材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)

1、重點(diǎn)與難點(diǎn)1.描述原子中電子的空間位置和能量的四個(gè)量子數(shù)；*2. 核外電子排布遵循的原則;*3. 元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者之間的關(guān)系；*4. 原子間結(jié)合鍵分類及其特點(diǎn)；5. 高分子鏈的近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。重要概念與名詞主量子數(shù)n，軌道角動(dòng)量量子數(shù)l，磁量子數(shù)m，自旋角動(dòng)量量子數(shù)s；能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund規(guī)則；元素，元素周期表，周期，族；結(jié)合鍵，金屬鍵，離子鍵，共價(jià)鍵，范德華力，氫鍵；高分子鏈，近程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元，線性、支化、交聯(lián)和三維網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)；無規(guī)、交替、嵌段和接枝共聚物；全同立構(gòu)、間同立構(gòu)、無規(guī)立構(gòu)，順式、反式構(gòu)型；遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)、數(shù)均、重均相對(duì)分子質(zhì)量

2、，聚合度；熱塑性、熱固性塑料。 由于高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)幾十萬甚至上百萬，所包含的結(jié)構(gòu)單元可能不止一種，每一種結(jié)構(gòu)單元又具有不同構(gòu)型，而且結(jié)構(gòu)單元之間可能有不同鍵接方式與序列，故高分子的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。 高分子結(jié)構(gòu)包括高分子鍵結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面。鍵結(jié)構(gòu)又分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一次結(jié)構(gòu)，是指大分子鏈中原子的類型和排列，結(jié)構(gòu)單元的鍵接順序、支化、交聯(lián)以及取代基在空間的排布規(guī)律等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)又稱二次結(jié)構(gòu)，是指高分子的大小與形態(tài)，鍵的柔順性及分子在各種環(huán)境中所采取的構(gòu)象。第二章概要重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 選取晶胞的原則； 2.7個(gè)晶系，14種布拉菲空間點(diǎn)陣的特征；3. 晶向

3、指數(shù)與晶面指數(shù)的標(biāo)注；4. 晶面間距的確定與計(jì)算；5. 晶體的對(duì)稱元素與32種點(diǎn)陣；6. 極射投影與Wulff網(wǎng)；7. 三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特點(diǎn)；8. 晶體中的原子堆垛方式和間隙；9. 固溶體的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；10. 影響固溶體固溶度的因素；11. 超結(jié)構(gòu)的類型和影響有序化的因素；12. 中間相的分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；13. 離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則；14. NaCl型、A2B2型和硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；15. 金剛石型共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；16. 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型，晶體形態(tài)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；17. 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)及其性能與晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別。重要概念與名詞晶體，非晶體；晶體結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)陣，陣點(diǎn)，晶胞，7個(gè)晶

4、系，14種布拉菲點(diǎn)陣；宏觀對(duì)稱元素，微觀對(duì)稱元素，點(diǎn)群，空間群；極射投影，極點(diǎn)，吳氏網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)投影；晶向指數(shù)，晶面指數(shù)，晶向族，晶面族，晶帶軸，共價(jià)面，晶面間距；面心立方，體心立方，密排立方，多晶型性，同素異構(gòu)體；點(diǎn)陣常數(shù)，晶胞原子數(shù)，配位數(shù)，致密度，四面體間隙，八面體間隙；合金，相，固溶體，中間相，短程有序參數(shù)a，長(zhǎng)程有序參數(shù)S；置換固溶體，間隙固溶體，有限固溶體，無限固溶體，無序固溶體，有序固溶體；正常價(jià)化合物，電子化合物，電子濃度，間隙相，間隙化合物，拓?fù)涿芏严?；離子晶體，NaCl型結(jié)構(gòu)，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，硅酸鹽SiO44-四面體；共價(jià)晶體，金剛石結(jié)構(gòu)；聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，球晶，纓狀微束

5、模型，折疊鏈模型，伸直鏈模型；玻璃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度U V W與u v t w之間的互換關(guān)系：晶帶定律： 立方晶系晶面間距計(jì)算公式： 六方晶系晶面間距計(jì)算公式： 電子濃度計(jì)算公式： 物質(zhì)通常有三種聚集狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。而按照原子（或分子）排列的規(guī)律性又可將固態(tài)物質(zhì)分為兩大類，晶體和非晶體。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體的原子則是無規(guī)則排列的。原子排列在決定固態(tài)材料的組織和性能中起著極重要的作用。金屬、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相關(guān)。一種物質(zhì)是否以晶體或以非晶體形式出現(xiàn)，還需視外部環(huán)境條件和加工制備方法而定，晶態(tài)與非晶態(tài)往往是可以互相轉(zhuǎn)化的。固態(tài)物質(zhì)可

6、分為晶體和非晶體兩大類。晶體的性能是與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。為了便于了解晶體結(jié)構(gòu)，首先引入一個(gè)"空間點(diǎn)陣"的概念。根據(jù)"每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同"和六個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將晶體分為7個(gè)晶系，14種布拉菲點(diǎn)陣。晶胞是能反映點(diǎn)陣對(duì)稱性、具有代表性的基本單元（最小平行六面體），其不同方向的晶向和晶面可用密勒指數(shù)加以標(biāo)注，并可采用極射投影方法來分析晶面和晶向的相對(duì)位向關(guān)系。在晶體結(jié)構(gòu)中，最常見的是面心立方(fcc)、體心立方（bcc）和密排六方(hcp)三種典型結(jié)構(gòu)，其中fcc和hcp系密排結(jié)構(gòu)，具有最高的致密度和配位數(shù)。這三種典型結(jié)構(gòu)的晶胞分別含有4、2、6

7、個(gè)原子。利用剛球模型可以算出晶體結(jié)構(gòu)中的間隙，以及點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑之間的關(guān)系。金屬晶體的結(jié)合鍵是金屬鍵，故往往構(gòu)成具有高度對(duì)稱性的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)，如fcc、bcc和hcp等。但是，工業(yè)上廣泛使用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。由于合金元素的加入，使形成的合金相結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。合金組元之間的相互作用及其所形成的合金相的性質(zhì)主要是由它們各自的電化學(xué)因素、原子尺寸因素和電子濃度三個(gè)因素控制的。合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類。固溶體保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)溶質(zhì)在固溶體點(diǎn)陣中的位置可分為置換固溶體和間隙固溶體；按固溶度則分為有限固溶體和無限固溶體；而按溶質(zhì)在固溶體中的排布則分為無序固溶體和有序固溶體

8、；若按溶劑分類則有第一類固溶體和第二類固溶體之分。中間相的晶體結(jié)構(gòu)不同于其組元的結(jié)構(gòu)，它通?？捎没衔锏幕瘜W(xué)分子式表示。中間相根據(jù)其主導(dǎo)影響因素可分為正常價(jià)化合物，電子化合物，間隙相與間隙化合物，拓?fù)涿芏严嗟?。離子晶體是以正負(fù)離子為結(jié)合單元的，其結(jié)合鍵為離子鍵。Pauling在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用離子鍵理論，歸納總結(jié)出離子晶體的如下結(jié)構(gòu)規(guī)則：負(fù)離子配位多面體規(guī)則、電價(jià)規(guī)則、負(fù)離子多面體共用頂、棱和面的規(guī)則，不同種類正離子配位多面體間連接規(guī)則和節(jié)約規(guī)則等。它們?cè)诜治觥⒗斫饩w結(jié)構(gòu)時(shí)簡(jiǎn)單明瞭，突出了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。典型的離子晶體結(jié)構(gòu)是NaCl型，自然界有幾百種化合物都屬于此種結(jié)構(gòu)。它屬于立方晶系，F(xiàn)m3m空間

9、群，可以看成分別由Na+和CL-構(gòu)成兩個(gè)fcc結(jié)構(gòu)相互在棱邊上穿插而成。在無機(jī)非金屬材料中，硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜，有孤島狀、組群狀、鏈狀、層狀和骨架狀結(jié)構(gòu)等。但它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，即均具有SiO44-四面體，并遵循由此導(dǎo)出的硅酸鹽結(jié)構(gòu)定律。共價(jià)晶體是以共價(jià)鍵結(jié)合。共價(jià)晶體的共同特點(diǎn)是配位數(shù)服從8-N法則（N為原子的價(jià)電子數(shù)）。最典型的共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)是金剛石結(jié)構(gòu)。它屬于復(fù)雜的fcc結(jié)構(gòu)，可視為兩個(gè)fcc晶胞沿體對(duì)角線相對(duì)位移1/4距離穿插而成。聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)是其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（三次結(jié)構(gòu)）中的一大類。由于大分子結(jié)構(gòu)的緣故，聚合物的結(jié)晶是分子結(jié)晶，一個(gè)大分子可以貫穿若干個(gè)晶胞，結(jié)晶速度慢且存在結(jié)晶不完整

10、性。聚合物的晶態(tài)多種多樣，主要由單晶、片晶、球晶、樹枝狀晶、孿晶和串晶等。由于聚合物的晶態(tài)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，可用纓狀微束模型、折疊鏈模型、伸直鏈模型、串晶或球晶結(jié)構(gòu)模型以及Hosemann模型來加以描述。固態(tài)物質(zhì)中除各種晶體外，另一大類稱為非晶體。由于非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)的原子排列在三維空間不具有長(zhǎng)程有序和周期性，故決定了它在性質(zhì)上是各向同性的，且沒有固定的熔點(diǎn)（對(duì)玻璃而言，存在一個(gè)玻璃轉(zhuǎn)變溫度）。但是應(yīng)注意固態(tài)物質(zhì)雖有晶體和非晶體之分，然在一定條件下，兩者是可以相互轉(zhuǎn)換的。第三章概要在實(shí)際晶體中，由于原子（或離子、分子）的熱運(yùn)動(dòng)，以及晶體的形成條件、冷熱加工過程和其他輻射、雜質(zhì)等因素的影響，實(shí)際晶體中原

11、子的排列不可能那樣規(guī)則、完整，常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的情況，即晶體缺陷。晶體缺陷對(duì)晶體的性能，特別是對(duì)那些結(jié)構(gòu)敏感的性能，如屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、塑性、電阻率、磁導(dǎo)率等有很大的影響。另外晶體缺陷還與擴(kuò)散、相變、塑性變形、再結(jié)晶、氧化、燒結(jié)等有著密切關(guān)系。因此，研究晶體缺陷具有重要的理論與實(shí)際意義。理想的完整晶體是不存在的。在實(shí)際晶體中，總存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域-晶體缺陷，這在高分子材料中，尤其嚴(yán)重。按其幾何特征，晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三大類。點(diǎn)缺陷包括空位、間隙原子、雜質(zhì)或溶質(zhì)原子等。點(diǎn)缺陷通常是由于原子的熱運(yùn)動(dòng)并存在能量起伏而導(dǎo)致的。在一定溫度下，點(diǎn)缺陷處于不斷產(chǎn)生和復(fù)合的過程中

12、。當(dāng)這兩個(gè)過程達(dá)到平衡時(shí)，此時(shí)的點(diǎn)缺陷濃度就是該溫度下的平衡濃度。它根據(jù)熱力學(xué)理論求得：另外晶體中的點(diǎn)缺陷還可通過高溫淬火、冷變形以及高能粒子的輻照效應(yīng)等形成。此時(shí)晶體點(diǎn)缺陷濃度往往超過其平衡濃度，稱為過飽和點(diǎn)缺陷。晶體的線缺陷表現(xiàn)為各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)的概念是在研究晶體滑移過程時(shí)提出的。它相當(dāng)于滑移面上已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線。位錯(cuò)按幾何特征分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩大類。但實(shí)際晶體中大量存在的是混合位錯(cuò)。柏氏矢量b是一個(gè)反映位錯(cuò)周圍點(diǎn)陣畸變總積累的重要物理量。該矢量的方向表示位錯(cuò)的性質(zhì)與位錯(cuò)的取向，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致晶體滑移的方向；該矢量的模b表示了畸變的程度，稱為位錯(cuò)的強(qiáng)度，而且b 。一根位

13、錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量，這是柏氏矢量的守恒性所決定的。柏氏矢量不僅決定位錯(cuò)的組態(tài)及其運(yùn)動(dòng)方向，而且對(duì)位錯(cuò)的一系列屬性，如位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變能，位錯(cuò)的受力狀態(tài)，位錯(cuò)增殖與交互作用，位錯(cuò)反應(yīng)等都有很大影響。對(duì)刃型位錯(cuò)，運(yùn)動(dòng)方式有滑移和攀移兩種，而對(duì)螺型位錯(cuò)，則只能滑移，但由于其滑移面不是唯一的，故可進(jìn)行交滑移或雙交滑移。位錯(cuò)的組態(tài)，分布及密度大小對(duì)材料性能影響很大。材料塑性變形就是大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。位錯(cuò)理論可用來解釋材料的屈服現(xiàn)象、加工硬化和彌散強(qiáng)化機(jī)制。晶界、亞晶界、相界、層錯(cuò)等屬于晶體的面缺陷。根據(jù)界面兩側(cè)晶粒的位向差，晶界分為小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界又可分為傾斜晶界、扭轉(zhuǎn)晶界等，

14、它們的結(jié)構(gòu)可用相應(yīng)的位錯(cuò)模型來描述。多晶材料中大量存在的是大角度晶界。大角度晶界的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中原子排列不規(guī)則，不能用位錯(cuò)模型來描述。有人提出用"重合位置點(diǎn)陣"模型來描述，但它僅適用特殊位向，尚不能解釋兩晶粒處于任意位向差的晶界結(jié)構(gòu)。多相合金中同一相中的界面也是晶界和亞晶界，不同相之間的界面是相界。相界的結(jié)構(gòu)有共格、半共格和非共格三類，單相合金或多相合金中的層錯(cuò)和孿晶界都是共格界。共格界面的界面能最低重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 點(diǎn)缺陷的形成與平衡濃度；2. 柏氏矢量的確定，物理意義及守恒性；3. 位錯(cuò)的基本類型和特征；4. 分析歸納位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：滑移和攀移的特點(diǎn)；5. 分析

15、運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)的交割及其所形成的扭折或割階不同情況；6. 比較螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)二者應(yīng)力場(chǎng)畸變能的異同點(diǎn)；7. 作用于位錯(cuò)的組態(tài)力、位錯(cuò)的線張力、外加切應(yīng)力、位錯(cuò)附近原子實(shí)際所受的力、以及位錯(cuò)間的交互作用力相互之間的關(guān)系與區(qū)別；8. 位錯(cuò)的增值機(jī)制；9. 堆垛層錯(cuò)與不全位錯(cuò)；10. 位錯(cuò)反應(yīng)的條件；11. Thompson四面體；12. 擴(kuò)展位錯(cuò)的生成、寬度和運(yùn)動(dòng)；13. 小角度和大角度晶界模型；14. 晶界能與晶界特性；15. 孿晶界與相界。重要概念與名詞點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷；空位，間隙原子，肖脫基空位，弗蘭克爾空位；點(diǎn)缺陷的平衡濃度，熱平衡點(diǎn)缺陷，過飽和點(diǎn)缺陷，色心，電荷缺陷；刃型位錯(cuò)，螺型位

16、錯(cuò)，混合位錯(cuò)，全位錯(cuò)，不全位錯(cuò)；柏氏回路，柏氏矢量，柏氏矢量的物理意義，柏氏矢量的守恒性；位錯(cuò)的滑移，位錯(cuò)的交滑移，位錯(cuò)的攀移，位錯(cuò)的交割，割階，扭折；位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)的應(yīng)變能，線張力，滑移力，攀移力；位錯(cuò)密度，位錯(cuò)增殖，弗蘭克-瑞德位錯(cuò)源，L-C位錯(cuò)，位錯(cuò)塞積；堆垛層錯(cuò)，肖克萊不全位錯(cuò)，弗蘭克不全位錯(cuò)；位錯(cuò)反應(yīng)，幾何條件，能量條件；可動(dòng)位錯(cuò)，固定位錯(cuò)，湯普森四面體；擴(kuò)展位錯(cuò)，層錯(cuò)能，擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度，擴(kuò)展位錯(cuò)束集，擴(kuò)展位錯(cuò)交滑移；晶界，亞晶界，小角度晶界，對(duì)稱傾斜晶界，不對(duì)稱傾斜晶界，扭轉(zhuǎn)晶界；大角度晶界，"重合位置點(diǎn)陣"模型；晶界能，孿晶界，相界，共格相界，半共格相界，

17、錯(cuò)配度，非共格相界。點(diǎn)缺陷的平衡濃度： 螺型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)： 刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)： 式中 位錯(cuò)的應(yīng)變能： 式中 位錯(cuò)的線張力： 作用于位錯(cuò)的力：滑移力  攀移力 兩平行螺位錯(cuò)間徑向作用力： 兩平行刃型位錯(cuò)間的交互作用力： F-R源開動(dòng)的臨界切應(yīng)力：  擴(kuò)展位錯(cuò)的平衡寬度： 對(duì)稱傾斜晶界： 不對(duì)稱傾斜晶界： ， 三叉晶界界面能平衡公式：第四章物質(zhì)的遷移可通過對(duì)流和擴(kuò)散兩種方式進(jìn)行。在氣體和液體中物質(zhì)的遷移一般是通過對(duì)流和擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。但在固體中不發(fā)生對(duì)流，擴(kuò)散是唯一的物質(zhì)

18、遷移方式，其原子或分子由于熱運(yùn)動(dòng)不斷地從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置。擴(kuò)散是固體材料中的一個(gè)重要現(xiàn)象，諸如金屬鑄件的凝固及均勻化退火，冷變形金屬的回復(fù)和再結(jié)晶，陶瓷或粉末冶金的燒結(jié)，材料的固態(tài)相變，高溫蠕變，以及各種表面處理等等，都與擴(kuò)散密切相關(guān)。要深入地了解和控制這些過程，就必須先掌握有關(guān)擴(kuò)散的基本規(guī)律。研究擴(kuò)散一般有兩種方法：表象理論一根據(jù)所測(cè)量的參數(shù)描述物質(zhì)傳輸?shù)乃俾屎蛿?shù)量等；原子理論一擴(kuò)散過程中原子是如何遷移的。本章主要討論固體材料中擴(kuò)散的一般規(guī)律、擴(kuò)散的影響因素和擴(kuò)散機(jī)制等內(nèi)容。固體材料涉及金屬、陶瓷和高分子化合物三類；金屬中的原子結(jié)合是以金屬鍵方式；陶瓷中的原子結(jié)合主要是以離子鍵結(jié)合方

19、式為主；而高分子化合物中的原子結(jié)合方式是共價(jià)鍵或氫鍵結(jié)合，并形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致了三種類型固體中原子或分子擴(kuò)散的方式不同，描述它們各自運(yùn)動(dòng)方式的特征也是本章的主要目的之一。固體中原子或分子的遷移稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散是固體中物質(zhì)遷移的唯一方式。研究擴(kuò)散一般涉及兩個(gè)方面：擴(kuò)散的宏觀規(guī)律表象理論；擴(kuò)散的微觀機(jī)制原子理論菲克第一定律描述了原子擴(kuò)散通量（J）與濃度梯度（ ）之間的關(guān)系，即擴(kuò)散通量與濃度梯度成正比，并且擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反。菲克第一定律描述了一種擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量濃度不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)過程，因而不能描述大多實(shí)際情況的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。因此，在引入質(zhì)量守恒定律后，由菲克第一定律導(dǎo)出了可應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)過

20、程的第二定律。根據(jù)不同擴(kuò)散問題的初始條件和邊界條件，由菲克第二定律可求解出擴(kuò)散物質(zhì)隨時(shí)間和位置的變化規(guī)律。置換固溶體中的原子擴(kuò)散與間隙固溶體的原子擴(kuò)散不同，它不僅涉及到溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，也涉及到溶劑原子的擴(kuò)散。溶質(zhì)原子和溶劑原子的擴(kuò)散速率不同導(dǎo)致了柯肯達(dá)耳效應(yīng)。在置換固溶體中的原子擴(kuò)散通量可具有菲克第一定律的形式，但擴(kuò)散系數(shù)是互擴(kuò)散系數(shù)，它與兩種原子的本征擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)。 從菲克第一定律看，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是濃度梯度，即物質(zhì)從高濃度向低濃度擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果導(dǎo)致濃度梯度的減小，直至成分均勻，擴(kuò)散停止。但實(shí)際上，在某些情況下的擴(kuò)散，物質(zhì)出現(xiàn)從低濃度向高濃度擴(kuò)散的“上坡擴(kuò)散”或“逆向擴(kuò)散的現(xiàn)象。擴(kuò)

21、散的熱力學(xué)分析表明，擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)勢(shì)梯度 ，而不是濃度梯度，由此不僅能解釋正常的“下坡擴(kuò)散”現(xiàn)象。也能解釋“上坡擴(kuò)散”的反?，F(xiàn)象。在描述原子遷移的擴(kuò)散機(jī)制中，最重要的是間隙機(jī)制和空位機(jī)制。間隙固溶體中原子擴(kuò)散僅涉及到原子遷移能，而置換固溶體中原子的擴(kuò)散機(jī)制不僅需要遷移能而且還需要空位形成能，因此導(dǎo)致間隙原子擴(kuò)散速率比置換固溶體中的原子擴(kuò)散速率高得多。擴(kuò)散系數(shù)（或稱擴(kuò)散速率）是描述物質(zhì)擴(kuò)散難易程度得重要參量。擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散激活能有關(guān)。其遵循阿累尼烏斯方程。因此，物質(zhì)的擴(kuò)散能力也可用擴(kuò)散激活能的大小來表征。實(shí)驗(yàn)表明，原子擴(kuò)散的距離與時(shí)間的平方根成正比，而不是時(shí)間成正比，由此推斷原子的擴(kuò)散是一種

22、無規(guī)則行走。由原子無規(guī)則行走的理論推導(dǎo)出的擴(kuò)散距離（ ）與擴(kuò)散時(shí)間t的平方根成正比，其與擴(kuò)散方程的推導(dǎo)結(jié)果一致，表明原子的擴(kuò)散確實(shí)是一種無規(guī)則行走，實(shí)際測(cè)出的擴(kuò)散距離是大量原子無規(guī)曲折行走的綜合效果 為了更好地應(yīng)用擴(kuò)散和控制擴(kuò)散，了解影響擴(kuò)散的因素是重要的。在影響擴(kuò)散的諸多因素（如溫度，固溶體類型，晶體結(jié)構(gòu)，晶體缺陷，化學(xué)成分，應(yīng)力等）中，溫度是影響擴(kuò)散的最重要因素。出現(xiàn)相變的擴(kuò)散稱為相變擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散。由反應(yīng)擴(kuò)散所形成的相可參考平衡相圖進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在二元合金反應(yīng)擴(kuò)散的滲層組織中不存在兩相混合區(qū)，只有孤立的單相區(qū)存在，而且在它們的相界面上的濃度是突變的，它對(duì)應(yīng)于相圖中每個(gè)相在一定溫

23、度下的極限溶解度，不存在兩相混合區(qū)的原因可用相平衡的熱力學(xué)來解釋。 在金屬和合金中，原子結(jié)合是以金屬鍵方式結(jié)合，因此擴(kuò)散原子可以躍遷進(jìn)入鄰近的任何空位和間隙位置。陶瓷中的原子結(jié)合以離子鍵結(jié)合方式為主，在離子晶體中擴(kuò)散離子只能進(jìn)入具有同電荷的位置。在離子晶體中缺陷的產(chǎn)生是以保持電荷中性為條件，因此需要形成不同電荷的兩種缺陷，如一個(gè)陽(yáng)離子空位和一個(gè)陰離子空位，這種缺陷組合稱為肖脫基型空位；或者形成自間隙離子，由此形成的陽(yáng)離子（陰離子）空位的電荷可通過形成間隙陽(yáng)離子（間隙陰離子）來補(bǔ)償，這樣的缺陷組合稱為費(fèi)蘭克爾型空位。當(dāng)化合物中的離子化合價(jià)發(fā)生變化，或在化合物中攙雜離子的化合價(jià)不同于化合物中的離子

24、，為了保持電荷中性，就會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)離子空位或陰離子空位。 由于離子晶體的電導(dǎo)率與離子的擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)，因此通過測(cè)定不同溫度下的電導(dǎo)率，就可計(jì)算出不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)，由此可進(jìn)一步獲得離子擴(kuò)散的激活能。高分子化合物（又稱聚合物）的基本結(jié)構(gòu)單元是鏈節(jié)，鏈節(jié)之間聯(lián)結(jié)是通過原子以共價(jià)鍵或氫鍵結(jié)合，由此形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)。高分子化合物的力學(xué)行為是由分子鏈運(yùn)動(dòng)的難易程度所決定的。高分子的主鏈很長(zhǎng)，通常是倦曲的，而不是伸直的。在外界影響下，分子鏈從倦曲變?yōu)樯熘笔峭ㄟ^分子運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，分子鏈的運(yùn)動(dòng)起因于主鏈中單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。由單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致分子在空間的不同形態(tài)（組態(tài)）稱為構(gòu)象。基于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)不可能是完全自由的，即不能把鏈節(jié)

25、視為分子鏈中的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的基本單元，故需要引入“鏈段”的重要概念。鏈段的長(zhǎng)度Lp取決于不同構(gòu)象的能壘差 。當(dāng)0（內(nèi)旋轉(zhuǎn)完全自由），Lp等于鏈節(jié)長(zhǎng)度l，表示高分子的柔韌性最好；當(dāng) ，Lp等于整個(gè)分子鏈節(jié)長(zhǎng)度L（nl），此時(shí)分子鏈為剛性，無柔韌性。因此，可視鏈段為高分子鏈的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的基本單元，即每個(gè)鏈段的運(yùn)動(dòng)是各不相關(guān)，完全獨(dú)立的，并可用鏈段長(zhǎng)度的大小表征高分子鏈的可動(dòng)性和柔韌性。 高分子的分子運(yùn)動(dòng)可分為兩種尺寸的運(yùn)動(dòng)單元，即大尺寸單元高分子鏈，小尺寸單元鏈段或鏈段以下的單元（包括鍵角和鍵長(zhǎng)的變化，側(cè)基運(yùn)動(dòng)等）。高分子在不同條件下的力學(xué)行為取決于該條件不同運(yùn)動(dòng)單元的激活程度。 對(duì)于線型非晶態(tài)高分子，

26、在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以下，呈現(xiàn)玻璃態(tài)，其原因是熱能只激活比鏈段更小的運(yùn)動(dòng)單元，如鏈節(jié)，側(cè)基等。而當(dāng)溫度高于Tg而小于粘流溫度Tf時(shí)，熱能只激活鏈段及鏈段以下的單元的運(yùn)動(dòng)，而呈現(xiàn)高彈態(tài)。但此時(shí)熱能尚不能激活高分子鏈整體運(yùn)動(dòng)，故不能產(chǎn)生分子鏈間的相對(duì)滑動(dòng)。只有當(dāng)溫度高于Tf溫度，整個(gè)分子鏈質(zhì)心出現(xiàn)相對(duì)位移，而呈現(xiàn)出粘流態(tài)。對(duì)于體型非晶態(tài)高分子，由于它是一種立體網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，分子鏈不能產(chǎn)生相對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，因此它不能呈現(xiàn)粘流態(tài)，只能出現(xiàn)玻璃態(tài)和高彈態(tài)，并且隨著交換聯(lián)密度的增大，可能不出現(xiàn)高彈態(tài)。完全結(jié)晶的高分子是不存在的，都會(huì)有相當(dāng)部分的非晶區(qū)。非完全晶態(tài)高分子的力學(xué)狀態(tài)中出現(xiàn)皮革態(tài)，它是由晶區(qū)和非晶區(qū)

27、不同的力學(xué)特性的綜合結(jié)果。重點(diǎn)與難點(diǎn)1 菲克第一定律的含義和各參數(shù)的量綱。2 能根據(jù)一些較簡(jiǎn)單的擴(kuò)散問題中的初始條件和邊界條件。運(yùn)用菲克第二定律求解。3 柯肯達(dá)耳效應(yīng)的起因，以及標(biāo)記面漂移方向與擴(kuò)散偶中兩組元擴(kuò)散系數(shù)大小的關(guān)系。4 互擴(kuò)散系數(shù)的圖解方法。5 “下坡擴(kuò)散”和“上坡擴(kuò)散”的熱力學(xué)因子判別條件。6 擴(kuò)散的幾種機(jī)制，著重是間隙機(jī)制和空位機(jī)制。7 間隙原子擴(kuò)散比置換原子擴(kuò)散容易的原因。8 計(jì)算和求解擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散激活能的方法。9 無規(guī)則行走的，擴(kuò)散距離與步長(zhǎng)的關(guān)系。10 影響擴(kuò)散的主要因素。11 反應(yīng)擴(kuò)散的特點(diǎn)和能應(yīng)用相圖確定反應(yīng)擴(kuò)散出現(xiàn)相類型。12 運(yùn)用電荷中性原理確定不同情況下出現(xiàn)的

28、缺陷類型。13 高分子鏈柔韌性的表征及其結(jié)構(gòu)影響因素。14 線型非晶高分子、結(jié)晶高分子和非完全結(jié)晶高分子力學(xué)狀態(tài)的差異和起因。15 概念和術(shù)語：質(zhì)量濃度，密度，擴(kuò)散，自擴(kuò)散，互擴(kuò)散，間隙擴(kuò)散，空位擴(kuò)散，下坡擴(kuò)散，上坡擴(kuò)散，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散系數(shù)，互擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散通量，柯肯達(dá)爾效應(yīng)，體擴(kuò)散，表面擴(kuò)散，晶界擴(kuò)散，肖脫基型空位，弗蘭克爾型空位，鏈節(jié)，鏈段，分子鏈，柔順性，玻璃態(tài)，高彈態(tài)，粘流態(tài)，皮革態(tài)重要概念與名詞1  2 3  4 5  6 7  8 9  10  11第五章概要材料在外力作

29、用下發(fā)生變形。當(dāng)外力較小時(shí)，產(chǎn)生彈性變形。彈性變形是可逆變形，卸載時(shí)，變形消失并恢復(fù)原狀。在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間保持線性函數(shù)關(guān)系，即服從虎克(Hooke)定律： 式中E為正彈性模量，G為切變模量。它們之間存在如下關(guān)系： 彈性模量是表征晶體中原子間結(jié)合力強(qiáng)弱的物理量，故是組織結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)。在工程上，彈性模量則是材料剛度的度量。實(shí)際上，理想的彈性體是不存在的，多數(shù)工程材料彈性變形時(shí)，可能出現(xiàn)加載線與卸載線不重合、應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化等彈性不完整性。彈性不完整性現(xiàn)象包括包申格效應(yīng)、彈性后效、彈性滯后和循環(huán)韌性等。對(duì)非晶體，甚至對(duì)某些多晶體，在較小的應(yīng)力時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)粘彈性現(xiàn)象。粘彈性變形

30、是既與時(shí)間有關(guān)，又具有可恢復(fù)的彈性變形，即具有彈性和粘性變形量方面特征。粘彈性變形是高分子材料的重要力學(xué)特性之一。當(dāng)施加的應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，即產(chǎn)生不可逆的永久變形。通過塑性變形，不但可使材料獲得預(yù)期的外形尺寸，而且可使材料內(nèi)部組織和性能產(chǎn)生變化。單晶體塑性變形的兩個(gè)基本方式為滑移和孿生。滑移和孿生都是切應(yīng)變，而且只有當(dāng)外加切應(yīng)力分量大于晶體的臨界分切應(yīng)力tC時(shí)才能開始。然而，滑移是不均勻切變，孿生為均勻切變。對(duì)于多晶體而言，要求每個(gè)晶粒至少具備由5個(gè)獨(dú)立的滑移系才能滿足各晶粒在變形過程中相互制約和協(xié)調(diào)。多晶體中，在室溫下晶界的存在對(duì)滑移起阻礙作用，而且實(shí)踐證明，多晶體的強(qiáng)度

31、隨其名的Hall-Petch公式來加以描述： 至于合金為單相固溶體時(shí)，由于溶質(zhì)原子存在會(huì)呈現(xiàn)固溶強(qiáng)化效果，對(duì)某些材料還會(huì)出現(xiàn)屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象；當(dāng)合金為多相組織結(jié)構(gòu)時(shí)，其變形還會(huì)受到第二相的影響，呈現(xiàn)彌散強(qiáng)化效果。而陶瓷晶體，由于其結(jié)合鍵（離子鍵、共價(jià)鍵）的本性，再加上陶瓷晶體中的滑移系少，位錯(cuò)的b大，故其塑性變形相對(duì)金屬材料要困難得多，只有以離子鍵為主的單晶陶瓷才能進(jìn)行較大的塑性變形。對(duì)于高分子材料，其塑性變形是靠粘性流動(dòng)而不是靠滑移產(chǎn)生的，故與材料粘度密切相關(guān)，而且受溫度影響很大。材料經(jīng)塑性變形后，外力所做的功部分以儲(chǔ)存能形式存在于材料內(nèi)部，從而使系統(tǒng)的自由能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。故此，回

32、復(fù)再結(jié)晶是材料經(jīng)過冷變形后的自發(fā)趨勢(shì)，加熱則加快這一過程的發(fā)生。當(dāng)加熱溫度較低，時(shí)間較短時(shí)，發(fā)生回復(fù)。此時(shí)，主要表現(xiàn)為亞結(jié)構(gòu)的變化和多邊化過程，第一類內(nèi)應(yīng)力大部消除，電阻率有所下降，而對(duì)組織形態(tài)和力學(xué)性能影響不大。當(dāng)加熱溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)就發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。再結(jié)晶時(shí)，新的無畸變等軸晶將取代冷變形組織，其性能基本上回復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱時(shí)，晶粒將發(fā)生長(zhǎng)名的Hall-Petch公式來加以描述： 至于合金為單相固溶體時(shí)，由于溶質(zhì)原子存在會(huì)呈現(xiàn)固溶強(qiáng)化效果，對(duì)某些材料還會(huì)出現(xiàn)屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象；當(dāng)合金為多相組織結(jié)構(gòu)時(shí)，其變形還會(huì)受到第二相的影響，呈現(xiàn)彌散強(qiáng)化效果。而陶瓷晶體，由于其

33、結(jié)合鍵（離子鍵、共價(jià)鍵）的本性，再加上陶瓷晶體中的滑移系少，位錯(cuò)的b大，故其塑性變形相對(duì)金屬材料要困難得多，只有以離子鍵為主的單晶陶瓷才能進(jìn)行較大的塑性變形。對(duì)于高分子材料，其塑性變形是靠粘性流動(dòng)而不是靠滑移產(chǎn)生的，故與材料粘度密切相關(guān)，而且受溫度影響很大。材料經(jīng)塑性變形后，外力所做的功部分以儲(chǔ)存能形式存在于材料內(nèi)部，從而使系統(tǒng)的自由能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。故此，回復(fù)再結(jié)晶是材料經(jīng)過冷變形后的自發(fā)趨勢(shì)，加熱則加快這一過程的發(fā)生。當(dāng)加熱溫度較低，時(shí)間較短時(shí)，發(fā)生回復(fù)。此時(shí)，主要表現(xiàn)為亞結(jié)構(gòu)的變化和多邊化過程，第一類內(nèi)應(yīng)力大部消除，電阻率有所下降，而對(duì)組織形態(tài)和力學(xué)性能影響不大。當(dāng)加熱溫度較高，時(shí)

34、間較長(zhǎng)時(shí)就發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。再結(jié)晶時(shí)，新的無畸變等軸晶將取代冷變形組織，其性能基本上回復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。再結(jié)晶完成后繼續(xù)加熱時(shí)，晶粒將發(fā)生長(zhǎng)大現(xiàn)象。重點(diǎn)與難點(diǎn)1. 彈性變形的特點(diǎn)和虎克定律； 2. 彈性的不完整性和粘彈性；3比較塑性變形兩種基本形式：滑移與孿生的異同點(diǎn)；4. 滑移的臨界分切應(yīng)力；5 滑移的位錯(cuò)機(jī)制； 6. 多晶體塑性變形的特點(diǎn)；7. 細(xì)晶強(qiáng)化與Hall-Petch公式；8 屈服現(xiàn)象與應(yīng)變時(shí)效； 9. 彌散強(qiáng)化； 10. 加工硬化；11.形變織構(gòu)與殘余應(yīng)力； 12.回復(fù)動(dòng)力學(xué)與回復(fù)機(jī)制； 13. 再結(jié)晶形核機(jī)制14.再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)；15.再結(jié)晶溫度及其影響因素16.影響再

35、結(jié)晶晶粒大小的因素；17晶粒的正常長(zhǎng)大及其影響因素18. 一次與二次再結(jié)晶以及靜態(tài)再結(jié)晶的區(qū)別；19.無機(jī)非金屬材料塑性變形的特點(diǎn)；20.高聚物塑性變形的特點(diǎn)。重要概念與公式彈性變形，彈性模量，包申格效應(yīng)，彈性后效，彈性滯后，粘彈性；塑性變形，滑移，滑移系，滑移帶，滑移線，交滑移，雙交滑移；臨界分切應(yīng)力，施密特因子，軟取向，硬取向，派-納力；孿生，孿晶面，孿生方向，孿晶，扭折；固溶強(qiáng)化，屈服現(xiàn)象，應(yīng)變時(shí)效，加工硬化，彌散強(qiáng)化；形變織構(gòu)，絲織構(gòu)，板織構(gòu)，殘余應(yīng)力，點(diǎn)陣畸變，帶狀組織，流線；回復(fù)，再結(jié)晶，晶粒長(zhǎng)大，二次再結(jié)晶，冷加工，熱加工，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；儲(chǔ)存能，多邊化，回復(fù)激活能，再結(jié)晶激活能，再

36、結(jié)晶溫度；弓出形核，臨界變形量，再結(jié)晶織構(gòu)，退火孿晶；虎克定律: 華裔的臨界分切應(yīng)力： Peierls-Nabarro力： Hall-Petch公式： 彌散強(qiáng)化關(guān)系式： 聚合型合金強(qiáng)化關(guān)系式: 加工硬化關(guān)系式： 回復(fù)動(dòng)力學(xué)： 再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)： 在潔凈的極限平均晶粒直徑: 再結(jié)晶晶粒大小與溫度之間的關(guān)系： 第六章概要由一種元素或化合物構(gòu)成的晶體稱為單組元晶體或純晶體，該體系稱為單元系。單組元的高分子稱為均聚物。某組元由液相至固相的轉(zhuǎn)變稱為凝固。如果凝固后的固體是晶體，則凝固又稱為結(jié)晶。某種元素從一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)相變稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；而某種化合物經(jīng)歷上述的固態(tài)相變稱為同分異構(gòu)轉(zhuǎn)

37、變或多晶型轉(zhuǎn)變。對(duì)于某種元素或化合物，隨著溫度和壓力的變化，在熱力學(xué)平衡條件下，其組成相的變化規(guī)律可由該元素或化合物的平衡相圖表示。根據(jù)多元系相平衡條件可導(dǎo)出相律，相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)與組元數(shù)、溫度、壓力之間的關(guān)系，對(duì)分析和研究相圖有重要的指導(dǎo)作用。根據(jù)相律可知，單元系最多只能有三相平衡。單元系相圖中的曲線（相界線）表示了兩相平衡時(shí)的溫度所對(duì)應(yīng)的壓力，兩者的定量關(guān)系可由克勞修斯克拉珀龍方程所決定。值得注意的是，多數(shù)晶體由液相變?yōu)楣滔嗷蛘吒邷叵嘧優(yōu)榈蜏毓滔鄷r(shí)，是放熱和收縮的，因此相界線的斜率為正，但也有少數(shù)晶體是放熱但膨脹的，因此相界線的斜率為負(fù)。對(duì)于固態(tài)中的同素（分）異構(gòu)轉(zhuǎn)變，

38、由于體積變化很小，所以固相線通常幾乎是垂直的。相圖是描述熱力學(xué)平衡條件下相之間的轉(zhuǎn)變圖，但有些化合物相之間達(dá)到平衡需要很長(zhǎng)的時(shí)間，穩(wěn)定相形成速度甚慢，因而會(huì)在穩(wěn)定相形成之前，先形成自由能較穩(wěn)定相高的亞穩(wěn)相，這稱為奧斯特瓦爾德階段。理論表明：研究純晶體的凝固，首先必須了解晶體凝固的熱力學(xué)條件。在恒壓條件下，晶體凝固的熱力學(xué)條件是需要過冷度，即實(shí)際凝固溫度應(yīng)低于熔點(diǎn)Tm。晶體的凝固經(jīng)歷了形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過程。形核又分為均勻形核與非均勻（異質(zhì)）形核。對(duì)于均勻形核，當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶胚時(shí)，一方面，體系的體積自由能下降，這是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，由于晶胚構(gòu)成新的表面而增強(qiáng)了表面自由能，這成為結(jié)晶的阻力。

39、在液-固相變中，晶胚形成時(shí)的體積應(yīng)變能可在液體中完全釋放掉，故在凝固中可不考慮這項(xiàng)阻力。綜合驅(qū)動(dòng)力和阻力的作用，可導(dǎo)出晶核的臨界半徑r*，其物理意義是，當(dāng)半徑小于r*的晶胚是不穩(wěn)定的，不能自發(fā)長(zhǎng)大，最終熔化而消失，而半徑等于或大于r*的晶胚可以自發(fā)長(zhǎng)大成為晶核。臨界半徑對(duì)應(yīng)的自由能 稱為形核功。理論推導(dǎo)表明， 是大于零的，其值等于表面能的三分之一，因此，這部分的能量必須依靠液相中存在的能量起伏來提供。綜合所述可知，結(jié)晶條件需要過冷度、結(jié)構(gòu)起伏（出現(xiàn)半徑大于r*的晶胚）和能量起伏。在研究結(jié)晶問題時(shí)，形核率是一個(gè)重要的參數(shù)，它涉及到凝固后的晶粒的大小，而晶粒尺寸對(duì)材料的性能有重要影響。形核率受兩個(gè)

40、因素控制，即形核功因子核和擴(kuò)散幾率因子。對(duì)純金屬均勻形核研究發(fā)現(xiàn)，有效形核溫度約在0.2Tm，表明均勻形核所需的過冷度很大。而純金屬在實(shí)際凝固中，所需過冷度卻很小，其原因是實(shí)際凝固是非均勻（異質(zhì)）形核。異質(zhì)基底通常可有效地降低單位體積的表面能，從而降低形核功，這種異質(zhì)基底的催化作用使非均勻（異質(zhì)）形核的過冷度僅為0.02Tm。形核后地長(zhǎng)大涉及到長(zhǎng)大的形態(tài)、長(zhǎng)大的方式和長(zhǎng)大的速率。影響晶體長(zhǎng)大特征的重要因素是液固界面的構(gòu)造。液固界面的結(jié)構(gòu)可分為光滑界面和粗糙界面。杰克遜提出了判斷粗糙及光滑界面的定量模型。理論推導(dǎo)得出，當(dāng)2時(shí)為粗糙界面，當(dāng)2時(shí)為光滑界面。杰克遜的熱力學(xué)判據(jù)已被許多實(shí)驗(yàn)證明是正確的

41、。晶體的長(zhǎng)大速率與其長(zhǎng)大方式有關(guān)。連續(xù)長(zhǎng)大方式對(duì)應(yīng)的是粗糙界面，其長(zhǎng)大速率最大，與動(dòng)態(tài)過冷度（液固界面向液體推移時(shí)所需的過冷度）成正比；而二維形核與螺形位錯(cuò)形核對(duì)應(yīng)的是光滑界面，它們的生長(zhǎng)速率均小于連續(xù)長(zhǎng)大方式的生長(zhǎng)速率。研究液體在一定的溫度下隨時(shí)間變化的結(jié)晶量，這就是結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程首先由約翰遜梅爾（Johnson-Mell）導(dǎo)出。方程推導(dǎo)的假設(shè)條件為均勻形核，形核率和長(zhǎng)大速度為常數(shù)，以及晶核孕育時(shí)間很短。而阿弗拉密（Avrami）在這基礎(chǔ)上，考慮到形核率與時(shí)間相關(guān)，給出了結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的普適方程，稱為阿弗拉密方程。阿弗拉密方程已在金屬、陶瓷和高分子的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究中被證明是正確的，普

42、適的。純晶體凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)不僅與液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且取決于界面前沿液體中的溫度分布情況。在正的溫度梯度下，光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長(zhǎng)形態(tài)呈現(xiàn)臺(tái)階狀；而粗糙界面的晶體，其生長(zhǎng)形態(tài)呈平面狀。在負(fù)的溫度梯度下，粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長(zhǎng)形態(tài)呈樹枝狀；光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長(zhǎng)形態(tài)也呈現(xiàn)樹枝狀，只有當(dāng)值很大的晶體，其生長(zhǎng)形態(tài)才呈現(xiàn)平面狀。金屬凝固理論在晶粒尺寸的控制，單晶的制備，非晶金屬的獲得等方面有著重要的應(yīng)用。高分子的晶體像金屬、陶瓷及低分子有機(jī)物一樣，在三維方向具有長(zhǎng)程有序排列，因此，高分子的結(jié)晶行為在許多方面與它們具有相似性，如結(jié)晶需要過冷度，過冷度越大，結(jié)晶尺寸越小，結(jié)晶過程也包括

43、形核核長(zhǎng)大兩個(gè)過程而形核也分為均勻形核和非均勻（異質(zhì)）形核兩種類型。但由于高分子是長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，要使高分子鏈的空間結(jié)構(gòu)均以高度規(guī)整性排列于晶格，這比低分子要困難得多，因此，高分子結(jié)晶呈現(xiàn)出不完全性（即不能得100%晶體）、不完善性（具有缺陷）、熔融升溫（寬得熔限溫度）和結(jié)晶速度慢的特點(diǎn)。重點(diǎn)與難點(diǎn)1 結(jié)晶的熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)和能量條件； 2  相律的應(yīng)用；3克勞修斯克拉珀龍方程的應(yīng)用；4  亞穩(wěn)相出現(xiàn)的原因；5 均勻形核的臨界晶核半徑和形核功的推導(dǎo)；6 潤(rùn)濕角的變化范圍及其含義； 7液固界面的分類及其熱力學(xué)判據(jù)；8 晶體的生長(zhǎng)方式及其對(duì)生長(zhǎng)速率的關(guān)系； 9 阿弗拉密方程的應(yīng)用；10液

44、固界面結(jié)構(gòu)和液固界面前沿液體的溫度分布對(duì)晶體形態(tài)的影響；11減小晶粒尺寸的方法 12高分子結(jié)晶與低分子結(jié)晶的相似性和差異性；凝固，結(jié)晶，近程有序，結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏，過冷度，均勻形核，非均勻形核，晶胚，晶核，亞穩(wěn)相，臨界晶粒，臨界形核功，光滑界面，粗糙界面，溫度梯度，平面狀，樹枝狀，均聚物，結(jié)晶度，熔限，球晶，晶片。 1 2 3 4 5 第七章概要由二元及以上組元組成的多元系材料稱為合金。在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的體系。二元系相圖是研究二元系在熱力學(xué)平衡條件下，相與溫度、成分之間關(guān)系的有力工具，它已在金屬、陶瓷和高分子材料中得到廣泛的應(yīng)用。二元系比單元系多一個(gè)組元，它有

45、成分的變化，若同時(shí)考慮成分、溫度和壓力，則二元相圖將為三維立體相圖。鑒于三維立體圖的復(fù)雜性和正常的研究中體系處于一個(gè)大氣壓的狀態(tài)下，因此，二元相圖僅考慮體系在成分和溫度兩個(gè)變量下的相狀態(tài)。二元相圖中的成分通常由重量百分?jǐn)?shù)，原子百分?jǐn)?shù)，摩爾百分?jǐn)?shù)表示；現(xiàn)在圖標(biāo)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）和摩爾分?jǐn)?shù)（x）表示。由相律可知，在壓力恒定條件下的二元相圖中，最多只能三相共存，三相平衡的溫度和成分均不改變，故在相圖中三相平衡由一水平線表示。相圖熱力學(xué)是研究相圖和計(jì)算相圖的重要方法。根據(jù)固溶體的自由能成分曲線計(jì)算可得，當(dāng)相互作用參數(shù)0時(shí)，固溶體為有序固溶體；當(dāng)=0時(shí)，固溶體為無序固溶體；當(dāng)0時(shí)，固溶體為偏聚固溶體。根據(jù)

46、多相平衡的公切線原理，可確定平衡相在某溫度下的成分。兩相混合物的自由能（Gm）應(yīng)在該兩相平衡時(shí)的公切線上，其成分應(yīng)在它們平衡成分之間。根據(jù)不同溫度下的自由能成分曲線可推測(cè)相圖，反之可根據(jù)相圖推測(cè)自由能成分曲線。二元相圖中最基本的相圖是勻晶相圖，共晶相圖，包晶相圖和溶混間隙相圖。運(yùn)用連接線和杠桿定律可求出某溫度下兩相的平衡成分和兩相的相對(duì)量。根據(jù)勻晶相圖可研究固溶體的平衡凝固過程。平衡凝固過程是指凝固過程的每個(gè)階段都達(dá)到平衡，即在相變過程中有充分時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)每個(gè)溫度下平衡相的成分。每個(gè)溫度下的平衡凝固過程實(shí)際包括三個(gè)過程：（1）液相的擴(kuò)散過程，（2）固相的長(zhǎng)大過程，（3）固相的擴(kuò)散

47、過程。實(shí)際凝固速度較快，難以達(dá)到平衡凝固，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡凝固。非平衡凝固有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）隨冷速變化的固相平均成分線或液相平均成分線均在固相線或液線的下方，冷速越大，它們偏離固、液相線越嚴(yán)重；（2）先結(jié)晶部分是富高熔點(diǎn)組元，后結(jié)晶的部分是富低熔點(diǎn)組元；（3 非平衡凝固的終結(jié)溫度低于平衡凝固時(shí)的終結(jié)溫度。由液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相，這樣兩個(gè)固相的混合物稱為共晶組織或共晶體。在共晶反應(yīng)前，由液相結(jié)晶出的固溶體稱為先共晶體或初生相。當(dāng)成分為共晶成分時(shí)的合金稱為共晶合金；當(dāng)成分小于共晶成分，并能出現(xiàn)共晶組織的合金稱為亞共晶合金；同理，當(dāng)成分大于共晶成分，并能出現(xiàn)共晶組織的合金稱為

48、過共晶合金。在亞共晶合金和過共晶合金中，若要確定初生相和共晶體的相對(duì)量，稱為組織組成體相對(duì)量計(jì)算；若要確定合金中組成相的相對(duì)量，稱為組織相的相對(duì)量計(jì)算。在非平衡凝固條件下，某些亞共晶或過共晶成分的合金也能得到100%的共晶組織，這種共晶組織稱為偽共晶。偽共晶區(qū)的范圍和冷速有關(guān)。偽共晶區(qū)的配置與組元的熔點(diǎn)有關(guān)。若兩組元的熔點(diǎn)接近，偽共晶區(qū)通常呈現(xiàn)對(duì)稱分布；若兩組元熔點(diǎn)相差甚遠(yuǎn)，則偽共晶區(qū)將偏向高熔點(diǎn)一側(cè)。偽共晶區(qū)在相圖中的配置通常是通過實(shí)際測(cè)定的。但定性了解偽共晶區(qū)在相圖的分布規(guī)律，就可解釋用平衡相圖方法無法解釋的異?，F(xiàn)象。在非平衡凝固中，某些單相固溶體成分的合金也會(huì)出現(xiàn)少量的非平衡共晶組織，同

49、時(shí)這種非平衡共晶組織失去共晶組織中兩相交替排列的特征，故稱為離異共晶。在二元相圖中，包晶轉(zhuǎn)變是由已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變。由于包晶反應(yīng)涉及到原子從初生相到包晶相的固相間的擴(kuò)散，因此，包晶反應(yīng)在通常的冷速下難以完全進(jìn)行，即相當(dāng)?shù)某跎鄷?huì)被保留下來。在某些合金（金屬、陶瓷、高分子）中，單相固溶體在某些成分范圍和溫度之間會(huì)分解成成分不同而結(jié)構(gòu)與單相固溶體相同的二相，這種分解稱為溶混間隙轉(zhuǎn)變。溶混間隙轉(zhuǎn)變有兩種方式：一種是通常的形核長(zhǎng)大，需要克服形核能壘；另一種是通過沒有形核階段的不穩(wěn)定分解，稱為調(diào)幅分解。調(diào)幅分解的熱力學(xué)條件是 0，調(diào)幅分解是通過上坡擴(kuò)散使成分起伏增大，從而直

50、接導(dǎo)致新相的形成。在某些二元系中，可形成一個(gè)或幾個(gè)化合物，由于它們位于相圖中間，故又稱中間相。根據(jù)化合物的穩(wěn)定性可分為穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物。具有穩(wěn)定化合物的相圖，可以化合物熔點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成分為界，把相圖分為兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立相圖，這樣便于相圖的分析。掌握上述基本類型相圖的分析方法，就不難對(duì)其他類型的轉(zhuǎn)變（如共析轉(zhuǎn)變、包析轉(zhuǎn)變、偏晶轉(zhuǎn)變、熔晶轉(zhuǎn)變，合晶轉(zhuǎn)變、有序無序轉(zhuǎn)變）進(jìn)行分析。對(duì)陶瓷和合金中的兩個(gè)最重要的二元相圖SiO2-Al2O3和Fe-C的剖析，可加深對(duì)相圖知識(shí)的應(yīng)用。合金結(jié)晶過程除了遵循結(jié)晶的一般規(guī)律外，由于二元系中第二組元的加入，溶質(zhì)原子要在液、固兩相中發(fā)生重新分布，這對(duì)合金的凝固方式

51、和晶體的生長(zhǎng)形態(tài)產(chǎn)生重要影響。溶質(zhì)原子在液、固兩相中重新分布的程度可用平衡分配系數(shù)k0表示。在五個(gè)假設(shè)的條件下推導(dǎo)出正常凝固方程，其中最重要的兩個(gè)假設(shè)是液相成分任何時(shí)都是均勻的以及液-固界面是平直的。正常凝固方程描述了在非平衡凝固條件下固相質(zhì)量濃度隨凝固距離的變化規(guī)律，即當(dāng)k01時(shí)，溶質(zhì)濃度呈現(xiàn)由錠表面向中心逐漸增加的不均勻分布，這種分布稱為正偏析，它不利于材質(zhì)的均勻性。然而這種不均勻性可起到提純的作用。鑒于正常凝固是把整個(gè)合金熔化，就會(huì)破壞前一次的提純的效果，因次隨后出現(xiàn)通過區(qū)域熔煉達(dá)到提純的目的。區(qū)域熔煉方程的推導(dǎo)過程中的假設(shè)與正常凝固過程相同，應(yīng)注意的是該方程不能用于大于一次（n1）的區(qū)

52、域熔煉后的溶質(zhì)分布和最后一個(gè)熔區(qū)中的溶質(zhì)分布。在推導(dǎo)正常凝固方程和區(qū)域熔煉方程時(shí)，都采用了液相成分是均勻的這一假設(shè)，通常是合理的，因?yàn)橐后w可通過擴(kuò)散和對(duì)流兩種途徑，尤其是對(duì)流更易使溶質(zhì)在液體中獲得均勻分布，然而實(shí)際中這個(gè)假設(shè)是一個(gè)非常嚴(yán)峻的約束。為了表征液體的混合程度，引入有效分配系數(shù)ke。根據(jù)ke的數(shù)學(xué)表達(dá)式可得，ke=k0表示液體中溶質(zhì)完全混合（即成分均勻）；ke=1表示液體完全不混合；而k0ke1表示液體不充分混合。在推導(dǎo)正常凝固方程時(shí)，另一個(gè)重要得假設(shè)是液-固界面是平直的，這個(gè)假設(shè)在實(shí)際中也是在一個(gè)特定條件下才能獲得。根據(jù)成分過冷理論可知，只有當(dāng) G，液-固界面才能保持平直，反之液-固

53、界面呈現(xiàn)胞狀，樹枝狀等形態(tài)。成分過冷理論說明了合金為什么在正的溫度梯度下能形成樹枝晶，它不同于純金屬只有在負(fù)的溫度梯度下才能出現(xiàn)樹枝晶。上述是固溶體的凝固理論，對(duì)于共晶組織是由液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相，相關(guān)的共晶凝固理論較復(fù)雜。共晶組織形態(tài)復(fù)雜，對(duì)共晶組織的分類很多，其中根據(jù)共晶兩相凝固生長(zhǎng)時(shí)液-固界面的性質(zhì)分類較為科學(xué)，由此將共晶組織分為三類：（1）金屬-金屬型（粗糙-粗糙界面），（2）金屬-非金屬（粗糙-光滑界面），（3）非金屬-非金屬（光滑-光滑界面）。其中金屬-金屬型共晶合金的凝固理論研究較為深入。對(duì)于金屬-金屬型共晶大多是層片狀或棒狀共晶。形成層片狀還是棒狀共晶，雖然在某些條件下會(huì)受到

54、生長(zhǎng)速度、結(jié)晶前沿的溫度梯度等參數(shù)的影響，但主要受界面能所控制。界面能取決于界面面積和單位面積界面能。根據(jù)兩種共晶類型界面面積的計(jì)算得到：當(dāng)兩相中的一相體積小于27.6%，有利于形成棒狀共晶；反之有利于形成層片狀共晶。從單位面積界面能來看，由于層片狀共晶中的兩相通常以一定取向關(guān)系相互配合，可有效降低單位面積界面能。因此，當(dāng)共晶中的一相體積分?jǐn)?shù)在27.6以下時(shí)，就要視降低界面能還是降低單位面積界面能更有利于降低體系的能量而定。若為前者，傾向于得到棒狀共晶，若為后者，將形成層片狀共晶。共晶合金組織結(jié)晶過程可用赫爾特格林外推法進(jìn)行分析。其假設(shè)有一領(lǐng)先相（）形成， 領(lǐng)先相的形成使液相的成分有利于另一相

55、（）的結(jié)晶，的結(jié)晶又使液相成分有利于的結(jié)晶，這種反復(fù)的過程使共晶中和相交替生長(zhǎng)而形成相間排列的組織形態(tài)。在共晶生長(zhǎng)中，由于動(dòng)態(tài)過冷度很小和強(qiáng)烈的橫向擴(kuò)散，使液-固界面前沿不能建立起有效的成分過冷，因此界面通常呈平直狀。從層片狀共晶生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)均表明，層片間距（）與凝固速度（R）的平方根成反比，即凝固速度越快，層片間距越小。共晶的層片間距顯著影響合金的力學(xué)性能，其與屈服強(qiáng)度的關(guān)系滿足霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式。工業(yè)上應(yīng)用的零部件通常由兩種途徑獲得：一種是由合金在一定的幾何形狀與尺寸的鑄模中直接凝固成鑄件；另一種是通過合金澆注成鑄錠，然后開坯，再通過熱鍛或熱軋，最終通過熱

56、處理或機(jī)加工等工藝獲得部件的幾何尺寸和性能。因此，合金鑄錠（件）的質(zhì)量不僅在鑄造生產(chǎn)中，而且對(duì)幾乎所有的合金制品都是重要的。合金鑄錠（件）的質(zhì)量與它們的組織與缺陷有關(guān)。鑄錠（件）的宏觀組織分為三個(gè)晶區(qū)：表面細(xì)晶區(qū)，柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。表面細(xì)晶區(qū)始終存在，它在以后的機(jī)加工中被去除。柱狀晶的優(yōu)點(diǎn)是組織致密和可被利用的“鑄造織構(gòu)”，其缺點(diǎn)是存在的脆弱界面；而中心等軸晶無擇優(yōu)取向，沒有脆弱的界面，但其致密度不如柱狀晶。因此，通過澆注條件的改變可獲得單一的柱狀晶或單一的中心等軸晶，或者不同比例的柱狀晶和中心等軸晶來滿足不同性能的需要。鑄錠（件）的缺陷主要有縮空和偏析。縮空的類型與合金凝固方式有關(guān)。幾

57、乎不產(chǎn)生成分過冷的“殼狀凝固”形成致密的柱狀晶，其主要為集中縮空；而成分過冷顯著的“糊狀凝固”形成的樹枝狀方式生長(zhǎng)的等軸晶，其主要為分散縮空（疏松）；介于兩者之間的為殼狀-糊狀混合凝固，獲得柱狀晶和等軸晶混合組織。鑄錠（件）的偏析有宏觀偏析和顯微偏析之分。宏觀偏析又可分為正常偏析、反偏析和比重偏析；而顯微偏析分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析。通過在低于固相線的高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散退火可減輕成分偏析。兩種或兩種以上單體集合成的高分子成為高分子合金。高分子合金的合金化目的也與金屬的合金化一樣，可有效地提高其綜合性能。高分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，從熱力學(xué)分析可知，高分子的相容性遠(yuǎn)小于小分子的相容性，因此高分子

58、的混合一般不能完全相容來得到均勻相（單相），必出現(xiàn)相分離；相分離的機(jī)制與低分子一樣，也有兩種：調(diào)幅分解和形核長(zhǎng)大機(jī)制。二元高分子相圖很少，也很簡(jiǎn)單，一般為兩種基本類型，即具有最高臨界互溶溫度（UCST）的雙節(jié)線和最低臨界互溶溫度（LCST）雙節(jié)線。高分子相圖測(cè)定方法很多，其中散射光強(qiáng)是測(cè)定相圖的主要方法之一。高分子合金的制備方法可分為物理共混法和化學(xué)共混法。二元高分子合金按相的連續(xù)性可分為單相連續(xù)結(jié)構(gòu)和兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)兩種類型。重點(diǎn)與難點(diǎn)1  成分的表示方法 2  相互作用參數(shù)的物理意義3  多相平衡成分確定的公切線方法； 4  兩相混合物的自由能的確定及兩相相對(duì)量的確定；5  固溶體的平衡凝固與非平衡凝固；6  共晶合金的平衡凝