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石德珂《材料科学基础》（第2版）笔记和考研真题详解试读：
导 论
0.1 复习笔记
一、材料的分类
工程材料按属性可分为四类：金属材料、陶瓷材料、高分子材料及由前三类相互组合而成复合材料；
按使用性能可分为两大类：主要利用其力学性能的结构材料和主要利用其物理性能的功能材料。
1．金属材料（1）金属材料中包括两大类型：钢铁材料和有色金属。有色金属主要包括铝合金、钛合金、铜合金、镍合金等；（2）在有色金属中，铝及其合金用得最多，这主要是因为铝及其合金的以下特性：
①重量轻，只有钢的1/3；
②有好的导热性和导电性，在远距离输送的电缆中多用铝；
③耐大气腐蚀，可用来制作容器和包装品、建筑结构材料及导电材料。
2．陶瓷材料（1）传统的陶瓷材料是由粘土、石英、长石等成分组成，主要作为建筑材料使用；（2）新型的结构陶瓷材料，其化学组成和制造工艺都大不相同，其成分主要是A1O、SiC、SiN等；2334（3）新型结构陶瓷在性能上的优点：
①重量轻；
②压缩强度高，可以和金属相比，甚至超过金属；
③熔点高，耐高温；
④耐磨性能好，硬度高；
⑤化学稳定性高，有很好的耐蚀性；
⑥电与热的绝缘材料。（4）新型结构陶瓷在性能上的缺点：
①容易脆断；
②不易加工成形。
3．高分子材料（1）高分子材料又称聚合物；（2）按用途可分为：塑料、合成纤维和橡胶三大类型；（3）塑料又分为：通用塑料和工程塑料。
4．复合材料（1）金属、聚合物、陶瓷自身都各有其优点和缺点，如把两种材料结合在一起，就产生了复合材料；（2）复合材料可分为三大类型：塑料基的复合材料、金属基和陶瓷基的复合材料；
5．电子材料、光电子材料和超导材料（1）电子材料是指在电子学和微电子学中使用的材料，主要包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料等；（2）光电子材料；（3）超导材料。
二、材料性能与内部结构的关系
1．材料的性能
上述三种基本类型材料中，金属有好的导电性，有高的塑性与韧性；陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝缘材料；高分子材料的弹性模量、强度、塑性都很低，多数也是不导电的。
2．内部结构关系
这些材料的不同性能都是由其内部结构决定的，从材料的内部结构来看，可分为四个层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。
三、材料的制备与加工工艺对性能的影响
材料的性能取决于其内部结构，只有改变了材料的内部结构才能达到改变或控制材料性能的目的，而材料的制备和加工工艺常常对材料的性能起着决定性作用。
四、什么是材料科学
材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。这一关系可用一四面体表示，如图0-1所示。
图0-1 材料科学与工程四要素
0.2 名校考研真题
1．试举例分析材料加工过程对材料使用性能的影响。[中南大学2007研]
答：材料加工过程对材料使用性能有重要而复杂的影响，材料也必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来。通过合理和经济的合成和加工方法，可以不断创制出许多新材料或改变和精确控制许多传统材料的成分和结构，可以进一步发掘和提高材料的性能。
材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料成分和结构的必要手段。如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能，冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。
2．任意选择一种材料，说明其可能的用途和加工过程。[中南大学2007研]
答：如Al-Mg合金。作为一种可加工、不可热处理强化的结构材料，由于具有良好的焊接性能、优良的耐蚀性能和塑性，在飞机、轻质船用结构材料、运输工业的承力零件和化工用焊接容器等方面得到了广泛的应用。
根据材料使用目的，设计合金成分，考虑烧损等情况进行配料，如A15Mg合金板材，实验室条件下可在电阻坩埚炉中750℃左右进行合金熔炼，精炼除气、除渣后720℃金属型铸造，430～470℃均匀化退火10～20h后，在380～450℃热轧，再冷轧至要求厚度，在电阻炉中进行稳定化处理，剪切成需要的尺寸或机加工成标准试样，进行各种组织、性能测试。
3．说说你对材料的成分、组织、工艺与性能之间关系的理解。[中南大学2007研]
答：材料的成分、组织、工艺与性能之间的关系非常紧密，互相影响。材料的性能与它们的化学成分和组织结构密切相关，材料的力学性能往往对结构十分敏感，结构的任何微小变化，都会使性能发生明显变化。
如钢中存在的碳原子对钢的性能起着关键作用，许多金属材料中一些极微量的合金元素也足以严重影响其性能。然而由同一元素碳构成的不同材料如石墨和金刚石，也有着不同的性能，有些高分子的化学成分完全相同而性能却大不一样，其原因是它们有着不同的内部结构。
材料的内部结构可分为不同层次，包括原子结构、原子的排列方式，以及显微组织和结构缺陷。如果同样的晶体材料，它的晶粒或是“相”的形态和分布改变，就可以大大地改善它的性能。无论是金属、陶瓷、半导体、高分子还是复合材料，它们的发展都与成分和结构密切相关。只有理解和控制材料的结构，才能得到人们所要求的材料性能。
而材料的制备/合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸和形状，而且是控制材料成分和结构的必要手段。如钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能，冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大减少铁损。有时候可以说没有一种合成加工上的新的突破，就没有某一种新材料。如有了快速冷却的加工方法，才有了非晶态的金属合金。
4．谈谈你所了解的新材料、新工艺。[中南大学2007研]
答：材料的种类繁多，把那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料称之为传统材料或基础材料。而把那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料称之为先进材料或新材料。
传统材料通过采用新技术、提高性能可以成为新材料，新材料经过长期生产和应用之后也就成为传统材料。目前新材料往往与新的加工技术联系在一起，如通过一种快速冷却或机械合金化等加工方法，可以制备非晶态的金属合金，而在这之前人们不知道金属还可以做成非晶态；其他如喷射沉积技术、半固态加工技术、净形薄带连续铸造技术等都是新的加工技术。
其中铝合金制备新技术有：热顶铸造、气隙铸造及电磁铸造技术，铝合金电磁铸轧技术，大型铝合金型材挤压技术，特宽铝合金中厚板轧制技术，半固态金属成形技术，铝合金显微组织结构预测及性能控制技术。
5．欧盟于2006年7月1日开始正式执行的RoHS指令（现已成为法令）要求禁止哪些有害物质?其最高允许含量分别是多少?替代有铅钎料的主要钎料系统有哪些?[清华大学2008研]
答：禁用铅（Pb，0.1％）、汞（Hg，0.1％）、镉（Cd，0.01％）、六价铬多溴联苯（PPB，Polybrominated，0.1％）、多溴二苯醚（PBDE，Polybrominated Diphenyl Ether，0.1％）。替代有铅钎料的主要有：Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Bi、Sn-In系统。
第1章 材料结构的基本知识
1.1 复习笔记
一、原子结构
1．原子的电子排列（1）原子可以看成由原子核及分布在核周围的电子所组成，原子核内有中子和质子。（2）确定电子运动轨道的四个量子数分别为：
①主量子数n：它是确定电子离核远近和能级高低的主要参数；
②次量子数l：次量子数反映了轨道的形状，s、p、d、f各轨道在原子核周围的角度分布不同，故又称角量子数或轨道量子数；
③磁量子数m：它基本上确定了轨道的空间取向，s、p、d、f各轨道依次有1、3、5、7种空间取向；
④自旋量子数m：表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的s两个电子，这两个电子也只是在磁场下才具有略为不同的能量。
表1-1 各电子壳层及亚壳层的电子状态主量子数壳次量子数亚磁量子数规定考虑自旋量子数后各壳层总层序号壳层状态的状态数目的状态数目电子数2（=2×11s１22）18（=2×2s 2p2 1 32 62）2 18（=2×3s 3p 3d 3 1 3 52 6 102）3 32（=2×4s 4p 4d 4f 4 1 3 5 72 6 10 142）4 （3）原子核外电子的分布与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：
①泡利不相容原理——一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子；
②最低能量原理——电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。（4）决定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数，各个主壳层及亚壳层的能量水平在图1-1中所示。
图1-1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
2．元素周期表及性能的周期性变化（1）第一周期：主量子数n=1，只有1个亚壳层s态，能容纳2个自旋方向相反的一对电子，故该周期只有两个元素，原子序数分别为121、2，即氢和氦，它们的电子状态可分别记作1s、1s；（2）第二周期：主量子数n=2，有2个亚壳层s、p，其中s态能容纳一对电子，p态能容纳三对自旋方向相反的电子，全部充满后共有八个电子，分别对应于第二周期的八个元素，它们的原子序数Z为3至10；（3）第三周期：主量子数n=3，有三个亚壳层，其中3s、3p共容纳8个电子，按计算3d态可再容纳5×2=10个电子，然而由于4s的轨道能量低于3d，因此当3s、3p态充满后，接着的电子不是进入3d，而是填入新的主壳层（n=4），因而建立了第四周期，这样第三周期仍是八个元素；（4）第四周期：电子先进入4s态，接着填入内壳层3d，当3d的10个位置被占据后，再填入外壳层的4p态的六个位置；（5）第五周期：电子排列方式同第四周期，按5s→4d→5p的顺序排列，所以第四、五周期均为18个元素，成为长周期；（6）第六周期：电子要填充二个内壳层4f和5d，在填满6s态后，电子先依次填入远离外壳层的4f态14个位置，原子序数Z=57～71，通常称为镧系稀土族元素。其后的元素再填充5d、6p直至7s，故第六周期包括了原子序数为55～86的32个元素；（7）第七周期：存在着类似于镧系元素的锕系，它们对应于电子填充5f态的各个元素。
二、原子结合键
根据结合力的强弱可把结合键分成两大类：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键；二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。
1．一次键（1）离子键
当金属原子和非金属原子相结合时，二者分别形成正离子与负离子，正、负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。（2）共价键
价电子数为4或5个的ⅣA、ⅤA族元素，离子化比较困难，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，利用共享电子对来达到稳定的电子结构。（3）金属键
金属原子很容易失去其外壳层价电子而具有稳定的电子壳层，形成带正电荷的阳离子，金属正是依靠正离子与自由电子之间的相互吸引而结合起来的。
2．二次键（1）范德瓦耳斯键
①原子中的电子分布于原子核周围，并处于不断地运动状态，电子的分布具有球形对称性，并不具有偶极矩（图1-2a）；
②由于各种原因导致原子的负电荷中心与正电荷（原子核）中心并不一定重叠，这种分布产生一个偶极矩（图1-2b）；
③一些极性分子的正负电性位置不一致，也有类似的偶极矩，众多原子（或分子）的结合情况如图1-2c所示。
a）理论的电子云分布；b）原子偶极矩的产生；
c）原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合
图1-2 范德瓦耳斯键力示意图 （2）氢键
①当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；
②分子的氢离子侧实质上是一个裸露的质子，对另一个电负性值较大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强的原子（或原子团）之间形成一个桥梁，把两者结合起来，成为氢键；
③氢键可以表达为：
3．混合键
鲍林以下公式来确定化合物AB中离子键结合的相对值：
式中，X、X分别为化合物组成元素A、B的电负性数值。AB
4．结合键的本质及原子间距 （1）固体原子间总存在两种力：
①吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；
②同种电荷之间的排斥力。
两原子间的吸引力和排斥力如图1-3（a）所示。
a）原子间吸引力、排斥力、合力；
b）原子间作用位能与原子间距的关系
图1-3 原子间结合力（2）根据物理学，力（F）和能量（E）之间的转换关系：
所以两原子相互作用的能量随距离的变化如图1-3（b）所示。
5．结合键与性能（1）物理性能
①熔点的高低代表了材料稳定性的程度，熔点与键能值有较好的对应关系；
②材料的密度与结合键类型有关；
③金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性。（2）力学性能
弹性模量是材料应力—应变曲线上弹性变形段的斜率，在拉伸变形中通常称它为杨氏模量，以E表示，其意义为：
即E相当于发生单位弹性变形所需的应力。
三、原子排列方式
1．晶体与非晶体（1）固体材料根据原子（或原子团、分子）的排列可分成两大类：晶体与非晶体（图1-4）。
a）晶态；b）非晶态
图1-4 二氧化硅结构示意图 （2）晶体与非晶体的区别：
①晶体中原子排列是有序的，而非晶体内部原子的排列是无序的，不存在长程的周期排列；
②晶体与非晶体原子排列方式的差异造成两者性能上差别：
a．晶体具有各向异性；
b．非晶体为各向同性。
③从液态转变为晶体和非晶体时，两者表现的行为是不同的：
a．对于晶体，如图1-5所示，从液态冷却凝固（或固态加热熔化）时具有确定的熔点，并发生体积的突变，液体向晶体的转变就不同了，它不是简单的冷却过程，而还具有结构转变，称为结晶；
b．从液态到非晶态固体是一个渐变过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。说明非晶态转变只不过是液态的简单冷却过程，非晶态实质上只是一种过冷的液体。
图1-5 从液态转变为晶体及非晶体的比体积变化
2．原子排列的研究方法（1）研究方法：材料研究中采用X射线或电子束来进行研究，其原理就是光学中的干涉和衍射。（2）布拉格定律：
四、晶体材料的组织
1．组织的显示与观察（1）粗大的组织用肉眼即能观察到，称这类组织为宏观组织；（2）要用金相显微镜或电子显微镜才能观察内部的组织，故组织又常称为显微组织或金相组织。 （a）等轴晶；（b）柱状晶
图1-6 单相组织的两种晶粒形状
2．单相组织
具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同，描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。
3．多相组织
五、材料的稳态结构与亚稳态结构
1．亚稳态结构
能量最低的结构称为稳态结构或平衡态结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。
2．热力学条件
热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，只有这样，过程才能自发进行。
3．自由能的表达式
两种自由能的表达式分别为：（亥姆霍兹）自由能：（吉布斯）自由能：
式中，U为内能；H为焓；S为熵；T为热力学温度。自发转变的倾向取决于自由能的差值，ΔA及AG的绝对值越大，则自发转变的倾向越明显。
化学反应动力学的阿累尼乌斯（Arhennius）方程，在反应速度v与热力学温度T之间满足：
式中，R为气体常数；Q为过程的激活能，它的意义如图1-7所示。
图1-7 激活能的物理意义
4．转变的热力学和动力学条件
材料得到的结构是稳态或亚稳态，取决于转变过程的推动力和阻力（即热力学条件和动力学条件），阻力小时得到稳态结构，阻力很大时则得到亚稳态结构。亚稳态结构可能长期保持相对稳定，但在合适条件下有可能逐步向稳态结构过渡。
图1-8 稳态与亚稳态转变的热力学和动力学条件
1.2 名校考研真题详解
一、选择题
1．化学键中既无方向性又无饱和性的为（ ）。[上海交通大学2005研]
A．共价键
B．金属键
C．离子键【答案】B
2．大多数实际材料键合的特点是（ ）。[浙江大学2006研]
A．几种键合形式同时存在
B．以离子键的形式存在
C．以金属键的形式存在【答案】A
3．原子间的吸引与排斥作用随原子间的间距不同而不同，原子间距不同时，起主要作用的作用力是不一样的，有（ ）。[浙江大学2006研]
A．吸引力在原子十分接近时起主要作用
B．吸引力在远距离时起主要作用
C．排斥力在远距离时起主要作用【答案】B【解析】吸引力是远程力，在远距离是起主要作用；排斥力是近程力，在近距离是起主要作用。
4．极性共价键的形成条件若以成键两原子间电负性差来表示时，其电负性差值为（ ）。[浙江大学2006研]
A．
B．
C．【答案】A【解析】金属键形成的条件是，离子键形成的条件是，共价键形成的条件是
5．容易形成玻璃的物质往往具有（ ）之类的键型。[南京工业大学2009研]
A．离子键
B．金属键
C．极性共价键
D．共价键【答案】C
二、名词解释
1．离子键 [吉林大学2009研]
答：离子键是通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成的。带相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子和电子、原子核与原子核之间又存在着静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键。
2．共价健 [北京工业大学2009研]
答：共价健是指由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键，具有饱和性和方向性。
3．金属键 [西安工业大学2007研]
答：金属键是金属正离子与自由电子之间的相互作用所构成的金属原子间的结合力。
三、简答题
1．判断下列物质的主要结合键 [西安交通大学2003研]
CaO SiC GaAs CuA13
*离子键的相对比值可参考公式：
离子键相对比值
式中，x、x分别为A、B元素的电负性。以下为相关元素的电AB负性值：
表1-10CaCuAlSiGaAsC元素电负性3.441.001.901.611.901.812.182.55
答：CaO：离子键；SiC：共价键；GaAs：共价键；CuAl：金3属键。
2．说明材料中的结合键与材料性能的关系。[中南大学2007研]
答：材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。
物理性能：（1）结合键越强，熔点越高，热膨胀系数就越小，密度也越大。（2）金属具有光泽、高的导电性和导热性、较好的机械强度和塑性，且具有正的电阻温度系数，这就与金属的金属键有关。（3）陶瓷、聚合物一般在固态下不导电，这与其非金属键结合有关。工程材料的腐蚀实质是结合键的形成和破坏。
力学性能：（1）晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般共价键、离子键、金属键结合的晶体比分子键结合的晶体的硬度高。（2）结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大。（3）工程材料的强度与结合键能也有一定的联系。一般结合键能高，强度也高一些。 （4）材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共键结合的材料塑性变形困难，所以陶瓷材料塑性很差。
3．简述原子间四种结合键各自的特点，并从结合键的角度讨论金属的力学特性。[西安理工大学2007研]
答：各种键的特点如表1-2所示。
表1-2键形成晶体的力学性类型作用力来源强能特点离子最硬度高，强度大，
正负离子间的库仑引力键强脆性大共价相邻原子价电子各处于相反的自选状态，硬度高，强度大，强键原子核间的库仑引力脆性大金属较塑性变形能力好，
自由电子气与正离子之间的库仑引力键强强韧性高二次原子与分子间由诱导或永久电偶极子相互硬度低，塑性、韧弱键作用而产生性好 金属键由于没有方向性和饱和性，对原子也没有选择性，在受外力作用下原子发生相对移动时，金属正离子仍处于电子气的包围中，金属键不会受到破坏，因此金属能够经受变形而不断裂，具有较好的塑性变形性能。
4．图1-1为两种材料中原子结合的键能曲线，回答：（1）哪种材料的弹性模量大?（2）哪种材料的热膨胀系数大?（3）依据图1-1，示意画出两种材料的键力曲线。[西安交通大学2003研]
图1-1
答：（1）B；（2）A；（3）见图1-2：
图1-2
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]