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1、材料科学基础考试大纲一、考试的基本要求材料科学基础是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方 法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，是发挥材料潜力、充分利用 现有材料和研究开发新材料的理论基础，是考生学习后续相关材料课程和今后从 事材料专业的工作基础课程。要求考生比较系统地掌握材料科学的基本概念、基础理论及其应用。系统地 理解材料与成分、组织结构与性能内在联系，具备综合运用知识分析和解决工程 实际问题的能力。二、考试内容第 1 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；原子的结构：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外电子所构成。原子核 内的中子呈电中性，质子带
2、有正电荷。通过静电吸引，带负电荷的电子被牢牢地 束缚在原子核的周围。因为在中性原子中，电子和质子数目相等，所以原子作为 一个整体，呈电中性。原子的电子结构：电子在原子核外空间做高速旋转远动，原子中一个电子的空间 位置和能量可用四个量子数来决定，a.主量子数n;b.轨道角动量量子数l; c. 磁量子数； d. 自选角动量量子数 s原子结构、原子排列对材料性能的影响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A. 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，绝大数金属 以金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；当金属受力变形而改变原子 之间的相互位臵时不至于破坏金属键
3、，这就使金属具有良好的延展性，并且，用 于自由电子的存在，金属一般具有良好的导电和导热性能。B. 离子键：实质是金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为 带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样， 正负离子依靠他们之间的静电结合在一起。特点：以离子为结合单位；一般离子 晶体中的正负离子静电引力较强，结合牢固。因此其熔点和硬度均比较高。难产 生自由远动的电子，是良好的绝缘材料，但是在高温熔融状态下正负离子在外电 场作用下可以自由远动，此时呈现离子导电性。C. 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形成的化学键。 共价键晶体中各个键之间都
4、有确定的方位，配位数比较小，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；束缚在相邻原子间的共 用电子对不能自由地运动，共价结合形成的一般都是绝缘体，其导电能力较差。D. 范德华力E. 氢键键-能曲线及其应用。3. 原子的堆垛和配位数的基本概念及对材料性能的影响。配位数（CN）是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数；致密度是 指晶体结构中原子体积占总体积的百分数。4. 显微组织基本概念和对材料性能的影响。第 2 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。 晶体：原子在空间呈有规则的周期性
5、重复排列的固态物质 非晶体：原子呈无规则排列的固态物质 晶体结构：晶体结构的基本特征是原子在三维空间呈周期性重复排列，即长程有 序，与非晶体在性能上区别主要有两点：a.晶体熔化时具有固定的熔点而非晶体 却无固定的熔点，存在一个软化温度范围。B.晶体具有各向异性，而非晶体却为 各向同性 空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由 它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵 晶格：由平行的直线将所有阵点连接起来，于是构成一个三维几何格架，称为空 间格子 晶胞：为说明点阵排列的规律和特点，可在点阵中取出一个具有代表性的基本单 元作为点阵的组成单元 布拉菲点阵：能够反映空间点
6、阵全部特征的 14种单位平面六面体，这 14 种空间 点阵也称布拉菲点阵2. 晶体晶向指数与晶面指数的标定方法。晶向指数的确定步骤：A. 以晶胞的某一点阵0为原点，过原点0的晶轴为坐标轴x，y， z，以晶胞 点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。B. 过原点0作一直线0P，使其平行于待定的晶向。C. 在直线0P上选取距原点0最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。D. 将3个坐标值化为最小整数u， v，w加上方括号，uvw即为待定晶向指 数。晶面指数标定的步骤：A. 在点阵中设参考坐标系，设臵方法与确定晶向指数时相同，但不能将坐标 原点选在待确定指数的晶面上，以免出现零截距B. 求的待定晶面在三
7、个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上的截距为无穷大若该晶向与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值C. 取各截距的倒数D. 将三个倒数化为互为质数的整数比，并加上圆括号，即表示为该晶面指数3. 晶体结构及类型，常见晶体结构（bcc、fee、hep）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。4. 合金相结构，固溶体、中间相的基本概念和性能特点。 相是指合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀 组成成分。固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子锁形成的均匀混 合的固态熔体，他保持着溶剂的晶体结构类型中间相：如果组成合金相的
8、异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶体结构与 所有的组元均不同，且这种相的成分多数处在A在B中溶解限度和B在A中的溶 解限度之间，即落在相图的中间部位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。5. 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。第 3 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、间隙原子和臵换原子，间隙 固溶体和臵换固溶体等基本概念 点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子 肖脱基空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位臵上，而使晶体内部留下空 位弗兰克尔
9、空位：挤入点阵的间隙位臵，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间 隙原子间隙原子：在一定条件下，晶体表面上的原子也有可能跑到晶体内部的间隙位臵 形成间隙原子换原子：换了溶剂原子的杂质称为换原子 间隙固溶体：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，或者说溶质原子换了溶剂点阵的部分溶剂原子， 这种固溶体就称为换 固溶体 间隙固溶体：溶质分子分布于溶剂晶体间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体 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 点缺陷的平衡浓度：晶体缺陷的存在，一方面造成了点阵畸变，使晶体的内能升 高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面，由于增大
10、了原子排列的混乱程度， 并改变了周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体的熵值增加， 增加了晶体的热力学稳定性2. 扩散概念，扩散第一定律、扩散第二定律。 扩散是涉及一种原子移到另一种原子中去的物质运输 扩散第一定律3. 扩散驱动力及扩散机制。4. 离子晶体中的扩散、聚合物中的扩散机制。5. 扩散系数、扩散激活能，影响扩散的因素及原理。第 4 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。2 金属晶体中的滑移面和滑移方向。3.离子晶体、共价晶体和聚合物晶体中的位错。 4.晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和
11、相界面等基本概念。5. 晶粒度和晶粒尺寸的基本概念及测量。6. 体缺陷基本概念。7. 材料的强化方法及机制。第 5 部分 高聚物及非晶态结构1. 高分子的链结构、高分子的聚集态结构。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。3. 高分子结晶能力，结晶速度，影响结晶速度的因素。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。第 6 部分 相平衡和相图1.相律的基本概念，相平衡的相率解释。2. 纯晶体的凝固，晶体凝固的热力学条件，形核、晶体长大过程，凝固动力 学及凝固组织。3. 二元相图中的匀晶、共晶、包晶、偏晶等相图的结构分析；共析、包析反 应；二元相图的平衡结晶过程分析、冷却曲线；二元合金中匀晶、共晶、共析、 二次相析出的平衡相和平衡组织特点；杠杆定律及其应用。4. 基本相图的分析和应用。5. 三元相图的基本概念，成分三角形、等温截面、垂直截面的概念，三元匀 晶的平衡转变过程分析。第 7 部分 固态相变基础固态相变的特点及分类；均匀形核和非均匀形核等基本概念。相变驱动力， 界面能与畸变能在形核中的作用。
