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(kuò)散第五節(jié)材料的相圖與相變第六節(jié)材料的強(qiáng)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(gè)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(kuò)散；材料的相圖與相變；材料的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(fù)電的電子通過靜電吸引被束縛在原子核周圍。對(duì)材料構(gòu)成和物質(zhì)起重要作用的是外層價(jià)電子。粒子的運(yùn)動(dòng)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(dòng)量、能量或位置的改變，（粒子性）；另一方面微觀粒子在運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jí)）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?。?，原子結(jié)合成分子或凝聚態(tài)物質(zhì)（液體或固態(tài)）。較遠(yuǎn)距離時(shí)，引力占優(yōu)勢(shì)；近距離時(shí)斥力占優(yōu)勢(shì)，存在一個(gè)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(qiáng)鍵）：離子鍵、共價(jià)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(gè)分子的正電荷部位與另一分子的負(fù)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(diǎn)很低，硬度也低。但其絕緣性良好。離子鍵

共價(jià)鍵金屬鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(qiáng)度高，劈裂性良好，硬度大

強(qiáng)度高，硬度大

有各種強(qiáng)度，有塑性

熱力性質(zhì)

熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在

熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子

有各種熔點(diǎn)，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(duì)紅外線的吸收強(qiáng)，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(diǎn)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(jià)鍵（灰錫）和離子鍵（Mg3Sb2）；過渡金屬為不飽和共價(jià)鍵（故結(jié)合力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、彈性模量大，而導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如簡(jiǎn)單金屬）。具有較好強(qiáng)韌性。陶瓷材料：離子鍵和共價(jià)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(jià)鍵和分子鍵，大分子鏈內(nèi)為強(qiáng)結(jié)合的共價(jià)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(diǎn)低、強(qiáng)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(jià)電子結(jié)合時(shí)構(gòu)成未填滿的能帶，電場(chǎng)下可自由流動(dòng)（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(chǎng)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(duì)”（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(jī)、超導(dǎo)儲(chǔ)能、磁力體發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)（運(yùn)算速度快10多倍，2050年實(shí)用化）以及推動(dòng)航天飛機(jī)（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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性??；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(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)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(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jià)鍵的方向性、離子鍵的正、負(fù)離子配位），陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比金屬復(fù)雜，構(gòu)成離子晶體（如MgO、Al2O3等）或共價(jià)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(jī)排列（可加入各種添加劑，以改善流動(dòng)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(jī)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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)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(diǎn)、線、面缺陷以及熱無序。一.熱振動(dòng)導(dǎo)致的無序材料中原子只有0K(絕對(duì)溫度0度)時(shí)才能基本靜止（尚有微小的零點(diǎn)振動(dòng)），隨溫度的升高，熱運(yùn)動(dòng)明顯，原子圍繞平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)），頻率為～1012/s。瞬時(shí)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(dòng)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(diǎn)缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子）點(diǎn)缺陷：三維尺寸很?。ā?.1nm量級(jí)），圖5-8?？瘴挥捎跓徇\(yùn)動(dòng)，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(jìn)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(diǎn)位置。點(diǎn)缺陷濃度很低，但影響材料強(qiáng)度和導(dǎo)電等物性，提供原子擴(kuò)散的方式（空位擴(kuò)散、間隙擴(kuò)散）。應(yīng)用：半導(dǎo)體材料鍺（四價(jià)）中摻雜五價(jià)砷（或三價(jià)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(diǎn)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(diǎn)缺陷種類空位（vacancy）——正常結(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點(diǎn)。間隙原子（interstitialatom）——原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)之間的間隙位置。置換式雜質(zhì)原子（substitutionalimpurityatom）——外來原子進(jìn)入晶格，取代原來晶格中的原子而進(jìn)入正常結(jié)點(diǎn)的位置間隙式雜質(zhì)原子（interstitialimpurityatom）——外來原子進(jìn)入點(diǎn)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(cuò)）位錯(cuò)：在空間一個(gè)方向延伸的原子排列不規(guī)則性，結(jié)晶和塑性變形時(shí)很容易產(chǎn)生位錯(cuò)。類型：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)。圖5-9

圖5-10無論何種位錯(cuò)，沿位錯(cuò)線產(chǎn)生一定程度的點(diǎn)陣畸變。位錯(cuò)對(duì)晶體力學(xué)性質(zhì)影響很大，外力下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)就造成材料塑性變形；給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)設(shè)置障礙就提高材料強(qiáng)度。(動(dòng)畫)位錯(cuò)通過對(duì)材料的相變、擴(kuò)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(cuò)36Chapter2StructureofMaterials36含有刃型位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)模型刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“┬

”表示。正刃型位錯(cuò)（左）和負(fù)刃型位錯(cuò)（右）Chapter2StructureofMaterials3839Chapter2StructureofMaterials39螺旋位錯(cuò)示意圖40刃位錯(cuò)的滑移螺位錯(cuò)的滑移混合位錯(cuò)的滑移Chapter2StructureofMaterials40電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）四、面缺陷(各種界面)面缺陷：在空間兩個(gè)方向延伸的原子排列不規(guī)則性，實(shí)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(duì)材料行為、性質(zhì)影響極大。

細(xì)化材料晶粒將提高其強(qiáng)韌化；促進(jìn)相變與擴(kuò)散；細(xì)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(zhǎng)長(zhǎng)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(kuò)散一.擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散：原子（離子、分子）因熱運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的遷移（物質(zhì)的傳輸過程）。由于對(duì)流、混合等的幫助，液體尤其氣體中的擴(kuò)散非?？?，如烹調(diào)時(shí)味道的傳播、墨水在水中擴(kuò)散以及熟知的糖水、鹽水等。固體中由于較強(qiáng)的原子鍵以及原子規(guī)則排列的約束作用，原子的擴(kuò)散要比氣體中慢數(shù)百～幾十億倍。固體中原子的確可以擴(kuò)散遷移，尤其存在濃度差，會(huì)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(shí)后形成0.3mm厚互擴(kuò)散層。材料的許多行為與加工處理均以原子擴(kuò)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(kuò)散方式（機(jī)制）空位機(jī)制：原子與空位互換位置，反向移動(dòng)。間隙機(jī)制：間隙原子在晶格間隙之間跳動(dòng)遷移。三.擴(kuò)散的工程應(yīng)用

例1：半導(dǎo)體摻雜。鎵在1100℃擴(kuò)散3小時(shí)，在純硅片上3.17um深度處達(dá)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(kuò)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(diǎn)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(duì)“煉金術(shù)”的狂熱與實(shí)踐，就沒有冶金學(xué)和現(xiàn)代材料制備。材料科學(xué)觀點(diǎn)：任一物質(zhì)，不同條件下（Ｔ、Ｐ和外場(chǎng)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(gè)均勻的部分便稱為一個(gè)“相”。如冰浮在水面上，為三相共存；花崗石為石英、長(zhǎng)石、云母三個(gè)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(gè)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(dú)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(diǎn)、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(shí)，可提高其強(qiáng)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(qiáng)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(cè)繪方法相圖的應(yīng)用（如對(duì)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(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)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(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇金屬結(jié)晶微觀過程形核長(zhǎng)大形成多晶體兩個(gè)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(jì)發(fā)明者、法國(guó)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(shí)，剎時(shí)瓶中水全部結(jié)成冰針。典故２：一英國(guó)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(shí)，在講臺(tái)上僅一點(diǎn)輕微振動(dòng)，便全部結(jié)成晶體。相變過程：形核和長(zhǎng)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(jìn)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(dòng)，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(rùn)滑材料；可導(dǎo)電。相變效應(yīng)傳奇：

例１：幾十年前，某國(guó)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(gè)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(xiǎn)隊(duì)的液體燃料全部從燃料箱的焊錫處滲漏，最終全隊(duì)覆滅。

材料科學(xué)解釋：一是錫在低溫下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，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(jià)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(dòng)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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)化與韌化一.材料的強(qiáng)度、塑性與韌性強(qiáng)度：材料抵抗變形和斷裂的能力。如屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、疲勞強(qiáng)度σ-1等。超高強(qiáng)度鋼、芳綸纖維等屬高強(qiáng)度材料；普通塑料、混凝土屬低強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度與塑性的綜合，高強(qiáng)度下高塑性（或具有一定塑性）或高塑性下具有一定強(qiáng)度的材料，才是韌性好的材料。二.結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)材料的主要功能：承擔(dān)力和負(fù)荷、傳遞運(yùn)動(dòng)等，力學(xué)性能是其最主要的性能要求。最大限度挖掘其強(qiáng)度、塑性和韌性的潛力→即強(qiáng)韌化。1.金屬材料的強(qiáng)韌化途徑⑴金屬材料的強(qiáng)化途徑冷變形強(qiáng)化（加工硬化）：隨變形程度增加材料強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。反復(fù)彎一根鐵絲，越來越硬、越費(fèi)勁即可理解。鐵強(qiáng)烈變形強(qiáng)度可達(dá)3000MPa；不銹鋼冷軋或爆炸成型，σb、σs可提高1倍。

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

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

中每加1%at的C、N,強(qiáng)度提高450MPa）細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒越細(xì)（晶界越多）、強(qiáng)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(qiáng)化：靠基體中加入細(xì)小彌散粒子而強(qiáng)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(qiáng)化與馬氏體強(qiáng)化：四種強(qiáng)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(xì)晶等）；鋼的淬火（馬氏體）強(qiáng)化（固溶、位錯(cuò)等缺陷增多、沉淀細(xì)小碳化物粒子等）。

例：鋼鐵的強(qiáng)化效果（表5-3）（２）金屬材料的韌化途徑細(xì)化晶粒：細(xì)晶粒材料變形時(shí)，不會(huì)應(yīng)力集中，能經(jīng)受較大變形，故不僅強(qiáng)度高且韌性好（非?？少F）。細(xì)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(qiáng)烈阻礙晶粒長(zhǎng)大的質(zhì)點(diǎn)；凝固時(shí)增大過冷度，以及振動(dòng)、攪拌等方法。調(diào)整化學(xué)成分：降低鋼中碳、氮（他們使強(qiáng)度升高的同時(shí)，嚴(yán)重?fù)p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(qiáng)化相結(jié)合。可顯著提高材料強(qiáng)度，且不損害韌性（十分難得）。低碳馬氏體強(qiáng)化：降碳、以置換型元素（Ni、M0等）代替C、N，獲得高強(qiáng)度的同時(shí)還會(huì)得到高韌性。如極低碳的馬氏體時(shí)效鋼（0.03%C，18%Ni及8%Co和4%M0等，σs達(dá)1720MPa、缺口σb2420MPa,ψ～53%及δ～10.5%)2.提高陶瓷材料強(qiáng)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(xì)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(qiáng)度接近理論值。清除表面缺陷。方法：表面氧化技術(shù)（對(duì)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(kuò)展。

例：鋼化玻璃（加熱→流動(dòng)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(qiáng)纖維（碳纖維，SiC纖維）即可承擔(dān)載荷，又阻止裂紋擴(kuò)展。相變?cè)鲰g——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(gè)效應(yīng)均提高材料韌性。３．高分子的強(qiáng)化途徑增加鏈長(zhǎng)。大分子的分子量越大、強(qiáng)度越高。改變?cè)訄F(tuán)在分子鏈上的位置

例聚丙烯中原子團(tuán)（Ｒ）為CH3

，鏈兩側(cè)任意分布，則是強(qiáng)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(qiáng)度明顯提高。分叉和交聯(lián)。長(zhǎng)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(dòng)，使強(qiáng)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(qiáng)度提高。例尼龍的強(qiáng)度為70～80MPa

，拉伸工藝后，其纖維的強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，明顯改善聚合物的沖擊強(qiáng)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