湖南大学材料科学基础-复习题纲(2)

负号表示物质的扩散方向与浓度梯度方向相反，即物质从高的浓度区向低的浓度区方向迁移。

J 为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量。 D 扩散系数。

ρ扩散物质的质量浓度， 扩散第二定律：（菲克第二定律）：表示扩散物质浓度的时间变化率与进出某一体积的通量

之间关系。

化学扩散：由于浓度梯度引起的扩散。 反应扩散：（相变扩散）伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。 自扩散：不依赖浓度梯度，仅由热振动而产生的扩散。

间隙扩散：对于间隙原子来说，由于其尺寸较小，处于晶格间隙中，在扩散时，间隙原子从

一个间隙位置跳到相邻的另一个间隙位置，形成原子的移动。

3、扩散驱动力及扩散机制。

扩散驱动力：化学势梯度

上坡扩散：溶质原子从低浓度向高浓度处扩散的过程称为上坡扩散。表明扩散的驱动力

是化学位梯度而非浓度梯度。

下坡扩散：溶质原子从高浓度向低浓度处扩散的过程。 机制：4.3.1——上交P146

A、交换机制：直接交换机制：两个相邻的原子互换位置或环形交换机制：四个原子

同时交换

B、间隙机制：原子从一个晶格间隙位置迁移到另一个间隙位置。推填机制。 C、空位机制： 产生空位，原子与空位换位置。 D、晶界扩散及表面扩散：上交——P148

4、离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制：

离子晶体中的扩散：4.8——上交P157 在金属和合金中，原子可以跃迁进入邻近的任何空位和间隙位置。但是在离子晶体中，

扩散离子只能进入具有同样电荷的位置，即不能进入相邻异类离子的位置。离子扩散只能依靠空位来进行，而且空位的分布也有其特殊性。 聚合物中的扩散：

5、扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理。

扩散系数：4.3.2——上交P150 扩散激活能：4.4——上交P152 影响扩散的因素及原理：

（1）温度：最主要的因素，温度越高，原子扩散激活能越大，越易发生迁移，扩散系

数也越大；

（2）固溶体类型：间隙固溶体的扩散激活能比置换原子的小，故扩散速度较大； （3）晶体结构：A,致密度越小，原子迁移越容易 B，结构不同的固溶体对扩散元素

的溶解限度也不同，C，各向异性的影响，一般来说，晶体的对称性越低，则扩散各向异性越显著。

（4）晶体缺陷：晶界，表面和位错等对扩散起作加速作用，由于晶体缺陷处点阵畸变

较大，原子处于较高的能量状态，易于跳跃，加快了原子的扩散。

（5）化学成分：A,结合键 B溶质的浓度 C第三组元，既影响扩散速率，还影响方向。 （6）应力作用：应力梯度可以促使原子扩散。

第四部分 线、面和体缺陷

1、位错类型，刃型位错、螺型位错、位错线和滑移线的基本概念，柏格斯回路和柏氏矢量的基本概念及物理意义。

位错类型： 刃型位错 螺型位错 刃型位错：晶体中的某一晶面，在其上半部有多余的半排原子面，好像一把刀刃插入晶体中，

使这一晶面上下两部分晶体之间产生了原子错排，称为刃型位错。其柏氏矢量与位错线垂直。 螺型位错：位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。其柏氏矢量与位错线平行。 混合位错：滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度，这种位错称

混合位错。

位错线：已滑动区与未滑移区的边界线。 因此，位错具有一个重要的性质，即一根位错线

不能终止于晶体内部，而只能露头于晶体表面（包括晶界）；若它终止于晶体内部，则必与其他位错线相连接，或在晶体内部形成封闭线。 位错环：形成封闭线的位错。 滑移线：

柏氏回路：在实际晶体中，从任一原子出发，围绕位错（避开位错线附近的严重畸变区）以

一定的步数作一右旋向闭合回路，称为柏氏回路。 柏氏矢量：描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错周围点阵畸变总量的大小和方

向，其方向表示位错运动导致晶体滑移的方向；其模表示畸变的程度（位错强度）。 物理意义：柏氏矢量越大，表明该位错导致点阵畸变越严重，他所处的能量也越高。

2、金属晶体中的滑移面和滑移方向。

位错的运动方式：滑移 和 攀移 滑移：在外加切应力的作用下，通过位错中心的附近原子沿着柏氏矢量的方向在滑移面上不

断地以作少量的位移而逐步实现。

攀移：刃型位错除了可以再滑移面发生滑移外，还可以再垂直于滑移面得方向上运动，通常

把多余的半原子面向上运动称正攀移，向下运动称为负攀移。 交滑移：当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另

一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移 双交滑移：如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，称为双交滑移。 多滑移：当外力在几个滑移系上的分切应力相等并同时达到了临界分切应力时，产生同时滑

移的现象。

滑移系：一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系。 主要原因：滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向。密排面的面间

距最大，点阵阻力最小，因而容易沿着这些面发生滑移；密排方向上原子间距最短，即位错b最小。

临界分切应力 ：滑移系开动所需的最小分切应力；它是一个定值，与材料本身性质有关，

与外力取向无关。 施密特因子（取向因子）：拉伸变形时，能够引起晶体滑移的分切应力t的大小取决于该滑移面和晶向的空间位置（λ和φ）。τ与拉伸应力σ间的关系为：τ=σcosφcosλ；则cosφcosλ 被称为取向因子，或称施密特因子，取向因子越大，则分切应力越大。

3、离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错。

离子晶体：

一般而言，滑移方向或滑移面都不是密排的，因而位错在离子晶体中移动的阻力比金属晶体中的高， 此外，同类离子相接触的可能性进一步限制了离子晶体中的滑移系数目。因此，这些因素都降低了位错的活动性，导致脆性断裂的倾向。 共价晶体：

其低的配位数导致它的原子致密度较低，也导致其线密度和面密度也较低。因此它的柏氏矢量也较长，位错移动的固有点阵阻力值变高。此外，位错移动时必须破断搞的共价键能，从而使得它具有高的强度。 聚合物：

聚合物的单胞尺寸很大，几何关系较复杂，所以柏氏矢量比其他晶体结构中大很多，而且聚合物中分子内共价键比分子间二次键强很多，使得主滑移方向倾向沿着高分子链的轴方向。

4、晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界面等基本概念。

晶界：多数晶体物质由许多晶粒所组成，属于同一固相而位向不同的晶粒间的界面，它是

一种内界面。

亚晶界 ：每个晶粒有时由若干个位向有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚

晶界。

根据相邻晶粒之间位向差θ角的大小不同可将晶界分为两类： 小角度晶界：相邻晶粒位向差小于10°的晶界；亚晶界均属于小角度晶界，一般小于2°； 大角度晶界：相邻晶粒位向差大于10°的晶界，多晶体中的晶界大多属于此类。

孪晶界：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共的晶面构成镜面对称的位向关系，这

两个晶体就称为孪晶，此公共界面即孪晶界；孪晶界分为共格孪晶界和非共格孪晶界。 共格孪晶界：在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于

自然地完全匹配，是无畸变的完全共格晶面，界面能为普通晶界界面能的1/10,很稳定。 非共格孪晶界：孪晶界相对于孪晶面旋转一定角度得到的界面，孪晶界上只有部分原子为两

部分晶体所有，原子错排较严重，界面能为普通界面的1\\2;

堆垛层错：实际晶体结构中，密排面的正常堆垛顺序可能遭到破坏和错排，简称层错。分插

入型和抽出型

晶界能：形成单位面积界面时，系统的自由能的变化（dF/dA），等于界面区单位面积的能

量减去无界面时该区单位面积的能量。

相界面：具有不同结构的两相之间的分界面称为“相界”

A、共格相界：界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，即两相的晶格是彼此衔接的，界面上的原子为两者共有。

B、半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能， 这时界面上两相原子部分地保持匹配。

C、非共格相界： 当两相在相界面出的原子排列相差很大时，只能形成非共格相界面。 相界能包括弹性畸变能和化学交互作用能

共格相界，界面上原子保持着匹配关系，故界面上原子结合键数目不变，以畸变能为主； 非共格相界，界面上原子的化学键数目和强度与晶体内相比发生了很大变化，以化学能为主，而且总的界面能最高。

相界能由小到大：共格--半共格--非共格（依次递增）

5、晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量。

晶粒度: 晶粒大小的量度。

晶粒尺寸：即为原始晶粒的尺寸。

6、体缺陷基本概念。

体缺陷：在晶体材料中失去长程有序特征的三维区域。尺寸范围和复杂性可以从简单的点缺

陷的丛聚到很大的复杂无定形区域。分为空洞和沉淀物。 空洞（孔洞）：材料的开放的体积区域；

沉淀物：自身晶体结构和宿主的的点阵不同。 7、材料的强化方法及机制：

A、合金强化：由于合金元素（杂质）的加入，导致邻近的溶剂原子稍微偏离其平衡位

置，相应的增加晶体的应变能。

B、应变硬化：塑性变形时，晶体的位错数目急剧地增加，把一个位错的应力场拖过晶

体中的其他位错的联合的应力场必须做额外的功，使其强度和硬度上升，塑性和韧性下降的现象。

C、晶粒细化： 晶粒愈细小，晶界的总长度愈长，对位错滑移的阻碍越大，材料的屈服

强度愈高。

D、沉淀强化：沉淀物邻域的点阵畸变阻碍位错的移动，使其强度、硬度高于不存在沉

淀物时强度和硬度的硬化机制。

第5部分 高聚物和非晶态结构

1.高分子的链结构、高分子的聚集态结构。

高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构

链结构又分为近程结构和远程结构

近程结构包括构造和构型，属于化学结构，又称-一次结构

构造：研究分子链中原子的类型和排列，高分子链的化学结构分类，结构单元

的键接顺序，链结构的成分，高分子的支化、交联与端基等内容； 构型：研究取代基围绕特定原子在空间的排列规律。

（1）无规立构：取代基在主链两侧不规则的排布，随机排布。 （2）全同立构： 所有取代基位于主链的同一侧； （3）间同立构：取代基交替地分布在主链两侧；

远程结构：又称二次结构，是指单个高分子的大小与形态、链的柔顺性及分子在各

种环境下所采取的构象。

聚集态结构：是指高分子材料整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构（这四种描述高分子聚集体中分之间是如何堆砌的，又称三次结构）及织态结构（不同分子间或高分子与添加剂分子间的排列或堆砌结构，又称高次结构）等。

2.玻璃化转变现象和玻璃化温度，玻璃化转变理论，影响玻璃化温度的因素。

玻璃化转变现象：非晶态的高分子可以按其力学性质分为玻璃态、高弹态、黏流态三种状态，

高弹态的高分子材料随着温度的降低会发生由高弹态向玻璃态的转变。 玻璃化转变温度：对任何一个无定形固体，在实验时间内区分玻璃行为与橡胶行为的临界温

度称为玻璃化转变温度。 影响因素：因为玻璃化转变温度是高分子链段从冻结到运动的一个转变温度，所以凡是影响

高分子柔顺性的因素都影响Tg;

影响分子链柔顺性的结构因素：

A、主链的结构： 单键可内旋转，使分子链显示出很好的柔顺性，Si—O键的内旋转比C—O键容易，而C—O键的内旋转又比C—C键容易等；

B、取代基的特性：取代基的极性越强，其相互间的作用力越大，柔顺性越差。对于非极性的取代基，主要考虑其体积的大小和对称性；

C、链的长度；高分子链的长度和相对分子质量有关，相对分子质量越大，则分子链越长，柔顺性越好；

D、交联度：交联度较大，则柔顺性降低； E、结晶度：结晶度越大，柔顺性越差。

一方面，引入刚性基团或极性基团，交联，结晶，使得Tg升高； 另一方面，加入增塑剂、溶剂，引入柔性基团会使Tg降低。

3、高分子结晶能力，结晶速度，结晶度的影响因素；

A、影响结晶过程的内部因素是聚合物必须具有化学结构的规则性和几何结构的规

整性才能结晶。典型例子如下：聚乙烯、等易结晶。无规聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、顺式聚丁二烯、乙烯丙烯无规共聚物等不结晶。聚氯乙烯

为低结晶度。天然橡胶在高温下结晶。

B、此外柔性好和分子间作用力强也是提高结晶能力的因素，前者提高了链段向结

晶扩散和排列的活动能力，后者使结晶结构稳定，从而利于结晶，典型例子是尼龙（由于强的氢键）。

结晶度：聚合物中晶态的质量或体积分数。 结晶度的影响因素；

A、侧基的尺寸：具有尺寸大的侧基聚合物难于结晶； B、链的分支：有分支的链比没有分支的难结晶些， C、立构规整度：全同立构和间同立构易于结晶；

D、重复单元的复杂性：有长的复杂单元的聚合物，难结晶； E、链间的二次键：极性侧基有利于晶体的形成；

4.玻璃态高聚物的结构与性能；高弹态高聚物的力学性质，高弹性的特点，橡胶弹性对温度的依赖关系；高聚物的粘弹性力学松弛现象，粘弹性与时间、温度的关系。热固性和热塑性聚合物的概念及材料特性。热固性和热塑性聚合物概念

和特性：

热塑性聚合物（Thermoplastics Polymer）：聚合物大分子之间以物理力聚合而成，加

热时可熔融，并能溶于适当溶剂中；热塑性聚合物受热时可塑化，冷却后则固化成型，并且可以如此反复进行。 特性：较好的塑性及冲击韧性。

热固性塑料：许多线性或支链形大分子由化学键连接而成的交联体形聚合物，许多大

分子键合在一起，已无单个大分子可言。这类聚合物受热不软化，也不易被溶剂所溶胀。

特性：比热塑性具有更高的硬度，强度，脆性，但有尺寸稳定性。

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