【材料科學(xué)基礎(chǔ)】重點(diǎn)論述題總結(jié)(一)

【材料科學(xué)基礎(chǔ)】重點(diǎn)論述題總結(jié)（一）一、原子鍵合

1.簡(jiǎn)述金屬材料的性質(zhì)與鍵合的關(guān)系金屬鍵結(jié)合力主要是正離子和電子云之間的靜電庫侖力，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒有特殊的要求，只要求排列最緊密，這樣勢(shì)能最低，結(jié)合最穩(wěn)定。金屬晶體性質(zhì)與鍵合關(guān)系：（1）金屬內(nèi)原子面之間相對(duì)位移，金屬鍵仍舊保持，故具有良好的延展性；（2）在一定電位差下，自由電子可在金屬中定向運(yùn)動(dòng)，形成電流，顯示出良好的導(dǎo)電性；（3）隨溫度升高，正離子（或原子）本身振幅增大，阻礙電子通過．使電阻升高，則具有正的電阻溫度系數(shù)；d）固態(tài)金屬中，不僅正離子的振動(dòng)可傳遞熱能，且電子運(yùn)動(dòng)也能傳遞熱能，故比非金屬具有更好的導(dǎo)熱性；（4）金屬中的自由電子可吸收可見光的能量，被激發(fā)、躍遷到較高能級(jí)，因此金屬通常不透明；（5）當(dāng)激發(fā)出的電子跳回到原來能級(jí)時(shí)，將所吸收的能量重新輻射出來，使金屬具有金屬光澤；（6）金屬的結(jié)合能比離子晶體和原子晶體要低一些，但過渡金屬的結(jié)合能則比較大。

2.依據(jù)結(jié)合力的本質(zhì)不同，晶體中的鍵合作用分為哪幾類？特點(diǎn)是什么？晶體中的鍵合作用可分為離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、范德華鍵和氫鍵。離子鍵的特點(diǎn)是沒有方向性和飽和性，結(jié)合力很大。共價(jià)鍵的特點(diǎn)是具有方向性和飽和性，結(jié)合力也很大。金屬鍵是沒有方向性和飽和性的的共價(jià)鍵，結(jié)合力是離子間的靜電庫侖力。范德華鍵是通過分子力而產(chǎn)生的鍵合，分子力很弱。氫鍵是兩個(gè)電負(fù)性較大的原子相結(jié)合形成的鍵，具有飽和性。

3.結(jié)合鍵對(duì)材料物理及力學(xué)性能的影響對(duì)物理性能的影響（1）熔點(diǎn)：共價(jià)鍵、離子鍵的最高，高分子材料的最低；（2）密度：金屬鍵的最高，共價(jià)鍵、離子鍵的較低，高分子材料的最低；（3）導(dǎo)電導(dǎo)熱性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最差。對(duì)力學(xué)性能的影響（1）強(qiáng)度：結(jié)合鍵強(qiáng)，則強(qiáng)度也高，但還受組織的影響；（2）塑韌性：金屬鍵最好，共價(jià)鍵、離子鍵最低；（3）彈性模量：共價(jià)鍵、離子鍵最高，金屬鍵次之，二次鍵最低。二、固體結(jié)構(gòu)

1.置換固溶體溶解度的影響因素（1）晶體結(jié)構(gòu)類型的影響溶質(zhì)與溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同，是形成連續(xù)固溶體的必要條件。（2）原子尺寸的影響相互替代的原子尺寸愈相近，則固溶體愈穩(wěn)定①

時(shí)，有利于形成無限固溶體；

②

15%<△r

<30%時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間形成有限固溶體；③△rr>30%時(shí)，溶質(zhì)與溶劑之間很難或不能形成置換固溶體。（3）電負(fù)性的影響溶質(zhì)與溶劑元素之間的化學(xué)親和力愈強(qiáng)，即合金組元間電負(fù)性差愈大，傾向于生成化合物而不利于形成固溶體；

生成的化合物愈穩(wěn)定，則固溶體的溶解度就愈小。電負(fù)性相近有利于形成固溶體，電負(fù)性相差很大時(shí)將形成中間相或化合物。（4）原子價(jià)（電子濃度）因素電子濃度一定時(shí)，溶質(zhì)原子電價(jià)越高溶解度越低。（5）此外，固溶度還與溫度有關(guān)，不同溫度下溶解度不同。

2.

間隙固溶體溶解度的影響因素（1）溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)大小添加的溶質(zhì)原子越小，越易形成間隙固溶體。（2）溶劑晶體的結(jié)構(gòu)一般晶體中空隙越大，結(jié)構(gòu)越疏松，就越易形成間隙固溶體。如：MgO：四面體間隙；TiO2：一半的八面體間隙；沸石：六元環(huán)通路MgO，TiO2，沸石間隙逐漸增大，形成間隙固溶體可能性增大。（3）電價(jià)因素填隙型固溶體，可通過生成空位或產(chǎn)生部分置換來維持結(jié)構(gòu)中的電中性。（電價(jià)差距越小，溶解度越大）

3.固溶體的性質(zhì)點(diǎn)陣常數(shù)改變對(duì)置換固溶體：rB

>rA

時(shí)，溶質(zhì)原子周圍點(diǎn)陣膨脹，平均點(diǎn)陣常數(shù)增大；rB

<rA

時(shí)，溶質(zhì)原子周圍點(diǎn)陣收縮，平均點(diǎn)陣常數(shù)減小。對(duì)間隙固溶體：點(diǎn)陣常數(shù)隨溶質(zhì)原子的溶入總是增大的，點(diǎn)陣常數(shù)改變的影響比置換固溶體大得多。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化（強(qiáng)度，Hv）：溶質(zhì)原子的溶入使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高。而且間隙固溶體強(qiáng)化效果更好。物理和化學(xué)性能的變化固溶體的電學(xué)，熱學(xué)，磁學(xué)等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化。（1）光學(xué)性能：白寶石（Al2O3）添加Cr離子或者Ti離子會(huì)改變顏色，變?yōu)榧t寶石和藍(lán)寶石。（2）電學(xué)性能：非計(jì)量化合物成為半導(dǎo)體（3）介電性能：化合物如ZnO摻雜N改變能帶，促進(jìn)氣敏傳感。（4）熱學(xué)性能：加工硬化后金屬點(diǎn)缺陷濃度大大增加，不利于導(dǎo)熱.（5）抗腐蝕性能：不銹鋼中，金屬Cr元素的加入提高陽極極化電位，抗腐蝕性提高。三、擴(kuò)散

1.擴(kuò)散機(jī)制有哪些（1）交換機(jī)制：相鄰原子的直接交換機(jī)制，即兩個(gè)相鄰原子互換了位置。包括：環(huán)形交換機(jī)制、直接交換機(jī)制。（2）間隙機(jī)制：在間隙擴(kuò)散機(jī)制中，原子從一個(gè)晶格中間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置。包括推填機(jī)制、擠列機(jī)制。（3）空位機(jī)制：晶體中擴(kuò)散原子離開自己的點(diǎn)陣位置去填充空位，而原先的點(diǎn)陣位置形成新的空位，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)原子的擴(kuò)散。（柯肯達(dá)爾效應(yīng)、擴(kuò)散性蠕變就屬于空位機(jī)制）（4）晶界擴(kuò)散以及表面擴(kuò)散：由于晶界、表面及位錯(cuò)等都可視為晶體中的缺陷，缺陷產(chǎn)生的畸變使原子遷移比完整晶體內(nèi)容易，導(dǎo)致這些缺陷中的擴(kuò)散速率大于完整晶體內(nèi)的擴(kuò)散速率。因此，常把這些缺陷中的擴(kuò)散稱為“短路”擴(kuò)散。擴(kuò)散系數(shù)有如下結(jié)論：D表面>D晶界>D位錯(cuò)

2.晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散的影響？本質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)～原子空間排列緊密程度。晶體的致密度越高?原子擴(kuò)散路徑越窄?晶格畸變?cè)酱?。晶體的致密度越高?原子結(jié)合能越大?擴(kuò)散激活能越大?擴(kuò)散系數(shù)減小。晶體結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散有影響，同素異轉(zhuǎn)變時(shí)→擴(kuò)散系數(shù)也隨之改變，α-Fe和γ-Fe中自擴(kuò)散系數(shù)：bcc>fcc，BCC位FCC的245倍。晶體致密度：（體心立方致密度<面心立方致密度，擴(kuò)散系數(shù)大，原子易遷移）（1）合金元素在不同結(jié)構(gòu)固溶體中的擴(kuò)散也有差別：C原子在α-Fe和γ-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)：bcc>fcc，BCC位FCC的30倍。（2）結(jié)構(gòu)不同的固溶體對(duì)擴(kuò)散元素的溶解限度是不同的，由此所造成的濃度梯度不同，也會(huì)影響擴(kuò)散速率。例如，鋼滲碳通常選取高溫下奧氏體狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，除了由于溫度作用外，還因碳在γ-Fe中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在α-Fe中的溶解度，使碳在奧氏體中形成較大的濃度梯度而有利于加速碳原子的擴(kuò)散以增加滲碳層的深度。（3）晶體的各向異性一般來說，晶體的對(duì)稱性越低，則擴(kuò)散各向異性越顯著。擴(kuò)散方向上的致密度越小，原子沿這個(gè)方向的擴(kuò)散也越快。在高對(duì)稱性的立方晶體中，未發(fā)現(xiàn)D有各向異性；具有低對(duì)稱性的菱方結(jié)構(gòu)的鉍，沿不同晶向的D值差別很大，最高可達(dá)近1000倍。

3.什么是柯肯達(dá)爾效應(yīng)？其意義是什么？形成置換固溶體的兩種金屬擴(kuò)散偶中，兩種金屬以不同的速率相對(duì)擴(kuò)散而造成原始界面漂移的現(xiàn)象成為柯肯達(dá)爾效應(yīng)?？驴线_(dá)爾效應(yīng)的實(shí)際意義有：（1）揭示了擴(kuò)散宏觀規(guī)律與微觀擴(kuò)散機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系，具有普遍性；（2）直接否認(rèn)了置換式固溶體擴(kuò)散的換位機(jī)制，支持了空位機(jī)制；（3）擴(kuò)散系統(tǒng)中每一種組元都有自己的擴(kuò)散系數(shù)，低熔點(diǎn)組元擴(kuò)散快，高熔點(diǎn)組元擴(kuò)散慢；（4）克根達(dá)耳現(xiàn)象往往會(huì)產(chǎn)生副效應(yīng)，如收縮不完全會(huì)造成克根達(dá)耳孔等，這些副效應(yīng)在實(shí)際當(dāng)中往往產(chǎn)生不利的影響，因而應(yīng)設(shè)法加以控制。

4.解釋上坡擴(kuò)散、擴(kuò)散機(jī)制、總結(jié)擴(kuò)散在材料科學(xué)中的應(yīng)用上坡擴(kuò)散是擴(kuò)散過程中擴(kuò)散元素從低濃度向高濃度處擴(kuò)散；如各種溶質(zhì)原子氣團(tuán)的形成和共析反應(yīng)產(chǎn)物的形成均為上坡擴(kuò)散。擴(kuò)散機(jī)制主要為：間隙固溶體中溶質(zhì)原子在間隙