一、考试的基本要求
要求考生比较系统地理解材料的微观结构、成分、制备工艺及性能之间的关系和各类材料表征手段，掌握材料科学的基本理论、基本概念和基本技能，学会如何分析、解决工程实际问题，建立基本的材料科学与工程思维方式，并初步具备材料研究、测试、分析和加工的能力。同时要求考生具有抽象的空间思维能力和综合运用所学的知识分析问题和解决问题的能力。
二、考试方法和考试时间
材料科学基础考试采用闭卷笔试形式，试卷满分为150分，考试时间为180分钟。
三、考试内容
（一）原子的结构与键合
1、原子结构与键合
（1）原子和电子的结构特征（四个量子数）
（2）原子间的键合（金属键、离子键、共价键、分子键、氢键）
（二）固体结构
1、晶体学基础
（1）空间点阵和晶胞
（2）晶面指数和晶向指数
（3）晶体的对称性
（4）极射赤面投影及倒易点阵
2、金属的晶体结构
（1）三种典型的金属晶体结构
（2）晶体的原子堆垛和间隙
3、合金的相结构
（1）固溶体（定义、分类、均匀性、性质）
（2）中间相（四种类型的化合物及其性质和应用）
4、离子晶体和共价晶体的结构
（1）离子晶体的结构规则（正、负离子配位规则、多面体共用规则）
（2）典型的离子晶体结构（AB型、AB2型、A2B3型、ABO3型、AB2O4型、硅酸盐型）
（3）共价晶体结构
5、准晶、液晶和非晶态结构
（1）准晶态结构（5重对称性）
（2）液晶态结构
（3）非晶态结构
（三）晶体缺陷
1、点缺陷
（1）点缺陷的形成
（2）点缺陷的平衡浓度
（3）点缺陷的运动
2、位错
（1）位错的基本类型和特征（刃型、螺型、混合型）
（2）柏氏矢量（概念、性质、表示方法）
（3）位错的运动（滑移、攀移、交割）
（4）位错的弹性性质（应力场、应变能、线张力、作用在位错上的力、位错间交互作用力）
（5）位错的生成和增殖（位错密度、位错的生成、位错的增殖）
（6）实际晶体中的位错（柏氏矢量、层错、不全位错、位错反应、各晶体结构中的位错）
3、表面与界面
（1）表面（表面能）
（2）晶界和亚晶界（小角、大角晶界、晶界能、晶界特性）
（3）相界（共格、半共格、非共格）
（四）固体中原子及分子的运动
1、扩散的表象理论
（1）菲克第一定律
（2）菲克第二定律
（3）扩散方程的解
（4）置换型固溶体中的扩散（Kirkendall效应）
（5）扩散系数D与浓度相关时的求解
2、扩散的热力学分析
3、扩散的原子理论
（1）扩散的微观机制
（2）原子跳跃和扩散系数
4、扩散激活能
5、影响扩散的因素
6、反应扩散
（五）材料的形变和再结晶
1、材料应力应变曲线、弹性和黏弹性
（1）材料的应力应变曲线（弹性极限、屈服极限、胡克定律）
（2）弹性变形的本质
（3）弹性变形的特征和弹性模量
（4）弹性的不完整性（包申格效应、弹性后效、弹性滞后）
（5）黏弹性
2、晶体的塑性变形
（1）单晶体的塑性变形（滑移、孪生、扭折）
（2）多晶体的塑性变形（晶粒取向、晶界的影响）
（3）合金的塑性变形（固溶体、多相合金）
（4）塑性变形对材料组织与性能的影响（形变织构、残余应力、点阵畸变、加工硬化）
3、回复与再结晶
（1）冷变形金属在加热时组织和性能的变化
（2）回复（动力学、机制）
（3）再结晶（形核和长大、动力学、影响因素）
（4）晶粒长大（正常长大、异常长大）
（5）再结晶退火组织（再结晶退火后的晶粒大小、再结晶织构、退火孪晶）
4、热变形与动态再结晶
（1）动态回复与动态再结晶（机制、组织结构变化）
（2）热加工对组织和性能的影响
（3）高温蠕变
（4）超塑性
（六）单组元相图和纯金属的凝固
1、单元系相变的热力学和相平衡
（1）相平衡条件和相律
（2）单元系相图
2、纯金属的凝固
（1）纯金属凝固的基本条件（热力学、结构、能量）
（2）形核（均匀形核、非均匀形核）
（3）晶体的长大（晶体长大的条件、固液界面结构、晶体长大机制和速率）
（4）结晶动力学和凝固组织
（5）凝固理论的应用实例
（七）二元相图
1、二元相图的表示、测定方法和几何特征
（1）相图的表示与测定方法
（2）二元相图热力学的基本要点（自由能-成分曲线、多相平衡公切线、杠杆定律、二元相图的几何特征）
2、二元相图的分析
（1）二元匀晶相图（固溶体平衡及非平衡凝固、杠杆定律计算）
（2）二元共晶相图（平衡及非平衡凝固、组织形态、杠杆定律计算）
（3）二元包晶相图（平衡及非平衡凝固、杠杆定律计算）
（4）其它类型的二元相图（具有化合物、偏晶、合晶、溶晶、固态相变）
（5）复杂二元相图的分析方法（分解型、合成型）
（6）Fe-Fe3C相图（相图分析、典型合金的冷却曲线及组织形态）
（八）X射线衍射
1、X射线衍射物理学基础
（1）X射线的特点
（2）X射线的产生
2、X射线晶体学基础
（1）相干散射
（2）非相干散射
（3）X射线的吸收
（4）荧光X射线
3、晶体结构的X射线衍射分析
（1）X射线衍射的本质
（2）X射线衍射的方向（劳埃方程、布拉格方程）
（3）X射线衍射的强度（结构因子、系统消光）
4、X射线衍射分析仪
（1）仪器结构（仪器结构及其各部件用途）
（2）样品制备（样品制备方法、样品粒度要求）
（3）仪器测试参数（参数意义）
5、X射线衍射分析仪的应用
（1）物相分析和化学分析（定性相分析和定量相分析）
（2）晶粒大小的测定（谢乐公式）
（3）结晶度测试
（九）X射线光电子能谱
1、原子中电子的分布和跃迁
2、电子能谱学的定义
3、X射线光电子能谱分析的基本原理
（1）光电子的产生（光电效应、电子结合能、弛豫效应）
（2）化学位移（化学环境、化学位移现象起因及规律、与元素电负性关系、与原子氧化态关系）
（3）X射线光电子能谱仪结构（具体结构及其作用）
4、X射线光电子能谱仪谱图分析
（1）XPS谱图表示
（2）XPS谱图特点（谱峰、背底、伴峰）
（3）XPS谱图中原子能及的表示方法
（4）XPS峰强度的经验规律
（5）XPS光电子线及常见伴线分析（光电子线、俄歇线、XPS卫星线、元素定性分析、元素定量分析）
（6）X射线光电子能谱的应用（表面元素全分析、元素窄谱分析）
（十）透射电子显微镜的构造及其功能
1、电子波长和电磁透镜
（1）电子波长（电子波长和加速电压的关系）
（2）电磁透镜（静电场透镜、电磁透镜、像差）
2、构造及其特性
（1）照明系统（电子枪、聚光镜）
（2）多功能试样室
（3）成像系统（物镜、中间镜、投影镜、放大倍数）
（4）图像观察与记录系统（慢扫描CCD摄像机、成像板）
（5）真空和供电系统
（6）仪器数据处理系统
3、成像、变倍和衍射实现的原理
（1）透镜成像原理（像平面、背焦面、放大倍率）
（2）三级透镜成像原理（透镜变倍原理、三级透镜总放大倍率与中间镜电流的函数）
4、理论分辨本领极限
（1）分辨本领影响因素
（2）提高分辨本领的方法（最佳孔径半角、理论分辨本领极限、物镜光阑）
5、焦深和场深
（1）焦深和场深定义
（2）焦深和场深表达式
（十一）透射电子显微镜试样的制备方法
1、表面复型技术
（1）一级复型
（2）塑料-碳二级复型
（3）抽取复型
2、粉末试样和薄膜试样的制备
（1）粉末试样的制备
（2）薄膜试样的制备
3、块体试样制成薄膜的技术
（1）金属块体制成薄膜试样
（2）无机非金属块体制成薄膜试样
（3）高分子块体制成薄膜试样
（4）聚焦离子束方法
（十二）电子衍射
1、电子衍射与X射线衍射的比较（相似性、差异性）
2、衍射产生的条件
（1）几何条件（布拉格方程、衍射几何推导、爱瓦尔德球、倒易点阵、倒空间满足衍射几何的条件）
（2）物理条件（结构振幅、晶体形状的倒易阵点扩展、偏离矢量）
3、电子衍射几何分析公式及相机常数
（1）电子衍射仪中的衍射（电子衍射仪、电子衍射几何分析公式）
（2）透射电子显微镜中的衍射（衍射花样的形成方式、有效相机常数、有效相机长度、磁转角、三透镜变倍原理）
4、选区电子衍射的原理及操作（定义、原理、操作）
5、多晶电子衍射花样及其应用
（1）多晶电子衍射花样的产生及几何特征（非晶衍射花样的特点、产生原理）
（2）多晶电子衍射花样的应用（相机常数的标定、相机常数标定方法、未知多晶物相的鉴定）
6、单晶电子衍射花样及其应用
（1）单晶电子衍射花样的几何特征和强度（单晶电子衍射花样的几何特征、晶带定律、单晶电子衍射花样产生原理）
（2）单晶电子衍射花样的标定方法（尝试校核法、标准花样对照法）
（3）单晶电子衍射花样的基本应用（物相鉴别、晶体取向分析）
7、复杂电子衍射花样的特征和标定方法
（1）平面缺陷的衍射（倒易杆）
（2）具有取向关系的电子衍射花样
（3）超点阵衍射花样（固溶体、超点阵斑点）
（4）二次衍射花样（二次衍射现象、二次衍射原理）
（十三）电子衍射衬度成像
1、电子像衬度的分类及其成像方法
（1）电子像衬度分类（质量厚度衬度、电子衍射衬度、相位衬度）
（2）质厚衬度成像原理（单原子散射、散射截面、质厚衬度成像原理）
（3）衍射衬度成像原理（明场成像、离轴暗场成像、中心暗场成像、弱束暗场成像）
（4）相位衬度成像原理（晶格条纹像、晶体结构原子像）
2、衍衬运动学理论（基本假设和近似处理、完整晶体衍衬的运动学方程、完整晶体运动学衍衬理论的实验验证）
（十四）高分辨电子显微术
1、高分辨电子显微术
（1）傅里叶变换与卷积理论（定义，推导）
（2）高分辨像形成过程描述函数
（3）弱相位体高分辨像的直接解释（晶格条纹像、一维结构像和二维结构像）
2、会聚束电子衍射
（1）会聚角花样成型和特征（斑点尺寸、半会聚角和相机常数）
（2）会聚束电子衍射的应用（厚度的确定）
3、薄膜试样的X射线能谱分析
（1）X射线固体探测器的原理
（2）薄试样成分定量分析原理和特点（定量分析原理、用途）
4、电子能量损失谱及其定量微观分析
（1）电子能量损失谱原理
（2）电子能量损失谱应用
（2）X射线能谱与电子能量损失谱各自的特点
（十五）扫描电子显微镜
1、SEM相关应用（应用领域）
2、SEM仪器工作原理及相关术语（SEM和TEM工作原理区别、放大倍数、景深、分辨率、加速电压）
3、SEM成像机理（信号产额、信号检测、形貌衬度、原子序数衬度、电压衬度、磁衬度）
（十六）紫外光电子能谱
1、紫外光电子能谱原理
2、紫外光电子能谱分析及特点
（1）谱带形状和位置
（2）分子轨道的相互作用
（3）紫外光电子能谱的特点
3、紫外光电子能谱的应用
（1）如何表征固体表面
（2）紫外光电子能谱的应用范围
（十七）热分析
1、热分析定义于分类
（1） 定义
（2） 分类（差热分析与差示扫描量热法、热重分析法、热机械分析法、介电分析法、导热系数仪热流法）
2、热分析的发展历史
3、热分析的技术基础
4、热分析的研究内容
（1） 物理变化（晶型转变、相态变化和吸附等）
（2） 化学变化（脱水、分解、氧化和还原等）
5、热分析的应用
（1） 成分分析
（2） 稳定性分析
（3） 化学反应研究
（4） 材料质量检定
（5） 材料力学性质测定
（6） 环境监测
6、热分析仪原理及其特点
（1） 热分析仪原理结构（组成部件及功用）
（2） 热分析仪特点
7、热重法
（1） 定义（热重法、热重曲线）
（2） 热重仪及对其温度标定（热重仪的结构、原理、分类）
（3） 热重法的计算（失重率）
（4） 微商热重法（微商热重曲线）
（5） 热重曲线的影响因素（仪器因素、实验条件影响因素）
（6） 热重法的应用
8、差示扫描量热法
（1） 定义、基本原理和分类（功率补偿型DSC和热流型DSC）
（2） DSC曲线及其影响因素（实验条件、试样特性、DSC曲线峰面积的确定、仪器校正）
（3） DSC的应用（玻璃化转变温度的测定、混合物和共聚物的成分检测、结晶度的测定）
（十八）多孔材料分析
1、孔材料的概念及其分类
2、学习孔材料的意义
3、孔材料的特点
4、孔材料的相关参数和表征
（1） 孔结构性能指标（比表面积、孔径、孔径分布、孔体积、孔隙、孔形状）
（2） 孔的分类（微孔、介孔、大孔、纳米孔、超微孔、极微孔）
（3） 多孔材料的分类（微孔材料、介孔材料、大孔材料）
（4） 多孔材料的应用
（5） 孔的表征（孔隙度、孔隙度测定方法、微孔结构分析、孔径分布、比表面积和孔隙度分析仪）
四、掌握重点
（一）原子间键合的种类及特点
（二）晶向指数和晶面指数的标定
（三）晶体结构中原子间隙的计算
（四）晶体缺陷的种类、运动方式及特点
（五）菲克第一定律和第二定律的表达式及适用条件
（六）单晶体滑移、孪生变形的主要特点，熟练掌握滑移的微观机理
（七）冷变形金属在加热时发生回复、再结晶和晶粒长大时的条件、动力学特点、微观机理和影响因素
（八）金属结晶形核和长大的基本原理及其应用
（九）典型二元相图的分析方法及其应用
（十）X射线衍射的原理、X射线衍射仪的原理、X射线衍射数据的分析
（十一）X射线光电子能谱分析原理及其应用
（十二）透射电镜构造以及成像、变倍原理
（十三） 电子衍射产生的条件、电子衍射几何分析公式及相机常数、多晶衍射花样分析、单晶衍射花样分析
（十四）电子像衬度的分类及其成像方法
（十五）X射线能谱分析和电子能量损失谱分析的特点
（十六）SEM仪器工作原理及SEM成像机理
（十七）紫外光电子能谱原理及其应用
（十八）热分析原理及其应用、热重和差示扫描量热法的特点及其分析方法和应用
（十九）多孔材料的分类及其表征方法
五、主要参考书目
[1] 胡庚祥等编著，《材料科学基础（第三版）》，上海交通大学出版社，2010。
[2] 刘智恩主编《材料科学基础（第4版）》，西北工业大学出版社，2013。
[3] 潘金生等编著，《材料科学基础（修订版）》，清华大学出版社，2011。
[4] 齐海群等编著，《材料分析测试技术》，北京大学出版社，2011
[5] David B. Williams著，李建奇翻译，《透射电子显微学》，高等教育出版社，2015
[6] 杜希文、原续波主编，《材料分析方法》，天津大学出版社，2017
编制单位：陕西师范大学
编制日期：2021年7月15日
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