科目代码：840

科目名称：材料科学基础

1、考查目标

《材料科学基础》考试内容主要涵盖材料的微观结构、晶体缺陷、材料的凝固及固态相变、变形与断裂及固体材料的电子结构与物理性能等。要求考生注重材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的内在联系，以研究材料的共性规律，为研究生阶段学习后续专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作奠定基础，同时能够解决材料与化工专业领域的实际问题。

2、考试内容：

第一章 材料结构的基本知识

原子的电子分布；元素周期表及性能的周期性变化；最低能量原理； 一次键（离子键，共价键，金属键）；二次键（范德瓦尔斯键，氢键）； 混合键（一次键混合，一次键与二次键混合）；结合键的本质及原子间距；结合键对材料力学及物理性能的影响；晶体与非晶体及其性能的主要差别；原子排列的研究方法。

第二章 材料中的晶体结构

基元的特性；表征晶胞形状的六个参量；选取晶胞的一般原则；14种布拉菲点阵；7个晶系；确定晶向指数的方法；确定晶面指数的方法；确定六方晶系Miller- Bravais晶面指数的方法；确定六方晶系Miller- Bravais晶向指数的方法；晶带及晶带定理；面心立方晶体结构的原子排列、原子最密排面和最密排方向、一个晶胞中的原子数、原子的配位数、点阵常数、致密度、原子间隙、原子堆垛方式；体心立方晶体结构的原子排列、原子最密排面和最密排方向、一个晶胞中的原子数、原子的配位数、点阵常数、致密度、原子间隙；密排六方晶体结构的原子排列、原子最密排面和最密排方向、面间距、一个晶胞中的原子数、原子的配位数、点阵常数、致密度、原子间隙、原子堆垛方式；晶体的多晶型性；晶体的原子半径；离子晶体的主要特点；离子配位数；负离子配位多面体的定义及形状；离子晶体的结构规则（鲍林规则）；离子晶体的典型结构：NaCl晶型，CsCl晶型，立方ZnS (闪锌矿)晶型，六方ZnS (纤锌矿) 晶型，CaF₂(萤石)晶型，TiO₂(金红石)晶型，Al₂O₃(刚玉)晶型；共价晶体的主要特点；共价晶体的典型结构：金刚石晶型，SiO₂(AB₂)晶型

第三章 高分子材料的结构

高分子材料的基本概念；高分子材料的合成；高分子链的化学组成； 结构单元的键接方式和构型；高分子材料的几何形状；高分子链的构象及柔顺性；影响高分子链柔顺性的主要因素；晶态聚合物的结构；非晶态聚合物的结构；聚合物的结晶度与玻璃化温度；高分子材料的主要性能特点；高分子材料性能与结构的关系；改变高分子材料性能的途径。

第四章 晶体缺陷

晶体缺陷的类型；点缺陷的类型；点缺陷的平衡浓度；过饱和点缺陷的产生；点缺陷与材料行为；位错学说的产生；位错的基本类型；用柏氏回路确定位错的柏氏矢量；柏氏矢量与位错线的关系；柏氏矢量的定义；柏氏矢量的表示方法；柏氏矢量的特性；实验观察位错的方法；位错的密度；位错密度与晶体强度的关系；判定位错线运动方向的右手定则；位错的滑移运动（刃位错，螺位错，混合型位错环）；刃位错的攀移运动；螺位错的交滑移运动；应力和应变分析；螺位错应力场公式的推导；螺位错应力场公式的表达式（圆柱坐标系中）；螺位错应力场的特点；刃位错应力场公式的表达式（直角坐标系中）；螺位错应力场的特点；单位长度位错应变能的推导（包括螺位错、刃位错）；单位长度位错应变能的公式（包括螺位错、刃位错、混合位错）；Petch-Koehler公式及其应用；外加应力对位错的作用力；两平行螺位错间的互作用力；同一滑移面内两平行刃位错间的互作用力；平行螺位错与刃位错间的互作用力；平行滑移面内两平行刃位错间的互作用力；位错与溶质原子的弹性互作用；位错与溶质原子的静电互作用；位错与溶质原子的化学互作用；位错的线张力；使两端固定的位错段弯曲的切应力与曲率半径的关系式；位错运动的点阵阻力；晶体表面对位错的作用力；全位错及单位位错；金属晶体结构常见单位位错的柏氏矢量；堆垛层错及层错能；面心立方晶体中常见的不全位错；不全位错与层错的关系；位错反应的条件；扩展位错平衡宽度的计算；层错能对扩展位错平衡宽度的影响；小角度晶界的构造（对称倾斜晶界，扭转晶界）；晶界能与位向差的关系；晶体表面原子结合的特点；晶体的表面能及其与晶界能的关系；晶体的表面形貌与原子面的关系；晶体的表面能对材料性能的影响；吸附现象及其特点；表面吸附的种类、特点、及其作用；晶界内吸附的现象、原因、及其作用；润湿行为及其与界面张力的关系；润湿行为对材料显微组织的影响；润湿行为在炼钢、钎焊、粉末液相烧结、铸造孕育处理方面的应用；三岔晶界的平衡及晶粒的稳定形状；相界能与第二相形状及大小的自发变化。

第五章 材料的相结构及相图

间隙固溶体及影响固溶度的因素；置换固溶体及影响固溶度的因素；陶瓷材料中的固溶方式；固溶体中溶质原子的偏聚与有序；有序固溶体的形成条件及其性能变化；正常价化合物的形成条件及其晶体结构和结合键；电子化合物的形成条件及其晶体结构和结合键；间隙相的形成条件及其晶体结构；间隙化合物的形成条件及其晶体结构；用热分析法测定相图的基本方法（以Cu-Ni相图为例）；相律及自由度；二元匀晶相图；固溶体的平衡结晶；杠杆定理；固溶体的不平衡结晶；二元共晶系典型合金的平衡结晶；二元共晶系合金的不平衡结晶及其组织；二元包晶系典型合金的平衡结晶；二元包晶系合金的不平衡结晶及其组织；二元共析相图，二元熔晶相图，二元偏晶相图，二元包析相图；形成稳定化合物的二元相图，形成不稳定化合物的二元相图；由相图判断材料的力学和物理性能；由相图判断材料的工艺（铸造，焊接，压力加工，切削加工）性能；复杂相图的分析方法；复杂相图（Cu-Sn，ZrO₂-SiO₂）的分析；铁-碳合金的组元（纯铁，石墨，Fe₃C）分析；Fe-Fe₃C相图分析；典型铁-碳合金平衡结晶过程分析；碳对铁-碳合金平衡组织的影响；碳对铁-碳合金力学性能的影响；碳对铁-碳合金流动性的影响；碳对铁-碳合金可锻性的影响；钢中的常存杂质元素及其对性能的影响；钢的分类、牌号及用途；固溶体的自由能-成分曲线；克劳修斯-克莱普隆方程及其应用；溶体中组元化学位的确定方法；多相平衡的条件；二元系统的相平衡；由吉布斯自由能-成分曲线推测（匀晶、共晶、包晶、具有调幅分解的）相图；三元相图的成分表示方法（等边三角形法，等腰三角形法，直角三角形法）；三元匀晶相图：空间构造，等温截面，平衡结晶过程，变温截面；三元系中的两相平衡：平衡条件，两相区的空间形状，水平截面中的两相区，垂直截面中的两相区；三元系中的三相平衡：平衡条件，三相区的空间形状，水平截面中的三相区及重心法则，三相区的相转变类型，垂直截面中的三相区；三元系中的四相平衡：平衡条件，四相区的形状及反应类型，垂直截面中的四相区，液相面投影图中的四相反应；三元系中的相区接触；空间构造，平衡结晶过程分析，等温截面，液相面投影图，全投影图，垂直截面；液相完全互溶固相完全不互溶具有四相共晶反应三元相图。

第六章 材料的凝固与气相沉积

液体的结构特点；结晶的一般过程；过冷现象及过冷度；结晶的驱动力及必要条件；均匀形核的临界晶核半径及临界形核功；非均匀形核的临界晶核半径及临界形核功；晶核长大的驱动力及必要条件；固/液界面的微观构造及其对晶核长大方式的影响；平衡凝固的特征；正常凝固方程的推导；正常凝固方程及其运用；稳态凝固方程的推导；成分过冷的概念；成分过冷的临界条件；成分过冷对固/液界面形貌的影响；成分过冷对固溶体生长形态的影响；成分过冷对合金铸造性能的影响；共晶体形态的类型及其影响因素；共晶体的形核机制及生长机制；先共晶相形态的类型及其影响因素；铸锭的凝固组织及偏析；连续铸造的组织及熔化焊的组织；凝固法在材料制备技术中的应用（区域提纯，制备单晶、金属玻璃，定向凝固）。

第七章 扩散与固态相变

扩散第一定律；扩散第二方程；扩散第二方程的误差函数通解；利用初始条件或边界条件求解扩散第二方程的特解；无限长扩散偶中的浓度分布；半无限长扩散偶中的浓度分布（渗碳方程，脱碳方程）；扩散的微观机制（间隙机制，空位机制）；扩散系数的微观表达式；间隙原子在立方晶系（简单立方，体心立方，面心立方）中的扩散系数；互扩散及互扩散系数；间隙扩散和空位扩散的扩散激活能；扩散激活能与扩散系数的关系表达式；扩散激活能的实验测定原理；扩散的驱动力及上坡扩散和下坡扩散；反应扩散及其特点；各种因素（温度，原子键力，晶体结构，固溶体类型与浓度，晶体缺陷）对扩散的影响。

第八章 材料的变形与断裂

金属典型拉伸曲线及其三个阶段；弹性变形的主要特点；弹性模量的物理意义；晶体滑移及其观察方法；晶体滑移的机制；晶体的常见滑移系；孪生变形及其机制；影响孪生变形的因素；孪生的观察；晶体滑移与孪生变形的比较；孪生在塑性变形中的作用；作用在滑移系上的分切应力的计算；确定始滑移系的两种方法；施密特定律；夹头固定情况下晶体转动的规律及原因；晶体滑移的种类（单滑移，多滑移，交滑移）；单晶体表面滑移线方向的确定；多晶体变形的特点；霍尔-珮奇公式；细晶强化及其位错机理；形变强化及其位错机理；位错增殖的三种机制；单晶体的典型应力-应变曲线及位向的影响；单晶体流变应力与位错密度的关系；形变强化的工程意义；固溶强化及其强化机理；影响固溶强化的主要因素；退火态低碳钢屈服的特点及其位错理论解释；退火态低碳钢的应变时效现象、原因及工程应用；可变形第二相微粒的强化机理——切过机制；不可变形第二相微粒的强化机理——绕过机制；铝合金的时效序列及时效强化机理；冷变形金属的组织和性能变化；金属的理论断裂强度和实际断裂强度及二者明显不同的原因；格雷菲斯理论；冷变形金属加热时的组织和性能变化；回复的驱动力及回复的机制；回复动力学；再结晶的驱动力及再结晶形核；再结晶动力学；影响再结晶的因素；再结晶后晶粒长大的驱动力及长大方式；二次再结晶现象和原因及其对材料性能的影响；金属热变形及其过程；金属热变形的组织和性能变化；金属的蠕变现象及机理；金属的超塑性及应变速率敏感指数；超塑变形机制及实现超塑性的条件；陶瓷晶体变形的特点及其原因；热塑性塑料变形的特点；热固性塑料变形的特点。

第九章 固体材料的电子结构与物理性能

能带的形成；金属（碱金属，贵金属，碱土金属，过渡族金属）的能带结构与导电性；费米分布函数；温度对费米分布的影响；费米能的意义；导体、半导体和绝缘体能带结构及导电性的比较；本征半导体的特性；掺杂半导体的特性；化合物半导体；原子的磁矩；抗磁体、顺磁体和铁磁体；磁化曲线与磁畴结构；软磁材料和硬磁材料；温度对磁性的影响及居里温度；光子的能量及光的吸收与透射；材料的反光与发光（荧光，磷光，激光）；摩尔热容及其特性；材料热膨胀的原因及熔点的影响；材料（金属，陶瓷和绝缘体，半导体）的导热性能；形状记忆效应及其原理简介；常用形状记忆合金；形状记忆合金应用举例。

3、考试基本题型

主要题型可能有：名词解释、判断题、选择题、计算题、填空题、简答题或论述题，试卷卷面满分为150分。

4、参考书目

石德珂、王红洁.材料科学基础[M].机械工业出版社（第3版），2024年7月。