2022年材料科学基础期末复习知识点 .pdf

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1、1、菲克第一定律 : 当系统中物质的扩散达到稳定状态时（即物质在各处的质量浓度不随时间而变化），扩散通量（单位时间内通过垂直于扩散方向单位横截面的物质的质量）与物质的浓度梯度（扩散方向上单位距离物质的浓度差）成正比。2、菲克第二定律 : 描述了非稳态扩散系统中扩散原子的分布与时间及所处位置的相互关系，根据应用条件的不同，对此偏微分方程进行求解，可得到一定条件下不同时刻、不同位置处的扩散原子的浓度分布状况。3、柯肯达尔效应： 多元系统中由于各组元扩散速率不同而引起的扩散偶原始界面向扩散速率快的一侧移动的现象称为柯肯达尔效应。说明在扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数。4、反应扩散： 当某种元素

2、通过扩散自金属表面向内部渗透时，该元素含量超过基体金属的溶解度以后会在金属表层形成新相（中间相或固溶体）的现象。N元反应扩散的渗层组织中只有 N-1 相能够共存，并且相界面浓度是突变的。5、高分子构象： 由于单键内旋导致原子排布方式的不断变换，使分子在空间呈现的不同形态。6、高分子链的柔顺性： 链段长度和整个分子长度的比值。7、滑移系： 一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来称为一个滑移系。8、取向因子（软取向和硬取向） ：分切应力与轴向正应力的比值，可表示为coscos。取向因子越大，分切应力越大，越接近临界分切应力，容易使金属滑移，称为软取向。9、加工硬化： 金属材料经冷变形后，强硬度显著

3、提高，塑性很快下降的现象。10、固溶强化： 随着溶质原子固溶度的增加，基体金属的变形抗力随之提高的现象。11、柯氏气团： 溶质原子与位错的交互作用，溶质原子更倾向于聚集在位错的周围，使位错可动性下降，类似形成了一个溶质原子气团。12、应变时效： 将经过少量变形的试样放置一段时间，或经过短时间低温热处理后再进行拉伸，则屈服点又重新出现，且屈服应力提高的现象。13、Hall-petch定律： 多晶体的强度随着晶粒的细化（晶界面积增大）而增加，屈服强度与晶粒尺寸21d之间存在线性关系。14、形变织构： 多晶体材料在拉应力作用下，原本任意取向的晶粒趋向于外加应力方向，形成晶体的择优取向，变形量越大，择

4、优取向程度越大，织构越强。15、蠕变： 金属材料在高温恒定载荷 ( 通常s) 的持续作用下，会发生与时间相关的塑性变形，应变随时间增加而增大的现象，在温度T(0.3-0.5)Tm时尤为明显。16、超塑性： 某些金属材料，在特定条件下拉伸时，可以使材料在较低的流动应力下，得到高达 500%2000%的延伸率，而不发生缩颈，这种特性叫做超塑性。17、准晶： 具有长程周期有序排列，而没有平移对称性的原子聚集状态，可存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。18、脱溶分解： 当固溶体因温度变化等原因而呈过饱和状态时，将自发分解，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶分解。1

5、9、调幅分解： 过饱和固溶体在一定温度下通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的两种固溶体。20、居里温度（尼尔温度） ：材料的磁特性受温度的影响，随温度增加，饱和磁化强度逐渐减小，然后急降到零，此时的温度为居里温度。21、N型半导体： 在 4 价本征半导体中加入5 价置换杂质，形成的弱键单电子容易被激发到导带中去，使导带中电子数远超过价带中的空穴数，半导体的电导明显增加，这类材料称为 n 型半导体，导电性主要由电子浓度决定。22、P型半导体： 在 4 价本征半导体中加入3 价置换杂质，价带电子容易被激发到该掺杂能级中去，使价带中空穴数远超过导带中的电子数，半导体的电导明显增加，

6、这类材料名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 称为 p 型半导体，导电性主要由空穴浓度决定。23、声子： 晶格振动的能量量子，就是一种具有特定的频率、波长 和一定传播方向的弹性波。24、受激辐射： 处于激发态的原子在外来光子刺激下跃迁到低能态，并发射出频率与入射光相同的光子。25、自发辐射： 在没有任何外界作用下，激发态原子向低能态跃迁并发射光子的现象，是一种随机无序发射。1. 稳态扩散质量浓度不随时间而变化，非稳态扩

7、散某一点浓度是随时间变化的；菲克定律 :(1) 两端不收扩散影响的扩散偶：(x,t)=( 1+2)/2+( 1-2)*erf(x/2 Dt). (2) 一端成分不受影响的扩散体： s-(x,t)/ （s-0)=erf(x/2 Dt). x=A Dt 或 x2=BDt 3. 上坡扩散：物质从低浓度向高浓度扩散， 提高了浓度梯度； 扩散驱动力是化学位梯度。扩散结果总是导致扩散组元化学势梯度减小为0. 4. 固体扩散中两种主要的扩散机制：间隙机制和空位机制。5. 温度对于扩散速率的影响：Arrhenius速率方程 D=D0exp(-Q/RT), 其中 D0扩散常数， Q代表激活能， D为扩散系数。

8、lnD=lnD0-Q/RT 6. 影响扩散的因素 : 温度，温度越高高，原子热激活能越大，扩散系数越大；固溶体类型，间隙固溶体较小；晶体结构；晶体缺陷；化学成分；应力的作用。7. 离子扩散缺陷类型：形成等量的阳离子和阴离子空位的无序分布为肖脱基型空位；形成阳离子空位的电荷可通过形成间隙阳离子来补偿，这样的缺陷组合为弗兰克型空位。扩散特点：为了保持局部电中性，必须产生成对的缺陷，导致了离子扩散的速率通常远小于金属原子的扩散速率。8. 高分子中的分子运动起因于主链中单键的内旋转；单键的内旋转是导致高分子链蜷曲构象的原因，内旋越自由，蜷曲的趋势越大，表明高分子链的柔顺性越好；运动方式：大尺寸单元指整

9、个高分子链 （布朗运动）， 小尺寸单元指链段或链段以下的小运动单元（微布朗运动）。玻璃态 - 高弹态 -黏流态；不同阶段的分子运动方式：玻璃态热能不足以激活整个高分子链或链段的运动，可能使比链段小的一些运动单元发生运动；高弹态高分子链可扩张伸直或蜷曲收缩；黏流态有可能实现整个分子链的质心位移流动高分子柔顺性用链段长度的大小表示，影响因素：主链结构；取代基特性； 链的长度；交联度；结晶度。1. 弹性形变特征：（1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形，卸载时变形消失并恢复原状。 （2）在弹性变形范围内，其应力与应变之间服从胡克定律：在正应力下：=E（弹性模量） =G （切变模量）；G=E/2(1

10、+ ) 其中泊松比，指材料横向收缩率与纵向伸长率之比。2. 单晶塑性变形：常温下两大变形方式：滑移和孪生。（1）滑移：位移转动。 Schmid定律：=F/Acoscos；coscos为取向因子，取向因子大的为软取向；取向因子小的为硬取向。单晶体滑移时，除滑移面发生相对位移外，往往伴随着晶面的转动；多滑移时，滑移首先在取向最有利的滑移系；交滑移：两个或多个滑移面沿着某个共同方向同时或交替滑移（2）孪生特点：（1）孪生变形也是在切应力作用下发生的，并通常出现于滑移受阻而引起的应力集中区，因此，孪生所需的临界切应力要比滑移时大得多。（2）孪生是一种均匀切变，即切变区内与孪晶面平行的每一层原子面，均相

11、对于其毗邻晶面沿孪生方向位移了一定距离，且每一层原子相对于孪生面的切变量，跟它与孪生面的距离成正比。（3）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 孪晶的两部分晶体形成镜面对称的位向关系。3. 多晶塑变变形：（1）晶粒取向：需要五个独立滑移系同时开动（五个独立滑移系来满足各晶粒变形时相互协调的要求） 。 （2）晶界：Hall-petch定律s=0+21Kd, 0 反映晶内对变形的阻力相当于极大单晶屈服强度，K反映晶界对变形

12、的影响系数； 室温采用细晶强化，而高温时会发生晶粒沿晶界的相对滑动和扩散性蠕变，产生不利影响。4. 单相固溶体合金固溶强化：溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力随之提高。 影响固溶强化的因素： 1）溶质原子的原子数分数越高，强化作用也越大；2）溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大，强化作用也越大；3）间隙型溶质原子比置换型原子具有较大的固溶强化效果；4）溶质原子与基体金属价电子数相差越大，强化效果越显著。屈服现象和应变时效现象： 柯氏气团理论很好地解释应变时效。当卸载后重新加载，由于位错已经挣脱出气团的钉孔，故不出现屈服点；如果卸载后放置较长时间或经时效，则溶质原子已经通过扩散

13、而重新聚集到位错周围形成了气团，故屈服现象又复出现。6. 金属四大常用强化手段及其强化机理（1）细晶强化：细晶粒不仅可以是材料具有较高的强度、硬度，而且也使它具有良好的塑性和韧性；（2）固溶强化：随着溶质原子固溶度的增加，基体金属的变形抗力会随之提高。（3）第二相强化：通过其对位错运动的阻碍作用来实现。（4）加工硬化：7. 冷加工过程对材料组织、结构及性能的影响：（1）显微组织的变化（ 2）亚结构的变化，位错密度增加（ 3）性能的变化，强度（硬度）显著提高，塑性很快下降，即产生加工硬化。塑性变形使得金属中结构缺陷增多，自由焓升高，因而导致金属中的扩散过程加速，金属的化学活性增大，腐蚀速度也加快

14、。（4）形变织构（ 5）残余应力：宏观残余应力；微观残余应力；点阵（晶格）畸变（最主要的）。热处理1、冷变形随后热处理对材料组织、结构及性能的恢复：回复-再结晶 - 晶粒长大；金属退火过程（回复和再结晶过程）中：强度和硬度、电阻、内应力减小，亚晶粒尺寸、密度增加。2. 回复驱动力主要来自于应变能的下降。动力学方程C=C0RTQAteRTQln回复特点：（1）没有孕育期；（2）在一定温度下，初期的回复速率很大，随后变慢至趋近于零；（3）每一温度的回复程度都有一极限值，退火温度越高，极限值越高，达到这一极限值所需时间就越短； （4）预变形量越大，原始晶粒尺寸越小，初始回复速率越快；再结晶驱动力是变

15、形金属经回复后未被释放的储存能；作用可以消除冷加工的影响；动力学方程 :RTQAtlnln)11)(/exp(2121TTRQtt晶粒长大的驱动力通常来自总的界面能的降低；3. 冷变形量、再结晶温度、再结晶粒尺寸之间的关系。随着冷变形程度的增加，储能也增多，再结晶的驱动力就越大，再结晶温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快，再结晶晶粒更细小。提高退火温度可使再结晶速度显著加快，临界变形度数值变小，温度越高晶粒越粗。4：晶粒正常长大表现为大多晶粒几乎同时逐渐均匀长大；异常长大则为少数晶粒突发性的不均匀长大。正常长大平均晶粒直径随保温时间的平方根而增大，影响因素：a 温度，温度越高，长大速度越

16、快；b 分散相粒子对晶界有阻碍作用，使晶粒长大速度降低；c 晶粒间的位向差； d 杂质与微量合金元素（降低） 。异常晶粒长大（二次再结晶）的驱动力来自界面能的降低，而且不是重新产生新的晶核，而是以一次再结晶后某些特殊晶粒作为基础而长大的。热变形名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 1. 冷变形为低于再结晶温度的加工；热变形为高于再结晶温度的加工；区分回复及再结晶，与动态回复及动态再结晶：前者是在无外力下发生的，后者是在

17、热变形时外力和温度共同作用下发生的2. 热加工产生加工流线与带状组织（复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替的呈带状分布的组织） ；带状组织消除方法：一是不在两相区变形；二是减小夹杂物元素的含量；三是可用正火处理或用高温扩散退火加正火处理。3. 高温变形的主要机制：通过晶界扩散进行的晶界滑动和晶粒转动4. 超塑性定义：材料在一定条件下进行热变形，可以使材料在较低的流动应力下，得到高达 500%2000%的延伸率，而不发生缩颈，这种特性叫做超塑性；条件：（1）具有等轴细小两相组织，晶粒直径10um,而且在超塑性变形过程中晶粒不显著长大；（2）超塑性形变在（ 0.5-0.65 ）Tm温度范

18、围内进行；（3）低的应变速率 ，一般在-1-4-2s10-10范围内，以保证晶界扩散过程得以顺利进行。陶瓷材料的变形特点：原子之间通常由离子键、共价键所构成的，具有方向性和饱和性，键能相当高。高聚物材料的变形特点：高弹性、粘弹性。很多高分子材料往往会出现均匀形变的不稳定性。非平衡的亚稳态类型：细晶组织；高密度晶体缺陷的存在；形成过饱和固溶体；发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相；晶态转变非晶态，结构有序变为无序。1. 纳米材料：非平衡态结构，存在大量的晶体缺陷；准晶材料：原子分布不具有平移对称性，一种准周期性排列；非晶材料：密集堆积型固体，与晶体相近，具有一定程度的化学序。玻璃化温

19、度Tg 是高弹态向玻璃态转变的温度；黏流温度Tf 为高弹态向黏流态转变的温度。2. 当固溶体因温度变化等原因而呈过饱和状态时，将自发分解，其所含的过饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称为脱溶分解。脱溶分解包括连续脱溶和不连续脱溶。连续脱溶是新相晶核在母相中各处同时发生、随机生成，母相浓度变化，但母相晶粒外形和位向均不改变。不连续脱溶指从过饱和的基体中以胞状形式同时析出包含有与 两相的产物， 为基体相， 为脱溶新相。3. 脱溶沉淀相形状：共格，半共格，非共格；时效强化：均匀脱溶对性能有利，能起到明显的强化作用5. 马氏体转变：一种非扩散型的固态相变。主要特点：无扩散过程，原子协同作小范围

20、位移，以类似于孪生的切变方式形成亚稳态的新相（马氏体），新旧相化学成分不变并具有共格关系。两种马氏体： （1）低碳马氏体：板条状，由宽度约为零点几毫米的平行板条组成的；板条内存在着密度甚高的位错亚结构（位错胞）；具有良好的塑性、韧性；可用作结构材料。（2）高碳马氏体：片状，各片之间具有不同位向，且大小不一；亚结构为微孪晶；塑性低，很脆；用于要求高硬度的工具，刃具等。转变动力学：非热（变温）马氏体：转变在瞬间形成，不需要热激活过程；等温马氏体：转变速率较低，且与温度有关，随着等温温度的降低先是加快，后又减慢；热弹性马氏体：具有可逆性，加热时转变成母相，冷却时又转变成马氏体。特点：a 相变驱动力小

21、、热滞小，b 马氏体与母相的相界面能做正、逆向迁动，c 形状应变为弹性协作性质，弹性储存能提供逆相变的驱动力。1. 能带理论：凝固态材料中各原子能级的分立与简并：最高和最低能级之间的能量差很小，近似把电子能量看成连续变化的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2. 费米狄拉克分布的公式：11)/()(kTEEFef、若 EEf 则 f=0, 物理意义： 1）费米能以下各个能级基本被电子填满，费米能以上各个能级基本上是

22、空的，在费米能 Ef 被电子充填的几率和不充填的几率是相同的；2）只有在 Ef 附近，能态占据情况才会发生变化，即未被电子填满的能级必定在Ef 附近； 3）温度不改变费米能的位置，只使电子热激发，从而具有大于Ef 的能量从价带向导带跃迁，但也只能集中在导带底部，同理，空穴的跃迁也集中在价带的顶部。3. 金属具有高电导率是因为大量电子可被激发到费米能上面的空态而成为自由电子。半导体（本征半导体和杂质半导体）能带结构是完全充满的阶带，并被一个相对窄的带隙（一般小于 2eV）与空导带相隔离。绝缘体的能带结构满价带与空导带间有一个相当大的带隙，通常为 3-6eV，因此，常温下只有极少电子能由热能激发而

23、越过带隙，这意味着具有极小的电导率。4. 金属、半导体、绝缘体电阻率（或电导率）随温度的变化规律：金属电导率随温度的升高而减小；半导体和绝缘体电导率随温度的升高而增加。5. 纯金属、非金属陶瓷导热能力不同的原因：高纯金属中存在大量参与热传导的自由电子，热传递的电子机制远大于声子机制的贡献，因为电子不像声子那样容易被散射，而且具有更高的运动速度。而非金属陶瓷由于它们缺乏自由电子而成为热绝缘体，声子主要承担陶瓷中的热传导，因此，陶瓷具有较低的热导率。6. 热膨胀的本质：由势能谷曲线的不对称曲率所引起的。7. 磁矩起源： 1 电子的自旋磁矩、 2 电子饶原子核运动的轨道磁矩、3 质子和中子在核内运动

24、产生的原子核磁矩。磁性分类及其特征：A反磁性的磁性极弱，且是非永久性的，只有外场存在时反磁性才能持续（无外场时，无偶极存在，有外场时，诱发的偶极沿外场相反的方向调整）；B 顺磁性原子偶极是任意旋转的，外场作用时位向被调整，磁偶极间无交互作用； C 铁磁性在无外场下具有永久性的磁矩，表现出很大的永久性磁化。区别:反磁性和顺磁性材料均被认为非磁性材料，内部磁通量几乎与真空相同，铁磁性材料为永久磁性材料。8. 软磁材料必须具有高的初始磁化率和低的矫顽力，在外磁场中容易磁化或退磁，饱和磁感应强度大；硬磁材料必须具有高的抗退磁能力，具有高的剩磁和高的磁滞能损。9. 物体的颜色和透明度是由反射的波长决定的

25、。大部分绝缘体都呈现透明而金属是都非透明的原因是光的特殊波长具有选择性的吸收，绝缘体具有较小吸收、反射并能透光，而金属中所有光辐射完全被吸收或反射。 。10. 自发辐射和受激辐射的区别：自发发射是一种随机发射过程，每次发射的光子频率、偏振态、相位和运动方向都不一定相同，因此，自发发射是一种无序发射。受激发射也是一种随机发射过程，但发射出的光子频率、偏振态、相位和运动方向都与入射光子相同，这是一种较为有序的发射。半导体加入杂质电导率增加是因为引入了额外的电子和空穴，而加热电导率增加是因为升高温度可使电子激发的热能增加，更多电子被激发到导带，电导率增加。电容 C与储存在任一板的电量有关 C=Q/V; C= 0A/L 0为电容率介电位移 D= 0e (e 为电场） =0V/L 极化强度 P=D-0V/L 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -