材料科學(xué)的基本理論框架

1、第五章第五章 材料科學(xué)的基本理論框架材料科學(xué)的基本理論框架Framework of principal theories in Materials Science第一節(jié)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)第二節(jié) 材料的原子排列特征材料的原子排列特征第三節(jié)第三節(jié) 材料中的結(jié)構(gòu)缺陷材料中的結(jié)構(gòu)缺陷第四節(jié)第四節(jié) 材料中的原子擴(kuò)散材料中的原子擴(kuò)散第五節(jié)第五節(jié) 材料的相圖與相變材料的相圖與相變第六節(jié)第六節(jié) 材料的強(qiáng)化與韌化材料的強(qiáng)化與韌化u材料材料不是力學(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)不

2、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。各個層次上的結(jié)構(gòu)都影響著材料的行為與性能。的行為與性能。u不同結(jié)構(gòu)層次上材料的不同結(jié)構(gòu)層次上材料的特征與行為特征與行為，組成材料科學(xué)的基，組成材料科學(xué)的基本理論。本理論。u介紹其主要理論框架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；材料的原子排列特征； 材料的結(jié)構(gòu)缺陷；材料的結(jié)構(gòu)缺陷； 材料中的原子擴(kuò)散；材料中的原子擴(kuò)散； 材料的相圖與相變；材料的相圖與相變； 材料的強(qiáng)化與韌化等。材料的強(qiáng)化與韌化等。 第一節(jié)第一節(jié) 材料電子結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部的原子間材料電子結(jié)構(gòu)和材

3、料內(nèi)部的原子間相互作用相互作用一、原子結(jié)構(gòu)和微觀粒子的量子化描述一、原子結(jié)構(gòu)和微觀粒子的量子化描述1原子運(yùn)動狀態(tài)的特征原子運(yùn)動狀態(tài)的特征 物質(zhì)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（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。對材料構(gòu)成和物質(zhì)起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)起重要作用的是重要作用的是外層價電子外層價電子。 粒子粒子的運(yùn)動規(guī)律與宏觀物體是很不相同的的運(yùn)動規(guī)律與宏觀物體是很不相同的 ，微觀粒子具有波微觀粒子具有波粒二象性粒二象性。一方面具有尺寸大小、動量、能量或位置的改變，。一方面具有尺寸大小、動量、能量

4、或位置的改變，（粒子性粒子性）；另一方面微觀粒子在運(yùn)動中又象波一樣在空間各）；另一方面微觀粒子在運(yùn)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（確定性（波動性波動性）。）。電子組態(tài)、周期表及材料應(yīng)用電子組態(tài)、周期表及材料應(yīng)用周期表周期表(元素性質(zhì)周期性的變化的圖示元素性質(zhì)周期性的變化的圖示)，是按元素的電子組態(tài)，是按元素的電子組態(tài)建立起來的。建立起來的。元素的電子結(jié)構(gòu)由若干元素的電子結(jié)構(gòu)由若干殼層殼層構(gòu)成，構(gòu)成，外層電子數(shù)（外層電子數(shù)（s、p能級）是能級）是最重要的。最重要的。應(yīng)用應(yīng)用：同族（外層電子數(shù)

5、一樣）元素：同族（外層電子數(shù)一樣）元素 的合金化的效應(yīng)相似，的合金化的效應(yīng)相似，可相互替代?？上嗷ヌ娲?硫（硫（BB族族）提高鋼的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一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；目的的不銹鋼和非鐵合金； 鎢（鎢（AA族族）提高鋼的高溫抗軟化性，同族的鉬及鉻（效果稍提高鋼的高溫抗軟化性，同族的鉬及鉻（效果稍差）可替代之。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、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。研究中。二、原子間相互作用二、原子間相互作用 靠相互吸引作用（構(gòu)成靠相互吸引作用（構(gòu)成結(jié)合健結(jié)合

6、健 ），原子結(jié)合成分子或凝聚態(tài)），原子結(jié)合成分子或凝聚態(tài)物質(zhì)（物質(zhì)（液體或固態(tài)液體或固態(tài)）。）。 較遠(yuǎn)距離時，引力占優(yōu)勢；近距離時斥力占優(yōu)勢，存在一個較遠(yuǎn)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）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。結(jié)合成材料。三、工程材料的鍵性三、工程材料的鍵性原子間結(jié)合鍵類型與性質(zhì)原子間結(jié)合鍵類型與性質(zhì) 鍵型：鍵型： 一次鍵（強(qiáng)鍵）一次鍵（強(qiáng)鍵）：離子鍵、共價鍵、金屬鍵；：離子鍵、共價鍵、金屬鍵； 二次鍵（弱鍵）二次鍵（弱鍵）：范德瓦爾斯鍵、氫鍵；：范德瓦爾斯鍵、氫鍵； 各類鍵特征各類鍵特

7、征 表表5-1范德瓦爾鍵范德瓦爾鍵 形成：形成：一個分子一個分子的正電荷部位與的正電荷部位與另一分子的負(fù)電另一分子的負(fù)電荷部位間以微弱荷部位間以微弱靜電引力相引而靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為結(jié)合在一起稱為分子鍵分子鍵。 特性：特性：分子晶體分子晶體因其結(jié)合鍵能很因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點(diǎn)低，所以其熔點(diǎn)很低，硬度也低。很低，硬度也低。但其絕緣性良好。但其絕緣性良好。離子鍵離子鍵 共價鍵共價鍵 金屬鍵金屬鍵 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 方向性不明顯，配位數(shù)大方向性不明顯，配位數(shù)大 方向性明顯，方向性明顯，配位數(shù)小，密度小配位數(shù)小，密度小 無方向性，配位無方向性，配位數(shù)大，密度大數(shù)大，密度大 力學(xué)性能力學(xué)性

8、能 強(qiáng)強(qiáng)度高，劈裂性良好，硬度大度高，劈裂性良好，硬度大 強(qiáng)度高，硬度大強(qiáng)度高，硬度大 有各種強(qiáng)度，有有各種強(qiáng)度，有塑性塑性 熱力性質(zhì)熱力性質(zhì) 熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在中有離子存在 熔點(diǎn)高，膨脹系熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的數(shù)小，熔體中有的含有分子含有分子 有各種熔點(diǎn)，有各種熔點(diǎn)，導(dǎo)熱性好，液態(tài)的導(dǎo)熱性好，液態(tài)的溫度范圍寬溫度范圍寬 電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 絕緣體，熔體為導(dǎo)體絕緣體，熔體為導(dǎo)體 絕緣體，熔體為絕緣體，熔體為非導(dǎo)體非導(dǎo)體 導(dǎo)電體（自由電子）導(dǎo)電體（自由電子） 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，對紅外線的吸收強(qiáng)，多是無

9、色或?qū)t外線的吸收強(qiáng)，多是無色或淺色透明的淺色透明的 折射率大，同氣折射率大，同氣體的吸收光譜很不體的吸收光譜很不同同 不透明，有金屬不透明，有金屬光澤光澤 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬原子間的鍵合特點(diǎn)2.工程材料的鍵性工程材料的鍵性n 金屬材料：金屬材料：主要為金屬鍵（主要為金屬鍵（Na、Cu、Ag等），也有共價鍵（灰等），也有共價鍵（灰錫錫 ）和離子鍵（）和離子鍵（Mg3Sb2）；過渡金屬為不飽和共價鍵（故結(jié)合）；過渡金屬為不飽和共價鍵（故結(jié)合力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、彈性模量大，而導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如簡單力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、彈性模量大，而導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如簡單 金屬）。具有較好強(qiáng)韌性。金屬）。具有較好強(qiáng)韌性。n 陶瓷材料陶

10、瓷材料：離子鍵和共價鍵（如金剛石、硅、碳化硅），多以：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。離子鍵為主；故硬而脆，導(dǎo)電性差。n 高分子材料：高分子材料：共價鍵和分子鍵，大分子鏈內(nèi)為強(qiáng)結(jié)合的共價鍵共價鍵和分子鍵，大分子鏈內(nèi)為強(qiáng)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（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。熔點(diǎn)低、強(qiáng)度低、剛性差。n 復(fù)合材料：復(fù)合材料：多種物質(zhì)的多種鍵的組合；可具有特殊性能。多種物質(zhì)的多種鍵的組合；可具有特殊性能。四四.材料的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性材料的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性 導(dǎo)電現(xiàn)象：導(dǎo)電現(xiàn)

11、象： 金屬金屬外層價電子結(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）；（導(dǎo)電）； 非金屬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（能隙），外場不能激發(fā)，故為絕緣體 ；半導(dǎo)體具有小能隙；半導(dǎo)體具有小能隙（1ev），稍高溫度能被熱激發(fā)而導(dǎo)電。），稍高溫度能被熱激發(fā)而導(dǎo)電。 超導(dǎo)電性：超導(dǎo)電性：低溫下電阻為零和排斥磁力線（完全抗磁性）的特低溫下電阻為零和排斥磁力線（完全抗磁性）的特 殊現(xiàn)象。殊現(xiàn)象。 超導(dǎo)體：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

12、。在一定溫度下具有零電阻、超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料。 原因：原因：電子構(gòu)成電子構(gòu)成“庫柏對庫柏對”（再構(gòu)成整體，見第十四章）（再構(gòu)成整體，見第十四章） 超導(dǎo)應(yīng)用：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)儲能、超導(dǎo)輸電、磁懸浮列車、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)儲能、磁力體發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)（運(yùn)算速度快磁力體發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)（運(yùn)算速度快10多倍，多倍，2050年實(shí)用年實(shí)用化）以及推動航天飛機(jī)（加速到接近光速，做星際旅行）化）以及推動航天飛機(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原子排列對固體材料的微觀結(jié)構(gòu)和行為起著重要

13、的作用 金屬、陶瓷、聚合物金屬、陶瓷、聚合物的原子排列很不同的原子排列很不同性能亦很不同。性能亦很不同。一、聚集態(tài)與原子排列一、聚集態(tài)與原子排列原子排列的秩序原子排列的秩序：無序、短程有序和長程有序。：無序、短程有序和長程有序。 圖圖5-1晶體與非晶體（固體材料）晶體與非晶體（固體材料）非晶體非晶體：僅短程有序，亦稱無定形、玻璃態(tài)，如普通玻璃，部：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。分高聚物材料。晶體：晶體：長程有序材料，如金屬、半導(dǎo)體、大部分陶瓷及某些高長程有序材料，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（如六聚物（如等規(guī)聚

14、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，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）。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，同一成分的物質(zhì)在不同條件下可形成晶體或非晶體，如如 SiOSiO2 2 水晶（晶體）或石英（玻璃）；金屬（晶體）或非晶態(tài)合金。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。原子物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定

15、了物質(zhì)的性能。決定了物質(zhì)的性能。 原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱它們的具體組合狀態(tài)稱為為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。C6012元素單質(zhì)化合物材料12 元素及其性質(zhì)元素及其性質(zhì)12一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 1、晶體與非晶體、晶體與非晶體 晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。晶體具有各向異性。 非晶體非晶體是指原子呈無序排列的固體。是指原子呈無序排列的固體。在一定條件在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。

16、金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料的原子排列材料的原子排列非晶態(tài)非晶態(tài)原子排列短程有序或無序原子排列短程有序或無序非晶體的特點(diǎn)是非晶體的特點(diǎn)是：結(jié)結(jié)構(gòu)無序；構(gòu)無序；物理性質(zhì)表物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；現(xiàn)為各向同性；沒有沒有固定的熔點(diǎn)；固定的熔點(diǎn)；熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性??；??； 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的的三維空間格架三維空間格架。直線的直線的交點(diǎn)交點(diǎn)（原子中心）稱原子中心）稱結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣 晶格：晶格：用假想的直

17、線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間的三維空間格架。格架。直線直線的交點(diǎn)（原的交點(diǎn)（原子中心）稱子中心）稱結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)。由結(jié)由結(jié)點(diǎn)形成的空點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列間點(diǎn)的陣列稱稱空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣二二. 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列n晶體結(jié)構(gòu)：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、類晶體中原子重復(fù)周期性排列的具體方式（花樣、類型）。型）。1.金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu) 圖圖5-2n重復(fù)排列的最小單元即重復(fù)排列的最小單元即晶胞晶胞，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了晶體。成了晶體。n用用原子半徑原子

18、半徑、配位數(shù)配位數(shù)（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（致密度致密度）描述原子尺度及原子排列的描述原子尺度及原子排列的緊密程度緊密程度。n用用晶向指數(shù)、晶面指數(shù)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反映其晶體性和原子排列的非均衡性（各向異性各向異性）n三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖5-3 面心立方：面心立方：Cu、Al、Ni、Au等等 配位數(shù)配位數(shù) 12 致密度致密度 0.74 體心立方：體心立方：Fe、Cr、Mo等等 配位數(shù)配位數(shù) 8 致密度致密度 0.68 密排六方：密排六方：Zn、Mg等等 配位數(shù)配位數(shù) 12 致密度致密度 0

19、.74返回返回17演示bccfcchcp二二. 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列n晶體結(jié)構(gòu)：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、類晶體中原子重復(fù)周期性排列的具體方式（花樣、類型）。型）。1.金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的典型晶體結(jié)構(gòu) 圖圖5-2n重復(fù)排列的最小單元即重復(fù)排列的最小單元即晶胞晶胞，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)，晶胞在三維空間的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了晶體。成了晶體。n用用原子半徑原子半徑、配位數(shù)配位數(shù)（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（最臨近原子數(shù)）、堆積因子（致密度致密度）描述原子尺度及原子排列的描述原子尺度及原子排列的緊密程度緊密程度。n用用晶向指數(shù)、晶面指數(shù)晶向指

20、數(shù)、晶面指數(shù)反映其晶體性和原子排列的非均衡性反映其晶體性和原子排列的非均衡性（各向異性各向異性）n三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖三種典型而簡單的晶體結(jié)構(gòu)類型：圖5-3 面心立方：面心立方：Cu、Al、Ni、Au等等 配位數(shù)配位數(shù) 12 致密度致密度 0.74 體心立方：體心立方：Fe、Cr、Mo等等 配位數(shù)配位數(shù) 8 致密度致密度 0.68 密排六方：密排六方：Zn、Mg等等 配位數(shù)配位數(shù) 12 致密度致密度 0.74Chapter2 Structure of Materials20(1) bcc（1）（體心立方）（體心立方）bcc body-centered cubic structure

21、堿金屬、堿金屬、-Fe 、難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 體心立方晶格體心立方晶格常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)Chapter2 Structure of Materials(2) fcc（2）(面心立方）面心立方）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，貴金屬貴金屬以及以及奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等, ,塑性好，無冷脆性塑性好，無冷脆性 Chapter2 Structure of Materials23(3) hcp（3）密排六方密排六方hcp h

22、exagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 陶瓷材料陶瓷材料n由于鍵性的影響（共價鍵的方向性、離子鍵的正、負(fù)離子配由于鍵性的影響（共價鍵的方向性、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)成離子晶體離子晶體（如（如MgO、Al 2O3等等 ）或）或共價晶體共價晶體（如（如Si3N4、SiC 等）。等）。n陶瓷化合物（離子晶體）陶瓷化合物（離子晶體）中非金屬原子大、構(gòu)成中非金屬原子大、構(gòu)成骨架骨架，金屬金屬原子小，嵌藏在非金屬原子的間隙之中原子小，嵌藏在非金屬原子的間隙之中，組成，組成

23、四面體四面體或或八面八面體體（圖（圖5-4 ）。）。n配位四、八面體在空間按一定規(guī)則排列（連接），構(gòu)成各種配位四、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)如較復(fù)雜結(jié)構(gòu)如金剛石型結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)、氯化鈉（氯化鈉（巖鹽型）等。巖鹽型）等。 圖圖5-5 圖圖5-6 n硅硅-氧四面體氧四面體（SiO2）的隨機(jī)排列（可加入各種添加劑，以改）的隨機(jī)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（非晶態(tài)），表5-2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)硅酸鹽結(jié)構(gòu) Silicate Structure 基本結(jié)構(gòu)單元：基本結(jié)構(gòu)單

24、元：硅氧四面體硅氧四面體SiO4 四面體連接方式：四面體連接方式：共頂連接共頂連接Chapter2 Structure of Materials25非橋氧非橋氧nonbridging oxygen橋氧橋氧bridging oxygen26Chapter2 Structure of Materials26Silicate structure硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型島狀島狀 鏈狀鏈狀 層狀層狀 網(wǎng)架狀網(wǎng)架狀 27Chapter2 Structure of Materials27硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖3.有機(jī)聚合物的原子排列有機(jī)聚合物的原子排列 高聚物的大分子鏈多為扭曲的高聚物的大分子鏈多為扭曲的線性

25、狀線性狀，可為，可為線型線型、支鏈型支鏈型（帶側(cè)鏈）和（帶側(cè)鏈）和體型（交聯(lián)），體型（交聯(lián)），圖圖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，多條鏈的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，一定條件下可以規(guī)則排列，形成形成 晶區(qū)晶區(qū)（80%80%），否則就），否則就是非晶態(tài)是非晶態(tài)，晶區(qū)可提高，晶區(qū)可提高高聚物強(qiáng)度、剛度。高聚物強(qiáng)度、剛度。結(jié)晶性結(jié)晶性 結(jié)晶結(jié)晶指聚合物大分子既是近程有序，又是遠(yuǎn)程有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。序地排列現(xiàn)象。 塑塑料料結(jié)晶型塑料結(jié)晶型塑料非結(jié)晶型塑料（無定型塑料）非結(jié)晶型塑料（無定型塑料）第三節(jié)第三節(jié) 材料中的結(jié)構(gòu)缺陷材料中的結(jié)構(gòu)缺陷 實(shí)際晶體的原子排列并

26、不完整（規(guī)則）無缺（金無足赤），包含實(shí)際晶體的原子排列并不完整（規(guī)則）無缺（金無足赤），包含各種各種缺陷缺陷（局部范圍內(nèi)與理想結(jié)構(gòu)的偏離局部范圍內(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）分按其尺度（在空間延伸的線度、范圍）分點(diǎn)、線、面點(diǎn)、線、面缺陷以及熱缺陷以及熱無序。無序。一一.熱振動導(dǎo)致的無序熱振動導(dǎo)致的無序 材料中原子只有材料中原子只有0K(絕對溫度絕對溫度0度度)時才能基本靜止（尚有微小的時才能基本靜止（尚有微小的零點(diǎn)振動），隨溫度的升高，熱運(yùn)動明顯，原子圍繞平衡位置往零點(diǎn)振動），隨溫度的升高，熱運(yùn)動明顯，原子圍繞平衡位置往復(fù)運(yùn)動（熱運(yùn)動），頻率為復(fù)運(yùn)動（熱運(yùn)動），

27、頻率為1012/s。 瞬時原子位置圖像：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，稱其理想（即平衡）位置，稱熱無序熱無序。 熱振動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。吸收以及溫度升高電阻加大和電介質(zhì)擊穿等。二二.點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子）點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子）l 點(diǎn)缺陷：點(diǎn)缺陷：三維尺寸很小（三維尺寸很小（0.1nm量級），圖量級），圖5-8 。l 空位空位由于熱運(yùn)動，部分高能量原子脫離原來晶

28、格位置，造成由于熱運(yùn)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(jìn)空位的空缺。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。形成。l 間隙原子間隙原子是外來小原子（如鐵中是外來小原子（如鐵中 H、C、N和和O ）占據(jù)了晶格）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。的合金化原子）與晶格原子換位，占據(jù)結(jié)點(diǎn)位置。l 點(diǎn)缺陷點(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

29、、間隙擴(kuò)散）。擴(kuò)散的方式（空位擴(kuò)散、間隙擴(kuò)散）。l 應(yīng)用應(yīng)用：半導(dǎo)體材料鍺（四價）中摻雜五價砷（或三價的鎵），：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。 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子點(diǎn)缺陷種類點(diǎn)缺陷種類 空位空位（vacancy）正常結(jié)點(diǎn)沒正常結(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)。 間隙原子間隙原子（interstitial atom）原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)之間的原子進(jìn)入

30、晶格中正常結(jié)點(diǎn)之間的間隙位置。間隙位置。 置換式雜質(zhì)原子置換式雜質(zhì)原子（substitutional impurity atom）外來原子進(jìn)入外來原子進(jìn)入晶格，取代原來晶格中的原子而晶格，取代原來晶格中的原子而進(jìn)入正常結(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)入正常結(jié)點(diǎn)的位置 間隙式雜質(zhì)原子間隙式雜質(zhì)原子（interstitial impurity atom）外來原子進(jìn)入外來原子進(jìn)入點(diǎn)陣中的間隙位置，成為雜質(zhì)原點(diǎn)陣中的間隙位置，成為雜質(zhì)原子。子。 Chapter2 Structure of Materials33熱缺陷熱缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷三三 、線缺陷（位錯）、線缺陷（位錯）位錯：位錯：在空間一個方向延伸的原子排列不規(guī)則

31、性，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。結(jié)晶和塑性變形時很容易產(chǎn)生位錯。類型：類型： 刃型位錯、螺型位錯。刃型位錯、螺型位錯。圖圖5-9 圖圖5-10無論何種位錯，沿位錯線產(chǎn)生一定程度的點(diǎn)陣畸變。無論何種位錯，沿位錯線產(chǎn)生一定程度的點(diǎn)陣畸變。位錯對晶體力學(xué)性質(zhì)影響很大位錯對晶體力學(xué)性質(zhì)影響很大，外力下位錯運(yùn)動就，外力下位錯運(yùn)動就造成材料塑性變形；給位錯運(yùn)動設(shè)置障礙就提高材造成材料塑性變形；給位錯運(yùn)動設(shè)置障礙就提高材料強(qiáng)度。料強(qiáng)度。(動畫動畫)位錯通過對材料的相變、擴(kuò)散、再結(jié)晶、蠕變和斷位錯通過對材料的相變、擴(kuò)散、再結(jié)晶、蠕變和斷裂等起重要作用。裂等起重要作用。

32、TEM觀察的觀察的晶體中的位錯晶體中的位錯36Chapter2 Structure of Materials36含有刃型位錯的晶體結(jié)構(gòu)模型含有刃型位錯的晶體結(jié)構(gòu)模型 刃型位錯：刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出當(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余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。 半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示表示。 半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯負(fù)位錯，用，用“ ”表示表示。正刃型位錯正刃型位錯（左）和（左

33、）和負(fù)刃型位錯負(fù)刃型位錯（右）（右）Chapter2 Structure of Materials3839Chapter2 Structure of Materials39螺旋位錯示意圖螺旋位錯示意圖40刃位錯的滑移刃位錯的滑移螺位錯的滑移螺位錯的滑移混合位錯的滑移混合位錯的滑移Chapter2 Structure of Materials40電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)四、四、 面缺陷面缺陷(各種界面各種界面) 面缺陷：面缺陷：在空間兩個方向延伸的原子排列不規(guī)則性，在空間兩個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。實(shí)際材

34、料普遍存在，尤其多晶體。 類型：類型：各種界面，如多晶體的晶粒邊界（各種界面，如多晶體的晶粒邊界（晶界晶界）、）、不同相的界面（相界）等，圖不同相的界面（相界）等，圖5-11 面缺陷處于較高能量狀態(tài)面缺陷處于較高能量狀態(tài)，對材料行為、性質(zhì)影響，對材料行為、性質(zhì)影響極大。極大。 細(xì)化材料晶粒細(xì)化材料晶粒將提高其強(qiáng)韌化；促進(jìn)相變與擴(kuò)散；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。細(xì)晶粒是透明陶瓷獲得高度透光性的重要條件。43Chapter2 Structure of Materials432.4.1.3 Planar defect晶核晶核晶體生長晶體生長長成的晶體長成

35、的晶體顯微圖樣顯微圖樣Planar Defect（面缺陷的形成）（面缺陷的形成）面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織第四節(jié)第四節(jié) 材料中的原子擴(kuò)散材料中的原子擴(kuò)散一一.擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象p 擴(kuò)散：擴(kuò)散：原子（離子、分子）因熱運(yùn)動而發(fā)生的遷移（物質(zhì)的原子（離子、分子）因熱運(yùn)動而發(fā)生的遷移（物質(zhì)的傳輸過程）。傳輸過程）。p 由于由于對流、混合對流、混合等的幫助，液體尤其氣體中的擴(kuò)散非?？?，等的幫助，液體尤其氣體中的擴(kuò)散非?？?，如烹調(diào)時味道的傳播、墨水在水中擴(kuò)散以及熟知的糖水、鹽如烹調(diào)時味道的傳播、墨水在水中擴(kuò)散以及熟知的糖水、鹽水等。水等。p 固體中由于較強(qiáng)的原子鍵以及原子規(guī)則排列的約束

36、作用，原固體中由于較強(qiáng)的原子鍵以及原子規(guī)則排列的約束作用，原子的擴(kuò)散要比氣體中慢子的擴(kuò)散要比氣體中慢數(shù)百幾十億倍數(shù)百幾十億倍。p 固體中原子的確可以擴(kuò)散遷移，尤其存在濃度差，會發(fā)生促固體中原子的確可以擴(kuò)散遷移，尤其存在濃度差，會發(fā)生促均勻化的定向遷移。均勻化的定向遷移。 例：例：兩塊磨光銅塊、鋅塊緊密接觸，兩塊磨光銅塊、鋅塊緊密接觸，220 12 12小時后形成小時后形成0.3mm0.3mm厚互擴(kuò)散層。厚互擴(kuò)散層。p 材料的許多行為與加工處理均以材料的許多行為與加工處理均以原子擴(kuò)散為依據(jù)，原子擴(kuò)散為依據(jù)，如如凝固、凝固、相變、氧化、燒結(jié)、熱處理相變、氧化、燒結(jié)、熱處理；晶體管和太陽能電池晶體管

37、和太陽能電池的制造。的制造。 二二. 擴(kuò)散方式（機(jī)制）擴(kuò)散方式（機(jī)制） 空位機(jī)制：空位機(jī)制：原子與空位互換位置，反向移動。原子與空位互換位置，反向移動。 間隙機(jī)制：間隙機(jī)制：間隙原子在晶格間隙之間跳動遷移間隙原子在晶格間隙之間跳動遷移。三三. 擴(kuò)散的工程應(yīng)用擴(kuò)散的工程應(yīng)用例例1：半導(dǎo)體摻雜。：半導(dǎo)體摻雜。鎵在鎵在1100擴(kuò)散擴(kuò)散3 3小時，在純小時，在純 硅片上硅片上3.17um 3.17um 深度處達(dá)深度處達(dá)1022原子原子/m3。 例例2：汽車變速齒輪：汽車變速齒輪等零件（要求外硬、耐磨、等零件（要求外硬、耐磨、 內(nèi)韌、耐沖擊）的內(nèi)韌、耐沖擊）的滲碳滲碳。例例3 ：擴(kuò)散焊：擴(kuò)散焊。鈦合金甚

38、至異種材料（包括陶。鈦合金甚至異種材料（包括陶 瓷）的連接。瓷）的連接。第五節(jié)材料的相圖與相變第五節(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)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；古代神話宇宙萬物千姿百態(tài)、變化多端；古代神話“呼風(fēng)喚雨呼風(fēng)喚雨”、“撒豆成撒豆成冰冰”以及以及“點(diǎn)石成金點(diǎn)石成金”之傳說之傳說 ，均涉及到物質(zhì)（材料）的變化。，均涉及到物質(zhì)（材料）的變化。 沒有煉金術(shù)士對沒有煉金術(shù)士對“煉金術(shù)煉金術(shù)”的狂熱與實(shí)踐，就沒有冶金學(xué)和現(xiàn)代材的狂熱與實(shí)踐，就沒有冶金學(xué)和現(xiàn)代材料制備。料制備。 材料科學(xué)觀點(diǎn)：材料科學(xué)觀點(diǎn)：任一物質(zhì)，不同條件下（、和外場等），呈任一物質(zhì)，不

39、同條件下（、和外場等），呈現(xiàn)不同物態(tài)（稱現(xiàn)不同物態(tài)（稱“相相”），條件改變，便發(fā)生物態(tài)變化），條件改變，便發(fā)生物態(tài)變化-（“相變相變”） 材料可以以幾種物態(tài)即幾種相存在，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材料內(nèi)每個均勻的部分便稱為一個為一個“相相”。如冰浮在水面上，為三相共存；花崗石為石英、長如冰浮在水面上，為三相共存；花崗石為石英、長石、云母三個相構(gòu)成。石、云母三個相構(gòu)成。 通常講，通常講，物質(zhì)有三態(tài)物質(zhì)有三態(tài)（另外還有等離子態(tài)）（另外還有等離子態(tài)）。固體材料內(nèi)部同樣。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。可有多個相存在，只要它們的結(jié)構(gòu)類型不同。合金合

40、金兩種或兩種以上金屬元素，或金屬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)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或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)性的物質(zhì)組元組元 組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)，通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。常組元就是組成合金的元素。 相相 是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同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界面相互分開的組成部分 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)固溶體固溶體中間相中間相(金屬化合物金屬化合物)間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶

41、體相相 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)固溶體固溶體合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)合金的組元通過溶解形成一種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，稱為組元之一相同的固相，稱為固固溶體溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶溶劑劑，另一組元為，另一組元為溶質(zhì)溶質(zhì)。間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體金屬化合物金屬化合物 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)均不相同的固相稱的固相稱金屬化合物金屬化合物。金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)具有較高的熔點(diǎn)、硬度、硬度和和脆性脆性，并可用分子式表示其組

42、成。，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3Cl當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強(qiáng)合物時，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，度、硬度和耐磨性，但降低塑性。但降低塑性。l金屬化合物也是合金金屬化合物也是合金的重要組成相。的重要組成相。二、材料狀態(tài)的匯總圖示：二、材料狀態(tài)的匯總圖示：相圖相圖 相圖相圖（狀態(tài)圖、平衡圖狀態(tài)圖、平衡圖），描述材料處于平衡狀態(tài)下的），描述材料處于平衡狀態(tài)下的成分成分、相相和和外界條件外界條件的關(guān)系。的關(guān)系。 水（水（H2O ）的相圖）的相圖 圖圖5-12 材料相圖的材料相圖的坐標(biāo)為坐標(biāo)為溫度、成分溫度、成分（固定壓力為大氣壓），基本（固定壓

43、力為大氣壓），基本的相圖類型為的相圖類型為勻晶相圖勻晶相圖（Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni等等 ）、）、共晶相共晶相圖、共析相圖、包晶相圖圖、共析相圖、包晶相圖等，圖等，圖5-13 ， 復(fù)雜相圖是它們的組合。復(fù)雜相圖是它們的組合。 工程上十分重要的工程上十分重要的鐵鐵-碳碳相圖相圖 圖圖5-14 LCAE+Fe3C 共晶反應(yīng)，共晶反應(yīng)， 生成生成萊氏體萊氏體（白口鑄鐵），（白口鑄鐵）， 硬而脆。硬而脆。 ASFP+Fe3C 共析反應(yīng)共析反應(yīng) ， 生成生成珠光體珠光體（鋼材主要組成），（鋼材主要組成）， 較強(qiáng)韌。較強(qiáng)韌。 工程鐵工程鐵-碳合金分類（從左碳合金分類（從左右右）：工業(yè)純鐵、鋼、鑄

44、鐵。）：工業(yè)純鐵、鋼、鑄鐵。二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立相圖的測繪方法相圖的測繪方法相圖的應(yīng)用（如對鋼鐵、金屬材料）：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（鍛造必確定鍛造合理加熱溫度和始鍛、終鍛溫度（鍛造必須在須在相區(qū)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）。等（退火、正火、淬火、回火等）。三三.材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變：材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變：相變相變1.相變現(xiàn)象與相變過程相變現(xiàn)象與相變過程 相變：相變：一定條件下材料從某

45、一相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌嗟倪^程，如物質(zhì)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。的三態(tài)的轉(zhuǎn)變。 固態(tài)下同樣可能有多相：冰有固態(tài)下同樣可能有多相：冰有7種、硫種、硫9種結(jié)晶態(tài)（相）、鐵有種結(jié)晶態(tài)（相）、鐵有-Fe、-Fe、-Fe 三種相態(tài)。三種相態(tài)。 固態(tài)下轉(zhuǎn)變類型：固態(tài)下轉(zhuǎn)變類型： 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（一種晶相（一種晶相另一種晶相，如另一種晶相，如-Fe Fe ）；過飽）；過飽和固溶體分解（由一固相析出另一固相）；和固溶體分解（由一固相析出另一固相）； 共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變（一固相（一固相另二固相），如鋼中奧氏體另二固相），如鋼中奧氏體珠光體珠光體（F+Fe3C）等。）等。 相變

46、條件：相變條件：一要一要過冷（熱）過冷（熱），即稍低于或稍高于其平衡溫度，即稍低于或稍高于其平衡溫度，如要結(jié)冰必須低于如要結(jié)冰必須低于0；二要有；二要有晶核晶核（小晶核）存在。（小晶核）存在。 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶凝固凝固結(jié)晶結(jié)晶平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘儆梢簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。固態(tài)的過程。結(jié)晶是指從原結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排子不規(guī)則排列的列的液態(tài)轉(zhuǎn)變液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排為原子規(guī)則排列的晶體狀態(tài)列的晶體狀態(tài)的過程。的過程。 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣涛镔|(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為態(tài)的過程稱為凝固。凝固。 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫镔|(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為態(tài)

47、的過程稱為結(jié)晶結(jié)晶。 物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為另一個相的過程稱為相變相變。因而結(jié)晶過程因而結(jié)晶過程是相變過程。是相變過程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象冷卻曲線冷卻曲線結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度結(jié)晶過程宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程宏觀現(xiàn)象-冷卻曲線冷卻曲線過冷過冷結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱 過冷過冷與與過冷度過冷度 純金屬都有一個純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)熔點(diǎn)或或平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶溫度溫度)。在該溫度下。在該溫度下, 液體和晶體處于液體和晶體處于動平衡狀態(tài)動平衡狀態(tài)。 結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際以下的實(shí)際 結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。結(jié)

48、晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇霧凇金屬結(jié)晶微觀過程金屬結(jié)晶微觀過程形核形核長大長大形成多晶體形成多晶體兩個過程重疊交織兩個過程重疊交織樹枝狀結(jié)晶樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶n 典故典故1：過冷現(xiàn)象由溫度計(jì)發(fā)明者、法國吹玻璃瓶工人法倫：過冷現(xiàn)象由溫度計(jì)發(fā)明者、法國吹玻璃瓶工人法倫海特（海特（Fahrenheit）發(fā)現(xiàn)：洗干凈的玻璃瓶裝滿水在寒冬置）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。

49、瓶塞（想弄清楚原因）時，剎時瓶中水全部結(jié)成冰針。n 典故典故：一英國人甚至把過冷的水楊酸苯酯液體放置放置十：一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)，當(dāng)他將這一珍品出示給學(xué)生時，在講臺上僅一點(diǎn)輕微振動，便全部結(jié)成晶體。生時，在講臺上僅一點(diǎn)輕微振動，便全部結(jié)成晶體。 相變過程相變過程：形核和長大形核和長大，一般為，一般為非自發(fā)形核非自發(fā)形核（如人工降雨，（如人工降雨，冬天窗花自邊緣產(chǎn)生）。冬天窗花自邊緣產(chǎn)生）。典故之原因典故之原因：清純水里缺少結(jié)晶中心，開蓋后塵埃等異物：清純水里缺少結(jié)晶中心，開蓋后塵埃等異物進(jìn)

50、入，起進(jìn)入，起籽晶籽晶作用。作用。典故之原因典故之原因：過冷液體極不穩(wěn)定，稍一振動，失去原有平：過冷液體極不穩(wěn)定，稍一振動，失去原有平衡，發(fā)生相變。衡，發(fā)生相變。相變效應(yīng)種種。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。如相變前后的結(jié)構(gòu)不同、性能可不大一樣。如高溫高壓下高溫高壓下，可由，可由石石墨墨（層狀結(jié)構(gòu)）制備（層狀結(jié)構(gòu)）制備金剛石金剛石（六方的金剛石型結(jié)構(gòu)）。（六方的金剛石型結(jié)構(gòu)）。 金剛石：金剛石：最硬，切削工具；絕緣體。最硬，切削工具；絕緣體。 石墨：石墨：特軟，潤滑材料；可導(dǎo)電。特軟，潤滑材料；可導(dǎo)電。 相變效應(yīng)傳奇：相變效應(yīng)傳奇： 例例：幾十年前，某國一軍用列車上急需錫錠

51、經(jīng)過嚴(yán)寒原野后，：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，白色的金屬錫白色的金屬錫無用的粉末；某軍需倉庫軍大衣的無用的粉末；某軍需倉庫軍大衣的錫制錫制紐扣在紐扣在 一個寒冬全部變成灰色粉末，即發(fā)生一個寒冬全部變成灰色粉末，即發(fā)生“錫錫瘟瘟 ”或或“錫疫錫疫”。 例：例：1912年南極探險隊(duì)的液體燃料全部從燃料箱的焊錫處年南極探險隊(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。滲漏，最終全隊(duì)覆滅。 材料科學(xué)解釋材料科學(xué)解釋：一是一是錫在低溫下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，具有較大體積變化錫在低溫下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，具有較大體積變化（金屬白錫（金屬白錫為為7.3gcm-3，而灰錫僅，而灰錫僅5.8gcm-

52、3，產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)變應(yīng)，產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)變應(yīng)力；力；二是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。被破碎為粉末。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 構(gòu)轉(zhuǎn)變構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一相變之一固態(tài)相變固態(tài)相變。 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394912 -Fe -Fe -Fel物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵-碳相圖動畫 相變之

53、應(yīng)用：相變之應(yīng)用：例例：鐵和金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是金屬材料：鐵和金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是金屬材料熱處理熱處理 的主要基礎(chǔ)。的主要基礎(chǔ)。例例：鋼廠出廠鋼材多為：鋼廠出廠鋼材多為退火狀態(tài)退火狀態(tài)，高塑性和較低，高塑性和較低 強(qiáng)度強(qiáng)度便于加工、成型，成品之前需淬火、回便于加工、成型，成品之前需淬火、回 火處理（快冷獲硬的馬氏體）火處理（快冷獲硬的馬氏體）重要零件。重要零件。例例：加熱到：加熱到9501050 的奧氏體（塑性好）的奧氏體（塑性好） 可大變形（熱鍛）?？纱笞冃危徨懀?。 加熱到熔點(diǎn)以上（固加熱到熔點(diǎn)以上（固液相變）液相變） 再冷卻成再冷卻成 型型鑄造鑄造或或熔化焊熔化焊。第六節(jié)材料的強(qiáng)化與韌化

54、第六節(jié)材料的強(qiáng)化與韌化一一.材料的強(qiáng)度、塑性與韌性材料的強(qiáng)度、塑性與韌性 強(qiáng)度：強(qiáng)度：材料抵抗變形和斷裂的能力。如材料抵抗變形和斷裂的能力。如屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度b、疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度-1等。等。 超高強(qiáng)度鋼、芳綸纖維等屬高強(qiáng)度材料；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。普通塑料、混凝土屬低強(qiáng)度材料。 塑性：塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，如材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，如延伸率（延伸率（% %）、斷斷面收縮率面收縮率(%)。 陶瓷玻璃、石頭及普通灰鑄鐵屬脆性材料（陶瓷玻璃、石頭及普通灰鑄鐵屬脆性材料（ 5% 5% 5%）。）。 脆性：脆性：

55、材料斷裂時所需要的能量的度量。如材料斷裂時所需要的能量的度量。如A Ak k、K KICIC等，可用應(yīng)等，可用應(yīng)力力- -應(yīng)變曲線下的面積來衡量。應(yīng)變曲線下的面積來衡量。 韌性韌性可視為可視為強(qiáng)度與塑性的綜合強(qiáng)度與塑性的綜合，高強(qiáng)度下高塑性（或具有一定，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。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。二二. .結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化結(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)動等，力學(xué)性結(jié)構(gòu)材料的主要功能：承擔(dān)力和負(fù)荷、傳遞運(yùn)動等，力學(xué)性能是其最主要的性能要求。能是其最主要的性能要求。 最大限度挖掘其強(qiáng)度

56、、塑性和韌性的潛力最大限度挖掘其強(qiáng)度、塑性和韌性的潛力即即強(qiáng)韌化強(qiáng)韌化。1.1.金屬材料的強(qiáng)韌化途徑金屬材料的強(qiáng)韌化途徑金屬材料的強(qiáng)化途徑金屬材料的強(qiáng)化途徑 冷變形強(qiáng)化（加工硬化）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：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?，F(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)鐵強(qiáng)烈變形強(qiáng)度可達(dá)3000MPa3000MPa；不銹鋼冷軋或爆炸成型，；不銹鋼冷軋或爆炸成型，b b、s s可提高可提高1 1倍。倍。 工程實(shí)例：工程實(shí)例：鋼板冷軋、鋼絲冷拔；表面滾壓、噴丸（提高工鋼板冷軋、鋼絲冷拔；表面

57、滾壓、噴丸（提高工件疲勞強(qiáng)度）。件疲勞強(qiáng)度）。 固溶強(qiáng)化：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。合金元素溶于金屬基體使強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。合金合金的強(qiáng)度（如銅中加鋅）高于的強(qiáng)度（如銅中加鋅）高于純金屬純金屬即是事實(shí)。即是事實(shí)。 間隙固溶間隙固溶的效應(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（鋼材（ -Fe 中每加中每加1%at1%at的的C C、N,N,強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高450MPa450MPa） 細(xì)晶強(qiáng)化：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

58、早已廣泛采用不降低（甚至提高）材料的韌性。工程上早已廣泛采用（通過種種措施）。（通過種種措施）。 第二相粒子強(qiáng)化：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。效靠基體中加入細(xì)小彌散粒子而強(qiáng)化。效果顯著，但降低果顯著，但降低 材料的塑、韌性。材料的塑、韌性。方法：方法：過飽和固溶體析出或粉末冶金（人為加入）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)化復(fù)合強(qiáng)化與與馬氏體強(qiáng)化：馬氏體強(qiáng)化：四種強(qiáng)化方法共同作用，效果更四種強(qiáng)化方法共同作用，效果更好。好。例例：低碳低合金鋼的控制軋制（第二相、細(xì)晶等）；：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、位錯等缺

59、陷增多、鋼的淬火（馬氏體）強(qiáng)化（固溶、位錯等缺陷增多、 沉淀細(xì)小碳化物粒子等）。沉淀細(xì)小碳化物粒子等）。例例：鋼鐵的強(qiáng)化效果（表：鋼鐵的強(qiáng)化效果（表5-3 ）（）金屬材料的韌化途徑（）金屬材料的韌化途徑 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒：細(xì)晶粒材料變形時，不會應(yīng)力集中，能經(jīng)受較大變：細(xì)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(qiáng)度高且韌性好（非?？少F）。形，故不僅強(qiáng)度高且韌性好（非?？少F）。 細(xì)化措施：細(xì)化措施：鑄鐵、有色金屬合金的鑄鐵、有色金屬合金的孕育孕育或或變質(zhì)處理變質(zhì)處理（晶核數(shù)量（晶核數(shù)量多等）；加入強(qiáng)烈阻礙晶粒長大的質(zhì)點(diǎn)；凝固時多等）；加入強(qiáng)烈阻礙晶粒長大的質(zhì)點(diǎn)；凝固時增大過冷度增大過冷

60、度，以及以及振動、攪拌振動、攪拌等方法。等方法。 調(diào)整化學(xué)成分調(diào)整化學(xué)成分：降低鋼中：降低鋼中碳、氮碳、氮（他們使強(qiáng)度升高的同時，嚴(yán)（他們使強(qiáng)度升高的同時，嚴(yán)重?fù)p害其韌性）和重?fù)p害其韌性）和硫、磷、氫、氧硫、磷、氫、氧等有害雜質(zhì)的含量；鋼中加等有害雜質(zhì)的含量；鋼中加Ni或少量或少量Mn 可提高韌性?？商岣唔g性。 形變熱處理形變熱處理：加熱加熱+變形變形+淬、回火淬、回火，即塑性變形與相變強(qiáng)化相，即塑性變形與相變強(qiáng)化相結(jié)合?？娠@著提高材料強(qiáng)度，且不損害韌性（十分難得）。結(jié)合?？娠@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)化低碳馬氏體強(qiáng)化：降碳、以置換型元素（：降碳、以置換型元素（N