材料科學(xué)的基本理論框架

第五章材料科學(xué)的基本理論框架

FrameworkofprincipaltheoriesinMaterialsScience第一節(jié)材料電子結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部原子間相互作用第二節(jié)材料的原子排列特征第三節(jié)材料中的結(jié)構(gòu)缺陷第四節(jié)材料中的原子擴散第五節(jié)材料的相圖與相變第六節(jié)材料的強化與韌化材料不是力學(xué)意義上的連續(xù)介質(zhì)，而是具有豐富多彩的不同層次結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。各個層次上的結(jié)構(gòu)都影響著材料的行為與性能。不同結(jié)構(gòu)層次上材料的特征與行為，組成材料科學(xué)的基本理論。介紹其主要理論框架：材料的電子結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部的原子間相互作用；材料的原子排列特征；材料的結(jié)構(gòu)缺陷；材料中的原子擴散；材料的相圖與相變；材料的強化與韌化等。第一節(jié)材料電子結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部的原子間相互作用一、原子結(jié)構(gòu)和微觀粒子的量子化描述1．原子運動狀態(tài)的特征物質(zhì)（材料）是由一種或多種元素的原子結(jié)合而成，帶負電的電子通過靜電吸引被束縛在原子核周圍。對材料構(gòu)成和物質(zhì)起重要作用的是外層價電子。粒子的運動規(guī)律與宏觀物體是很不相同的

，微觀粒子具有波粒二象性。一方面具有尺寸大小、動量、能量或位置的改變，（粒子性）；另一方面微觀粒子在運動中又象波一樣在空間各處按一定的幾率分布，它們可以產(chǎn)生衍射效應(yīng)，其軌道具有不確定性（波動性）。２．電子組態(tài)、周期表及材料應(yīng)用周期表(元素性質(zhì)周期性的變化的圖示)，是按元素的電子組態(tài)建立起來的。元素的電子結(jié)構(gòu)由若干殼層構(gòu)成，外層電子數(shù)（s、p能級）是最重要的。應(yīng)用：同族（外層電子數(shù)一樣）元素的合金化的效應(yīng)相似，可相互替代。硫（ⅥB族）提高鋼的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一目的的不銹鋼和非鐵合金；鎢（ⅥA族）提高鋼的高溫抗軟化性，同族的鉬及鉻（效果稍差）可替代之。由于周期表與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)和其科學(xué)性，常用于材料發(fā)展、研究中。二、原子間相互作用靠相互吸引作用（構(gòu)成結(jié)合?。咏Y(jié)合成分子或凝聚態(tài)物質(zhì)（液體或固態(tài)）。較遠距離時，引力占優(yōu)勢；近距離時斥力占優(yōu)勢，存在一個平衡距離。從而原子結(jié)合成分子，或多原子（或分子之間）結(jié)合成材料。三、工程材料的鍵性１．原子間結(jié)合鍵類型與性質(zhì)

鍵型：

一次鍵（強鍵）：離子鍵、共價鍵、金屬鍵；

二次鍵（弱鍵）：范德瓦爾斯鍵、氫鍵；各類鍵特征

表5-1范德瓦爾鍵形成：一個分子的正電荷部位與另一分子的負電荷部位間以微弱靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為分子鍵。

特性：分子晶體因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點很低，硬度也低。但其絕緣性良好。離子鍵

共價鍵金屬鍵結(jié)構(gòu)特點

方向性不明顯，配位數(shù)大

方向性明顯，配位數(shù)小，密度小

無方向性，配位數(shù)大，密度大

力學(xué)性能

強度高，劈裂性良好，硬度大

強度高，硬度大

有各種強度，有塑性

熱力性質(zhì)

熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在

熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子

有各種熔點，導(dǎo)熱性好，液態(tài)的溫度范圍寬

電學(xué)性質(zhì)

絕緣體，熔體為導(dǎo)體

絕緣體，熔體為非導(dǎo)體

導(dǎo)電體（自由電子）

光學(xué)性質(zhì)

與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，對紅外線的吸收強，多是無色或淺色透明的

折射率大，同氣體的吸收光譜很不同

不透明，有金屬光澤

金屬原子間的鍵合特點2.工程材料的鍵性金屬材料：主要為金屬鍵（Na、Cu、Ag等），也有共價鍵（灰錫）和離子鍵（Mg3Sb2）；過渡金屬為不飽和共價鍵（故結(jié)合力強、熔點高、彈性模量大，而導(dǎo)電性遠不如簡單金屬）。具有較好強韌性。陶瓷材料：離子鍵和共價鍵（如金剛石、硅、碳化硅），多以離子鍵為主；故硬而脆，導(dǎo)電性差。高分子材料：共價鍵和分子鍵，大分子鏈內(nèi)為強結(jié)合的共價鍵（如碳與氫、碳與碳），大分子鏈間為弱結(jié)合的分子鏈。故而熔點低、強度低、剛性差。復(fù)合材料：多種物質(zhì)的多種鍵的組合；可具有特殊性能。 四.材料的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性導(dǎo)電現(xiàn)象：金屬外層價電子結(jié)合時構(gòu)成未填滿的能帶，電場下可自由流動（導(dǎo)電）；非金屬外層為空能帶，內(nèi)層為滿帶，兩帶之間大的能量間隔（能隙），外場不能激發(fā)，故為絕緣體；半導(dǎo)體具有小能隙（～1ev），稍高溫度能被熱激發(fā)而導(dǎo)電。超導(dǎo)電性：低溫下電阻為零和排斥磁力線（完全抗磁性）的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)體：在一定溫度下具有零電阻、超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料。原因：電子構(gòu)成“庫柏對”（再構(gòu)成整體，見第十四章）超導(dǎo)應(yīng)用：超導(dǎo)輸電、磁懸浮列車、超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)儲能、磁力體發(fā)電機、超導(dǎo)計算機（運算速度快10多倍，2050年實用化）以及推動航天飛機（加速到接近光速，做星際旅行）第二節(jié)材料的原子排列特征原子排列對固體材料的微觀結(jié)構(gòu)和行為起著重要的作用金屬、陶瓷、聚合物的原子排列很不同→性能亦很不同。一、聚集態(tài)與原子排列１．原子排列的秩序：無序、短程有序和長程有序。圖5-1２．晶體與非晶體（固體材料）①非晶體：僅短程有序，亦稱無定形、玻璃態(tài)，如普通玻璃，部分高聚物材料。②晶體：長程有序材料，如金屬、半導(dǎo)體、大部分陶瓷及某些高聚物（如等規(guī)聚丙烯、尼龍），雪花；可以有規(guī)則外形（如六角形的雪花，大顆粒結(jié)晶狀食鹽），也可以沒有規(guī)則的外形，但內(nèi)部原子仍規(guī)則排列（如鹽末、沙粒、鵝卵石、金屬或非晶態(tài)合金）。

同一成分的物質(zhì)在不同條件下可形成晶體或非晶體，如SiO2→水晶（晶體）或石英（玻璃）；金屬（晶體）或非晶態(tài)合金。材料的結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C6012元素單質(zhì)化合物材料12

元素及其性質(zhì)12一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1、晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)材料的原子排列非晶態(tài)原子排列短程有序或無序非晶體的特點是：①結(jié)構(gòu)無序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；③沒有固定的熔點；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性小；2、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣晶格與晶胞晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣二.工程材料中的原子排列晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子重復(fù)周期性排列的具體方式（花樣、類型）。1.金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu)圖5-2重復(fù)排列的最小單元即晶胞，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了晶體。用原子半徑、配位數(shù)（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（致密度）描述原子尺度及原子排列的緊密程度。用晶向指數(shù)、晶面指數(shù)反映其晶體性和原子排列的非均衡性（各向異性）三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖5-3

面心立方：Cu、Al、Ni、Au等配位數(shù)12致密度0.74

體心立方：Fe、Cr、Mo等配位數(shù)8致密度0.68

密排六方：Zn、Mg等配位數(shù)12致密度0.74返回17演示bccfcchcp二.工程材料中的原子排列晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子重復(fù)周期性排列的具體方式（花樣、類型）。1.金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu)圖5-2重復(fù)排列的最小單元即晶胞，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了晶體。用原子半徑、配位數(shù)（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（致密度）描述原子尺度及原子排列的緊密程度。用晶向指數(shù)、晶面指數(shù)反映其晶體性和原子排列的非均衡性（各向異性）三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖5-3

面心立方：Cu、Al、Ni、Au等配位數(shù)12致密度0.74

體心立方：Fe、Cr、Mo等配位數(shù)8致密度0.68

密排六方：Zn、Mg等配位數(shù)12致密度0.74Chapter2StructureofMaterials20(1)bcc（1）（體心立方）bccbody-centeredcubicstructure堿金屬、α-Fe

、難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等體心立方晶格常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)Chapter2StructureofMaterials(2)fcc（2）(面心立方）fccface-centeredcubicstructureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，貴金屬以及奧氏體不銹鋼等,塑性好，無冷脆性

Chapter2StructureofMaterials23(3)hcp（3）密排六方hcphexagonalclose-packedstructureα-Ti，α-Co，α-Zr，Zn，Mg等

２．陶瓷材料由于鍵性的影響（共價鍵的方向性、離子鍵的正、負離子配位），陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)遠比金屬復(fù)雜，構(gòu)成離子晶體（如MgO、Al2O3等）或共價晶體（如Si3N4、SiC等）。陶瓷化合物（離子晶體）中非金屬原子大、構(gòu)成骨架，金屬原子小，嵌藏在非金屬原子的間隙之中，組成四面體或八面體（圖5-4）。配位四、八面體在空間按一定規(guī)則排列（連接），構(gòu)成各種較復(fù)雜結(jié)構(gòu)－如金剛石型結(jié)構(gòu)、氯化鈉（巖鹽型）等。圖5-5

圖5-6硅-氧四面體（SiO2）的隨機排列（可加入各種添加劑，以改善流動性、折射系數(shù)、色散等），就構(gòu)成了各種工業(yè)玻璃（非晶態(tài)），表5-2硅酸鹽結(jié)構(gòu)

Silicate

Structure基本結(jié)構(gòu)單元：硅氧四面體[SiO4]四面體連接方式：共頂連接Chapter2StructureofMaterials25非橋氧nonbridgingoxygen橋氧bridgingoxygen26Chapter2StructureofMaterials26Silicatestructure硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型島狀

鏈狀層狀網(wǎng)架狀27Chapter2StructureofMaterials27硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖3.有機聚合物的原子排列高聚物的大分子鏈多為扭曲的線性狀，可為線型、支鏈型（帶側(cè)鏈）和體型（交聯(lián)），圖5-7多條鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，一定條件下可以規(guī)則排列，形成晶區(qū)（≦80%），否則就是非晶態(tài)，晶區(qū)可提高高聚物強度、剛度。結(jié)晶性結(jié)晶——指聚合物大分子既是近程有序，又是遠程有序地排列現(xiàn)象。

塑料結(jié)晶型塑料非結(jié)晶型塑料（無定型塑料）第三節(jié)材料中的結(jié)構(gòu)缺陷實際晶體的原子排列并不完整（規(guī)則）無缺（金無足赤），包含各種缺陷（局部范圍內(nèi)與理想結(jié)構(gòu)的偏離）。按其尺度（在空間延伸的線度、范圍）分點、線、面缺陷以及熱無序。一.熱振動導(dǎo)致的無序材料中原子只有0K(絕對溫度0度)時才能基本靜止（尚有微小的零點振動），隨溫度的升高，熱運動明顯，原子圍繞平衡位置往復(fù)運動（熱運動），頻率為～1012/s。瞬時原子位置圖像：原子并非規(guī)則排列，產(chǎn)生微小的位移，偏離其理想（即平衡）位置，稱熱無序。熱振動引起系列熱現(xiàn)象、熱性質(zhì)、熱容、熱傳導(dǎo)、熱膨脹、紅外吸收以及溫度升高電阻加大和電介質(zhì)擊穿等。二.點缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子）點缺陷：三維尺寸很?。ā?.1nm量級），圖5-8。空位由于熱運動，部分高能量原子脫離原來晶格位置，造成空缺。凝固過程、塑性變形以及高能粒子輻射也促進空位的形成。間隙原子是外來小原子（如鐵中H、C、N和O）占據(jù)了晶格間隙位置；較大原子（可以是雜質(zhì)原子，也可以是有意加入的合金化原子）與晶格原子換位，占據(jù)結(jié)點位置。點缺陷濃度很低，但影響材料強度和導(dǎo)電等物性，提供原子擴散的方式（空位擴散、間隙擴散）。應(yīng)用：半導(dǎo)體材料鍺（四價）中摻雜五價砷（或三價的鎵），造成雜質(zhì)導(dǎo)電或空穴導(dǎo)電，極大改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征。①點缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子點缺陷種類空位（vacancy）——正常結(jié)點沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點。間隙原子（interstitialatom）——原子進入晶格中正常結(jié)點之間的間隙位置。置換式雜質(zhì)原子（substitutionalimpurityatom）——外來原子進入晶格，取代原來晶格中的原子而進入正常結(jié)點的位置間隙式雜質(zhì)原子（interstitialimpurityatom）——外來原子進入點陣中的間隙位置，成為雜質(zhì)原子。Chapter2StructureofMaterials33熱缺陷雜質(zhì)缺陷三、線缺陷（位錯）位錯：在空間一個方向延伸的原子排列不規(guī)則性，結(jié)晶和塑性變形時很容易產(chǎn)生位錯。類型：刃型位錯、螺型位錯。圖5-9

圖5-10無論何種位錯，沿位錯線產(chǎn)生一定程度的點陣畸變。位錯對晶體力學(xué)性質(zhì)影響很大，外力下位錯運動就造成材料塑性變形；給位錯運動設(shè)置障礙就提高材料強度。(動畫)位錯通過對材料的相變、擴散、再結(jié)晶、蠕變和斷裂等起重要作用。TEM觀察的晶體中的位錯36Chapter2StructureofMaterials36含有刃型位錯的晶體結(jié)構(gòu)模型刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“┬

”表示。正刃型位錯（左）和負刃型位錯（右）Chapter2StructureofMaterials3839Chapter2StructureofMaterials39螺旋位錯示意圖40刃位錯的滑移螺位錯的滑移混合位錯的滑移Chapter2StructureofMaterials40電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）四、面缺陷(各種界面)面缺陷：在空間兩個方向延伸的原子排列不規(guī)則性，實際材料普遍存在，尤其多晶體。類型：各種界面，如多晶體的晶粒邊界（晶界）、不同相的界面（相界）等，圖5-11

面缺陷處于較高能量狀態(tài)，對材料行為、性質(zhì)影響極大。

細化材料晶粒將提高其強韌化；促進相變與擴散；細晶粒是透明陶瓷獲得高度透光性的重要條件。43Chapter2StructureofMaterials432.4.1.3Planardefect晶核晶體生長長成的晶體顯微圖樣PlanarDefect（面缺陷的形成）面缺陷面缺陷沿晶斷口鉛錠宏觀組織第四節(jié)材料中的原子擴散一.擴散現(xiàn)象擴散：原子（離子、分子）因熱運動而發(fā)生的遷移（物質(zhì)的傳輸過程）。由于對流、混合等的幫助，液體尤其氣體中的擴散非?？?，如烹調(diào)時味道的傳播、墨水在水中擴散以及熟知的糖水、鹽水等。固體中由于較強的原子鍵以及原子規(guī)則排列的約束作用，原子的擴散要比氣體中慢數(shù)百～幾十億倍。固體中原子的確可以擴散遷移，尤其存在濃度差，會發(fā)生促均勻化的定向遷移。

例：兩塊磨光銅塊、鋅塊緊密接觸，220℃12小時后形成0.3mm厚互擴散層。材料的許多行為與加工處理均以原子擴散為依據(jù)，如凝固、相變、氧化、燒結(jié)、熱處理；晶體管和太陽能電池的制造。

二.擴散方式（機制）空位機制：原子與空位互換位置，反向移動。間隙機制：間隙原子在晶格間隙之間跳動遷移。三.擴散的工程應(yīng)用

例1：半導(dǎo)體摻雜。鎵在1100℃擴散3小時，在純硅片上3.17um深度處達1022原子/m3。例2：汽車變速齒輪等零件（要求外硬、耐磨、內(nèi)韌、耐沖擊）的滲碳。

例3：擴散焊。鈦合金甚至異種材料（包括陶瓷）的連接。第五節(jié)材料的相圖與相變一．物質(zhì)和材料的狀態(tài)：千姿百態(tài)宇宙萬物千姿百態(tài)、變化多端；古代神話“呼風(fēng)喚雨”、“撒豆成冰”以及“點石成金”之傳說，均涉及到物質(zhì)（材料）的變化。沒有煉金術(shù)士對“煉金術(shù)”的狂熱與實踐，就沒有冶金學(xué)和現(xiàn)代材料制備。材料科學(xué)觀點：任一物質(zhì)，不同條件下（Ｔ、Ｐ和外場等），呈現(xiàn)不同物態(tài)（稱“相”），條件改變，便發(fā)生物態(tài)變化-----------------（“相變”）材料可以以幾種物態(tài)即幾種相存在，材料內(nèi)每個均勻的部分便稱為一個“相”。如冰浮在水面上，為三相共存；花崗石為石英、長石、云母三個相構(gòu)成。通常講，物質(zhì)有三態(tài)（另外還有等離子態(tài)）。固體材料內(nèi)部同樣可有多個相存在，只要它們的結(jié)構(gòu)類型不同。合金兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)組元組成合金最基本的獨立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分

合金相結(jié)構(gòu)固溶體中間相(金屬化合物)間隙固溶體置換固溶體相

合金相結(jié)構(gòu)固溶體合金相結(jié)構(gòu)合金的組元通過溶解形成一種成分及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑，另一組元為溶質(zhì)。間隙固溶體置換固溶體⑵金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。二、材料狀態(tài)的匯總圖示：相圖相圖（狀態(tài)圖、平衡圖），描述材料處于平衡狀態(tài)下的成分、相和外界條件的關(guān)系。水（H2O）的相圖圖5-12

材料相圖的坐標(biāo)為溫度、成分（固定壓力為大氣壓），基本的相圖類型為勻晶相圖（Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni等）、共晶相圖、共析相圖、包晶相圖等，圖5-13，

復(fù)雜相圖是它們的組合。工程上十分重要的鐵-碳相圖圖5-14LC→AE+Fe3C共晶反應(yīng)，生成萊氏體（白口鑄鐵），硬而脆。

AS→FP+Fe3C共析反應(yīng)，生成珠光體（鋼材主要組成），較強韌。工程鐵-碳合金分類（從左→右）：工業(yè)純鐵、鋼、鑄鐵。二元合金相圖的建立相圖的測繪方法相圖的應(yīng)用（如對鋼鐵、金屬材料）：確定鑄造合金熔化溫度、澆注溫度；確定鍛造合理加熱溫度和始鍛、終鍛溫度（鍛造必須在γ相區(qū)）決定合金熱處理的可能性和制定合理的熱處理工藝等（退火、正火、淬火、回火等）。三.材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變：相變1.相變現(xiàn)象與相變過程相變：一定條件下材料從某一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌嗟倪^程，如物質(zhì)的三態(tài)的轉(zhuǎn)變。固態(tài)下同樣可能有多相：冰有7種、硫9種結(jié)晶態(tài)（相）、鐵有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe三種相態(tài)。固態(tài)下轉(zhuǎn)變類型：

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（一種晶相→另一種晶相，如α-Fe→γFe

）；過飽和固溶體分解（由一固相析出另一固相）；

共析轉(zhuǎn)變（一固相→另二固相），如鋼中奧氏體→珠光體（F+Fe3C）等。相變條件：一要過冷（熱），即稍低于或稍高于其平衡溫度，如要結(jié)冰必須低于0℃；二要有晶核（小晶核）存在。純金屬的結(jié)晶凝固結(jié)晶平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品水晶

金屬結(jié)晶的現(xiàn)象冷卻曲線結(jié)晶潛熱結(jié)晶溫度結(jié)晶過程宏觀現(xiàn)象---冷卻曲線過冷結(jié)晶潛熱過冷與過冷度純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度T0(熔點或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實際結(jié)晶溫度下才能進行。霧凇金屬結(jié)晶微觀過程形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶典故1：過冷現(xiàn)象由溫度計發(fā)明者、法國吹玻璃瓶工人法倫海特（Fahrenheit）發(fā)現(xiàn)：洗干凈的玻璃瓶裝滿水在寒冬置室外一夜，仍是清水（周圍房子已冰垂屋檐）；但當(dāng)他打開瓶塞（想弄清楚原因）時，剎時瓶中水全部結(jié)成冰針。典故２：一英國人甚至把過冷的水楊酸苯酯液體放置放置十八年之久而未結(jié)晶。但遺憾的是，當(dāng)他將這一珍品出示給學(xué)生時，在講臺上僅一點輕微振動，便全部結(jié)成晶體。相變過程：形核和長大，一般為非自發(fā)形核（如人工降雨，冬天窗花自邊緣產(chǎn)生）。

典故１之原因：清純水里缺少結(jié)晶中心，開蓋后塵埃等異物進入，起籽晶作用。

典故２之原因：過冷液體極不穩(wěn)定，稍一振動，失去原有平衡，發(fā)生相變。２．相變效應(yīng)種種。相變前后的結(jié)構(gòu)不同、性能可不大一樣。如高溫高壓下，可由石墨（層狀結(jié)構(gòu)）制備金剛石（六方的金剛石型結(jié)構(gòu)）。金剛石：最硬，切削工具；絕緣體。

石墨：特軟，潤滑材料；可導(dǎo)電。相變效應(yīng)傳奇：

例１：幾十年前，某國一軍用列車上急需錫錠經(jīng)過嚴(yán)寒原野后，白色的金屬錫→無用的粉末；某軍需倉庫軍大衣的錫制紐扣在一個寒冬全部變成灰色粉末，即發(fā)生“錫瘟”或“錫疫”。

例２：1912年南極探險隊的液體燃料全部從燃料箱的焊錫處滲漏，最終全隊覆滅。

材料科學(xué)解釋：一是錫在低溫下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，具有較大體積變化（金屬白錫ρ為7.3g·cm-3，而灰錫僅5.8g·cm-3，產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)變應(yīng)力；二是低溫下的灰錫極脆（其共價鍵本質(zhì)），故在轉(zhuǎn)變應(yīng)力下被破碎為粉末。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一——固態(tài)相變。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵-碳相圖動畫相變之應(yīng)用：例１：鐵和金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是金屬材料熱處理的主要基礎(chǔ)。例２：鋼廠出廠鋼材多為退火狀態(tài)，高塑性和較低強度→便于加工、成型，成品之前需淬火、回火處理（快冷獲硬的馬氏體）→重要零件。例３：加熱到950℃~1050℃的奧氏體（塑性好）

→可大變形（熱鍛）。加熱到熔點以上（固→液相變）→再冷卻成型→鑄造或熔化焊。第六節(jié)材料的強化與韌化一.材料的強度、塑性與韌性強度：材料抵抗變形和斷裂的能力。如屈服強度σs、抗拉強度σb、疲勞強度σ-1等。超高強度鋼、芳綸纖維等屬高強度材料；普通塑料、混凝土屬低強度材料。塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，如延伸率（δ%）、斷面收縮率(ψ%)。陶瓷玻璃、石頭及普通灰鑄鐵屬脆性材料（δ<5%）；大多數(shù)金屬及聚合物屬塑性材料（δ>>5%）。脆性：材料斷裂時所需要的能量的度量。如Ak、KIC等，可用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積來衡量。

韌性可視為強度與塑性的綜合，高強度下高塑性（或具有一定塑性）或高塑性下具有一定強度的材料，才是韌性好的材料。二.結(jié)構(gòu)材料的強化結(jié)構(gòu)材料的主要功能：承擔(dān)力和負荷、傳遞運動等，力學(xué)性能是其最主要的性能要求。最大限度挖掘其強度、塑性和韌性的潛力→即強韌化。1.金屬材料的強韌化途徑⑴金屬材料的強化途徑冷變形強化（加工硬化）：隨變形程度增加材料強度升高的現(xiàn)象。反復(fù)彎一根鐵絲，越來越硬、越費勁即可理解。鐵強烈變形強度可達3000MPa；不銹鋼冷軋或爆炸成型，σb、σs可提高1倍。

工程實例：鋼板冷軋、鋼絲冷拔；表面滾壓、噴丸（提高工件疲勞強度）。固溶強化：合金元素溶于金屬基體使強度、硬度升高的現(xiàn)象。合金的強度（如銅中加鋅）高于純金屬即是事實。

間隙固溶的效應(yīng)最為顯著，如鐵中加碳便成了工程上強硬的鋼材（α-Fe

中每加1%at的C、N,強度提高450MPa）細晶強化：晶粒越細（晶界越多）、強度越高的現(xiàn)象，且不降低（甚至提高）材料的韌性。工程上早已廣泛采用（通過種種措施）。第二相粒子強化：靠基體中加入細小彌散粒子而強化。效果顯著，但降低材料的塑、韌性。

方法：過飽和固溶體析出或粉末冶金（人為加入）方法。復(fù)合強化與馬氏體強化：四種強化方法共同作用，效果更好。

例：低碳低合金鋼的控制軋制（第二相、細晶等）；鋼的淬火（馬氏體）強化（固溶、位錯等缺陷增多、沉淀細小碳化物粒子等）。

例：鋼鐵的強化效果（表5-3）（２）金屬材料的韌化途徑細化晶粒：細晶粒材料變形時，不會應(yīng)力集中，能經(jīng)受較大變形，故不僅強度高且韌性好（非?？少F）。細化措施：鑄鐵、有色金屬合金的孕育或變質(zhì)處理（晶核數(shù)量多等）；加入強烈阻礙晶粒長大的質(zhì)點；凝固時增大過冷度，以及振動、攪拌等方法。調(diào)整化學(xué)成分：降低鋼中碳、氮（他們使強度升高的同時，嚴(yán)重損害其韌性）和硫、磷、氫、氧等有害雜質(zhì)的含量；鋼中加Ni或少量Mn

可提高韌性。形變熱處理：加熱+變形+淬、回火，即塑性變形與相變強化相結(jié)合?？娠@著提高材料強度，且不損害韌性（十分難得）。低碳馬氏體強化：降碳、以置換型元素（Ni、M0等）代替C、N，獲得高強度的同時還會得到高韌性。如極低碳的馬氏體時效鋼（0.03%C，18%Ni及8%Co和4%M0等，σs達1720MPa、缺口σb2420MPa,ψ～53%及δ～10.5%)2.提高陶瓷材料強度及降低脆性（增韌）的途徑制造微晶、高密度、高純度的陶瓷，避免氣孔、微裂紋等缺陷的危害。

例：陶瓷材料晶粒的超細化和納米化可有效減少陶瓷燒結(jié)體的氣孔、裂紋和不均勻性，韌性大大提高。

例：熱壓燒結(jié)制成的Si3N4氣孔率極低，其強度接近理論值。清除表面缺陷。方法：表面氧化技術(shù)（對非氧化物陶瓷）、表面退火、離子注入表面改性等。陶瓷表面引入壓應(yīng)力，部分抵消拉應(yīng)力，阻止表面裂紋的產(chǎn)生、擴展。

例：鋼化玻璃（加熱→流動空氣激冷外表面→中心可塑→中心冷卻、在已冷卻的硬表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力）。復(fù)合增韌——構(gòu)成陶瓷基復(fù)合材料。增強纖維（碳纖維，SiC纖維）即可承擔(dān)載荷，又阻止裂紋擴展。相變增韌——利用其固態(tài)相變來提高韌性。

例：ZrO2部分穩(wěn)定的陶瓷材料。ZrO2相變→體積膨脹→消耗大量功和能→且松弛陶瓷內(nèi)微裂紋處的應(yīng)力→并使基體壓縮、閉合裂紋→三個效應(yīng)均提高材料韌性。３．高分子的強化途徑增加鏈長。大分子的分子量越大、強度越高。改變原子團在分子鏈上的位置

例聚丙烯中原子團（Ｒ）為CH3

，鏈兩側(cè)任意分布，則是強度極低的蠟狀產(chǎn)品（740C軟化）；若CH3規(guī)則分布（兩側(cè)交替或分布在一側(cè)），則強度明顯提高。分叉和交聯(lián)。長鏈分叉且相互搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻止大分子鏈移動，使強度、熱穩(wěn)定性明顯提高。結(jié)晶化與力學(xué)取向。增加晶區(qū)域或大分子鏈沿一定方向（外力牽伸）排列，均使強度提高。例尼龍的強度為70～80MPa

，拉伸工藝后，其纖維的強度為470～570MPa

。常見的聚丙烯綁扎繩也如此。合金化（共聚、共混）。思路同金屬材料，即兩種以上單體一起聚合（共聚、單相狀態(tài)），或兩種以上相、組織混合在一齊（共聚、多相狀態(tài)）。例ABS塑料：在苯乙烯—丙烯腈共聚物中加入丁二烯（橡膠微粒），使較高強度的同時，明顯改善聚合物的沖擊強度（韌性）。發(fā)展聚合物基復(fù)合材料

例１：丁苯橡膠＋碳黑（顆粒），σ

b由3.5GPa提高到20～25GPa。

例２：玻璃鋼——玻纖＋樹脂高聚物增韌：工業(yè)上成功的主要是以各類橡膠類彈性體作