶形貌变化趋势为：平面晶→胞状晶→柱状树枝晶→内部等轴晶（自由树枝晶）。 2、晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“ 外生生长”。平面生长、 胞状 生长和 柱状树枝晶 生长皆属于此类生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“ 内生 生长”。 3、凝固过程枝晶间距越小，合金的成分偏析程度越 小 ，凝固热裂纹形成倾向越 小 ，显微缩松及夹杂物分布的分散度越 大 ，材料的性能越 好 。 4、共晶两相没有共同的生长界面，两相的析出在时间上和空间上都是彼此 分离 的，各自以不同的速度 独立 生长，因而形成的组织没有 共生 共晶的特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为 离异生长 ，所形成的组织称 离异共晶 。 5、规则共晶为层片状还是棒状，主要取决于两相 体积 的差别，当其中一相的体积分数小于 1／π 时，则该相倾向于以棒状方式生长。 6、共晶组织生长中，共晶两相通过原子的 横 向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相 凝固理论进展与快速凝固 摘要：本文综述了凝固理论的某些新进展，对高生长速率下的凝固热力学与形核、生长动力学，特别是非平衡溶质分配系数，形核孕育期与相选择，化学成分及熔体热历史对形核机制的影晌，平界面的绝对稳定性，快速的枝晶/胞晶生长以及样品体积内快凝过程的发展等问题给出了定量的表述，文中还指出了对快凝过程进行分析和设计的工作步骤。 关健词：快速凝固，热力学，动力学，形核，晶体生长，相选择 0 前言 在近几十年中，凝固技术的重要进展有：连续铸造的扩大应用；定向凝固与单晶生长技术的完善；半固态(流变)铸造从研究走向了实际应用；通过凝固过程制备重要的新型材料，如复合材料、自生复合材料、梯度材料等；快速凝固技术的出现与应用。快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104-106K/s）或非均质形核的被遏制，使合金在很大的过冷度下发生高生长速率（≥1-100cm/s）的凝固，可制备非晶、准晶、微晶和纳米晶合金，此类新型功能或结构材料正在逐步进人工业应用。可见，现代凝固技术的发展不仅致力于获得外形完美、内无宏观缺陷的零件，而且追求在材料中形成常规工艺条件下不可能出现的结构与显微组织特征，使其具备一系列特殊优异的使用性能。从这个意义上说，新凝固技术与新材料的研究和发展已融为一体，最具代表性的例子是快速凝固技术，它的出现和发展直接促进了新一代金属玻璃与微晶、纳米晶合金的形成。 现代凝固技术的研究与应用，迫切要求以液/固相变理论的新成果为指导。在研究对象的尺度上，不局限于宏观的凝固过程的研究，而是要在原子尺度上对移动的液/固界面的行为进行分析。与凝固技术的发展相适应，近年来凝固理论的研究在下列方面取得进展：从传热、传质和固/液界面动力学三个方面对凝固动力学过程给出了不断改进的定量描述；固/液界面形态稳定性理论继续完善，可在低速生长至高速生长的较宽范围内，全面估计界面能、界面曲率、结晶潜热等对晶体形貌及显微结构的影响，提供晶体形态转变的定量判据；大过冷和高生长速率下的凝固热力学和动力学研究不断深入，为合金快速凝固过程的分析和设计提供了依据。 本文将概略介绍近年来凝固理论的某些研究成果；对快速凝固条件下的热力学和形核、生长动力学，以及相选择和显微结构的形成等问题给出定量的表述，以便更有效地对合金的快速凝固过程进行分析、设计和控制。 目录 第1章原子结构与键合 (1) 1.1 原子结构 (1) 1.2 原子间的键合 (2) 1.3 高分子链 (3) 本章重点复习 (4) 第2章固体结构 (6) 2.1 晶体学基础 (6) 2.2 金属的晶体结构 (7) 2.3 合金相结构 (9) 2.4 离子晶体结构 (12) 2.5 共价晶体结构 (14) 2.6 聚合物的晶体结构 (14) 2.7 非晶态结构 (16) 本章重点复习 (17) 第3章晶体缺陷 (20) 3.1 点缺陷 (20) 3.2 位错 (21) 3.3 表面及界面 (23) 本章重点复习 (27) 第4章固体中原子及分子的运动 (30) 4.1 表象理论 (30) 4.2 扩散的热力学分析 (31) 4.3 扩散的原子理论 (31) 4.4 扩散激活能 (33) 4.5 无规则行走与扩散距离 (33) 本章重点复习 (33) 第5章材料的形变和再结晶 (36) 5.1 弹性和粘弹性 (36) 5.2 晶体的塑性变形 (38) 5.3 回复和再结晶 (44) 5.4 高聚物的塑性变形 (48) 本章重点复习 (48) 第6章单组元相图及纯晶体凝固 (51) 6.1 单元系相变的热力学及相平衡 (52) 6.2 纯晶体的凝固 (53) 本章重点复习 (54) 第7章二元系相图及合金的凝固 (57) 7.1 相图的表示和测定方法 (57) 7.2 相图热力学的基本要点 (58) 7.3 二元相图分析 (59) 7.4 二元合金的凝固理论 (61) 7.5 高分子合金概述 (63) 本章重点复习 (65) 第8章三元相图 (70) 8.1 三元相图基础 (71) 8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 (74) 8.3 固态有限互溶的三元共晶相图 (77) 8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 (78) 8.5 包共晶型三元系相图 (79) 8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 (79) 8.7 形成稳定化合物的三元系相图 (80) 8.8 三元相图举例 (81) 8.9 三元相图小结 (83) 本章重点复习 (85) 第9章材料的亚稳态 (88) 9.1纳米晶材料 (88) 9.2 准晶态 (91) 9.3 非晶态材料 (92) 9.4 固态相变形成的亚稳相 (94) 本章重点复习 (95) 各章例题、习题以及解答 (97) 第1章原子结构与键合 (97) 第2章固体结构 (102) 第3章晶体缺陷 (111) 第4章固体中原子及分子的运动 (120) 第5章材料的形变和再结晶 (128) 第6章单组元相图及纯晶体凝固 (137) 第7章二元系相图及合金的凝固 (141) 第8章三元相图 (151) 第9章材料的亚稳态 (159) 无机材料科学基础试卷7 一、名词解释（20分） 1、正尖晶石、反尖晶石； 2、线缺陷、面缺陷； 3、晶子学说、无规则网络学说； 4、可塑性、晶胞参数； 二、选择题（10分） 1、下列性质中（）不是晶体的基本性质。 A、自限性 B、最小内能性 C、有限性 D、各向异性 2、晶体在三结晶轴上的截距分别为2a、3b、6c。该晶面的晶面指数为（）。 A、（236） B、（326） C、（321） D、（123） 3、依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）立方密堆积的堆积系数。 A、大于 B、小于 C、等于 D、不确定 4、某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。 A、4 B、12 C、8 D、6 5、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。 A、4，8 B、8，4 C、1，2 D、2，4 6、在ABO3(钙钛矿)型结构中，B离子占有（）。 A、四面体空隙 B、八面体空隙 C、立方体空隙 D、三方柱空隙晶体 7、在硅酸盐熔体中，当R=O/Si减小时，相应熔体组成和性质发生变化，熔体析晶能力（），熔体的黏度（），低聚物数量（）。 A、增大 B、减小 C、不变 D、不确定 8、当固体表面能为1.2J/m2，液体表面能为0.9 J/m2，液固界面能为1.1 J/m2 时，降低固体表面粗糙度，（）润湿性能。 A、降低 B、改善 C、不影响 9、一种玻璃的组成为32.8%CaO，6.0 Al2O3%，61.2 SiO2%，此玻璃中的Al3+可视为网络（），玻璃结构参数Y=（）。 A、变性离子，3.26 B、形成离子，3.26 C、变性离子，2.34 D、形成离子，2.34 10、黏土泥浆胶溶必须使介质呈（）。 A、酸性 B、碱性 C、中性 11、可以根据3T曲线求出熔体的临界冷却速率。熔体的临界冷却速率越小，就 （）形成玻璃。 A、越难 B、越容易 C、很快 D、缓慢金属凝固原理复习资料
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