材料科學(xué)基礎(chǔ) 第1

1、第一章作業(yè)一一材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)1、簡(jiǎn)述一次鍵與二次鍵的差異及各鍵的特點(diǎn)。2、簡(jiǎn)述三大類材料中的結(jié)合鍵類型及性能（物，性、力性）特點(diǎn)。3、為什么金屬材料的密度比陶瓷材料及高分子材料密度高？4、用金屬鍵的特征解釋金屬材料的性能良好的導(dǎo)電；良好的導(dǎo)熱性； 正的電阻溫度系數(shù)；不透明性及具有金屬光澤；良好的塑性金屬之間 的溶解性（固溶能力）。5、簡(jiǎn)述晶體與非晶體的主要區(qū)別。6、簡(jiǎn)述原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、原子的排列方式及顯微組織對(duì)材料性能的影響。第一章作業(yè)解答1、述一次鍵與二次鍵的差異及各鍵的特點(diǎn)。解答：（1）一次鍵結(jié)合力較強(qiáng)，包括金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵；二次鍵結(jié)合力 較弱，包括范德華鍵和氫鍵。一次鍵主

2、要依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或共享以形成穩(wěn) 定的電子殼層；二次鍵是借原子之間的偶極吸引力結(jié)合而成。（2）金屬鍵電子共有化，沒(méi)有方向性和飽和性；離子鍵沒(méi)有方向性，但要滿足 正負(fù)電荷平衡要求；共價(jià)鍵有明顯的方向性和飽和性；范德華鍵沒(méi)有方向性、飽和性；氫鍵（XHY）有飽和性、方向性。2、簡(jiǎn)述三大類材料中的結(jié)合鍵類型及性能（物性、力性）特點(diǎn)。解答：（1）三 大類材料主要指金屬材料、陶瓷材料和高分子材料。（2）金屬材料中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵，其次是共價(jià)鍵、離子鍵，使金屬材料 具有較高的熔點(diǎn)、密度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及較高的彈性模量、強(qiáng)度和塑 性。陶瓷材料中的結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵，使其熔點(diǎn)高、密度低，具有

3、良好 的絕緣性能和絕熱性能，高的彈性模量和強(qiáng)度，但塑性差，脆性大。高分子材料中分子鏈內(nèi)部雖為共價(jià)鍵結(jié)合，但分子鏈之間為二次鍵結(jié)合，使其 具有較低的熔點(diǎn)、密度，良好的絕緣性能、絕熱性能及較低的彈性模量、強(qiáng)度 和塑性。3、為什么金屬材料的密度比陶瓷材料及高分子材料密度高？金屬材料的密度較 高是因?yàn)榻饘僭鼐哂休^高的相對(duì)原子質(zhì)量，金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合， 金屬鍵沒(méi)有方向性和飽和性，使金屬原子總是趨于密集排列，達(dá)到密堆結(jié)構(gòu)。 陶瓷材料主要以離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合，離子鍵結(jié)合時(shí)要滿足正負(fù)電荷平衡要求， 共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，相鄰原子的個(gè)數(shù)要受到共價(jià)鍵數(shù)目的限制使其達(dá)不到密堆結(jié)構(gòu)。 高分子材料分子鏈之間為二次鍵結(jié)合

4、，分子鏈堆垛不緊密，而且組成原子的質(zhì) 量較小，使其具有最低的密度。4、用金屬鍵的特征解釋金屬材料的性能。解答：金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合，金屬鍵的特征是“電子共有化”且金屬鍵 沒(méi)方向性和飽和性。良好的導(dǎo)電性一一共有化電子在很小的外電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)；良好的導(dǎo)熱性一一自由電子運(yùn)動(dòng)及正離子的熱振動(dòng)可傳遞熱能；正的電阻溫度系數(shù)一一溫度升高，離子振動(dòng)加劇，阻礙電子通過(guò)，使其電阻 增大；不透明性及具有金屬光澤一一自由電子很容易吸收可見光的能量，使金屬不 具有透明性；吸收了能量的電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)放出光子而使金屬具有 光澤；良好的塑性一一當(dāng)受外力作用原子相對(duì)移動(dòng)時(shí)，金屬正離子始終被包圍在電 子云中，金

5、屬鍵不會(huì)受到破壞，金屬便能經(jīng)受較大的變形而不斷裂，表現(xiàn)出 良好的塑性；金屬之間的溶解性（固溶能力）一一金屬正離子被另一種金屬正離子取代時(shí), 也不會(huì)破壞結(jié)合鍵，使金屬之間具有互溶性。5、簡(jiǎn)述晶體與非晶體的主要區(qū)別。解答：晶體與非晶體的主要區(qū)別在于原子或分子在空間是否有規(guī)則排列， 是否具有固定的熔點(diǎn)，是否具有一定的幾何外形，是否各向同性。晶體中原子或分子在三維空間是有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的，有固定的熔 點(diǎn)，一般情況下具有一定的幾何外形，表現(xiàn)為各向異性。而非晶體中原子或分 子的排列是無(wú)序的，或長(zhǎng)程無(wú)序而短程有序，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，無(wú)一定的幾何 外形，表現(xiàn)為各向同性。6、簡(jiǎn)述原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、原子的

6、排列方式及顯微組織對(duì)材料性能的影響。 原子結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)影響原子之間的結(jié)合鍵方式而影響材料的性能，對(duì)材料的 物理性能、化學(xué)性能有重要影響；原子結(jié)合鍵對(duì)材料的物理性能如熔點(diǎn)、密度、 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及力學(xué)性能如彈性模量、強(qiáng)度、塑性等有重要的影響；原子的 排列方式也影響材料的性能，晶體具有較高的強(qiáng)度、硬度、彈性模量、熔點(diǎn)等， 而非晶體反之；組織對(duì)材料的性能如強(qiáng)度、塑性有更重要的影響，是影響材料 性能非常敏感而重要的因素。第二章作業(yè)一一材料的結(jié)構(gòu)P 89：2-1：晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體排列方式空間點(diǎn)陣：一系列規(guī)則排列于空間無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)構(gòu)成的三維陣列稱為空間點(diǎn)陣， 簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。晶

7、格：用一系列相互平行的直線連接起來(lái)構(gòu)成的空間格架，或空間格子（space lattice）晶胞：從晶格中選取一個(gè)能完全反映晶格特征的基本單元作為點(diǎn)陣的組成單元， 這種最小的幾何單元稱晶胞。構(gòu)成晶格的最基本單元晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣的區(qū)別：空間點(diǎn)陣：晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象，用以描述和分析晶體結(jié)構(gòu)的周期性 和對(duì)稱性。由于各陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同，只有14種類型。晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子或分子）在三維空間的具體排列方式。由于組成 晶體的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)及其排列方式不同，晶體結(jié)構(gòu)是無(wú)限的，但總能按其原子（分 子或離子）排列的同期性和對(duì)稱性，歸屬于14種空間點(diǎn)陣中的一種。晶胞、晶格與空間點(diǎn)陣之間的聯(lián)系：晶胞是構(gòu)成

8、晶格的最基本單元，晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成空間點(diǎn)陣。 晶系與14種空間點(diǎn)陣根據(jù)晶體的對(duì)稱性和每個(gè)陣點(diǎn)周圍具有相同的環(huán)境，布拉菲運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推算， 將花樣繁多的晶體結(jié)構(gòu)歸納為14種空間點(diǎn)陣（稱為布拉菲點(diǎn)陣）.根據(jù)晶格常 數(shù)a、b、c及a、0、Y是否相等，又將14中空間點(diǎn)陣歸屬于七大晶系。 補(bǔ)充題1：簡(jiǎn)述間隙固溶體、間隙相和間隙化合物兩兩之間的區(qū)別。間隙固溶體與間隙化合物：固溶體與中間相（性能不同）間隙相與間隙化合物：間隙相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，間隙化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜間隙相由過(guò)渡族金屬與H、0、C、N、B組成；而間隙化合物由過(guò)度族金屬與C 組成。間隙固溶體與間隙相都是由過(guò)渡族金屬與H、0、C、N、B組成，H、0、C、N、B溶入金屬晶體間隙中； 間隙固溶體屬于固溶體，而間隙相屬于中間相（，性能不同）。補(bǔ)充題2：典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征（特點(diǎn)）、結(jié)構(gòu)類型 結(jié)構(gòu)特征、面心立方結(jié)構(gòu)FCC體心立方結(jié)構(gòu)BCC密排六方結(jié)構(gòu)HCP點(diǎn)陣類型面心立方點(diǎn)陣體心立方點(diǎn)陣簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣點(diǎn)陣常數(shù)aaa,c c/a=1.633最近的原子間距 （原子直徑）d0=，2/2 ad0=，3/2 ad0=a晶胞中原子數(shù)42