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标题: 赵品《材料科学基础教程》（第3版）笔记和课后习题（含考研真题）详解 [打印本页]

作者: ooo 时间: 17-8-13 17:21
标题: 赵品《材料科学基础教程》（第3版）笔记和课后习题（含考研真题）详解
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内容简介
目录
第1章　材料的结构
　1.1　复习笔记
　1.2　课后习题详解
　1.3　名校考研真题详解
第2章　晶体缺陷
　2.1　复习笔记
　2.2　课后习题详解
　2.3　名校考研真题详解
第3章　纯金属的凝固
　3.1　复习笔记
　3.2　课后习题详解
　3.3　名校考研真题详解
第4章　二元相图
　4.1　复习笔记
　4.2　课后习题详解
　4.3　名校考研真题详解
第5章　三元相图
　5.1　复习笔记
　5.2　课后习题详解
　5.3　名校考研真题详解
第6章　固体材料的变形与断裂
　6.1　复习笔记
　6.2　课后习题详解
　6.3　名校考研真题详解
第7章　回复与再结晶
　7.1　复习笔记
　7.2　课后习题详解
　7.3　名校考研真题详解
第8章　扩　散
　8.1　复习笔记
　8.2　课后习题详解
　8.3　名校考研真题详解
第9章　固态相变
　9.1　复习笔记
　9.2　课后习题详解
　9.3　名校考研真题详解
第10　章金属材料
　10.1　复习笔记
　10.2　课后习题详解
　10.3　名校考研真题详解
第11章　高分子材料
　11.1　复习笔记
　11.2　课后习题详解
　11.3　名校考研真题详解
第12章　陶瓷材料
　12.1　复习笔记
　12.2　课后习题详解
　12.3　名校考研真题详解
第13　章复合材料
　13.1　复习笔记
　13.2　课后习题详解
　13.3　名校考研真题详解
第14章　功能材料
　14.1　复习笔记
　14.2　课后习题详解
　14.3　名校考研真题详解
内容简介

  本书是赵品主编的《材料科学基础教程》（第3版）的配套电子书，主要包括以下内容：??（1）梳理知识脉络，浓缩学科精华。本书每章的复习笔记均对该章的重难点进行了整理，并参考了国内名校名师讲授该教材的课堂笔记。因此，本书的内容几乎浓缩了该教材的所有知识精华。
??（2）详解课后习题，巩固重点难点。本书参考大量相关辅导资料，对赵品主编的《材料科学基础教程》（第3版）的课后习题进行了详细的分析和解答，并对相关重要知识点进行了延伸和归纳。
??（3）精编考研真题，培养解题思路。本书从历年考研真题中挑选最具代表性的部分，并对之做了详尽的解析。所选考研真题涵盖了每章的考点和难点，考生可以据此了解考研真题的命题风格和难易程度，并检验自己的复习效果。
（4）免费更新内容，获取最新信息。本书定期会进行修订完善，补充最新的考研真题和答案。对于最新补充的考研真题和答案，均可以免费升级获得。
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内容预览
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。这些点代表原子（分子或离子）的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，这些点称为阵点。
（1）晶胞
从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元称为晶胞。
（2）晶格
将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架称为晶格。
（3）晶胞选取条件
①晶胞几何形状充分反映点阵对称性。
②平行六面体内相等的棱和角数目最多。
③棱间呈直角时，直角数目应最多。
④满足上述条件，晶胞体积应最小。

图1-1-2晶胞、晶轴及点阵参数
（4）布拉菲点阵
根据以上原则，可将晶体划分为7个晶系。布拉菲根据“每个阵点环境相同”，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种。故这14种空间点阵称为布拉菲点阵，分属7个晶系，如表1-1-1所示。
表1-1-1十四种布拉菲点阵

P-不带心；C-底心；I-体心；F-面心
3．晶向指数与晶面指数
（1）晶向指数的标定
①以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴的单位长度，建立右旋坐标系，如图1-1-3。定出欲求晶向上任意两个点的坐标。
②“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标系各轴方向移动的点阵参数的数目。
③将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号即为所求的晶向指数[uvw]，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方。

图1-1-3正交系中一些晶向指数
（2）晶面指数的标定
①建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。
②找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某一轴平行，则截距为无穷大。
③取截距的倒数。将其化为一组互质的整数，加圆括号，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方得到晶面指数（hkl）。
（3）晶面族与晶向族
①晶面族
在晶体中有些晶面原子排列情况相同，面间距也相等，只是空间位向不同，这些晶面属于同一晶面族，用{hkl}表示。
②晶向族
晶向族用表示，代表原子排列相同，空间位向不同的所有晶向。
（4）六方系晶面及晶向指数标定
①四轴制
应用此方法标定的晶面指数{hkil}，四个指数中前三个指数只有两个是独立的，它们有如下关系

采用四轴坐标时晶向指数的确定方法如下：当晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向OP可表示为

晶向指数用[uvtw]表示，其中t＝－（u＋v）。
②三轴制
确定晶向指数[UVW]，再转换为[uvtw]。采用三轴坐标系时，c轴垂直底面，a1、a2轴在底面上，其夹角为120°，确定晶向指数的方法同前。
③六方系按两种晶轴系所得的晶向指数的相互转换关系如下

（5）晶带
①定义
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。
②立方系某晶面（hkl）以[uvw]为晶带轴必有的关系式

反之亦成立。两个不平行的晶面

的晶带轴[uvw]可如下求得

（6）晶面间距计算公式

三、材料的晶体结构
1．典型金属的晶体结构
（1）最常见的金属的晶体结构
体心立方（bcc）、面心立方（fcc）和密排六方（hcp）。

图1-1-4体心立方晶胞示意图

图1-1-5面心立方晶胞示意图

图1-1-6密排六方晶胞示意图
①晶胞原子数的计算
晶体由大量晶胞堆砌而成，故处于晶胞顶角或周面上的原子就不会为一个晶胞所独有。只有晶胞内的原子才为晶胞所独有。若用n表示晶胞占有的原子数，则上述晶胞原子数为：
体心立方

面心立方

密排六方

②原子半径
在研究晶体结构时，假设相同的原子是等径刚球。最密排方向上原子彼此相切，两球心距离之半便是原子半径。
体心立方原子半径r与晶格常数a的关系为

。
面心立方可计算出原子半径为

。
密排六方结构可计算出原子半径为a/2。
③配位数与致密度
a．配位数：配位数是指晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离的原子数。
b．致密度：致密度（K）是晶胞中原子所占的体积分数

式中，n为晶胞原子数；v原子体积；V晶胞体积。
（2）晶体中原子的堆垛方式
①面心立方与密排六方的最密排面{111}与（0001）原子排列情况完全相同
如图1-1-7所示密排六方结构可看成由（0001）面沿[0001]方向逐层堆垛而成。其堆垛顺序可参考图1-1-8，图中“·”代表A层原子中心，A层堆完后，有两种凹坑“

”与“

”，如果第二层原子占B位置“

”，第三层又占“·”位置，即按ABAB……顺序堆垛即为密排六方结构。

图1-1-7面心立方与密排六方密排面原子排列情况

图1-1-8面心立方与密排六方原子堆垛顺序
②面心立方结构堆垛方式
第一层与第二层与密排六方完全相同，第三层不与第一层重合，而是占“

”位置，即按ABCABC……顺序堆垛。这种堆垛顺序的差别不影响原子排列的紧密程度，故两者都是最紧密排列。

图1-1-9面心立方结构密排面堆垛方式
（3）晶体结构中的间隙
表1-1-2三种典型晶体结构中的间隙

图1-1-10体心立方结构的间隙

图1-1-11面心立方结构的间隙

图1-1-12密排六方结构的间隙
2．共价晶体的晶体结构
（1）金刚石结构
Si、Ge、Sn和C具有金刚石结构，依8-N规则，配位数为4。它们的原子通过4个共价键结合在一起，形成一个四面体，这些四面体群联合起来，构成一种大型立方结构，属面心立方点阵，每阵点上有2个原子，每晶胞8个原子，如图1-1-13（a）所示，8个原子坐标如图1-1-13（b）所示。

图1-1-13金刚石结构
（2）菱形的层状结构
As、Sb、Bi为第VA族元素，具有菱形的层状结构，配位数为3，如图1-1-13所示。层内共价结合，层间带有金属键。因此这几种亚金属兼有金属与非金属的特性。

图1-1-14砷的层状结构
（3）链状结构
Se、Te为VIA族元素，呈螺旋分布的链状结构，依8—N规则，配位数为2。链本身为共价结合，链与链间为范德瓦尔键，如图1-1-14所示。

图1-1-15碲的链结构
3．离子晶体的晶体结构
（1）离子半径
在离子晶体中正、负离子间的平衡距离为r0，等于球状正离子的半径r＋与球状负离子的半径r-之和。离子半径并不是绝对不变的，同一离子随价态、配位数不同，离子半径将发生变化。通常正离子因失去电子而离子半径较小，负离子因获得电子而离子半径较大。
（2）几种简单离子晶体结构类型
图1-1-12给出了典型的离子晶体的晶体结构。

图1-1-16典型的离子化合物的晶体结构
①图1-1-16（a）为CsCl型结构，属简单立方点阵，负离子占阵点位置，正离子占立方体间隙位置。离子配位数为8，如CsCl、CsBr等。
②图1-1-16（b）为NaCl型结构，属面心立方点阵，负离子占阵点位置，正离子占八
体同隙，配位数为6。每晶胞有4个负离子。4个正离子，如NaCl、KCl、MgO、CaO等。
③图1-1-16（c）为闪锌矿结构，也属面心立方点阵，负离子占阵点位置，离子配位数为4。ZnS、BeO、SiC等具有这种结构。
④图1-1-16（d）为荧石结构，即CaF2结构，属面心立方点阵。负离子位于所有四面体间隙位置上。正离子占阵点位置。正离子配位数为8，负离子配位数为4。分子式为AX2，如CaF2、ZrO2、CeO2等。
⑤图1-1-16（e）为纤锌矿结构，负离子占密排六方的结点位置，正离子占四面体间隙的1/2，如ZnS、ZnO等。如果负离子排成密排六方，正离子占其间隙，还可产生以密排六方为基础的其他结构，如砷化镍结构等。
4．合金相结构
（1）合金
①定义
合金是由两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。
②组元
组成合金最基本的独立物质被称为组元，一般是组成合金的元素，也可以是稳定化合物。
③相
相是合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。
（2）合金分类
①固溶体
a．定义
凡溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相称为固溶体。
b．分类
第一、根据溶质原子在溶剂中是占结点位置，还是占间隙位置，可将其分为置换固溶体与间隙固溶体。
第二、若溶质与溶剂以任何比例都能互溶，固溶度达100％，则称为无限固溶体，否则为有限固溶体；若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。
c．影响置换固溶体固溶度的因素
第一，组元的晶体结构类型
晶体结构类型相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。
第二，原子尺寸因素
溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差

对固溶体的固溶度起重要影响。当相对差不超过±（14％～15％）有利于大量的固溶，反之固溶度非常有限。原子尺寸相差越大，点阵畸变越严重，结构也越不稳定，当相对差大于30％时，则不易形成置换固溶体。
第三，电负性因素
两元素的电负性相差越大，化学亲合力越强，所生成的化合物也越稳定。若两元素间的电负性相差越小，越易形成固溶体，所形成的固溶体的固溶度也越大。
第四，电子浓度因素
在研究贵金属铜、银、金与大于一价的一些元素形成的合金时发现，在尺寸有利的情况下，溶质原子的价越高，固溶度越小。
d．影响间隙固溶体固溶度的因素
第一，一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H、O、N、C、B等因受原子尺寸因素的影响不能形成置换固溶体而形成间隙固溶体，一般间隙半径较小，非金属原子溶入时，将使晶胞胀大，造成点阵畸变，故固溶度受到限制。
第二，间隙固溶体的固溶度与溶剂的间隙形状等因素有关。
e．固溶体的微观不均匀性
固溶体的溶质原子分布可分为无序分布、偏聚分布和短程有序分布。
　 ②中间相
a．定义
两组元组成的合金中，在形成有限固溶体的情况下，如果溶质含量超过其溶解度时，将会出现新相，其成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，称为中间相。
b．分类
第一，正常价化合物
金属与周期表中IVA、VA、VIA族的一些元素形成的化合物为正常价化合物，符合化学的原子价规律。
第二，电子化合物
决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度和尺寸因素。电子化合物表现出金属性质。
第三，间隙相与间隙化合物
过渡族金属可与H、B、C、N等原子半径甚小的非金属元素形成化合物。当金属（M）与非金属（X）的原子半径比

时，化合物具有简单的晶体结构，称为间隙相。当原子半径比

时，其结构复杂，通常称为间隙化合物。
第四，拓扑密堆相
拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是四面体间隙的复杂结构。其空间利用率及配位数均很高，由于具有拓扑学特点，故称之为拓扑密堆相，简称TCP相。
（3）固溶强化。
固溶体的成分可在一定范围内连续变化，随异类原子的溶入，将引起溶剂晶格常数的改变及晶格畸变，致使合金性能发生变化。通常把形成固溶体而使强度、硬度升高的现象叫固溶强化。

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