材料科学与工程基础课件

绪论

Introduction材料(Materials)是国民经济的物质基础。广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)材料无处不在，无处不有材料发展过程我国材料的历史进程

(Historicalperspective)漫长而又曲折的历程：石斧

湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈括）、

“天工开物”（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破2亿吨大关世界第一原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉材料分类(ClassificationofMaterials)材料科学与工程基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系学习方法：培养能力为主，学习知识为辅要掌握正确的思维方式，不要死记硬背认真记好笔记，课后短时复习抓住主线条，不钻牛角尖考试前及早复习，不要临阵磨枪积极参加答疑，不要闭门复习第一章材料的结构

StructureofMaterial材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。第一节结合键

BindingBond一、结合力与结合能双原子模型：

d0dcAB结合力排斥力吸引力原子间距d排斥力＋F－F吸引力d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB（a）（b）图1－1双原子作用模型二、结合键离子键氯钠

NaCl的晶体结构

Si形成的四面体109°金属离子金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键三、材料的键性金属材料金属材料的结合键主要是金属键。金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展性；金属光泽等。陶瓷村料陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能

第二节晶体学基础

Fundamentalsofcrystallogphy一、晶体的概念晶体的特性晶体的三大特征：原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。空间点阵和晶胞caXb

βα

γYZ（a）（b）（c）简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞二、配位数和致密度配位数所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。

致密度若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示：

例：计算简单立方晶体的致密度解：简单立方：晶格常数为a，原子半径为一个晶胞内所含的原子数；；所以：致密度三、晶向指数和晶面指数

在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。晶向指数晶向指数的确定步骤如下：（1）以晶胞中的某一阵点为原点，以三条棱边为X、Y、Z轴，并以晶胞棱边的长度为单位长度；（2）如果所求晶向未通过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；（3）在所引直线上取离原点最近的那个原子，求出其在X、Y、Z轴上的坐标；（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次记入方括号[]中，即得所求晶向指数。通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例如。

[110][110][111][100]

XYZ图1－7立方晶系中的三个重要晶向如图给出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指数。对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。

晶向族

在立方晶系中：[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]八个晶向，指的是立方体中四个对角线的方向。从晶体的对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同的，故总称之为晶向族。原子排列情况相同，但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，用<>表示，上述八个晶向即可用<111>表示。

同理，<100>代表：[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]六个晶向。应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适用。

晶面指数

晶面指数的一般表达式为（hkl），其确定步骤如下：（1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。（2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距。若晶面与某轴平行，则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，其倒数为零。

（3）取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）的形式，即得晶面指数。

如图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三种重要晶面与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。

晶面族在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同，但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。例如，在立方晶系中：｛100｝包括（100）,（010）,（001）｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。晶面指数的几何意义

γβαXYZNO晶面指数与晶面位向间的关系ABCD∴即：从立体几何可知，在正交晶系中：

所以，只要晶面指数一旦确定，晶面位向即可求得。因此，晶面（hkl）的法线矢量为：

即晶面（hkl）的法线与晶向[hkl]的方向平行，这就是晶面指数的几何意义。如图：ON为晶面（hkl）的法线，ON与该晶面交于D点；OA、OB、OC分别为（hkl）在X、Y、Z轴上的截距；ON与X、Y、Z轴之间的夹角分别为α、β、γ；cosα、cosβ、cosγ就是法线ON的方向余弦。立方点阵中晶胞的三个基矢相等，设其为a，则根据晶面指数的确定方法可知：晶带

平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带。这一组晶面叫做共带面，而该直线（用晶向指数表示）叫做晶带轴。同一晶带中各晶面的法线均与晶带轴垂直。

在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，该晶向垂直于该晶面，则有[hkl]⊥(hkl)，就是说该晶向即为该晶面的法线。若晶带轴的指数为[uvw]，由矢量代数可以证明，该晶带轴中的任一晶面（hkl）与晶带轴指数间具有下列关系：该式又称为晶带方程。第三节金属及合金的结构特点

StructureCharacteristicofMetal&Alloy

一、常见纯金属的晶格类型

体心立方晶格：记为BCC（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

致密度：晶格常数为a，原子半径为；；；所以：致密度

配位数为8面心立方晶格：记为FCC

属于这种晶格类型的金属有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数＝12；致密度＝0.74密排六方晶格：记为HCP

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。

（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）晶胞中的间隙

由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，对于体心立方，致密度k＝0.68，说明仅有68％的体积被原子占有，存在32％的间隙。这些间隙对金属的性能，合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。

金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)体心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙

面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙

金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙原子的堆垛方式

前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。面心立方结构的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式A层B层C层A层B层C层面心立方晶胞原子堆垛方式密排六方晶胞原子堆垛方式二、实际金属的晶体结构单晶体与多晶体

晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。

通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。点缺陷

点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子，如图所示。

晶体中的点缺陷－空位；－间隙原子；－置换原子线缺陷

线缺陷是指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。晶体中最普通的线缺陷就是位错。

位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，最简单、最基本的类型有刃型位错和螺型位错两种，由它们组合可以构成混合位错和不全位错等线缺陷。

刃型位错（a)立体模型（b）平面图刃型位错示意图

G

H

E

F晶体局部滑移造成的刃型位错ττ位错运动示意螺型位错CBAD(b)（a）立体模型；（b）平面图

螺型位错示意图ABCD(a)螺型位错示意图螺型位错示意图柏氏矢量

柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏氏回路确定。bllb柏氏矢量的物理意义：

柏氏矢量代表晶体的滑移方向。面缺陷

晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。晶界晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。亚晶界实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°），如图1－27所示。这些小晶块称为亚结构，。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故细化亚结构，可显著提高金属的强度。

晶界示意图

亚晶界示意图固溶体固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后形成的一种合金相，其特点是固溶体具有溶剂组元的晶格类型。置换固溶体

溶剂原子溶质原子置换固溶体示意图固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图（a）正畸变（b）负畸变(a)(b)间隙固溶体当溶质与溶剂原子半径的比值rb/ra＜0.59时，形成间隙固溶体。溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所示。形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金属元素，如氢（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。溶剂原子溶质原子间隙固溶体示意图金属间化合物在合金中，溶质原子浓度超过固溶体的固溶极限时，将会形成一种晶格结构，特性完全不同任一组元的新相，因其具有金属性质，称之为金属间化合物。由于它们常处在相图的中间位置，所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。正常价化合物正常价化合物就是符合原子价规律的，受电负性控制的一种金属化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常价化合物的熔点，硬度及脆性均较高。电子化合物电子化合物通常是IB族或过渡族元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所组成，它们不遵守化合价规律而是按照一定电子浓度比值形成金属间化合物。电子浓度不同，晶体结构类型也不同。间隙相间隙相具有比较简单的晶体结构，如面心立方、密排六方和简单六方等。金属占据晶格中的正常结点位置，而非金属位于晶格的间隙之中。间隙化合物间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金钢中常见的主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。间隙化合物的晶体结构都很复杂，部分金属元素往往会被另外一种或几种元素所置换，而形成更为复杂的化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子

(a) (b)间隙相和间隙化合物的晶体结构（a）间隙相VC（b）间隙化合物第四节高分子材料的结构特点

PolymerStructures一、高分子材料概述高分子的含义高分子化合物是经常用到和见到的各种塑料、橡胶、纤维等非金属材料的总称。所谓高分子是是指分子量特别大的有机化合物，是由一种或者多种单体，通过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物，它是相对于低分子而言。一般地说，低分子化合物没有什么强度和弹性，而高分子化合物则具有一定的强度和弹性。高分子的组成由一种或几种简单的低分子有机化合物结以重复的方式连接而成，就像一根链条由众多链环连接在一起一样。大分子链中的重复结构单元称之为“链节”。组成大分子链时，链节的数目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下关系：M=m×n

M----高分子的分子量

n----高分子的聚合度

m----链节的分子量高分子的基本特点高分子具有和低分子截然不同的结构特征：（1）大分子的可分割性：低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它分开。如果把它分开，它就改变性质（即分解）成另外的物质。高分子则不然，因为它分子很大。一个分子量很大的分子用外力把它拉断或切开，变成两个分子后，高分子化合物的性质一般没有明显的改变。高分子结构的这种特征称为可分割性。（2）具有弹性：高分子化合物在外力作用下容易发生变形，当外力解除，这种变形就可以恢复到原状。（3）具有可塑性：高分子化合物受热以后先是经过一个较长的软化过程，而后才能变为可流动的液体。因为高分子化合物是由很长的大分子链所构成，当链的某一部分受热时，这一部分链的运动能量增加，但由于大分子链不易传热，因此，除了这一部分受热外，链的其他部分则受热不多，这些部分的运动能量就不大。只有经过一个较长的时间和温度间隔，分子链受热部分不断扩大，整个大分子链才会变软。总之，高分子化合物不可能一下子达到由固体状态变为液体状态。这是高分子化合物具有可塑性的原因。（4）具有绝缘性：高分子化合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从结构上看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中的化学键都是共价键，不能电离，因此不能传递电子，又因为大分子呈蜷曲状态，互相纠缠在一起，在受热，受声作用之后，分子不易振动起来，因而它对热、声也具有绝缘性。二、大分子链的分子量及其分布高聚物分子量的多分散性高聚物的分子量有两个特点，一是分子量很大，二是分子量多分散性。对于低分子化合物而言，每种分子都有确定的分子量，分子大小一样，所以都有固定的分子量。而绝大多数高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所说分子量10万的聚乙烯，可能是由分子量2万－20万大小不同的聚乙烯分子组成的，这种现象称为分子量的多分散性。高聚物材料是数量众多的大分子链的聚集体，由于大分子链长短不同，每根大分子链的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量”表示，高聚物分子量不是一个确定值，而是一个数值范围。根据统计平均方法不同，其分子量的表示也不同。如果按高聚物中各级分的分子数平均叫“数均分子量”，以表示；如果按高聚物中各级分的重量平均，得到的是“重均分子量”，用表示。此外还有粘均分子量和Z均分子量等。

常用统计平均分子量的表示数均分子量按分子数的统计平均，定义为：

式中：Mi：第i组分子的单分子质量；Ni：第i组分子的分子数。重均分子量按重量的统计平均，定义为：式中：Wi：第i组分子的总质量。分子量的分布若要确切地描绘高聚物试样的分子量，除了给出分子量的统计平均值外，还应给出试样的分子量分布，最理想的是能知道该试样的分子量分布曲线。如图所示为高聚物的分子量分布，它表示该高聚物中具有各种分子量的大分子链的重量是不同的。

高聚物重量W

分子量M高聚物分子量分布及重均分子量三、大分子链的组成和构造组成大分子链的元素（1）碳链聚合物

主链由碳原子一种元素组成。其主链结构如下：—C—C—C—C—C—C—乙烯基聚合物就是属于碳链聚合物的一种。其链节结构如下：

其中，R叫做官能团或侧基，官能团不同，得到的聚合物也不同。如R换为Cl，得到氯乙烯；R换为OH（羟基），得到乙烯醇；R换为CH3，得到丙烯。

HHCCHR（2）杂链聚合物

主链除碳外，还有其它元素。如：

—C—C—O—C——C—C—H—C——C—C—S—C—聚酯就是一种典型的杂链聚合物，其特征是在碳主链中嵌入一个酯键：

O—C—O—（3）元素有机聚合物

主链由氧和其它元素组成，如：—O—Si—O—Si—O—

在大分子链中常见的C、H、O、N等元素都是原子量较小的轻元素。这就决定了高聚物材料比重较小（一般只有0.9～2.0），只有钢铁的1/4～1/7。高分子链结构单元的键接方式和构型

大分子链形成后，由共价键固定的链内原子和原子团的几何排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定的方式连接而成的。

键接方式：结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体及合成反应的性质。空间构型：高分子中结构单元由化学键所固定的原子在空间的几何排列称为分子链的构型。即使分子链组成相同，但由于取代基的位置不同，也可有不同的立体构型。如乙烯类高分子链一般有以下三种立体构型：1）全同立构取代基R全部处于主链的同一侧。2）间同立构取代基R相间地分布在主链的两侧。3）无规立构取代基R在主链的两侧作不规则的分布。高分子链的构象及柔顺性

（1）高分子链的构象单键内旋转

由于单键内旋转所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，称为高分子链的构象。（2）高分子链的柔顺性由构象变化获得不同卷曲程度的特性，称为高分子链的柔顺性。高分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关。

C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳链C—C键的内旋转示意图伸展链无规线团链折叠链螺旋链

单个大分子链的几种构象示意图高分子链的几何形状由于聚合反应的复杂性，在合成聚合物的过程中，可以发生各种各样的反应形式，所以高分子链也会呈现出各种不同的形态。一般说来，高分子链的几何形状有以下三种：（1）线型高分子：由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性高聚物。此类材料加热后软化，冷却后又硬化成型，随温度变化可以反复进行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯类聚合物都属于典型的热塑性高聚物。（2）支链型高分子在主链上带有支链。这类高聚物的性能和加工都接近于线型高分子，也属于热塑性高聚物。（3）体型(网状)高分子分子链之间有许多链节互相交联，呈三维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性高聚物。此类材料受热发生化学变化而固化成型，成型后再受热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。

三、高分子材料的聚集态结构组成物质的分子聚集在一起的状态称为物质的聚集态。一般物质的聚集态可分为气体、液体和固体。高分子的聚集态结构，是指高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成的。高分子链之间以范德瓦尔斯键或氢键结合，键虽弱，但因分子链很长，故链间总作用力为各链节作用力与聚合度之积，因而大大超过链内共价键。显然，高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着直接关系。

第五节无机非金属材料的结构特点

StructuresofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶多相固体物质，它实际上是各种无机非金属材料的统称。传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。

一、陶瓷材料的结构特点

陶瓷材料在热和化学环境中比它们的组元更稳定，通常比相应的金属或聚合物更硬。陶瓷和金属类似，具有晶体构造，但与金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子。这是因为陶瓷是以离子键或共价键为主的离子晶体(如MgO、Al2O3等)或共价晶体(如SiC、Si3N4等)。在室温下，陶瓷材料的典型组织是由晶体相、玻璃相和气相组成。二、陶瓷晶体相晶体相是组成陶瓷的基本相，也称主晶相。它往往决定着陶瓷的力学、物理、化学性能。例如由离子键结合的氧化铝晶体组成的刚玉陶瓷，具有机械强度高、耐高温及抗腐蚀等优良性能。氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们的共同特点是：①结合键主要是离子键，或含有一定比例的共价键；②有确定的成分，可以用准确的分子式表示。

氧化物结构

氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较小的正离子填充在它们的空隙内。根据正离子所占空隙的位置和数量的不同，形成各种不同结构的氧化物，如下表所示。

结构类型晶体结构

陶瓷中主要化合物

AX型面心立方碱土金属氧化物MgO、BaO等，碱金属卤化物，碱土金属硫化物AX2型面心立方CaF2(萤石)、ThO2、VO2等简单四方TiO2(金红石)、SiO2(高温方石英)等A2X3型菱形晶体α-Al2O3(刚玉)ABX3型简单立方CaTiO3(钙钛矿)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(钛铁矿)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多种硅酸盐结构

硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的三分之一。许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。普通水泥是人们最熟悉的硅酸盐，它最明显的优势是能将岩石骨料结合成整块材料。

（1）硅酸盐四面体单元

O2－Si4+硅氧四面体结构（2）硅酸盐结构分类

硅氧四面体的四个顶点均分布有O2-，所以它能与周围其它阳离子或另一个硅氧四面体连接起来。当整个硅氧四面体连接时由于O2-的排斥作用，使得各顶点只能以共有的形式相连接。但一个顶点最多只能两个四面体共有，连接方式不同，硅酸盐化合物的形式也就不同。硅酸盐具有下列结构特点：①

结构中Si4+间没有直接的键，而它们是通过O2–连接起来的。②

结构是以硅氧四面体为基础的。③

每一个O2–只能连接2个硅氧四面体。

④硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。陶瓷晶体相中的缺陷

陶瓷材料是多晶体，同金属一样，有晶粒、晶界，有亚晶粒、亚晶界。在一个晶粒内，也有线缺陷（位错）和点缺陷（空位和间隙原子），这些晶体缺陷的作用亦类同金属晶体中的缺陷。如果陶瓷的晶粒细小，晶界总面积大，则陶瓷材料的强度大；空位和间隙原子可加速陶瓷工艺过程中烧结时的扩散，并且也影响物理性能。但是，陶瓷晶体中的位错，却不像金属中的位错对变形和强化起着那样重要的作用，因为陶瓷晶体的晶格常数比合金的晶格常数大得多，而且结构复杂，位错运动极为困难，同时还很难产生新的位错。所以陶瓷在常温下几乎没有塑性变形能力，即脆性大。

三、玻璃相

陶瓷制品，在烧结过程中，有些物质，如作为主要原料的SiO2已处在熔化状态。但在熔点附近，SiO2的粘度很高，原子迁移困难，所以当液态SiO2冷却到熔点以下时，原子不能排列成长为有序（晶体）状态，而形成过冷液体。当过冷液体继续冷却到玻璃化转变温度Tg时，则凝固为非晶态的玻璃相。因此，玻璃相就是陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理、化学反应后形成的一种非晶态物质。它的结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成短程有序排列的空间网络。

玻璃相在陶瓷组织中的作用是：粘结分散的晶体相，降低烧结温度，抑制晶粒长大和填充气孔使陶瓷致密等。

玻璃相的熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，从而降低高温下的强度。此外，由于玻璃相结构疏松，空隙中常有金属离子填充，因而降低了陶瓷的电绝缘性，增加介电损耗。所以工业陶瓷必须控制玻璃相的含量，一般为20％～40％，特殊情况下可达60％。

四、气相气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是在陶瓷生产过程中形成，并被保留下来的。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。气孔对陶瓷性能有显著影响。如果是表面开口的，会使陶瓷质量下降。如果存在于陶瓷内部（闭孔），不易被发现，这常常是产生裂纹的原因，使陶瓷性能大幅下降，如组织致密性下降，应力集中，脆性增加，介电损耗增大，电击穿强度下降，绝缘性降低等等。因此生产上要控制气孔数量、大小及分布。陶瓷材料的气孔量用气孔的相对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中的总相对体积称为真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。普通陶瓷的气孔率为5％～10％，特种陶瓷在5％以下，金属陶瓷要求在0.5％以下。若要求陶瓷材料密度下，绝缘性好时，则希望有一定量气相存在。第二章材料的凝固

MaterialConcretion

材料由液态转变为固态的过程称为凝固，由于材料通常在固态下使用，所以凝固常常作为材料制备的基本手段。如果凝固后得到晶体，这种凝固过程就称为结晶。第一节金属的结晶过程

MetalCrystallization

所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。一、结晶过程的宏观现象

过冷现象结晶潜热

金属结晶时从液相转变为固

相放出的热量称为结晶潜热。

时间温度ΔTTmTn纯金属结晶时的冷却曲线示意图金属结晶的微观过程两个过程：形核与长大液体金属结晶过程示意图晶核第二节金属的结晶理论

MetalCrystallographyTheory一、金属结晶的热力学条件

TT0温度T

自由能

GΔG=ΔGS-ΔGL<0GS液相和固相自由能随温度变化示意图GL二、金属结晶的结构条件液态金属的结构长程无序，短程有序，结构起伏短程有序的原子集团是形核的结构条件。三、晶核的形成

均匀形核

ΔG=ΔGVV+σA

界面自由能体积自由能ΔG晶胚晶核rKr0rΔGK

晶核半径与ΔG的关系ΔGK称为临界形核功，rK称为临界形核半径。当r<rK时，晶胚的长大使ΔG增大，由于自发过程向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长大，而被重熔。当r≥rK时，晶胚的长大使ΔG减小，所以能自发进行，晶胚能长大成为晶核。非均匀形核先来研究一下非均匀形核的机理：假设一晶核Ｓ以球冠形状形成于基底Ｃ平面表面上，如图所示：σLS、σLC、Σcs分别为L—S，L—C，C—S之间的单位界面能；θ为润湿角；A1为半径为rsinθ的圆面积，A2为球冠的表面积，V为球冠的体积；由表面张力平衡关系知：σLScosθ+σsc=σLCA1=π（rsinθ）2

θσLασLβσαβ液体L晶核α基底βS1S2r非均匀形核示意图形核前的界面能为：σLCA1形核后的界面能为：σLSA2+σSCA1故：ΔGS=（σLSA2+σSCA1）-σLCA1=2πr2σLS(1-cosθ)+πr2θ(σSC-σLC)

把σLC=σLScosθ+σsc代入上式，得：ΔGS=πr2σLS(2-3cosθ+(cosθ)3)ΔGS为形核的界面能变化值;

体积相变吉布斯自由能:

由非均匀形核的总的吉布斯自由能变化为相变吉布斯自由能与表面吉布斯自由能变化之和。

当θ=0叫完全润湿，ΔG非=0即不需要形核功，基底本身可看作现成晶核,可以直接长大。当0<θ<π时，ΔG非<ΔG均，且θ愈小，形核愈容易。

当θ=π时，ΔG非=ΔG均，此时为均匀形核。四、长大

晶核的长大需要两个条件：首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子，使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能力，温度足够高。另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子，这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加，即在一定的过冷度下进行。因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、界面附近的温度梯度等条件有关。

五、晶粒大小的控制

晶体中晶粒的大小，对金属性能有很大的影响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械性能越好。

由凝固理论可知，单位体积晶粒数决定于形核率N和长大速度Vg两个因素。因此控制形核率和形核速度也就控制了晶粒的大小。

晶粒大小的控制方法：

（1）增加过冷度；

（2）变质处理；

（3）振动、搅拌

第三节金属的同素异构转变

AllotropyTransformationonMetal

有些金属在固态时仅有一种晶体结构，如铝、铜、银、金等等，可是有些金属则不然，在固态时有两种或多种晶体结构，如铁、锰、钴等。固态金属在不同温度或压强下具有不同晶体结构的现象，称为金属的同素异构现象，也叫做金属的多晶型性。具有多晶型性的金属，当温度或压强改变一定值时其结构会发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格，（即原子排列方式发生变化）这叫同素异构转变，也叫多晶型性转变。如纯铁，δFe→γFe→αFe第四节铸态组织与缺陷

Structuer&LacunaonFoundry一、铸态三晶区的形成

表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区柱状晶带生长方向铸型等轴晶柱状晶区的生长示意图1铸锭的三个晶区示意图1－细晶区2－柱状晶区3－中心等轴晶区3三、铸造缺陷

铸造中常见的缺陷有缩孔、气孔和偏析。

偏析缩孔

气孔

夹杂

几种缩孔形式b)a)d)c)e)a)缩管b)缩穴c)单相收缩d)一般疏松e)中心疏松第四章铁碳合金

Iron－CarbonAlloy碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的意义。铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相图也是必要的。

第一节铁碳合金的组元和基本相

Fe1234566.69C%Fe-Fe3C相图140012001000800600400200温度

/℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Fe3Cα＋Fe3CαH第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织L＋δFe1234566.69C/%典型的铁碳合金结晶过程分析140012001000800600400200温度/℃CEFDAJNSGPKQγ＋δγδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Fe3Cα＋Fe3CαB②④⑥

⑤

⑦①1③56754123124123312123δγLδ1以上工业纯铁结晶过程示意图LδγααFe3CⅢγα1—22—33—44—55—66—77以下共析钢结晶过程示意图γLLγP1以上1—22—33以下25μ珠光体组织1以上1~222~33~44~55以下亚共析钢结晶过程示意图δLLαγαPγLγLδγ25μ亚共析钢的显微组织PγFe3CⅡLγ1以上1~22~33~44以下过共析钢结晶过程示意图Lγ25μ过共析钢的显微组织1以上1~22以下共晶白口铁结晶过程示意图LLdLd`25μ共晶白口铁的显微组织1以上1~22~33以下亚共晶白口铁结晶过程示意图LγγPLd`LdL60μ亚共晶白口铁的显微组织1以上1~22~33以下过共晶白口铁结晶过程示意图LLd`LdFe3CⅠFe3CⅠL60μ过共晶白口铁的显微组织按组织组成物标注的铁碳合金相图L＋δFe1234566.69C/%按组织组成物划分的铁碳合金相图140012001000800600400200温度/℃CEFDAJNSGPKQγ＋δγδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Ld+Fe3CIIP＋Fe3CIIα①⑥L⑤

⑦

B③②④5Ld+Fe3CIγ＋Fe3CIIP＋Ld`+Fe3CIILd`+Fe3CIα＋P第五章材料的变形

MaterialDeformation大多数工件在工作或加工过程中都要承受外力或负载的作用。在外力作用下，材料会产生弹性变形，塑性变形，甚至断裂。一般来说，金属材料具有良好的强度和塑性，但耐腐蚀性较差；高分子材料具有重量轻、抗腐蚀等优点，但它们强度不高，还会发生老化现象；陶瓷材料有很高的硬度，高的耐磨性和抗腐蚀性，但脆性大不易加工成形。在力学性能上，不同的材料有不同的优势和劣势，在使用和加工过程中只有充分了解其变形的特点和机理，才能有效利用其优点，改善其不足。第一节金属的变形

MetalDeformation一、单晶体的塑性变形

滑移

将一个表面抛光的单晶体金属试样经适当的塑性变形后，在金相显微镜下可以观察到，在抛光的表面上有许多平行的细线，称为滑移带。滑移带滑移线滑移带形成的示意图滑移系在塑性变形中，单晶体表面的滑移线并不是任意排列的，它们彼此之间或者相互平行，或者互成一定角度，表明金属中的滑移只能沿一定的晶面和一定的晶向进行，这些晶向和晶面称为金属的滑移方向和滑移面。一般而言，一个滑移系由一个密排面和该面上的一个密排方向组成。如，Fcc滑移系由{111}晶面族与该面上的<110>晶向族组成。

Bcc滑移系由｛110｝晶面族与该面上的<111>晶向族组成。

（111）[110][011][101]（110）[111][111]滑移的临界分切应力在金属晶体受外力作用时，不论外力的大小、方向与作用方向如何,都可以将其分解为垂直与某一滑移面的正应力与沿此晶面的切应力。而滑移是在切应力作用下发生的，只有在滑移面上沿滑移方向的分切应力达到某一临界值时，滑移才能发生。公式：

τ0

＝σscosλcosφ晶体在滑移时的转动晶体的塑性变形是由于滑移面沿着滑移方向运动产生的，在滑移的同时，晶体也会发生转变，从而使晶体的空间取向发生了变化。如果晶体受拉伸产生滑移时，如果两端不受限制，在滑移过程中，为使滑移面和滑移方向保持不变，晶体轴线就会发生偏移。但是，拉伸时，在夹头的作用下，晶体轴线不能自由偏斜，这就迫使滑移面发生转动，使位向发生了改变。FFFF滑移方向S滑移方向S多滑移与交滑移由于金属晶体在滑移时会转动，晶体的取向将发生改变，这就会使起始滑移时取向最有利的滑移系逐渐转到不太有利的取向，而原来取向不太有利的滑移系则逐渐转向比较有利的取向，因此滑移可能会在两个或多个滑移系中同时或交替地进行，这种滑移称为多滑移。发生多滑移时会出现的滑移带呈交叉状。在晶体中，两个或两个以上滑移面沿着某个共同的滑移方向同时或交替滑移，这种现象称为交滑移。交滑移的滑移带呈波纹或曲折状。交滑移是在沿着某个晶面滑移受阻时产生的。沿新滑移面进行滑移再次受阻时，又会重新更换滑移面，沿着与初始滑移面平行的平面滑移。只有纯螺型位错才能产生交滑移，因为其柏氏矢量与位错线平行，滑移面不受限制。交滑移对晶体的塑性变形也有很大贡献。孪生在金属的塑性变形中，另一种较常见的形变方式为孪生，它常作为滑移不易进行时的补充。一些具有密排六方结构的金属，如镉、锌、镁、铍等，塑性变形常常部分的以孪生的方式进行；而铋、锑金属的塑性变形几乎完全以孪生的方式进行。对于有体心立方及面心立方结构的金属，当变形温度很低，形变速度极快，或由于其它原因使滑移过程难以进行时，也会通过孪生的方式进行塑性变形。孪生就是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面与晶向产生的一种均匀切变过程。在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体称为孪晶；均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界；发生均匀切变的那个晶面称为孪生面；孪生面切动的方向则为孪生方向。

孪生面孪生方向(111)[112]孪生区域ACEGA′C′E′BDFH面心立方晶体（110）晶面的孪生变形过程示意图和滑移相比，孪生有具如下特点：（1）一部分晶体沿孪晶面相对于另一部分晶体作切变，切变时原子移动的距离不是孪生方向原子间距的整数倍。（2）孪晶面两边晶体的位向不同，呈镜面对称形式。（3）由于孪生改变了晶体的取向，因此孪晶经抛光和浸蚀后仍不能去除。（4）孪晶变形是一种均匀的切变，即在切变区内与孪晶面平行的每一层原子面均相对于其相邻的晶面沿孪生方向产生了一定位移。（5）孪生比滑移的临界分切应力高得多，因此孪生常萌发于滑移受阻引起的局部应力集中区。同时，孪生对塑性变形的直接贡献比滑移小得多，但孪生改变了晶体位向，使原来取向不利于滑动的滑移系逐渐转到有利的取向而产生滑移，这种机制对密排六方金属的变形非常重要。滑移的位错机制

(1)位错的运动与晶体的滑移位错的相消ττττ(a)正刃型位错(b)负刃型位错刃型位错的滑移(2)位错的增殖通过位错线的移动可以知道，晶体每滑移一个柏氏矢量，就应该有一个位错消失。这样看来，金属塑性变形后位错密度应该减小。然而通过实验可知，金属塑性变形后位错线反而大大的增加了。这就是说金属塑性变形过程中位错发生了增殖。目前被普遍接受的位错增殖机制是弗兰克和瑞德提出的机制。这里只介绍它们提出的F-R位错源。BDAC滑移面(a)BDAC滑移面(b)BDAC滑移面(c)BDAC(d)BDAC(e)BDAC(f)F-R位错源二、多晶体的塑性变形与强化

实际工业生产中使用的金属材料很多都是多晶体。多晶体由许多位向不同的单晶组成，因此其塑性变形过程也更为复杂。多晶体塑性变形的特点晶粒之间变形的协调性，要求滑移系多，FCC和BCC滑移系多，变形容易协调，所以塑性好，HCP晶体滑移系少，协调性差，塑性差晶粒大小对塑性变形的影响实际表明，多晶体金属的晶粒愈细小，其屈服强度愈高，并且滑移线与孪晶带大多终止于晶界处而极少穿越。这些表明在多晶体中晶界对变形过程有着明显的阻碍作用。金属的屈服强度σS与晶粒直径d有如下关系

此式即为霍耳-佩奇（Hall-Petch）公式。式中σ0为一常数，大体相当于单晶体金属的屈服强度；K为表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关。霍耳-佩奇公式是一个非常重要的公式，材料的屈服强度与其亚晶粒之间，塑性材料的流变应力与晶粒大小之间，脆性材料的脆性应力与晶粒大小之间都满足上述关系式。三、塑性变形对材料组织性能的影响显微组织的变化晶粒拉长，纤维状组织形变织构在金属塑性变形时，随着变形程度的增加，各个晶粒从原来互不相同的取向逐渐向主变形方向转动。当变形量很大时，各个晶粒在空间取向上将呈现出一定程度的一致性，这一现象称为晶粒的择优取向，形变金属中的这种组织状态称为形变织构。

由形变织构所造成的“制耳”塑性变形对金属力学性能的影响（加工硬化）

随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性则显著下降，这种现象称为加工硬化或冷作强化。

这种现象是因为随着塑性变形的进行，位错的密度不断增加，位错运动时的相互交割加剧，产生位错塞积、交割等障碍，阻碍了位错的进一步运动，引起变形抗力增加，提高了金属的强度。

利：提高强度、使变形均匀弊：耗费能源、使继续变形困难、需要增加中间退火残余应力金属在塑性变形时，外力所做的功除大部分转化为热之外，由于金属内部的转变不均匀以及存在点阵畸变，这使得有一小部分能量以畸变能的形式储存在形变金属内，称为储存能，表现为材料的残余应力。材料的残余应力可分为三种，即（1）第一类内应力（宏观内应力）因不同部位之间变形不协调而形成，占形变储能的1％以下，但破坏性很强。（2）第二类内应力（微观内应力）因不同晶粒间变形不协调形成，占形变储能的10～20％，有一定破坏性。（3）第三类内应力（晶格畸变）因晶体缺陷增殖而形成，占形变储能的80～90％，是加工硬化的主要原因。第二节金属及合金的回复与再结晶金属经冷塑性变形后，组织和性能都发生了明显变化。金属晶体中缺陷密度增大，自由焓升高，并且变形金属中储存能的存在，使得金属处于一种热力学亚稳定状态，其组织和结构具有恢复到稳定状态的倾向。在常温下，由于原子的活力很小，原子的扩散速度很慢，这种变化很小。如果温度升高，使金属原子获得足够的活力，则冷变形金属就会由亚稳状态向稳态转变，并发生一系列组织和性能的变化。这种转变可分为三个过程，即回复、再结晶和晶粒长大。0T1T2T30t1t2t3

回复再结晶晶粒长大温度时间冷变形金属组织随加热温度及时间的变化示意图一、回复回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生改变前，即在再结晶晶核形成前，所产生的某些亚结构和性能变化的过程。在回复过程中，由于温度的升高，在内应力的作用下将发生局部塑性变形，金属的屈服强度下降，残余应力将得到部分消除，所以，冷变形金属进行回复过程的退火称为去应力退火，它具有即降低金属残余应力又保持加工硬化性能的作用。回复的组织与结构变化

三个阶段：低温回复过程金属中的点缺陷密度明显降低。中温回复过程位错相消；形成亚晶界，位错胞也由此转化为规整的亚晶粒，这一过程称为亚晶规整化过程。

高温回复阶段位错垂直于滑移面的方向排列成小角度亚晶界，小角度晶界的两侧为无畸变的亚晶，多边化。

二、再结晶冷变形金属加热至较高温度时，将形成一些位向与变形晶粒不同的内部缺陷较少的无畸变等轴小晶粒，这些小晶粒不断向周围的变形金属中扩展长大，至到金属的冷变形组织完全被等轴的新晶粒所取代，这一过程就是金属的再结晶。再结晶温度记为T再，经验公式：T再＝0.4T熔。再结晶后的晶粒尺寸和影响再结晶过程的主要因素冷变形金属再结晶后的晶粒大小，取决于再结晶的形核率和长大速度。形核率高，长大速度越慢，获得的再结晶晶粒越细小；反之，再结晶晶粒就越粗大。

（1）变形量（2）退火温度和时间

（3）原始晶粒尺寸

（4）微量溶质原子（5）第二相粒子

临界变形度预先变形程度形变量对再结晶晶粒尺寸的影响晶粒大小三、晶粒的长大

晶粒的正常长大再结晶完成以后，晶粒的长大是一个自发的过程，晶粒的长大的驱动力是晶体界面能的降低。而其长大的主要方式则是通过晶界的迁移实现的，晶界总有由曲变直的趋势，因为这样会使其能量降低，小晶粒不断被大晶粒吞并，大晶粒的晶界逐渐趋于平直化，三晶界的交角趋于120°。晶粒的异常长大（二次再结晶）将再结晶完成后的金属继续加热到某一温度或是保温更长的时间，会有少数晶粒会突然长大，迅速吞并相邻晶粒，直径可达几厘米，最后使金属的晶粒变得非常粗大，这一现象称为晶粒的异常长大或二次再结晶。四、金属的热加工

在工业生产中，钢材和许多零件的毛坯都是在加热至高温后经压力加工而制成的。冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加以消除。如果钢在再结晶温度以上进行加工，塑性变形引起的加工硬化便可以立即被再结晶过程所消除。因此，在再结晶温度以上的加工称为热加工。反之，在再结晶温度以下的加工称为冷加工。金属在高温下强度降低而塑性提高，所以热加工的主要优点是容易变形，且变形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也较容易加工。但由于金属在表面要发生氧化，所以热加工比冷加工产品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工适合于厚度较小，而且尺寸精度和粗糙度要求较高的场合。厚度较大和变形量较大的工件则需要进行热加工。在热加工工程中，金属内部同时发生着加工硬化和再结晶软化，这种再结晶过程和加工硬化同时进行的过程称为动态再结晶。

金属热加工后的组织纤维组织（热加工流线）

在热加工过程中，钢锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长，这样就使铸锭中枝晶间富集的杂质和非金属夹杂的走向逐渐与变形方向一致，使它们变成条带状、线状（脆性夹杂变成链状）或片层状，在宏观试样上沿着变形方向呈现一条一条的细线，这就是热加工钢中的流线，由一条条流线勾画出来的热加工钢中的这种组织就是纤维组织。纤维组织的出现将使钢的机械性能呈现各向异性，在沿着纤维伸展的方向上具有较高的机械性能，而在垂直于纤维伸展的方向性能则较差。在制定工件的加工工艺时，必须合理的控制流线的分布情况，尽量使纤维与应力方向一致。

（a）（b）曲轴中的流线分布（a）锻造变形；（b）切削加工。带状组织

低碳钢经过热轧后，组织中的铁素体和珠光体常沿变形方向呈带状或层状分布，形成带状组织。带状组织会使金属材料产生明显的各向异性。低碳钢钢板如果只具有带状组织而不存在较多拉长的非金属夹杂物时，对钢的横向机械性能影响不大。但如果出现带状组织的同时有较多拉长的非金属夹杂物，则会使钢板横向的塑性和韧性明显下降。带状组织可以用正火、高温扩散退火等方法加以去除。

25μ低碳钢中的带状组织五、金属强化机制固溶强化在固溶强化理论中，最主要的是位错的钉扎机制，这种机制包括位错与溶质原子的弹性交互作用、电学交互作用和化学交互作用。溶质原子常常聚集到位错周围，形成比较稳定的分布。溶质原子聚集构成的原子团，被称为柯垂耳(Cottrell)气团位错脱离柯垂耳气团需要额外做功，因而柯垂耳气团可以钉扎位错使位错滑动收到阻碍，金属由此收到强化。利用位错与溶质原子的弹性交互作用，可以解释低碳钢等金属的上下屈服点现象和应变失效现象。例如在低碳钢中，由于微量的碳、氮原子聚集形成形成的柯垂耳气团，对位错有钉扎作用，所以当外力增大到上屈服点时，位错才挣脱气团开始运动。可是一旦挣脱气团以后，位错受到的阻力立即减小，因此外力下降到下屈服点时也可以使金属变形，并最终进入加工硬化阶段。第二相强化又叫弥散强化，第二相粒子阻碍位错运动，造成强化。加工硬化变形时晶体缺陷不断增殖，造成位错运动困难，引起强化。细晶强化因晶粒细化，造成晶界面积增加，阻碍了位错的运动造成强化。第三节高分子材料的变形

HighPolymers

Deformation

聚合物材料具有已知材料中可变范围最宽的变形性质，包括从液体、软橡胶到刚性固体。而且，与金属材料相比，聚合物的变形强烈地依赖与温度和时间，表现为粘弹性，即介于弹性材料和粘性流体之间。聚合物的变形行为与其结构特点有关。聚合物由大分子链构成，这种大分子链一般都具有柔性，但柔性链易引起粘性流动，可采用适当交联保证弹性，除了整个分子的相对运动外，还可实现分子不同链段之间的相对运动。这种分子的运动依赖与温度和时间，具有明显的松弛特性，引起了聚合物变形的一系列特点。一、聚合物的力学状态及其转变非晶态聚合物在不同的温度下，可以呈现三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。玻璃态聚合物分子运动的能量很低，不足以克服分子内内旋转势垒，大分子链段（约由40～50个链节组成）和整个分子链的运动是冻结的，或者说松弛时间无限大，只有小的运动单元可以运动。此时，聚合物的力学性质和玻璃相似，因此称为玻璃态。在外力的作用下，变形很小，且形变与外力的大小成正比，外力除去后，形变能立即回复，符合虎克定律。高弹态大分子已具有足够的能量，虽然整个大分子尚不能运动，但链段已开始运动。这时，聚合物在外力作用下，大分子链可以通过链段的运动改变构象以适应外力的作用。分子在受外力拉伸时，可以从卷曲的线团状态变为伸展的状态。表现出很大的形变,约1000％。当外力去除后，大分子链又可以通过链段的运动回复到卷曲的线团状态。在外力作用下这种大的且逐渐回复特征的形变，称为高弹性。高分子材料具有高弹态是它区别于低分子材料的重要标志。粘流态分子具有很高的能量，这时不仅链段能够运动，而且整个大分子链都能运动。或者说，不仅链段运动的松弛时间缩短，而且整个大分子链运动的松弛时间也缩短。聚合物在外力作用下将呈现粘性流动，分子间发生相对滑动。这种形变和低分子液体的粘性流动相似，是不可逆的。当外力撤除时，形变不能回复。聚合物由于存在着多重运动单元，在不同温度下，呈现不同的力学状态。玻璃态聚合物在升高到一定温度时可以转变为高弹态，这一转变温度称为玻璃化转变温度，或简称玻璃化温度，常