湖南大学材料科学基础-复习题纲

第一部分 材料的原子结构与键合

1、原子结构与原子的电子结构；原子结构、原子排列对材料性能的影响。

决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结

合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律，以及原子集合体的形貌特征等。 原子结构：原子由质子和中子组成的原子核以及核外的电子所构成。原子核内的中子呈电中

性，质子带有正电荷。

原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：

主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离。 角动量量子数l: 给出电子在同一个量子壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。 磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数s：反映电子不同的自旋方向。 核外电子的排布规律遵循以下三个原则：

能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。也就是说电子先占据能量最

低的壳层。 泡利不相容原理：在一个原子总不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不能有上述

四个量子数都相同的两个电子。（主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子） 洪德定则：在同一个亚层各个能级中，电子的排布尽可能占不同的能级，而且自旋方向

相同。

相对原子质量：相对原子质量是以一个碳-12原子质量的1/12作为标准，任何一种原子

的平均原子质量跟一个碳-12原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量。

原子价：也称化合价。它表明形成化合物时一个原子能和其他原子相结合的数目。 电负性（EN）：用来表示两个不同原子形成化学键时吸引电子能力的相对强弱，是元素

的原子在分子中吸引共用电子的能力。 原子排列对材料性能影响：

固体材料根据原子的排列可分为两大类：晶体与非晶体。（有无固定的熔点和体积突变）

晶体：原子按一定方式在三维空间内呈周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。

非晶体：指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，无固定的

熔点，各向同性。（过冷液体）

各向异性：晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程

度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。

2、材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响（上交P4），键-能曲线及其应用（工设P29）。

一次键的三个主要类型是：

离子键：离子键指正、负离子间通过静电作用形成的化学键。其基本特点是以离子

而不是以原子为结合单元，无方向性和饱和性；离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因此，其熔点和硬度均较高，离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，是良好的电绝缘体，但当处于高温熔融状态时，则呈现离子导电性。 共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。有方

向性和饱和性；共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由运动，共价结合形成

的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。

金属键：金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合。无饱和性和方向性，

因而每个原子有可能与更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。 本质：电子从一个原子向另外一个原子的转移或电子在原子间共用。 二次键的主要类型是：

范德瓦耳斯力：（又称分子间作用力）借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，

将原来具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。无方向性和饱和性，包括静电力、诱导力和色散力。

氢键：由于氢原子核外仅有一个电子被其他原子所共有，结合的氢端就裸露出带

正电荷的原子核，这样它将与邻近分子的负端相互吸引，即构成氢桥。具有饱和性和方向性，键能介于化学键和范德瓦尔斯力之间。

键-能曲线：表示当作用于原子或离子上的力仅为原子的吸引力和排斥力是能量随位置的变化。

3、原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响（上交P38）。 4、显微组织基本概念和对材料性能的影响。

显微组织：要用金相显微镜或电子显微镜才能观察到的内部组织。

单相组织：晶粒尺寸：细化晶粒可以提高材料的强度改善材料的塑性和韧性。 晶粒形状：等轴晶趋于各向同性。柱状晶趋于各向异性。 多相组织：力学性能取决于各组成相相对量，和各自性能。如果弥散相硬度明显高于基体相，

提高材料的强度，塑性韧性必将下降。

第二部分 材料的晶态结构

1、晶体与非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数、布拉菲点阵、晶面间距等基本概念（上交P19）。

晶体：原子按一定方式在三维空间内呈周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。 非晶体：指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，无固定的

熔点，各向同性。（过冷液体）

晶体结构：晶体材料中原子按一定对称性周期性平移重复而形成的空间排列形式。可分为7

大晶系、14种平移点阵、32种点群、230种空间群。 空间点阵：指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结

构的抽象。 晶格：为了表达空间点阵的几何规律，常人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形

成空间格架，称之为晶格。

晶胞：构成晶格的最基本单元称为晶胞。 晶格常数：晶胞的棱边的长度（a b c），表征晶体结构的一个基本参数。 晶系：除考虑晶胞外形外即棱边长度之间的关系和轴间夹角情况对晶体进行分类（七大晶系：

单斜晶系、三斜晶系、三角晶系、四方晶系、正交晶系、六角晶系、立方晶系） 晶面间距： 相邻两个平行晶面之间的距离。晶面间距越大，则该晶面上的原子排列越密集，

反之，越稀疏。

布拉菲点阵：布拉菲根据“每个阵点的周围环境相同”的要求，用数学方法证明晶体中的空

间点阵只有14种，并称为布拉菲点阵。

晶系 空间点阵 棱边与角度的关系 a≠b≠c，α≠β≠γ≠90° 晶系 空间点阵 棱边与角度的关系 a=b，α=β=90°，γ=120° 三斜 简单三斜 六方 简单六方 单斜 简单单斜 a≠b≠c，α=β=90°≠γ 底心单斜 简单正交 四方 简单四方 a=b≠c，α=β=γ=90° 体心四方 简单菱方 a=b=c，α=β=γ≠90° 菱方 正交 a≠b≠c，α=β=底心正交 γ=90° 体心正交 面心正交 立方 简单立方 a=b=c，α=β=γ体心立方 =90° 面心立方 2、晶体晶向指数与晶面指数的标定方法。

晶向指数： [ ] < > 晶面指数： （ ） { } 晶向族：晶体中因对称关系而等价的各族晶向可归并为一个晶向族。 晶面族：在晶体内凡晶面间距和镜面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以

归并为同一晶面族。

3、晶体结构及类型，常见晶体结构(bcc、fcc、hcp)及其几何特征、配位数、堆积因子（致密度）、间隙、密排面与密排方向（上交P36）。 点晶胞阵原子晶体类型 内原常半径 子数 数 面心立方（fcc ） 体心立方（bcc） 密排六方（hcp） 配位数 致密度 四面体间隙 八面体间隙 密排面 密排方向

配位数：在晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数； 致密度（堆积因子）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数，一个晶胞来说就是：晶胞中

的原子体积与晶胞体积的比值。

间隙：八面体间隙：位于6个原子所组成的八面体中间的间隙。

四面体间隙： 位于4个原子所组成的四面体中间的间隙。 密排面：原子密度最大的晶面。 密排方向：原子密度最大的晶向。

4、合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点（上交P42）。

固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀

混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。 中间相：如果组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固向晶体结构与所有组元均不

同，且这种相的成分多数处在相图的中间部位，故称它为中间相。 性能特点：

(1.)固溶体可在一定成分范围内存在，性能随成分变化而连续变化。

(2.)中间相的晶体结构不同于此相中的任一组元，不同元素之间所形成的中间相往往在晶体结构、结合键等方面都不同。中间相一般具有较高的熔点和硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高。

5、离子晶体和共价晶体机构，离子晶体结构规则、典型的离子晶体结构。

离子晶体：由正负离子或正、负离子集团通过离子键按一定比例和方式堆砌起来形成的晶体。 共价晶体：由同种非金属元素的原子或者异种元素的原子以共价键形成的无限大分子。 离子半径：由原子核的中心到其最外层电子的平衡距离。

配位数：在离子晶体中，与某一考察离子邻接的异号离子的数目称为该考察离子的配位数。 离子的堆积：由于正离子半径一般较小，负离子半径较大，所以离子晶体通常看成是由负离

子堆积成骨架，正离子则按其自身的大小，居留于相应的负离子空隙—负离子配位多面体中。

离子晶体结构规则：2.4.1——上交P57

（1.）负离子配位多面体规则——鲍林第一规则

在离子晶体中，正离子的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离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。 （2.）电价规则——鲍林第二规则

在一个稳定的离子晶体中，每个负离子的电价等于或接近等于与之邻接的各正离子静电键强度的总和。

（3.）负离子多面体共用顶点、棱与面的规则——鲍林第三规则

在一配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。 （4.）不同种类正离子配位多面体间连接规则——鲍林第四规则

在含有两种以上正离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。 （5.）节约规则——鲍林第五规则

在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。 典型的离子晶体结构：2.4.2——上交P59

6、高分子材料的组成和结构的基本特征，高分子材料结晶形态、高分子链在晶体中的构象、高分子材料晶态结构模型、液晶态的结构特征与分类。

组成:有机高分子化合物。1.3——上交P8

结构：包括高分子链结构和聚集态结构。链结构又分近程结构和远程结构。1.3——上交P8 高分子材料的结晶形态：2.6.1——上交P70

单晶 球晶 树枝状晶 串晶 伸直键晶体 高分子链的构象:

由于单键内旋转导致了原子排布方式的不断变换，产生了分子在空间的不同形态。

晶态结构模型：2.6.2——上交P72

1、樱状微束模型 2、折叠链模型 3、伸直链模型 4、串晶结构模型 5、球晶结构模型 6、Hosemann 模型 液晶态的结构特征和分类：2.8.1——上交P77

液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。

按照液晶形成的方式和性能，可将液晶分为溶致型液晶和热致型液晶两大类

溶致型液晶：由两种或两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其他极性溶剂，溶质在溶液中达到某一临界浓度以上时才呈现液晶态，且可以在一个浓度范围内存在。 热致型液晶：单成分的纯化合物或均匀混合物在加热至熔点以上的某一个温度范围呈现液晶性能。

第三部分 点缺陷和扩散

1、点缺陷的类型，肖脱基空位、弗兰克尔空位、间隙原子和置换原子，间隙固溶体和置换固溶体等基本概念，离子晶体中的点缺陷特点，点缺陷的平衡浓度、影响因素及其对材料性能的影响。

点缺陷定义：在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷，是最简单

的晶体缺陷。 点缺陷类型：空位，间隙原子，杂质或溶质原子，以及由他们组成的复杂的点缺陷如空位对、

空位团和空位—溶质原子对等。 肖脱基空位：离开平衡位置的原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上而使晶体内部

留下空位，称为肖脱基空位。 弗兰克尔空位：离开平衡位置的原子挤入点阵中的间隙位置，而在晶体中同时形成相等数目

的空位和间隙原子，则称为弗兰克尔空位。

间隙原子：是原子脱离其平衡位置进入原子间隙而形成的。 置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。

置换固溶体： 当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者

说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 离子晶体中点缺陷的特点：3.1.1——上交P84 点缺陷的平衡浓度：3.1.2——上交P85

2、扩散概念，扩散第一定律、扩散第二定律。

定义： 涉及一种原子移动到另一种原子基体中去的物质输送过程，（原子或分子的移动机制） 稳态扩散：在稳态扩散过程中，扩散组元的浓度只随距离变化，而不随时间变化。

非稳态扩散：扩散组元的浓度不仅随距离x 变化，也随时间变化的扩散称为非稳态扩散。 柯肯达尔效应：在置换固溶体中，由于两种原子以不同的速率相对扩散而引起标记面向扩散

快的一侧移动的现象。 扩散第一定律：（菲克第一定律）：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比。描述了一种

稳态扩散，即质量浓度不随时间变化。 J= -D（dρ/dx）

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