材料 重要术语和概念

1、重要术语和概念第一章绪论化学元素(elements)化学元素，简称元素，是化学元素周期表中的基本组成，现有113种元素，其中 原子序数从93到113号的元素是人造元素。物质(matter)物质是客观实在，且能被人们通过某种方式感知和了解的东西，是元素的载体。材料(materials)材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。化学纤维 (man-made fiber, chemical fiber)化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制成的纤 维。可分为再生纤维、合成纤维、醋酯纤维、无机纤维等。H4- LL.心片芯片是含有一系列电子元件及其连线的小块硅片，主要用于计算

2、机和其他电子设 备。光导纤维 (optical waveguide fibre)光以波导方式在其中传输的光学介质材料，简称光纤。激光(light amplification by stimulated emission of radiation 简写为： laser) 激光是利用辐射计发光放大原理而产生的一种单色(单频率)、定向性好、干涉 性强、能量密度高的光束。超导物质在某个温度下电阻为零的现象为超导，我们称具有超导性质的材料为超导 体。*仿生材料仿生材料是模仿生物结构或功能，人为设计和制造的一类材料。材料科学(materials science)材料科学是一门科学，它从事于材料本质的发现、

3、分析方面的研究，它的目的在 于提供材料结构的统一描绘，或给出模型，并解释这种结构与材料的性能之间的关系。材料工程(materials engineering)材料工程属技术的范畴，目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、 加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。材料科学与工程(materials science and engineering)材料科学与工程是研究有关材料的成份、结构和制造工艺与其性能和使用性能间 相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。材料的成份、结构， 制造工艺，性能及使用性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。* 成份(compositi

4、on)成分是指材料的化学组成及其所占比例。*组织结构组织结构是表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的图象，其中用肉眼和 放大镜观察到的为宏观组织，用显微镜观察到的为显微组织，用电子显微镜观察 到的为电子显微组织。结构是指材料中原子或分子的排列方式。性能(property)性能是指材料所具有的性质与效用。工艺(process)工艺是将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等使用性能材料在具体的使用条件和环境下所表现出来的行为。第二章电负性(electro negativity )周期表中各元素的原子吸引电子能力的一种相对标度为电负性，又称负电 性。元素的电负性愈大，吸引电子的倾向愈大,非金属性

5、也愈强。电负性的定义和 计算方法有多种，每一种方法的电负性数值都不同，比较有代表性的有3种:LC 鲍林提出的标度。根据热化学数据和分子的键能，指定氟的电负性为3.98,计算 其他元素的相对电负性。RS密立根从电离势和电子亲合能计算的绝对电负性。 AL阿莱提出的建立在核和成键原子的电子静电作用基础上的电负性。利用电 负性值时，必须是同一套数值进行比较。元素的电负性值(鲍林标度) TOC o 1-5 h z 元素 电负性氢2.20钪1.36锂0.98钛1.54钠0.93钒1.63 钾 0.82 铭1.66钏 0.82锰 1.55铯 0.79铁 1.83铍 1.57钻1.88 镁 1.31 竦1.9

6、1钙 1.00铜 1.90锶 0.95锌 1.65钡 0.89硼2.04 铝 1.61 神3.44 碳 2.55 硫3.16 铅 2.33 漠2.18 镓 1.81 锑2.58 硅 1.90 硒2.96 氮 3.04 碘2.05 钢 1.78 铋2.55 锗 2.01 氟2.66 磷 2.192.02 铊 2.04 氧3.98 锡 1.96 氯离子键(ionic bond )离子键是通过异性电荷之间的吸引产生的化学结合作用，又称电价键。电离 能小的金属原子(如 碱金属)和电子亲合能大的非金属原子(如卤素)接近时，前 者将失去电子形成正离子，后者将获得电子形成负离子，正负离子通过库仑作用 相互吸

7、引。当这种吸引力与离子的电子云之间的排斥力达到平衡时,形成稳定的 以离子键结合的体系。离子键的特征是作用力强，而且随距离的增大减弱较慢;作用不受方向性和 饱和性的限制，一个离子周围能容纳多少个异性离子及其配置方式，由各离子间 的库仑作用决定。以离子键结合的体系倾向于形成品体，以便在一个离子周围形 成尽可能多的离子键，例如NaCl分子倾向于聚集为NaCl晶体，使每个钠(或氯) 离子周围的离子键从1个变为6个。共价键(covalent bond)共价键是原子之间通过共享电子而产生的化学结合作用。典型的共价键存在 于同核双原子分子中，由每个原子提供一个电子构成成键电子对。这对电子的自 旋方向相反，集

8、中在中间区域，并吸引带正电的两个原子的核心部分而把它们结 合起来。在异核双原子分子中，2个原子的核心部分对成键电子的吸引力不同，成 键电子偏向一方，例如在氟化氢分子中电子偏向氟，这种化学键称为极性键。共价 键的特征是有饱和性、方向性和作用的短程性。一个原子能形成的典型共价键的 数目等于该原子的价电子数，称为它的原子价。共价键之间有特定的相对取向， 例如水分子呈弯曲形，而二氧化碳分子是直线形的。共价键的方向性使分子具有 特定的几何形状。金属键(metallic bond )使金属原子结合成金属的相互作用。金属原子的电离能低，容易失去电子而 形成正离子和自由电子，正离子整体共同吸引自由电子而结合在

9、一起。金属键可 看作高度离域的共价键，但没有饱和性和方向性。金属键的显著特征是成键电 子可在整个聚集体中流动,这使金属呈现出特有的属性：良好的导热性和导电性、 高的热容和熵值、延展性和金属光泽等。*分子键惰性气体分子间是靠分子键结合的，其实质是分子偶极矩间的库仑相互作用，这 种结合键较弱。其分子间相互作用力为范德华力。氢键(hydrogen bond)一个与电负性高的原子X共价结合的氢原子(X-H )带有部分正电荷，能再 与另一个电负性高的原子(如Y)结合,形成一个聚集体XHY的化学结合作用。 X、Y原子的电负性越大、半径越小，贝怫成的氢键越强。例如,FHF是最强 的氢键。氢键表面上有饱和性和

10、方向性:一个H原子只能与两个其他原子结 合, XHY要尽可能成直线。但氢键HY之间的作用主要是离子性的，呈现的 方向性和饱和性主要是由X和Y之间的库仑斥力决定的。氢键可以在分子内形成， 称为内氢键；也可以在两个分子之间形成。分子间的氢键可使很多分子结合起来， 形成链状、环状、层状或立体的网络结构。氢键的键能比较小，通常只有1725千焦/摩尔。但氢键的形成对物质的性 质有显著影响，例如使熔点和沸点升高；溶质与溶剂之间形成氢键，使溶解度增大； 在核磁共振谱中氢键使有关质子的化学位移移向低场;在红外光谱中氢键 XHY的形成使XH的特征振动频率变小并伴有带的加宽和强度的增加;氢键 的形成决定蛋白质分子

11、的构象,在生物体中起重要的作用。品体(crystal)微粒(原子、分子或离子)在空间呈三维周期性规则排列的固体。自然界的 物质有3种存在形态，即气体、液体和固体，固体物质又有晶体和非晶态之分， 例如玻璃是非晶态物质。固体物质中绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐, 大多数无机化合物和有机化合物,甚至植物纤维都是晶体。有些晶体具有规则的 多面体外形，如水晶,称为单品体;有些则没有规则整齐的外形，如金属，整个固体 是由许多取向随机的微小单晶颗粒组合而成，这样的固体称为多晶体。晶体的一切性质无不与其内部结构有三维周期性这个特征密切相关,如晶体 具有固定的熔点、各向异性、对称性、能使X射线发生衍射。

12、固体物质是否为品 体,一般用X射线衍射法予以鉴定。另外，品体还具有对称性。准品(Quasicrystal)准品是同时具有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相。 准周期性和非晶体学对称性构成了准晶结构的核心特征。非晶(noncrystal)与晶体不同，非晶体原子排列是短程有序、长程无序，固体的性能是各向同 性的。液晶 (liquid crystal)液晶态是介于三维有序晶态与无序晶态之间的一种中间态。在热力学上是 稳定的，它既具有液体的易流动性，又具有晶体的双折射等各向异性的特征。处 于液晶态的物质，其分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维 的长程有序性，因此液晶又可称

13、为“位置无序晶体”或“取向有序液体”。液品 材料都是有机化合物，有小分子也有高分子，其数量已近万种，通常将其分为二 大类，热致液晶和溶致液晶。热致液晶只在一定温度范围内呈现液晶态，即这种 物质的晶体在加热熔化形成各向同性的液体之前形成液晶相。热致液晶又有许多类型，主要有向列型、近品型和胆甾型。基元组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称称为晶体的基本结构单元，简称基元。点阵晶体基元周期性排列的点的集合就称为“晶格”（或点阵），这些点被称为格点。 因此，可以说晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间点阵来决定的。晶胞（unit cell）晶胞是晶体的基本结构单位。反映晶体结构三维周期性的晶格将晶体划分

14、 为一个个彼此互相并置而等同的平行六面体，即为晶胞。晶胞包括两个要素:一是 晶胞的大小、型式;另一是晶胞的内容，前者主要指晶胞参数的大小，即平行六面 体的边长a、b、c和夹角a、&、Y的大小，以及与晶胞对应的空间点阵型式, 即属于简单格子P还是带心格子I、F或C等;后者主要指晶胞中有哪些原子、离 子以及它们在晶胞中的分布位置等。面心立方结构（fcc），体心立方结构（bcc）和密排六方结构（hcp）金属所具有的典型晶体结构为面心立方结构（fcc）（图2-27），体心立方结构 （bcc）（图2-28）和密排六方结构（hcp）（图2-29），皆属于立方结构晶系。具有面心立方结构的常见金属有：Y -F

15、e、Al、 -Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等具有体心立方结构的常见金属有：Ti、V、Cr、-Fe、-Zr、Nb、Mo、Ta、W 等具有密排六方结构的常见金属有：-Ti、-Zr、Co、Mg、Zn等硅酸盐结构硅酸盐结构是一种共价晶体的结构，硅酸盐的基本结构单元就是kiO41 -四面 体（图2-33），硅原子位于氧原子四面体间隙中，每个氧原子外层只有7个电子， 为-1价，还能和其他金属离子键合，其中Si的配位数是4,氧的配位数是2， Si-O-Si的结合键间键角接近145。这种硅氧四面体可以孤立地在结构中存在， 如镁橄榄石MgSiO，锆英石ZrSiO等；也可以通过其顶点互相连接；除可以连 2

16、4 4成骨架状外，还可以连成链状和层状（图2-34）。莫莱石就是链状硅酸盐，高岭 土和滑石则是层状硅酸盐。离子品体结构离子品体是由正负离子通过离子键，按一定方式堆积起来而形成的，也就是说， 离子品体的基元是离子而不是原子了，这些离子化合物的晶体结构必须确保电中 性，而又能使不同尺寸的离子有效地堆积在一起。多数盐类，碱类（金属氢氧化 物）及金属氧化物都形成离子品体。周期性对空间点阵，可以看成是由几何点沿空间三个不共面的方向各按一定距离无 限重复地平移构成(图2-20)，每个方向的一定平移距离称为该点阵在该方向的 周期，故周期性也可以称之为平移对称性。理想晶体的内部结构是组成晶体的原 子、分子或原

17、子团等在三维空间中有规则地周期性重复排列，这种周期性排列是 晶体最基本的特点，也是研究晶体各种物理性质的重要基础。对称性晶体的对称性是指晶体经过某种几何变换(平移、旋转等操作)仍能恢复原状的 特性。配位数对于简单品格，配位数CN为晶格中任一原子周围最近邻且等距离的原子数；致密度原子体积占总体积的百分数。若以一个晶胞来计算，致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比，即k=nv/V，其中v为单个原子的体积v = 虹，V为晶胞体积， 3n为一个晶胞中的原子数。离子半径(ionic radius)离子半径是反映离子大小的一个物理量。离子可近似视为球体,离子半径的导 出以正、负离子半径之和等于 离子键 键

18、长这一原理为基础，从大量X射线品体 结构分析实测键长值中推引出离子半径。离子半径的大小主要取决于离子所带电 荷和离子本身的电子分布，但还要受离子化合物结构型式(如配位数等)的影响。负离子配位多面体负离子配位多面体指的是离子品体结构中，与某一个正离子成配位关系而且相邻 的各个负离子中心线所构成的多面体。空位(vacancy)如果晶格中某格点上的原子空缺了，则称为空位，这是晶体中最重要的点缺陷。*间隙原子(interstice)脱位原子有可能挤入格点的间隙位置，形成间隙原子。色心 (color center):离子品体的某些点缺陷是有效电荷的中心，他们可能束缚电子，这种缺陷 的电子结构能吸收可见光

19、而使该晶体着色，故称这种能吸收可见光的晶体缺陷为 色心。刃位错、螺位错：晶体中由于滑移或晶体失配，原子或离子排列的点阵结构发生畸变的线型 缺陷轨道称为位错线，简称位错(dislocation)。品体中位错的基本类型为刃型位 错和螺型位错。图2-47是刃型位错模型，可以看到，与完整晶格相比，它多了 一个半原子面，而且这个半原子面象个“劈”一样，楔入完整晶体，终止于晶体 中，面的边缘是一条线，这条线周围若十个原子距离内的原子的规则排列遭到破 坏，这就形成了刃位错。如果让晶体中的一部分在切应力作用下滑移，如图2-48 所示，可以发现，发生滑移与未发生滑移的交界处也是一条直线，其附近原子的 规则排列也

20、被破坏了，如图2-48b所示，这些原子呈螺旋状分布，称这种位错为 螺型位错。品界(crystal boundary, grain boundary)不同取向的晶粒之间的界面。孪晶界(twin boundary)孪晶间的界面叫孪晶界，其界面两侧的原子排列成镜面对称。相(phase)相是指系统中的物质结构均匀的部分。气体在平衡条件下，不论有多少组分， 都是均匀的，因此气相只有一种。固体内部就比较复杂了。在固体材料中，具有 同样聚集状态，同样原子排列特征性质,并以界面相互隔开的均匀组成部分称之 为“相”。相可以是单质，也可以是化合物。材料的性能与各组成相的性质、形 态、分布和数量直接有关。组织组织是

21、相的形态、分布的图象，其中用肉眼和放大镜观察到的为宏观组织，用显 微镜观察到的为显微组织，用电子显微镜观察到的为电子显微组织。相图(phase diagram)平衡状态下物系的组分、物相和外界条件间相互关系的几何描述为相图，也 称状态图或平衡图。凝聚体系的相图多数是恒压下的温度-组分关系图。*杠杆定律确定某种成份的合金在二相区中各相的相对含量的法则。首先要确定各单 相的成份。在一定温度下，两单相的成份是确定的，就是温度水平线与相界线的 交点所对应的成份。如图2-58所示，现在我们考虑成份为C %(wt)的A合金在 t1温度下液、固二相的相对含量。从图中可以看出，液相浓度为Cl %(wt)，固

22、相浓度为c %(wt)，假设合金的质量为1，液相质量为wl，固相质量为w，则wl+w 二1，另外谷金A中的含Ni量应该等于液相含Ni量和固相合Ni量之和，即W：CL + Wa Ca = 1xC，由这二式可以得出 W/ W =( Ca- C)/(C- CL)= rb /ar，再变换 一下可得W ar = W rb，这个关系式与以r为支点，以a、b二点为受力端 点的杠杆苹衡时的关系类似，故称其为杠杆定律。匀品相图这种相图的特点是两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶。结 品时，都是从液相中结品出单相固溶体。我们把从液相结品出单相固溶体的结品 过程称为匀品转变。具有这类相图的二元合金系有Cu

23、-Ni、Ag-Au、Fe-Ni、Cr-Mo、Cu-Au等，有些硅酸盐材料如镁橄榄石(Mg SiO)-铁橄榄石 (FeSiO)等也具有此 类特征。共晶反应(eutectic reaction)在共晶相图上有单相区。两单相区之间为双相区。另外还都有一条水平线，如 Pb-Sn相图上MEN (图2-60 b)，这表示在水平线所对应的这个特定温度下有三 相共存。E点是二条液相线AE和BE的交点，在E点的上方是液相，其下方是a、 P二相共存区。这说明，相当于E点成份的液相在冷却至三相共存线的温度时， 会同时结品出成份为M的a相和成份为N的6相，这种反应可以写成如下形式：L & a + p这种由某一成份液相

24、在恒温下同时结晶出二个成份不同的固相的反应称为共晶 反应，发生共晶反应的温度T为共晶温度，成份为E点的合金为共晶合金。共 品组织为a相和6相的机械混合物，它们通常呈层片状相间分布。共晶相图(eutectic phase diagram)两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完全不互溶，冷却过程中发生共晶反应 的相图为共晶相图。具有共晶相图的合金系有Pb-Sn、Al-Si、Pb-Bi等，一些硝 酸盐也具有共晶相图。包品反应(peritectic reaction)包品反应是由一固定成份的液相和一固定成份的固相相互作用生成另一个 固定成份的固相，其反应式可表示为LB +a -帑尸，包品反应的产物是单

25、相固 溶体。*包品相图 (peritectic phase diagram)两组元在液态无限固溶，固态下有限互溶(或不互溶)并发生包品反应的二元系 相图称为包品相图，Pb-Ag就形成包品相图，陶瓷ZrO -CaO也形成包品相图。在 包品相图上也存在单相区、双相区、三相区，也是只有在特定的温度下才能三相 共存。Fe-C相图Fe-C相图是Fe-C合金的二元相图，是材料科学尤其是金属热处理最重要的相图 之一。* 共析反应 (eutectoid reaction)共析反应是由一固定成份的固相在特定温度下同时析出两种固相的反应，其反应一 -T一 一 一一式可表示为Y p侦a D + p b，共析反应的产

26、物是两种固相的机械混合物。铁素体(ferrite)铁或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的、品体点阵为体心立方的固溶体。*奥氏体 Y(austenite)铁内固溶有碳和或其他元素的、品体结构为面心立方的固溶体。它是以英国 冶金学家R.Austen的名字命名的。珠光体(pearlite)本意是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的产物，其立体形态为铁 素体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。广义则包括过冷 奥氏体发生珠光体转变所形成的层状复相物。这种组织是以其金相形态酷似珍珠 母甲壳外表面的光泽而得名。固溶体 (solid solution)固态条件下，一种组分(溶剂)内“溶

27、解”了其他组分(溶质)而形成的单一、均匀 的晶态固体。固溶体有置换型(替位型)和间隙型(填隙型)两种：溶质原子位于溶 剂品格中某些结点位置时形成置换型固溶体；溶质原子位于溶剂品格中某些间隙 位置时形成间隙型固溶体。能带(energy band)能带是描述晶体中电子能量状态的一个物理概念。品体是由大量原子规则排列 组成的，在晶体中原子的外层电子运动已不再局限在该原子附近，而是可以在整 个晶体中运动。这种情况称为电子运动的共有化。其结果是：N个孤立原子有N 个相同的能级，在晶体中变成N个能量略有差别的不同等级，构成能带。*空带没有被电子或空穴填充的能带。导带 (conduction band)金属

28、的价带之上的最低能带有大量电子，但没有占满所有的能带,这些电子在电 场作用下，可以在晶体中运动，引起电流，因此这种能带称为导带。价带(valence band)一系列能带中，能量最高的满带被称为价带。*禁带(forbidden band)有些晶体中，能带和能带之间有一定的间隔,这个间隔中的能量一般是该晶体电 子不能具有的，所以称此间隔为禁带。禁带往往表示价带和最低导带之间的能量 间隔。*能隙(energy gap)固体中电子两相邻能带相隔的能量范围称为能隙，亦称为禁带宽度。第三章*弹性(elastic property)弹性是反映晶格中原子在外力作用下自平衡位置产生可逆位移的力学性能之一。*虎

29、克定律当材料发生弹性变形的时候，应力与应变呈线性关系，即。=E，这就是著名 的虎克定律，E为杨氏模量，。为应力，既单位面积所受的力，为应变，既单 位长度的伸长。塑性 (plastic property)塑性是指材料断裂前发生塑性变形的能力。延伸率延伸率指的是试样拉断后标距的伸长和原始标距的百分比。断面收缩率(percentage reduction of area)断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分 比。*强度(strength)强度是材料或物件经得起变形的能力。*屈服强度(yield strength)屈服强度是试样在拉伸过程中，开始产生塑性变形所须的应力

30、。通常用标距部分 残余伸长达到原标距长度的规定数值时之力除以原横截面积所得的应力来表示， 一般取残余应变0.2%。*抗拉强度(tensile strength)抗拉强度是在拉伸试验中，试样所能承受的最大负荷除以原横截面积所得的应力 值。韧性(toughness)韧性是材料在外力作用下，在塑性形变过程中吸收能量的能力。吸收能量愈大， 韧性愈好。断裂韧性 fracture toughness断裂韧性是断裂力学中，量度裂纹扩展阻力的主要指标之一，它反映具有裂纹的 材料对外界作用的一种抵抗能力。硬度（hardness）硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。布式硬度（Brinell har

31、dness ）用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入试样表面，经规 定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算的一种压痕硬度值。洛式硬度（Rockwell hardness）在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头（金刚石圆锥或钢球）压入试样 表面，经规定保持时间后卸除主试验力，用测量的残余压痕深度增量计算的一种 压痕硬度值。维式硬度（Vickers hardness）将相对面夹角为13 6。的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力（4 9.0 3-980.7N）压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的压 痕对角线长度计算的一种压痕硬度值显微硬度（microhard

32、ness）显微硬度主要用于确定很薄的材料、细金属丝、小型精密零件（如钟表和仪表零 件）的硬度，测定淬硬表面的硬度变化率，研究小面积内硬度的变化以及在金相 学中研究金属中不同相体的硬度等。测量方法与维氏硬度基本相同,但载荷很小， 以克力计数;压痕的特征尺寸也很小，需要用读数显微镜测出，故得名。固溶强化在纯金属中加入溶质原子（间隙型或置换型）形成固溶合金（或多相合金中的基 体相），将显著提高屈服强度，此即为固溶强化。*形变强化从图3-2的应力一应变曲线上可以看出，材料屈服以后，随着塑性变形量的增 加，所需的应力是不断增加的，这种现象叫形变强化，也叫加工硬化。形变强化 是金属强化的 重要方法之一，它

33、能为金属材料的应用提供安全保证，也是某些 金属塑性加工工艺所必须具备的条件，如拔制。*晶界强化随着品粒细化，品界所占体积增加，金属的强度和塑性是同时提高的。这种强化 工艺称为晶界强化。第二相强化所谓第二相强化是指在金属基体(通常是固溶体)中还存在另外的一个或几个相， 这些相的存在使金属的强度得到提高。择优取向(preferred orientation)在一般多晶体中，每个品粒有不同于相邻晶粒的结品学取向，从整体看，所有晶粒 的取向是任意分布的。但某些情况下，晶体的晶粒在不同程度上围绕某些特殊的 取向排列，就称为择优取向或简称织构。再结品(recrystallization)金属塑性变形后，被

34、拉长了的品粒重新生核、结品，变为等轴品粒这种现象称为 再结品。再结品温度(recrystallization temperature)再结品温度是开始产生再结品现象的最低温度。对纯金属，再结品温度约为0 .4二，式中Tm为金属的熔点。*热处理(heat treatment)热处理是对固体金属或合金进行加热、保温和冷却处理以便得到所需性质的一种 加工工艺。其原理是利用扩散、品核化、沉积和晶体增长等现象，使金属或合金 的组织发生变化，进而获得均匀的或改性的机械和物理性质。*扩散型相变、非扩散型相变、根据冷却速度的不同，存在着二大类固态相变，一类是相变时存在原子扩散，为 扩散型相变，如珠光体、贝氏体

35、转变；还有一类是不存在原子的扩散，但原子也 发生了重排，为非扩散型相变，如马氏体相变。* 马氏体（martensite）马氏体是高温相以很快的速度冷却，以非扩散转变形成的产物。钢在高温奥氏体 化后淬火得到马氏体。贝氏体（bainite）贝氏体是在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体转变温度区间 以上这一中温区间（所谓“贝氏体转变温度区间”）转变而成的由铁素体及其内 分布着弥散的碳化物所形成的亚稳组织。退火将组织偏离平衡态的钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（炉冷）以 获得接近平衡态组织的热处理工艺叫退火。正火将钢件加热到Ac3以上30-50C，保温后取出在空气中冷却，这是

36、正火淬火（quenching）将钢件加热到奥氏体化温度并保温后，急冷（油冷或水冷）全室温，从而使奥氏 体变成马氏体的处理为淬火。回火（tempering）回火指将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间 后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。回火的作用在于:提高组织稳 定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持 稳定。消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。调整钢 铁的力学性能以满足使用要求。时效（ageing）时效是指合金经固溶处理或冷塑性变形后，在室温或一定温度保温，以达到沉淀 硬化目的的工艺。人工时效（artifical

37、 aging）人工时效是在高于室温以上，通过过饱和固溶体中可溶组分的脱溶，使合金强化 的热处理。自然时效(natural aging)自然时效是在室温下，通过过饱和固溶体中可溶组分自发的脱溶，使合金强化的 处理。控制轧制把金属材料压力加工和热处理工艺相结合，同时利用形变强化与相变强化的一种 形变热处理工艺。铝-锂合金铝-锂合金是一种新型铝合金材料，具有较高的强度和弹性模量,是航空航天工业 理想的结构材料，用于飞机上，可减轻飞机重量816%。铝锂合金还具有良好的 抗辐照特性和较高的电阻率，经受中子辐照后残留放射性低，可用作核聚变装置 中的真空容器。此外，铝锂合金在一定温度和应变速率下具有很好的超

38、塑性，可用 以制造超塑性/扩散焊接结构，应用于航空和车辆等各个领域。紫铜紫铜即纯铜。黄铜黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金。青铜最早使用的青铜是Cu-Sn合金，现在把除黄铜以外的铜合金都称为青铜*a 型钛合金 (a - titanium alloy)金属钛有两种异构体，一种是密排六方结构的a相，是低温稳定相；另一种是 体心立方结构的P相，是高温稳定相。成分中含有a相稳定元素，在室温稳定 状态基本为a相的钛合金为a型钛合金。*P 型钛合金(p - titanium alloy)成分中含有P相稳定元素，在室温稳定状态基本为P相的钛合金为P型钛合 金。*a +p 型钛合金(a -p titanium

39、alloy)成分中含有较多的P稳定剂，在室温稳定状态由a及p相所组成的钛合金为a +p型钛合金。*钛铝化合物为基的钛合金钛铝化合物是指Ti Al,TiAl,TiAl这些金属间化合物。钛铝化合物为基的钛合金 是一种新型钛合金。3钛铝化合物为基的高温钛合金与普通钛合金及竦基高温合金 比较，高温性能明显优于普通钛合金，已与竦基高温合金相近。*结构陶瓷结构陶瓷是指作为工程结构材料使用的陶瓷材料，主要用于高机 械强度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦，以及高硬度等性能。陶瓷虽然抗 压强度相当高，但抗拉强度却很小，是一种脆性材料。结构陶瓷按其 组份可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，有些结构陶瓷也具有功能陶 瓷的性能如

40、ZrO2陶瓷等。*相变增韧相变增韧是一种有效的增强、增韧方法，利用多晶多相陶瓷中某些相组分在不同温度 的相变，从而达到增强、增韧的效果，这统称为相变增韧。例如，利用ZrO2的马氏体相变 可以改善陶瓷材料的力学性能。ZrO2相变又分为应力诱导相变增韧、微裂纹增韧和表面压应力三种。相变增韧不但存在于 ZrO2陶瓷中，将ZrO2相颗粒加入其它陶瓷材料中也能产生相变增韧的效果。*Zr。2相变增韧ZrO2存在三种晶型，立方、四方、单斜。2370丫1100Y立方 8 所8 单斜11其中四方向单斜的相变伴随有较大的体积变化7%，这种相变体积变化是相变增韧 的基础。*应力诱导相变增韧分散于陶瓷基体内的四方Zr

41、O2相颗粒，从高温向低温变化，当温度低于1100C时， 由于陶瓷基体的约束，不能发生四方向单斜的相变，四方ZrO2相颗粒以亚稳态的形式存在 于室温，当陶瓷基体受到外力的作用，解除了对四方ZrO2相颗粒的约束，四方ZrO2相颗粒 就发生相变，降低裂纹尖端的应力场强度，达到增强、增韧的目的。*微裂纹增韧分散于陶瓷基体内的四方ZrO2相颗粒，在降温过程或受力后相变，在裂纹尖端产生多条微裂纹，从而增大了断裂表面能，达到增韧的效果。*表面增韧分散于陶瓷基体表面的四方ZrO2相颗粒，由于在一个面上没有受到约束，相对于基体 内的四方ZrO2相颗粒，比较容易相变，在降温或受力后，表面的四方ZrO2相颗粒发 生

42、相变，产生体积膨胀，使得陶瓷材料的表面受到压应力，达到增强、增韧的效果。*弥散增韧在陶瓷基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉末，达到增韧的效 果，这称为弥散增韧。这种细粉料可以是金属粉末，加入陶瓷基体之 后，以其塑性变形，来吸收弹性应变的释放能，从而增加了断裂表面 能，改善了韧性。细粉料也可以是非金属颗粒，在与基体生料颗粒均 匀混合之后，烧结时，多存在于晶界相中，以其高弹性模量和高温强 度增加了整体的断裂表面能，特别是高温断裂韧性。*纤维增韧在陶瓷中加入高弹性模量的纤维，纤维均布于陶瓷基体中，受力时，由于纤维的强度 及弹性模量高，大部分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负担，而且纤维还可以阻止裂纹扩展

43、， 起到增韧的作用。*层状化增韧将陶瓷材料层状化，增加裂纹扩展时的阻力，也能达到增强、增韧的效果。层状结构 可以使裂纹扩展时发生偏转。*纳米陶瓷具有纳米级晶粒尺寸的陶瓷材料为纳米陶瓷。纳米级晶粒尺寸使得陶瓷材料的性能得 到改善，目前已有纳米Al2O3、ZrO2、TiO2、Si3N4、SiC等陶瓷粉料和陶瓷制品。*硅酸盐水泥硅酸盐水泥在建筑上主要用于配制砂浆和混凝土，作为大量应用的工程材料，其最重 要的性质是强度、体积变化以及与环境相互作用的耐久性。其中，水泥的强度是评比水泥质 量的重要指标，是划分标号的依据。影响水泥强度的因素很多，主要有浆体组成、熟料矿物 组成、水灰比、水化程度、温度与压力等

44、。*硬化水泥浆体硬化水泥浆体是由无数钙矶石的针状晶体和多种形貌的C SH，再夹杂着六方板状 的氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起而形成的，它们密集连生交叉结合，又 受到颗粒间的范德华力或化合键的影响，硬化水泥浆就成为由无数晶体编织而成的“毛毡”而具有强度。*玻璃玻璃是无机氧化物的熔融混合物，它们并没有特有的固定的组成。玻璃按组分可分为三种主 要类型：钠钙硅、硼硅酸以及铅硅酸玻璃。*钢化玻璃如果能在玻璃表面层中产生“永久性”压应力，就可以使生产的 玻璃制品的强度比常规状态高。要使这样的制品发生断裂，就需要较 高的张应力，这是因为在使这类表面缺陷承受张应力之前，必须先克 服表面的压应力。

45、经过处理而使表面处于压应力状态的玻璃被称为钢 化玻璃。*大分子链大分子链是组成高分子材料（也称为聚合物）的基本单元。大分子链的分子量很 大（通常几万，再大者可达数百万），主要是由C、H、0、N、P、S等原子以共价 健方式成链。这种分子链被称为大分子链。按其主链所包含原子的种类，可分为：碳链高分子化合物，主链全部为碳原子、如聚烯烃、聚二烯烃等（表3-1-1）；杂键高分子化合物，主链除碳原子外,还可有0、N、P、S等元素，这类高分子 化合有聚酯、聚醚、聚酰胺等（表3-1-2）；元素有机聚合物，主链是由Si、Ti、 Al、B等原子和0原子构成，侧基一般为有机基团，如有机硅树脂、有机硅橡胶分子量（mo

46、lecular weight）分子量是分子中各原子量的总和。单体（monomer）单体是能自身聚合或与其他类似的化合物共聚而生成聚合物的简单化合物。聚合物（polymer）聚合物是由聚合生成的具有重复链节的化合物。链节（monomeric unit）链节是聚合物分子链上，含与真实单体或假想单体相同原子种类和原子数目的重 复单元。聚合度大分子链中链节的重复次数，称之为聚合度。分子量的多分散性高分子化合物是由大量的大分子链组成的。各个大分子链的链节数不同，大分子 链的长短不同、分子量也不同，高分子化合物中大分子链分子量不等的现象称为 分子质量的多分散性。这是高分子化合物的一大特点，这种分子量的分散

47、性决定 了高分子化合物的物理、力学性能的大分散度。官能度官能度是指在一个链节上能接上新分子的位置数。加聚反应加聚反应是指由一种或多种单体相互加成而连接成聚合物的反应。缩聚反应缩聚反应是指由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物的同时析出（缩出）某 种低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应。*构型（configuration）分子链中各种基团的空间分布称为分子链的构型。线型，支化型，体型大分子链的形状有三种：线型,支化型，体型（或网型）（图3-1-6）。线型高分子的结构是整个分子链呈细长线条状，通常卷曲成不规则的线团，但受 拉时可以伸展为直线。支化型大分子链的结构是在大分子主链节上有一些或长或

48、短的小支链，整个大分 子呈树枝状。体型高分子的结构是大分子链之间通过支链或化学键连接成一体的所谓交联结 构，在空间呈网状。构象(conformation)由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，即为 大分子链的构象。单键内旋组成大分子链的每个单键，都有一定的键长和键角，并且能在保持键长和键角不 变的情况下任意旋转。每个单键围绕相邻单键按一定角度进行的旋转运动称为单 键的内旋转。柔顺性大分子链由于构象变化，获得不同卷曲程度的特性为大分子链的柔顺性。柔顺性 与大分子链中单键内旋的难易程度有关。无定型无定型结构也称为非晶态结构。结晶度高分子化合物中结品区所占的重量百分数即为

49、结品度玻璃化转变温度(Tg)高分子化合物在玻璃态和橡胶态之间的转变温度。玻璃态在Tg温度以下，高聚物的弹性模量较高，较刚、硬，称之为玻璃态。橡胶态在Tg温度以上，高聚物表现出柔软而富有弹性，如橡胶，故这一阶段称之为高 弹态或橡胶态。粘流态 当温度高于Tf后，变形量随温度升高进一步迅速增加，高聚物开始产生粘性流 动，处于所谓粘流态。粘流温度(软化温度)Tf为高弹态与粘流态间的转变温度，叫做粘流温度或软化温度。熔点melting point熔点是固体熔化的温度。*老化材料在环境作用下逐步失效的过程。降解(degradation)降解是由气候、热、光、氧、射线等作用引起的大分子链断裂或化学结构发生失

50、 效的过程。交联(cross link)交联是在橡胶分子链之间或同一分子链内嵌入交联键，形成网状结构的过程热固性塑料(thermosetting plastics)热固性塑料为体型结构，其成型加工是用相对低分子量的粘稠体和固化剂混合， 在一定温度和压力下发生聚合反应，在成型时产生强烈地交联，形成三维网状结 构。网状结构一旦形成后不能改变，所以不可循环使用。热塑性塑料(thermoplastics)热塑性塑料是线型链状结构，加热时是软的，可注射入模子成型，在取出前需冷 却，成型过程中不发生进一步聚合，可反复多次成型。*橡胶橡胶是在线型链状结构中形成少量的交联，具有较好弹塑性的一类高分子材料。拉拔

51、强化和金属冷拉可以造成强烈的加工硬化类似，一些高分子材料在Tg温度附近冷拉, 也可使其强度和弹性模量大幅度提高，称之为拉拔强化。橡胶增韧橡胶增韧是指在塑料等高分子材料中掺入橡胶粒子以达到增韧目的的一类工艺。*聚乙烯(polyethylene)聚乙烯是以乙烯为单体聚合制得的聚合物。英文缩写PE。聚乙烯在塑料总产量 中居首位。聚乙烯具有优良的力学性能,绝缘性、耐寒性、化学稳定性、吸水性 和低透气性，无毒，易于加工成型。聚氯乙烯 polyvinyl chloride聚氯乙烯是氯乙烯 的聚合物。英文缩写PVC。聚氯乙烯是仅次于聚乙烯的第二 大塑料品种。玻璃化温度8085C，密度1.351.45克/厘米

52、，使用温度-15 60C。PVC具有优良的耐酸碱、耐磨、耐燃及绝缘性能，与大多数增塑剂的混合 性好，因此可大幅度改变材料的力学性能。加工性能优良，价格便宜,但对光、热 稳定性差，100C以上或光照下性能迅速下降。*聚苯乙烯 polystyrene聚苯乙烯是苯乙烯的聚合物。英文缩写PS。聚苯乙烯结构式为？ -CH2-CH-n,是 典型的线型无定型高聚物，由于有取代基苯环，结品度低，柔顺性差，所以具有 较大的刚度。它比重小，几乎不吸水，具有优良的耐蚀性，电阻大，是很好的隔 热、防震、防潮和高频绝缘材料。聚苯乙烯添加发泡剂后可制成泡沫塑料，比重 只有0.033g/cm3,是隔音、包装、救生的极好材料

53、。*ABS塑料ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)，3种单体的接枝共聚物。 实际上往往是含丁二烯的接枝共聚物与丙烯腈、苯乙烯共聚物(AS或SAN)的混合 物。ABS是一种强度高，韧性好，耐油，耐酸、碱、盐及化学试剂，综合性能优良， 易于加工成型的高分子材料。聚酰胺(polyamide)聚酰胺俗称尼龙，英文缩写PA，这种热塑性塑料或由二元胺和二元酸缩聚而成， 或由氨基酸脱水成内酰胺再聚合而成。结构式分别为 -NH(CH ) -NHCO0(CH ) -CO-和-NH(CH) CO-。根据胺与酸中的碳原子数或 2 m2 n-2n2 N-1 n氨基酸中的碳原子数，分别命名为尼龙66,尼

54、龙6等品种。氟塑料 氟塑料是含氟塑料的总称。机械工业中应用最多的是聚四氟乙烯（F-4）,其结构 式为-CF2-CFn。聚甲基丙烯酸甲脂（polymethacrylates）聚甲基丙烯酸甲脂，俗称有机玻璃，英文缩写PMMA，结构式为？ -CH2-C-n，是 典型的无定形结构,取代基为极性集团。2 n酚醛塑料酚醛塑料，英文缩写PF，是由酚类和醛类在酸或碱的催化下缩聚而成的酚醛树 脂,再加入添加剂而制得的高聚物，应用最多的酚醛树脂是苯酚和甲醛的缩聚物。环氧塑料环氧塑料，英文缩写EP，是环氧树脂加固化剂后形成的热固性塑料，常用固化剂 为胺类和酸酐类。复合材料（composite materials）复

55、合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新 材料，其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优 异的特性。基体（matrix）复合材料中占主要组分的材料称为基体。*增强材料（reinforced materials）增强材料是复合材料的重要组成部分，相对基体而言，主要起到增强作用。 复合材料中的增强材料就其形态而言，主要有纤维及其织物、品须和颗粒。就其 组成的性质而言又可分为有机增强材料、金属增强材料和无机非金属增强材料 （见？图18）。*混合法则（Rule of Mixtures）在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材

56、料的力学性能（如强度、弹性模量）和物理性能（密度、电导率、热导率、热膨 胀系数等）主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%），（W用下）（ 1.5.1式表示：P =丈 PVi=1式中Pc表示复合材料的某性能，如强度、弹性模量、密度、电导率、热导率、 热膨胀系数等；七表示各组分材料的对应复合材料的某性能；V表示组成复合材 料各组分的体积百分比（vol.%）；下标i表示组成复合材料的组分数（包括基体、 若干增强材料）。上式称之为混合法则。复合材料增韧机制复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸 收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。以纤维增强复合材料为例，主

57、要有纤维 的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。除了上述增韧机制外，在颗 粒、短纤维和晶须增强复合材料中，由于增强材料的存在，阻碍了裂纹在基体中 的扩展，在增韧方面，还存在有裂纹偏转、微裂纹增韧等机制。此外，在陶瓷基 复合材料中，利用氧化锆的相变产生的体积效应，引起基体产生微裂纹，从而增 加陶瓷基复合材料的韧性，这种方法称之为相变增韧机制。复合材料中界面作用在复合材料中，界面往往起到把载荷由基体传递到纤维的传递作用。此外， 复合材料的界面还起到诱导作用、阻断作用、散射及吸收作用等。为了保证界面 的作用，纤维与基体之间要有一定的粘结，并且两者之间的结合与增强材料及基 体的性质有关。除此之

58、外，复合材料界面的结合方式、界面结构和性质会直接影 响和控制复合材料的性能。玻璃纤维玻璃纤维是纤维增强材料中的一种。玻璃纤维具有耐高温、耐腐蚀（除碱外）、 热膨胀系数小等特点，但不耐磨、脆而易折。玻璃纤维与其它纤维相比，其价格 便宜，品种多，适合编织制成各种玻璃织物，因而广泛应用于航空航天领域，尤 其是民用领域，如建筑材料、交通工具、体育用品等玻璃纤维增强复合材料中。 芳纶纤维芳纶纤维是目前主要用于聚合物基复合材料的一种有机纤维，是美国杜邦公 司（Dupont）在1968年研制成功的，并在1973年正式以Kevlar作为其商品名。 芳纶纤维的密度仅为1.44 g/cm3，其抗拉强度高达3.4G

59、Pa，模量为59190GPa， 因此其比强度和模量均优于玻璃纤维，特别是比强度甚至高于一般碳纤维和硼纤 维。和其它的有机纤维（如聚乙烯、尼龙和聚酯纤维）相比，耐热性较高，象 Kevlar49纤维的抗拉强度长期在150C下几乎不变，在427C下不分解，在一 190C低温下不变脆，并且在高温下不易变形，尺寸稳定，特别是其柔韧性好， 抗冲击，耐酸、碱。但芳纶纤维制成的聚合物基复合材料层间抗剪强度较低。碳纤维碳纤维是纤维增强材料中的一种。根据原材料不同分为人造丝（粘胶纤维）、 聚丙烯腈（PAN ）碳纤维和沥青基碳纤维。经过碳化和石墨化后，可以分别得到 高强度碳纤维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模

60、量碳纤维、高强度高模 量碳纤维等。与玻璃纤维相比，碳纤维比强度和比模量有明显提高。此外，碳纤维导热、 导电，耐化学腐蚀性好，但仍然较脆，且抗氧化性差。碳纤维不仅作为玻璃纤维 的代用品，用于聚合物基复合材料，而且适用于金属基复合材料。因此，碳纤维 成为航空航天领域所用先进复合材料中不可缺少的增强材料。*硼纤维硼纤维是在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。通常用氢和三氯化硼在炽热 的钨丝上反应，置换出无定形的硼沉积于钨丝表面获得。属脆性材料，抗拉强度约 3500MPa，弹性模量400 GPa，密度只有钢材的1/4,抗压缩性能好;在惰性气体中， 高温性能良好;在空气中超过500C时，强度显著降低。是良好