导图社区 材科基
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材科基
材科基的思维导图，材料四要素：固有性能、使用性能、组织/成分结构、制备合成/加工工艺，欢迎大家学习。
编辑于2023-08-10 07:54:31- 材料学
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材科基
绪论
材料四要素
固有性能
使用性能
组织/成分结构
制备合成/加工工艺
第一章
原子结构
四个量子数极其规律 n 比 l 多 1 m：±l，±l-1… mz：±1/2
主量子数 n
次量子数 l 含有 spdf 亚壳层各 1357 个空间取向
磁量子数 m
自旋量子数 mz
两个基本原理
泡利不相容原理
能量最低原理
洪特规则
价电子
电负性
周期表斜线 2＞3＜4（铝特殊，较小） 2＞4（仅在 2 为 c 以后）
原子键合
一次键（通过电负性大小来决定）
离子键
共价键
金属键（电负性相当的金属间）
二次键
范德瓦尔斯键
氢键及其机理 注：H 易与 NOF 等形成氢键，而 S Cl 不易）
离子键结合比例公式
晶体与非晶体的概念
各向同性和各向异性
晶核，晶粒（小晶体），晶体，晶界
结合键与性能
物理性能
熔点高低代表材料稳定性程度
密度与结合键有关
力学性能
稳态与亚稳态结构
概念
热力学条件
自发转换过程
阿伦尼乌斯方程
真题考察
玻璃的性质
金属的密度为什么大于陶瓷
金属为什么表现出更高延展性
区分晶体非晶体
第二章 晶体结构
七大晶系及十六种布拉菲点阵
七大晶系
立方，四方，正交 单斜，三斜，六方，菱方
十四种布拉菲点阵
简单 360，正交全有 单斜底，四方体（及其点阵常数和角度）
阵点（周围环境相同），空间点阵，晶体结构
晶胞选取原则
晶向晶面指数
立方
六方（方法都为画三轴）
给出指数画晶向
用公式：U=u－t V=v－t…
给出指数画晶面
方法：忽略 i，然后取倒数
给出晶向写指数
公式：u=（2U－V）/3 v=（2V－U） t=（U－V）/3…
给出晶面写指数
方法：与四条轴的交点，然后取倒数
晶向族和晶面族
立方
晶向族
三个数排列组合，再逐个添符号，符号全反（即平行）不写
晶面族
与晶向相同
六方
晶面有负，必须从负开始（若有 0 则最多 2 负），然后逐个添加符号 排列组合时非 1 不可换，二负及以上非 1 一定要有负，一负时非 1 不能添符号
晶面间距和晶带轴的计算
晶面间距立方六方两公式
注意距离×1/2
晶带轴
晶面和晶带轴内积为 0 公式
三个常见金属晶体结构
原子代表
密排面和密排方向
原子数（4 2 6），半径，配位数（12 8 12），致密度 K=nv（原子体积）/V（晶胞体积）
线密度：某晶向上原子个数（看由半径组成的即一条线上多少个半径，两个半径为一个原子）/晶向长度 面密度：晶面上（即看一个面上组成原子的个数 红 P41）/晶面面积 材料密度：m/v=单胞原子数 N/Na）（摩尔质量/单胞体积）
间隙
fcc
八 1/2，1+12×1/4（每条棱四 p） 四 √3/4，4×2（每条体对角线两个）
bcc
八 1/2，6×1/2+12×1/4（每条棱 4p） 四 √5/4，6×4×1/2（每条面对角线有两个，但为两个共用）
hcp
八 √2/2，3×2（ 中间层每条棱有两个） 四 √3/2√2，6+6×2×1/2（ 中间层每个点有两个，每条棱（底）共用）
多晶型性
影响原子半径（述说原因）
温度与压力
温度越高，压力越小，r 越大
结合键的影响
结合键能越高，半径越小
配位数
配位数越低，半径越小
核外电子结构
自上到下，r 增大 自左到右，r 减小
离子晶体结构
鲍林五规则
负离子配位多面体规则
离子键平衡间距取决于正负离子的半径和，配位数取决于正负离子半径比
电价规则
一个正离子给出的价电子数=负离子得到的价电子数
负离子多面体共用点棱面规则
共用棱特别是共用面的存在会降低晶体结构的稳定性（因为两正离子间距减小产生排斥）
四规则
在含多种阳离子的晶体中，电价高而配位数小的正离子周围负离子配位多面体不倾向于直接连接，力图共顶连接
第五规则
晶体中同一正负离子配位多面体的类型（多面体形状及连接方式）力图最少
典型离子晶体
NaCl
面心立方，4 原子位于八面体间隙，6 配位
CsCl
简单立方，一个原子位于中心，8 配位
闪锌矿 ZnS
面心立方，4，4
纤锌矿 ZnS
简单六方，2，4
CaF2
面心立方，钙离子 4，8
TiO2
体心四方，Ti ，2， 6
共价晶体结构（有方向性故配位数低）
金刚石
面心立方，8，4
闪锌和纤锌矿如上
SiO2
面心立方，2，4
三章：高分子材料结构
高分子的组成 怎么来的
概念
区分高分子和低分子化合物是根据力学性能非相对分子质量 高分子具有较好的弹性，塑性和弹力等力学性能
单体
是合成高分子链的简单化合物
是合成聚合物的起始原料
链节
高分子链中重复的结构单元
聚合度（反映链的长短及相对分子质量）
高分子链节的重复次数
官能度（决定了高分子结构）
一个单体能和其他单体发生键合的位置数目
双官能的只能形成链状结构，产生热塑性
三官能可形成网状结构，产生热固性塑料
多分散性（是高分子特点，低分子没有） 决定了物理和力学性能的分散度
高分子化合物中各个分子的相对分子质量都不相等
平均相对分子质量
数均相对分子质量 Mn
重均相对分子质量 Mw（表征更恰当 因为性能取决于相对分子质量大的分子）
合成
加聚反应（链增长，连锁反应）
由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应
由于单体稳定，链节不稳定，反应需要先诱发（压力温度或诱发剂） 反应便能自发进行下去（由于断键所需能量小于成键放出的能量）
在单体耗尽，链的活性端遇到诱发剂终止基团 或两个生长链相遇并连接反应结束
缩聚反应（不断缩去一部分，逐步反应）
由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物， 同时析出低分子的反应
由分子按照相同的反应形成 最后互相联结
分类
聚合物类型
加聚聚合物
缩聚聚合物
几何结构分类
线型聚合物
体型聚合物（网状，通常由缩聚产生）
热行为分类
热塑性聚合物（链状）
热固性聚合物（网状）
高分子内部的结构
高分子链结构
化学组成（结构单元）
碳链高分子
杂链高分子
元素有机高分子
键接方式（结构单元）
一种单体
头头
头尾（规整度最高，强度较高）
尾尾
二元共聚物
无规共聚（最为普遍），交替共聚，嵌段共聚，接枝共聚
连接方式还受能量和空间阻碍影响
空间构型（结构单元）
结构单元由化学键构成的空间排布
全同立构
间同立构
无规立构（很难结晶，缺乏实用价值）
几何形状（高分子链）
支化
支链有规律则梳形，星形
线型
梳形
星形
交联
体型
是高分子链之间通过化学键相互联结形成的交联反应，呈网状结构
构象
单键内旋转
绕其相邻单间按一定角度旋转
由于单键内旋转所造成原子在空间不同位置所构成的分子链的各种形象
柔顺性（可理解为弹性） （是高分子性能不同于低分子和其他材料的根本原因）
由构象变化得到高分子链的不同卷曲程度的特性
容易内旋转为柔性链，不易为刚性链
影响因素
主链结构
全单键柔顺性最好 氧硅键＞碳氧＞碳碳
主链为孤立双键（本身不能旋转）可使原子间距增大，柔顺性增加
主链有芳杂环时，由于不能旋转，柔顺性低
侧基性质
侧基体积越大，内旋转受阻越大，柔顺性越低
侧基对称分布，可使主链间距增大，有利于内旋
侧基的极性越大，分子间作用力增大，内旋受阻，柔顺性越低
侧基沿分子链分布距离
分子间化学键
高分子的聚集态结构（又称超分子结构）
指聚合物中分子链的排列和堆积结构
晶态
结晶度
线型，支化 少量交联的网状聚合物 固化时可结晶但不可能完全结晶
还有未结晶的为过冷液体 （实际上晶态聚合物为两相结构）
测量结晶度方法
红外光谱法
核磁共振法
x 射线衍射法
量热法
密度法（最常用，简单）
分子结构对结晶能力的影响
结构因素
规整度高，结构简单，对称性好的容易结晶 聚四氟乙烯，偏聚二氯乙烯好 氯化聚乙烯不好
等规聚合物结晶能力强
侧基较小时易结晶
侧基排布规整（全同或间同立构）也可形成晶态聚合物
缩聚物都能结晶，对称度都很高，分子间作用力大（具有极性基团） 注：作用力大但柔顺性小，其他与柔顺性一致（聚酰胺，聚酯）
支化不利于结晶
支化破坏规整排列
结晶条件（与金属类似）
结晶温度
冷却速度
杂质
应力状态
非晶态
玻璃化温度 Tg
高分子的应用
高分子性能
高分子键和方式（即造成和其他材料性能上的差异）
为什么高分子很难结晶
主要弱点
老化原因
降解
交联
老化因素
内在
化学，分子链，聚集态结构
外在
优点
原料丰富，成本廉价
良好的绝缘性能
密度小
化学稳定性好
优良的光学性能
优良的耐磨，减摩和自润滑作用
性能与结构关系 （形成晶体后弹性模量高）
三种材料不同特性的原因
热塑性
加热至 Tg 以上，键断，分子链易动表现出粘性流动和弹性
PE.PP,PTFE（只有这些可结晶其他都不行） PVC,PS PMMA
橡胶（常温下高弹态）（塑料常温下为玻璃态） （Tg 温度很低，所以室温为高弹态）
线型链产生少量交联
PI，PB，PCP 聚异戊二烯，聚丁二烯，聚氯丁烯
热固性
加热加压成型后，分子链间发生强烈交联，产生网状结构 有较高硬度强度，一旦成型再次加热也不能改变其网状结构
改变高分子性能途径（本质为增加结晶度，减少柔顺性） （只有热塑性才能很大程度改变）
改变结晶度
结晶度增加，强硬密度，尺寸稳定性都增加
改变侧基性质
柔性链变刚性链，强硬度提升
改变主链结构
增强分子间作用力刚性增大，较易结晶
共聚
充分发挥各单体优势，相互取长补短
拉拔强化
在 Tg 温度附近冷拉，强硬度提高（尼龙）
四章：晶体缺陷
点缺陷
金属晶体中
肖脱基缺陷
形成空位
脱位原子一般进入其他空位 或迁移至表面
弗兰克尔缺陷
在原有结点原子挤入间隙 同时形成空位和间隙原子
离子晶体中
肖脱基缺陷
同时失去一正一负离子
弗兰克尔缺陷
节点上同号离子挤入相邻结点 （一个结点两个离子）
类型
间隙原子
置换原子
产生原因
热力学平衡缺陷 想曲线图像
计算点缺陷平衡浓度
大题计算
间隙的形成能小于空位
过饱和点缺陷的产生
高温淬火
辐照
冷加工
对材料产生的影响
降低导电率（破坏了材料内部原子排列的规律性 使电子的定向移动受到阻碍）
抗腐蚀能力降低（由于缺陷具有较高的点阵畸变 使缺陷周围原子能量高，易腐蚀）
使密度下降，体积膨胀
若存在大量空位，它们会在晶面聚集 形成空位片提高强度降低塑性
线缺陷
位错（b 都与位错运动方向 晶体移动方向相同）
刃型位错
有半排原子面（上压下拉）
b 与位错线垂直， b 顺时针转 90 与位错正方向相同为正刃
螺型位错
b 与位错平行 若同向则为右螺
多个滑移面
混合位错
与 b 始终有一定角度
柏氏矢量
定义
物理意义
柏氏矢量的相加和求模
分解满足矢量和相等，能量下降
b 的确定
滑移
在切应力作用下，通过位错周围的原子沿 b 方向在滑移面上不断做少量位移实现的
攀移
位错线跟着半原子面上下移动
需要热激活，通过扩散实现
向上为正，向下为负攀移
两侧晶体发生与相同的相对位移
即改变晶体形状，也改变体积
位错密度的计算
ρ=L/V=n/A
线缺陷的交互作用
与点缺陷
点缺陷对位错有钉扎作用， 形成柯氏气团
位错与位错
交割，割阶
相反位错应变场减弱甚至抵消
与面缺陷
晶界阻碍位错运动
位错的合成与分解
高能位错会分解为两个低能位错 中间夹一片层错
子主题
面缺陷
小角度晶界
大角度晶界
表面吸附
物理吸附
气相与晶体表面产生范德瓦尔斯键
化学吸附
与晶体表面产生电子交换，即成键
晶界吸附
晶体内杂质易偏聚与晶界处
五章：相结构及相图
子主题
第二节 二元相图
匀晶
两偏析
晶内偏析
枝晶偏析
选分结晶：结晶过程中，结晶出的固相始终和共存液相成分不同
共晶相图
四计算（注：10%α析出β二次计算还是用 10 为支点， 而其他为阿尔法的最大固溶点为支点）
伪共晶
不平衡共晶
离异共晶
包晶相图
不同成分的各阶段结晶过程（3）
包晶偏析
由于冷却速度过快，固体间原子扩散不充分， 导致本应不存在α相在非平衡条件下有剩余， 剩余液相则发生匀晶反应析出β相， 使得β相的成分极为不均匀，这种包晶反应不能充分进行 而产生成分不均匀现象称为包晶偏析
d 点往左在非平衡条件下 的特殊情况
其他二元相图（写出各名称及反应式和相图特征）
不同相图的性能
匀晶：强硬度随溶质增大而增大，若有一强则强硬度最大值偏向他 电导率和塑性对应下降
共包晶：1:两相混合（即共晶组织）均匀，性能与成分呈直线关系 2.出现伪共晶，则在共晶点出现小段峰值
复杂相图分析
步骤
铜锡合金中写出反应式和各相
铁碳相图
各个反应点的碳含量（2.11，0.09，温度 1495，1148，727）
三次渗碳体都为析出或结晶出的 而非反应合成的
注意区分三次渗碳体和共析，共晶渗碳体
不同晶体结构的铁温度转变
不同碳含量的室温各组织的相组成
铁碳相图误区及重难点
三个同素异构转变温度为纯铁，其他如①则看恒成分线与曲线的交点
相最终都为铁素体和渗碳体，而组织则为他们所共同构成的
组织分析 （铁素体，莱氏体，珠光体渗碳体）
在共析点左边，先析出α再由γ→P（由 p 中α析出的三次可忽略），则组织中有α初，三次渗碳体不可忽略 右边先析出二次渗碳体，再γ→P
在共晶点左边先析出γ，再生成高温莱氏体，γ→P，Ld→Ld' 右边先洗出一次渗碳体再高温莱氏体，Ld→Ld'
六张：凝固与气相沉积
成分过冷
凝固时由于溶质再分配导致液固界面中液相的溶质成分 变化，导致理论凝固温度发生变化，使界面前沿液相实际 温度低于由溶质分配所决定的凝固温度而产生的过冷 （由于溶质再分配导致理论凝固温度的变化导致液固界面过冷度的变化）
影响成分过冷因素
温度梯度
铸件凝固速度
合金凝固范围
宏观偏析 （宏观范围内的成分不均匀现象）
按照合金凝固的顺序总是溶质含量少的液相先结晶， 而后结晶的液相溶质含量越来越多，这种宏观上成分不均匀称为
显微偏析 （晶粒内部的成分不均匀现象）
树枝偏析（枝晶偏析）
固溶体以树枝状结晶并长大，枝干与枝间会出现成分差异
胞状偏析
在成分过冷区晶体以胞状生长时胞臂富含杂质
区域熔炼
是获得高纯度材料的方法，首先应用于半导体生产。由正常凝固，溶质含量少的液体 先结晶，而后结晶液体的溶质含量高于先结晶部分，将固溶体金属棒从左到右进行局部 融化再冷却凝固，随着融化区不断向前移动，溶质原子会不断在液相富集，从而使凝固 左端部分溶质含量不断降低，右端不断富集，因为左端部分溶质减少而得到提纯 （冷速越慢，液相溶质分布越均匀，溶质含量在尾部堆积，使固相越不均匀，宏偏严重
铸件凝固组织
表层细晶区
由于模壁温度高，液体过冷大，形核率高， 导致产生大量晶核，迅速长大后形成表面细晶区 （过冷及实际温度与凝固温度的差值，过冷大 形核率高）
柱状晶区
离液固界面越远温度高，形成负的温度梯度，导致晶体以树枝状生长， 且沿垂直模壁方向散热有利，在细晶区取向有利的晶体生长为柱状晶
中心等轴晶区
由于液体过冷进一步降低，剩余液体的生长方向已不明显，处于均匀冷却 状态，同时杂质和破碎枝晶等聚集在剩余液体中，促使形成等轴晶
七章：扩散与固态相变
扩散两定律
第二定律公式及各个字母含义
扩散机制
间隙扩散
空位扩散
扩散激活能公式
间隙扩散的激活能要低于置换，因为置换扩散 不仅有原子迁移能还有产生空位的形成能
柯肯达尔效应
形成置换固溶体的两金属扩散偶中，由于两种原子 扩散系数的不同导致原始界面发生移动的现象
实际意义
揭示了宏观扩散和微观扩散机制间的内在联系，具有普遍性
直接支持置换固溶体的扩散机制
每个组元都有自己的扩散系数
该效应会产生副效应
反应扩散
当溶质原子由金属表面向内部扩散时，若扩散元素的含量超出基体元素的 溶解度，随着扩散的进行会在基体金属表面产生中间相（没有过渡区，只有界面分隔）
上坡效应
由 faker第一定律，扩散结果为浓梯减小，成分趋于均匀 但也可扩散从低浓度到高浓度，产生成分的偏聚而不是均匀化提高了浓度梯度
化学位梯度是扩散的驱动力而非浓度梯度
影响扩散的因素
温度为主要因素
原子的激活能
扩散机制
置换的激活能高于间隙，因此间隙的 D 更高
晶体结构
致密度越高，原子排列越紧密，激活能越高，D 越小
缺陷（因为缺陷的原子能量高，Q 小 D 大）
点
降低了置换固溶体的 Q
线
位错降低了 Q
面
表面扩散
表面原子结合力若，Q 小
晶界扩散
晶界点阵畸变大，原子能量高 Q 小
不同固溶体对原子溶解度不同，越高，浓度梯度高，D 大
由于晶体具有各向异性，各个晶向的 D 有差异
原子结合力
熔点高 Q 大
合金成分
第三组元的加入会改变 D
固态相变
相界面
共格界面
半共格界面
非共格界面
形核
均匀和非均匀和液固相变类似
比液固相变多出了弹性应变能
长大
扩散控制长大
主要出现于非共格界面
界面控制长大
主要出现于共格和半共格
相变
扩散型相变
调幅分解
不是一般经典形核过程，是合金由于成分变化造成的热力学不稳定产生的， 特点为不存在形核势垒，因而分解速度很快，新相的形成是连续不断的，新旧 两相完全共格（想象脱溶转变）
形核与长大
非扩散型相变（马氏体相变）
以切应变为主的点阵畸变，存在无畸变面（即惯习面）
会产生均匀点阵畸变，产生较大的形状变化
是无扩散相变
转变后可观察到表面浮凸效应
具有一定的位向关系和惯习面
马氏体转变是在一个温度范围内完成的
具有可逆性
动力学和形态受应变能控制
八章：材料变形与断裂
变形
弹性极限σe
屈服强度σs 或σ0.2
抗拉强度σb
为什么会变形
滑移与孪晶变形（两种塑性变形方式）
滑移及机理
单滑移
交滑移
多滑移
滑移面和滑移方向
fcc
最密排 面 111，方向 110，共 12 个滑移系
bcc
面 110，112，123 方向 111，共 48 个滑移系
hcp
面0001，11-20，共 3 个
孪晶变形
不同点
孪晶会产生晶体取向的变化（晶体结构和对称性不变） 滑移不会改变
变形的分类
单晶体
单滑移
交滑移
多滑移
施密特定律求分切应力
多晶体塑变
晶界和晶粒取向会共同阻碍滑移
滑移的传播
细晶强化
怎么强化更好生产应用
纯金属强化
加工硬化及机理
位错交割
位错增值
合金的变形强化
固溶强化
影响因素 4
柯氏气团
弥散强化
变形结果及怎么改善材料性能
冷变形金属组织与性能
组织变化
晶粒沿着拉拔方向伸长，形成纤维组织（有各向异性）
位错胞状结构
形变织构
能量变化
残留应力
点阵畸变
力学性能
加工硬化
物理化学性能变化
电导率下降
耐腐蚀性下降（由于原子能量高）
回复机制
高温回复
位错的产生攀移
产生的结果
中温回复
位错的运动（抵消，重组合并）
低温回复
主要是和点缺陷的迁移有关
回复的结果
力学性和组织能变化不大，宏观应力大部分消除，微观应力残留， 物理化学性能逐渐恢复但不多
再结晶
加热温度更高时产生
变形大的形成亚晶
小则硬取向晶粒伸向畸变能高区域
再结晶结果
应力全部消除，物理化学性能恢复变形前， 强度降低塑性增强（加工硬化消除），组织由纤维（拉长晶粒）变为等轴晶
影响再结晶因素（想缘由）
需要一个临界变形量
变形量越小，再结晶温度越高
再结晶后晶粒大小取决于变形量
微量杂质原子会增大再结晶温度
第二相微粒尺寸大，间距宽有利于再结晶
再结晶前的晶粒越细，或退火时间越长，再结晶温度越低
晶粒的长大
正常生长
降低界面能为驱动力
二次再结晶（反常长大）
加热到一定温度突然异常增大，再加热就趋于减小
九章：固体材料与物理性能
材料导电原理及分类
能带理论
能带
价带
禁带
注意：半导体材料导带和价带间有个能隙（即禁带宽度） 而金属导带价带直接相邻甚至相交（碱土金属）重合（过渡金属）
导带
金属的导电性及缘由
碱金属
碱土金属
贵金属
过渡金属
费密能
半导体导电原理
半导体材料（如 Si） 的 3s3p 会杂交，形成两个 sp³杂化带 可以容纳 4N 个电子，Si 核外 只有四个电子， 因此只能填满一个杂化带且与另一（导带）有能隙， 若能跃迁到导带则可导电，而 Si 能隙较小 （而 C 高，则为非导体）可以跃迁所以为绝缘体
半导体
本征半导体
价带空位浓度和导带电子浓度相等
导电率公式：nq（μe+μh）
费密能在禁带中央，电导率难控制
掺杂半导体 （Ef 上移或下移）
n 型
掺杂 VA 族元素
说明随温度，导电率的变化
施主杂质
施主耗尽
p 型
掺杂ⅢA 族元素
受主杂质
随温度变化与 n 型相似
半导体化合物
按化学比的金属间化合物
非化学比的离子键形成的化合物
磁性
抗磁矩
顺磁矩
铁磁矩
铁氧体
光学性能
光能方程
光的透明原理（波长越短能量越高）
本征吸收
反光性能
发光
金属不发光原因
荧光
磷光
受激辐射
自发辐射
粒子数反转
热学性能
热容
热膨胀
热导
热应变
光导纤维的原理
磁性材料
软磁材料
可用最小磁场实现最大磁化强度 （常用于电子设备）
具有低矫顽率，高磁导率
硬磁材料
一经磁化就可保持恒定磁性 （用于发电机）
纳米材料
分类
零维
一维
二维
三维
I 和Ⅱ 主族、副族内壳层都被填满 而过渡元素内壳层都没被填满
重要公式及知识点
离子半径:R=Cn/（Z－σ）σ为屏蔽常数，Cn 为常数（n 为主量子数），Z 为原子序数
晶面间距公式：六方 底有个 4/3 勿忘
面:不全为奇不全为偶 体:h+k+l=奇数 密:h+2k=3n（n 为整数） 且 l 为奇数
材科基
绪论
材料四要素
固有性能
使用性能
组织/成分结构
制备合成/加工工艺
第一章
原子结构
四个量子数极其规律 n 比 l 多 1 m：±l，±l-1… mz：±1/2
主量子数 n
次量子数 l 含有 spdf 亚壳层各 1357 个空间取向
磁量子数 m
自旋量子数 mz
两个基本原理
泡利不相容原理
能量最低原理
洪特规则
价电子
电负性
周期表斜线 2＞3＜4（铝特殊，较小） 2＞4（仅在 2 为 c 以后）
原子键合
一次键（通过电负性大小来决定）
离子键
共价键
金属键（电负性相当的金属间）
二次键
范德瓦尔斯键
氢键及其机理 注：H 易与 NOF 等形成氢键，而 S Cl 不易）
离子键结合比例公式
晶体与非晶体的概念
各向同性和各向异性
晶核，晶粒（小晶体），晶体，晶界
结合键与性能
物理性能
熔点高低代表材料稳定性程度
密度与结合键有关
力学性能
稳态与亚稳态结构
概念
热力学条件
自发转换过程
阿伦尼乌斯方程
真题考察
玻璃的性质
金属的密度为什么大于陶瓷
金属为什么表现出更高延展性
区分晶体非晶体
第二章 晶体结构
七大晶系及十六种布拉菲点阵
七大晶系
立方，四方，正交 单斜，三斜，六方，菱方
十四种布拉菲点阵
简单 360，正交全有 单斜底，四方体（及其点阵常数和角度）
阵点（周围环境相同），空间点阵，晶体结构
晶胞选取原则
晶向晶面指数
立方
六方（方法都为画三轴）
给出指数画晶向
用公式：U=u－t V=v－t…
给出指数画晶面
方法：忽略 i，然后取倒数
给出晶向写指数
公式：u=（2U－V）/3 v=（2V－U） t=（U－V）/3…
给出晶面写指数
方法：与四条轴的交点，然后取倒数
晶向族和晶面族
立方
晶向族
三个数排列组合，再逐个添符号，符号全反（即平行）不写
晶面族
与晶向相同
六方
晶面有负，必须从负开始（若有 0 则最多 2 负），然后逐个添加符号 排列组合时非 1 不可换，二负及以上非 1 一定要有负，一负时非 1 不能添符号
晶面间距和晶带轴的计算
晶面间距立方六方两公式
注意距离×1/2
晶带轴
晶面和晶带轴内积为 0 公式
三个常见金属晶体结构
原子代表
密排面和密排方向
原子数（4 2 6），半径，配位数（12 8 12），致密度 K=nv（原子体积）/V（晶胞体积）
线密度：某晶向上原子个数（看由半径组成的即一条线上多少个半径，两个半径为一个原子）/晶向长度 面密度：晶面上（即看一个面上组成原子的个数 红 P41）/晶面面积 材料密度：m/v=单胞原子数 N/Na）（摩尔质量/单胞体积）
间隙
fcc
八 1/2，1+12×1/4（每条棱四 p） 四 √3/4，4×2（每条体对角线两个）
bcc
八 1/2，6×1/2+12×1/4（每条棱 4p） 四 √5/4，6×4×1/2（每条面对角线有两个，但为两个共用）
hcp
八 √2/2，3×2（ 中间层每条棱有两个） 四 √3/2√2，6+6×2×1/2（ 中间层每个点有两个，每条棱（底）共用）
多晶型性
影响原子半径（述说原因）
温度与压力
温度越高，压力越小，r 越大
结合键的影响
结合键能越高，半径越小
配位数
配位数越低，半径越小
核外电子结构
自上到下，r 增大 自左到右，r 减小
离子晶体结构
鲍林五规则
负离子配位多面体规则
离子键平衡间距取决于正负离子的半径和，配位数取决于正负离子半径比
电价规则
一个正离子给出的价电子数=负离子得到的价电子数
负离子多面体共用点棱面规则
共用棱特别是共用面的存在会降低晶体结构的稳定性（因为两正离子间距减小产生排斥）
四规则
在含多种阳离子的晶体中，电价高而配位数小的正离子周围负离子配位多面体不倾向于直接连接，力图共顶连接
第五规则
晶体中同一正负离子配位多面体的类型（多面体形状及连接方式）力图最少
典型离子晶体
NaCl
面心立方，4 原子位于八面体间隙，6 配位
CsCl
简单立方，一个原子位于中心，8 配位
闪锌矿 ZnS
面心立方，4，4
纤锌矿 ZnS
简单六方，2，4
CaF2
面心立方，钙离子 4，8
TiO2
体心四方，Ti ，2， 6
共价晶体结构（有方向性故配位数低）
金刚石
面心立方，8，4
闪锌和纤锌矿如上
SiO2
面心立方，2，4
三章：高分子材料结构
高分子的组成 怎么来的
概念
区分高分子和低分子化合物是根据力学性能非相对分子质量 高分子具有较好的弹性，塑性和弹力等力学性能
单体
是合成高分子链的简单化合物
是合成聚合物的起始原料
链节
高分子链中重复的结构单元
聚合度（反映链的长短及相对分子质量）
高分子链节的重复次数
官能度（决定了高分子结构）
一个单体能和其他单体发生键合的位置数目
双官能的只能形成链状结构，产生热塑性
三官能可形成网状结构，产生热固性塑料
多分散性（是高分子特点，低分子没有） 决定了物理和力学性能的分散度
高分子化合物中各个分子的相对分子质量都不相等
平均相对分子质量
数均相对分子质量 Mn
重均相对分子质量 Mw（表征更恰当 因为性能取决于相对分子质量大的分子）
合成
加聚反应（链增长，连锁反应）
由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应
由于单体稳定，链节不稳定，反应需要先诱发（压力温度或诱发剂） 反应便能自发进行下去（由于断键所需能量小于成键放出的能量）
在单体耗尽，链的活性端遇到诱发剂终止基团 或两个生长链相遇并连接反应结束
缩聚反应（不断缩去一部分，逐步反应）
由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物， 同时析出低分子的反应
由分子按照相同的反应形成 最后互相联结
分类
聚合物类型
加聚聚合物
缩聚聚合物
几何结构分类
线型聚合物
体型聚合物（网状，通常由缩聚产生）
热行为分类
热塑性聚合物（链状）
热固性聚合物（网状）
高分子内部的结构
高分子链结构
化学组成（结构单元）
碳链高分子
杂链高分子
元素有机高分子
键接方式（结构单元）
一种单体
头头
头尾（规整度最高，强度较高）
尾尾
二元共聚物
无规共聚（最为普遍），交替共聚，嵌段共聚，接枝共聚
连接方式还受能量和空间阻碍影响
空间构型（结构单元）
结构单元由化学键构成的空间排布
全同立构
间同立构
无规立构（很难结晶，缺乏实用价值）
几何形状（高分子链）
支化
支链有规律则梳形，星形
线型
梳形
星形
交联
体型
是高分子链之间通过化学键相互联结形成的交联反应，呈网状结构
构象
单键内旋转
绕其相邻单间按一定角度旋转
由于单键内旋转所造成原子在空间不同位置所构成的分子链的各种形象
柔顺性（可理解为弹性） （是高分子性能不同于低分子和其他材料的根本原因）
由构象变化得到高分子链的不同卷曲程度的特性
容易内旋转为柔性链，不易为刚性链
影响因素
主链结构
全单键柔顺性最好 氧硅键＞碳氧＞碳碳
主链为孤立双键（本身不能旋转）可使原子间距增大，柔顺性增加
主链有芳杂环时，由于不能旋转，柔顺性低
侧基性质
侧基体积越大，内旋转受阻越大，柔顺性越低
侧基对称分布，可使主链间距增大，有利于内旋
侧基的极性越大，分子间作用力增大，内旋受阻，柔顺性越低
侧基沿分子链分布距离
分子间化学键
高分子的聚集态结构（又称超分子结构）
指聚合物中分子链的排列和堆积结构
晶态
结晶度
线型，支化 少量交联的网状聚合物 固化时可结晶但不可能完全结晶
还有未结晶的为过冷液体 （实际上晶态聚合物为两相结构）
测量结晶度方法
红外光谱法
核磁共振法
x 射线衍射法
量热法
密度法（最常用，简单）
分子结构对结晶能力的影响
结构因素
规整度高，结构简单，对称性好的容易结晶 聚四氟乙烯，偏聚二氯乙烯好 氯化聚乙烯不好
等规聚合物结晶能力强
侧基较小时易结晶
侧基排布规整（全同或间同立构）也可形成晶态聚合物
缩聚物都能结晶，对称度都很高，分子间作用力大（具有极性基团） 注：作用力大但柔顺性小，其他与柔顺性一致（聚酰胺，聚酯）
支化不利于结晶
支化破坏规整排列
结晶条件（与金属类似）
结晶温度
冷却速度
杂质
应力状态
非晶态
玻璃化温度 Tg
高分子的应用
高分子性能
高分子键和方式（即造成和其他材料性能上的差异）
为什么高分子很难结晶
主要弱点
老化原因
降解
交联
老化因素
内在
化学，分子链，聚集态结构
外在
优点
原料丰富，成本廉价
良好的绝缘性能
密度小
化学稳定性好
优良的光学性能
优良的耐磨，减摩和自润滑作用
性能与结构关系 （形成晶体后弹性模量高）
三种材料不同特性的原因
热塑性
加热至 Tg 以上，键断，分子链易动表现出粘性流动和弹性
PE.PP,PTFE（只有这些可结晶其他都不行） PVC,PS PMMA
橡胶（常温下高弹态）（塑料常温下为玻璃态） （Tg 温度很低，所以室温为高弹态）
线型链产生少量交联
PI，PB，PCP 聚异戊二烯，聚丁二烯，聚氯丁烯
热固性
加热加压成型后，分子链间发生强烈交联，产生网状结构 有较高硬度强度，一旦成型再次加热也不能改变其网状结构
改变高分子性能途径（本质为增加结晶度，减少柔顺性） （只有热塑性才能很大程度改变）
改变结晶度
结晶度增加，强硬密度，尺寸稳定性都增加
改变侧基性质
柔性链变刚性链，强硬度提升
改变主链结构
增强分子间作用力刚性增大，较易结晶
共聚
充分发挥各单体优势，相互取长补短
拉拔强化
在 Tg 温度附近冷拉，强硬度提高（尼龙）
四章：晶体缺陷
点缺陷
金属晶体中
肖脱基缺陷
形成空位
脱位原子一般进入其他空位 或迁移至表面
弗兰克尔缺陷
在原有结点原子挤入间隙 同时形成空位和间隙原子
离子晶体中
肖脱基缺陷
同时失去一正一负离子
弗兰克尔缺陷
节点上同号离子挤入相邻结点 （一个结点两个离子）
类型
间隙原子
置换原子
产生原因
热力学平衡缺陷 想曲线图像
计算点缺陷平衡浓度
大题计算
间隙的形成能小于空位
过饱和点缺陷的产生
高温淬火
辐照
冷加工
对材料产生的影响
降低导电率（破坏了材料内部原子排列的规律性 使电子的定向移动受到阻碍）
抗腐蚀能力降低（由于缺陷具有较高的点阵畸变 使缺陷周围原子能量高，易腐蚀）
使密度下降，体积膨胀
若存在大量空位，它们会在晶面聚集 形成空位片提高强度降低塑性
线缺陷
位错（b 都与位错运动方向 晶体移动方向相同）
刃型位错
有半排原子面（上压下拉）
b 与位错线垂直， b 顺时针转 90 与位错正方向相同为正刃
螺型位错
b 与位错平行 若同向则为右螺
多个滑移面
混合位错
与 b 始终有一定角度
柏氏矢量
定义
物理意义
柏氏矢量的相加和求模
分解满足矢量和相等，能量下降
b 的确定
滑移
在切应力作用下，通过位错周围的原子沿 b 方向在滑移面上不断做少量位移实现的
攀移
位错线跟着半原子面上下移动
需要热激活，通过扩散实现
向上为正，向下为负攀移
两侧晶体发生与相同的相对位移
即改变晶体形状，也改变体积
位错密度的计算
ρ=L/V=n/A
线缺陷的交互作用
与点缺陷
点缺陷对位错有钉扎作用， 形成柯氏气团
位错与位错
交割，割阶
相反位错应变场减弱甚至抵消
与面缺陷
晶界阻碍位错运动
位错的合成与分解
高能位错会分解为两个低能位错 中间夹一片层错
子主题
面缺陷
小角度晶界
大角度晶界
表面吸附
物理吸附
气相与晶体表面产生范德瓦尔斯键
化学吸附
与晶体表面产生电子交换，即成键
晶界吸附
晶体内杂质易偏聚与晶界处
五章：相结构及相图
子主题
第二节 二元相图
匀晶
两偏析
晶内偏析
枝晶偏析
选分结晶：结晶过程中，结晶出的固相始终和共存液相成分不同
共晶相图
四计算（注：10%α析出β二次计算还是用 10 为支点， 而其他为阿尔法的最大固溶点为支点）
伪共晶
不平衡共晶
离异共晶
包晶相图
不同成分的各阶段结晶过程（3）
包晶偏析
由于冷却速度过快，固体间原子扩散不充分， 导致本应不存在α相在非平衡条件下有剩余， 剩余液相则发生匀晶反应析出β相， 使得β相的成分极为不均匀，这种包晶反应不能充分进行 而产生成分不均匀现象称为包晶偏析
d 点往左在非平衡条件下 的特殊情况
其他二元相图（写出各名称及反应式和相图特征）
不同相图的性能
匀晶：强硬度随溶质增大而增大，若有一强则强硬度最大值偏向他 电导率和塑性对应下降
共包晶：1:两相混合（即共晶组织）均匀，性能与成分呈直线关系 2.出现伪共晶，则在共晶点出现小段峰值
复杂相图分析
步骤
铜锡合金中写出反应式和各相
铁碳相图
各个反应点的碳含量（2.11，0.09，温度 1495，1148，727）
三次渗碳体都为析出或结晶出的 而非反应合成的
注意区分三次渗碳体和共析，共晶渗碳体
不同晶体结构的铁温度转变
不同碳含量的室温各组织的相组成
铁碳相图误区及重难点
三个同素异构转变温度为纯铁，其他如①则看恒成分线与曲线的交点
相最终都为铁素体和渗碳体，而组织则为他们所共同构成的
组织分析 （铁素体，莱氏体，珠光体渗碳体）
在共析点左边，先析出α再由γ→P（由 p 中α析出的三次可忽略），则组织中有α初，三次渗碳体不可忽略 右边先析出二次渗碳体，再γ→P
在共晶点左边先析出γ，再生成高温莱氏体，γ→P，Ld→Ld' 右边先洗出一次渗碳体再高温莱氏体，Ld→Ld'
六张：凝固与气相沉积
成分过冷
凝固时由于溶质再分配导致液固界面中液相的溶质成分 变化，导致理论凝固温度发生变化，使界面前沿液相实际 温度低于由溶质分配所决定的凝固温度而产生的过冷 （由于溶质再分配导致理论凝固温度的变化导致液固界面过冷度的变化）
影响成分过冷因素
温度梯度
铸件凝固速度
合金凝固范围
宏观偏析 （宏观范围内的成分不均匀现象）
按照合金凝固的顺序总是溶质含量少的液相先结晶， 而后结晶的液相溶质含量越来越多，这种宏观上成分不均匀称为
显微偏析 （晶粒内部的成分不均匀现象）
树枝偏析（枝晶偏析）
固溶体以树枝状结晶并长大，枝干与枝间会出现成分差异
胞状偏析
在成分过冷区晶体以胞状生长时胞臂富含杂质
区域熔炼
是获得高纯度材料的方法，首先应用于半导体生产。由正常凝固，溶质含量少的液体 先结晶，而后结晶液体的溶质含量高于先结晶部分，将固溶体金属棒从左到右进行局部 融化再冷却凝固，随着融化区不断向前移动，溶质原子会不断在液相富集，从而使凝固 左端部分溶质含量不断降低，右端不断富集，因为左端部分溶质减少而得到提纯 （冷速越慢，液相溶质分布越均匀，溶质含量在尾部堆积，使固相越不均匀，宏偏严重
铸件凝固组织
表层细晶区
由于模壁温度高，液体过冷大，形核率高， 导致产生大量晶核，迅速长大后形成表面细晶区 （过冷及实际温度与凝固温度的差值，过冷大 形核率高）
柱状晶区
离液固界面越远温度高，形成负的温度梯度，导致晶体以树枝状生长， 且沿垂直模壁方向散热有利，在细晶区取向有利的晶体生长为柱状晶
中心等轴晶区
由于液体过冷进一步降低，剩余液体的生长方向已不明显，处于均匀冷却 状态，同时杂质和破碎枝晶等聚集在剩余液体中，促使形成等轴晶
七章：扩散与固态相变
扩散两定律
第二定律公式及各个字母含义
扩散机制
间隙扩散
空位扩散
扩散激活能公式
间隙扩散的激活能要低于置换，因为置换扩散 不仅有原子迁移能还有产生空位的形成能
柯肯达尔效应
形成置换固溶体的两金属扩散偶中，由于两种原子 扩散系数的不同导致原始界面发生移动的现象
实际意义
揭示了宏观扩散和微观扩散机制间的内在联系，具有普遍性
直接支持置换固溶体的扩散机制
每个组元都有自己的扩散系数
该效应会产生副效应
反应扩散
当溶质原子由金属表面向内部扩散时，若扩散元素的含量超出基体元素的 溶解度，随着扩散的进行会在基体金属表面产生中间相（没有过渡区，只有界面分隔）
上坡效应
由 faker第一定律，扩散结果为浓梯减小，成分趋于均匀 但也可扩散从低浓度到高浓度，产生成分的偏聚而不是均匀化提高了浓度梯度
化学位梯度是扩散的驱动力而非浓度梯度
影响扩散的因素
温度为主要因素
原子的激活能
扩散机制
置换的激活能高于间隙，因此间隙的 D 更高
晶体结构
致密度越高，原子排列越紧密，激活能越高，D 越小
缺陷（因为缺陷的原子能量高，Q 小 D 大）
点
降低了置换固溶体的 Q
线
位错降低了 Q
面
表面扩散
表面原子结合力若，Q 小
晶界扩散
晶界点阵畸变大，原子能量高 Q 小
不同固溶体对原子溶解度不同，越高，浓度梯度高，D 大
由于晶体具有各向异性，各个晶向的 D 有差异
原子结合力
熔点高 Q 大
合金成分
第三组元的加入会改变 D
固态相变
相界面
共格界面
半共格界面
非共格界面
形核
均匀和非均匀和液固相变类似
比液固相变多出了弹性应变能
长大
扩散控制长大
主要出现于非共格界面
界面控制长大
主要出现于共格和半共格
相变
扩散型相变
调幅分解
不是一般经典形核过程，是合金由于成分变化造成的热力学不稳定产生的， 特点为不存在形核势垒，因而分解速度很快，新相的形成是连续不断的，新旧 两相完全共格（想象脱溶转变）
形核与长大
非扩散型相变（马氏体相变）
以切应变为主的点阵畸变，存在无畸变面（即惯习面）
会产生均匀点阵畸变，产生较大的形状变化
是无扩散相变
转变后可观察到表面浮凸效应
具有一定的位向关系和惯习面
马氏体转变是在一个温度范围内完成的
具有可逆性
动力学和形态受应变能控制
八章：材料变形与断裂
变形
弹性极限σe
屈服强度σs 或σ0.2
抗拉强度σb
为什么会变形
滑移与孪晶变形（两种塑性变形方式）
滑移及机理
单滑移
交滑移
多滑移
滑移面和滑移方向
fcc
最密排 面 111，方向 110，共 12 个滑移系
bcc
面 110，112，123 方向 111，共 48 个滑移系
hcp
面0001，11-20，共 3 个
孪晶变形
不同点
孪晶会产生晶体取向的变化（晶体结构和对称性不变） 滑移不会改变
变形的分类
单晶体
单滑移
交滑移
多滑移
施密特定律求分切应力
多晶体塑变
晶界和晶粒取向会共同阻碍滑移
滑移的传播
细晶强化
怎么强化更好生产应用
纯金属强化
加工硬化及机理
位错交割
位错增值
合金的变形强化
固溶强化
影响因素 4
柯氏气团
弥散强化
变形结果及怎么改善材料性能
冷变形金属组织与性能
组织变化
晶粒沿着拉拔方向伸长，形成纤维组织（有各向异性）
位错胞状结构
形变织构
能量变化
残留应力
点阵畸变
力学性能
加工硬化
物理化学性能变化
电导率下降
耐腐蚀性下降（由于原子能量高）
回复机制
高温回复
位错的产生攀移
产生的结果
中温回复
位错的运动（抵消，重组合并）
低温回复
主要是和点缺陷的迁移有关
回复的结果
力学性和组织能变化不大，宏观应力大部分消除，微观应力残留， 物理化学性能逐渐恢复但不多
再结晶
加热温度更高时产生
变形大的形成亚晶
小则硬取向晶粒伸向畸变能高区域
再结晶结果
应力全部消除，物理化学性能恢复变形前， 强度降低塑性增强（加工硬化消除），组织由纤维（拉长晶粒）变为等轴晶
影响再结晶因素（想缘由）
需要一个临界变形量
变形量越小，再结晶温度越高
再结晶后晶粒大小取决于变形量
微量杂质原子会增大再结晶温度
第二相微粒尺寸大，间距宽有利于再结晶
再结晶前的晶粒越细，或退火时间越长，再结晶温度越低
晶粒的长大
正常生长
降低界面能为驱动力
二次再结晶（反常长大）
加热到一定温度突然异常增大，再加热就趋于减小
九章：固体材料与物理性能
材料导电原理及分类
能带理论
能带
价带
禁带
注意：半导体材料导带和价带间有个能隙（即禁带宽度） 而金属导带价带直接相邻甚至相交（碱土金属）重合（过渡金属）
导带
金属的导电性及缘由
碱金属
碱土金属
贵金属
过渡金属
费密能
半导体导电原理
半导体材料（如 Si） 的 3s3p 会杂交，形成两个 sp³杂化带 可以容纳 4N 个电子，Si 核外 只有四个电子， 因此只能填满一个杂化带且与另一（导带）有能隙， 若能跃迁到导带则可导电，而 Si 能隙较小 （而 C 高，则为非导体）可以跃迁所以为绝缘体
半导体
本征半导体
价带空位浓度和导带电子浓度相等
导电率公式：nq（μe+μh）
费密能在禁带中央，电导率难控制
掺杂半导体 （Ef 上移或下移）
n 型
掺杂 VA 族元素
说明随温度，导电率的变化
施主杂质
施主耗尽
p 型
掺杂ⅢA 族元素
受主杂质
随温度变化与 n 型相似
半导体化合物
按化学比的金属间化合物
非化学比的离子键形成的化合物
磁性
抗磁矩
顺磁矩
铁磁矩
铁氧体
光学性能
光能方程
光的透明原理（波长越短能量越高）
本征吸收
反光性能
发光
金属不发光原因
荧光
磷光
受激辐射
自发辐射
粒子数反转
热学性能
热容
热膨胀
热导
热应变
光导纤维的原理
磁性材料
软磁材料
可用最小磁场实现最大磁化强度 （常用于电子设备）
具有低矫顽率，高磁导率
硬磁材料
一经磁化就可保持恒定磁性 （用于发电机）
纳米材料
分类
零维
一维
二维
三维
I 和Ⅱ 主族、副族内壳层都被填满 而过渡元素内壳层都没被填满
重要公式及知识点
离子半径:R=Cn/（Z－σ）σ为屏蔽常数，Cn 为常数（n 为主量子数），Z 为原子序数
晶面间距公式：六方 底有个 4/3 勿忘
面:不全为奇不全为偶 体:h+k+l=奇数 密:h+2k=3n（n 为整数） 且 l 为奇数