材料科学与工程基础课件

緒論

Introduction材料(Materials)是國民經濟的物質基礎。廣義的材料包括人們的思想意識之外的所有物質(substance)材料無處不在，無處不有材料發展過程我國材料的歷史進程

(Historicalperspective)漫長而又曲折的歷程：石斧

湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰國凹形鐵鋤古代科技名著：“考工記”（先秦）、“夢溪筆談”（宋代沈括）、

“天工開物”（明代宋應星）明代後：封建統治、帝國主義侵略束縛了材料的發展停滯狀態解放後：材料科學受到重視和發展，被列為現代技術三大支柱之一。一整套材料體系門類全齊數量品質鋼鐵突破2億噸大關世界第一原子彈、氫彈、人造衛星、火箭長征三號運載火箭在發射架上的圖片寶鋼高爐材料分類(ClassificationofMaterials)材料科學與工程基礎是研究材料的成分、組織結構與性能之間關係學習方法：培養能力為主，學習知識為輔要掌握正確的思維方式，不要死記硬背認真記好筆記，課後短時復習抓住主線條，不鑽牛角尖考試前及早復習，不要臨陣磨槍積極參加答疑，不要閉門復習第一章材料的結構

StructureofMaterial材料的性能取決於材料的成分、加工工藝和結構。材料結構學是材料科學體系中最重要的學科之一。第一節結合鍵

BindingBond一、結合力與結合能雙原子模型：

d0dcAB結合力排斥力吸引力原子間距d排斥力＋F－F吸引力d0dcAB結合能排斥能吸引能原子間距d排斥能吸引能EAB（a）（b）圖1－1雙原子作用模型二、結合鍵離子鍵氯鈉

NaCl的晶體結構

Si形成的四面體109°金屬離子金屬鍵模型電子氣共價鍵金屬鍵分子鍵和氫鍵三、材料的鍵性金屬材料金屬材料的結合鍵主要是金屬鍵。金屬特性：導電性、導熱性好；正電阻溫度係數；好的延展性；金屬光澤等。陶瓷村料陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結合鍵主要是離子鍵和共價鍵，大多數是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當高的穩定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點和硬度，但同時陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料高分子材料的結合鍵是共價鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結合鍵是共價鍵和氫鍵，而分子間的結合鍵是範德華鍵。儘管範德華鍵較弱，但由於高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應較大，這使得高分子材料具有很好的力學性能

第二節晶體學基礎

Fundamentalsofcrystallogphy一、晶體的概念晶體的特性晶體的三大特徵：原子排列有序；有固定的熔點；各向異性。空間點陣和晶胞caXb

βα

γYZ（a）（b）（c）簡單立方晶體（a）晶體結構（b）晶格（c）晶胞二、配位數和緻密度配位數所謂配位數是指晶體中與任一個原子最近鄰、等距離的原子數目。

緻密度若把原子看成剛性球，則原子之間必有空隙存在，可用原子剛球所占體積與晶體體積之比來表示晶體結構排列的緊密程度，稱為緻密度或密集係數。可用下式表示：

例：計算簡單立方晶體的緻密度解：簡單立方：晶格常數為a，原子半徑為一個晶胞內所含的原子數；；所以：緻密度三、晶向指數和晶面指數

在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個統一的規則來標誌它們，這種統一的標誌，叫做晶向指數和晶面指數。國際上通用的是密勒（Miller）指數。晶向指數晶向指數的確定步驟如下：（1）以晶胞中的某一陣點為原點，以三條棱邊為X、Y、Z軸，並以晶胞棱邊的長度為單位長度；（2）如果所求晶向未通過座標原點，過原點引一條平行於所求晶向的有向直線；（3）在所引直線上取離原點最近的那個原子，求出其在X、Y、Z軸上的座標；（4）將三個座標值按比例化為最小整數，依次記入方括號[]中，即得所求晶向指數。通常以[uvw]表示晶向指數的普遍形式，若其中某數為負值，應將負號標注在該數的上方，例如。

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

XYZ圖1－7立方晶系中的三個重要晶向如圖給出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指數。對於一個晶向指數，表示的不是一個具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個晶向指數數值大小相等，符號相反，則這兩組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]八個晶向，指的是立方體中四個對角線的方向。從晶體的對稱關係來看，這一組晶向在性質上是等同的，故總稱之為晶向族。原子排列情況相同，但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族，用<>表示，上述八個晶向即可用<111>表示。

同理，<100>代表：[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]六個晶向。應當指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指數可以通過改變指數和正負號的排列組合方式求出。對於其他晶系並不一定適用。

晶面指數

晶面指數的一般運算式為（hkl），其確定步驟如下：（1）與確定晶面指數類似建立坐標系，但座標原點應位於待定晶面之外，以避免出現零截距。（2）以晶格常數為長度單位求出待定晶面在各軸上的截距。若晶面與某軸平行，則認為該晶面在該軸上的截距為無窮大，其倒數為零。

（3）取截距的倒數，將其化為最小整數，置於圓括號內，寫成（hkl）的形式，即得晶面指數。

如圖給出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指數。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三種重要晶面與晶向指數類似，如果有截距為負值，應將負號記在相應的指數上面。晶面指數（hkl）不是指一個晶面，而是代表一組相互平行的晶面。當兩個晶面指數的數字和順序完全相同而符號相反時，則這兩個晶面相互平行。

晶面族在同一晶體結構中，有些晶面上的原子排列和晶面間距完全相同，但具有不同的空間位向，這些晶面均歸併為一個晶面族，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）晶面族不僅包括了相互平行的一組晶面，而且也包括了位向不同，但晶面間距相等、原子排列相同的若干組平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改變h、k、l的正負號及數字的排列組合來求得。但是這種方法不適用於其他晶系。晶面指數的幾何意義

γβαXYZNO晶面指數與晶面位向間的關係ABCD∴即：從立體幾何可知，在正交晶系中：

所以，只要晶面指數一旦確定，晶面位向即可求得。因此，晶面（hkl）的法線向量為：

即晶面（hkl）的法線與晶向[hkl]的方向平行，這就是晶面指數的幾何意義。如圖：ON為晶面（hkl）的法線，ON與該晶面交於D點；OA、OB、OC分別為（hkl）在X、Y、Z軸上的截距；ON與X、Y、Z軸之間的夾角分別為α、β、γ；cosα、cosβ、cosγ就是法線ON的方向余弦。立方點陣中晶胞的三個基矢相等，設其為a，則根據晶面指數的確定方法可知：晶帶

平行或相交於同一直線的一組晶面組成一個晶帶。這一組晶面叫做共帶面，而該直線（用晶向指數表示）叫做晶帶軸。同一晶帶中各晶面的法線均與晶帶軸垂直。

在立方晶系中，晶向指數與晶面指數的數字和順序相同時，該晶向垂直於該晶面，則有[hkl]⊥(hkl)，就是說該晶向即為該晶面的法線。若晶帶軸的指數為[uvw]，由向量代數可以證明，該晶帶軸中的任一晶面（hkl）與晶帶軸指數間具有下列關係：該式又稱為晶帶方程。第三節金屬及合金的結構特點

StructureCharacteristicofMetal&Alloy

一、常見純金屬的晶格類型

體心立方晶格：記為BCC（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數屬於這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

緻密度：晶格常數為a，原子半徑為；；；所以：緻密度

配位數為8面心立方晶格：記為FCC

屬於這種晶格類型的金屬有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）晶胞原子數配位數＝12；緻密度＝0.74密排六方晶格：記為HCP

密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，由六個呈長方體的側面和兩個呈六邊形的底面所組成，如圖所示。屬於這種晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。

（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數配位數：12；緻密度：0.74（與面心立方相同）晶胞中的間隙

由緻密度計算結果可知，晶體中應存在一定數量的間隙。例如，對於體心立方，緻密度k＝0.68，說明僅有68％的體積被原子佔有，存在32％的間隙。這些間隙對金屬的性能，合金的相結構，擴散以及相變等都有重要的影響。從幾何形狀上看，晶格中有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙。

金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)體心立方結構中的間隙(a)八面體間隙(b)四面體間隙

面心立方晶格中也有八面體間隙與四面體間隙兩種，如圖所示，它們分別是正八面體間隙和正四面體間隙

金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)面心立方結構中的間隙(a)八面體間隙(b)四面體間隙原子的堆垛方式

前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的緻密度與配位數完全一致，均屬於最密排列晶格，但是晶格類型卻不同，為了搞清這個問題，就需要瞭解原子的堆垛方式。面心立方結構的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式A層B層C層A層B層C層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、實際金屬的晶體結構單晶體與多晶體

晶體中原子排列規律相同，晶格位向一致的晶體，稱為單晶體。在實際應用中金屬材料中較少的用單晶體金屬，工程上使用的金屬材料，幾乎都是多晶體材料。

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個晶粒相當於一個單晶體。晶粒與晶粒之間的介面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。點缺陷

點缺陷是指在晶體空間中，其長、寬、高尺寸都很小（相當於原子尺寸）的一種缺陷。晶體的點缺陷主要包括三種形式：晶體空位、間隙原子和置換原子，如圖所示。

晶體中的點缺陷－空位；－間隙原子；－置換原子線缺陷

線缺陷是指在三維空間中兩維方向的尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對較大的缺陷，所以又稱為一維缺陷。晶體中最普通的線缺陷就是位錯。

位錯是晶格中的某處有一列或若干列原子發生了某些有規律的錯排現象。這種錯排現象是晶體內部局部滑移造成的，根據局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯，最簡單、最基本的類型有刃型位錯和螺型位錯兩種，由它們組合可以構成混合位錯和不全位錯等線缺陷。

刃型位錯（a)立體模型（b）平面圖刃型位錯示意圖

G

H

E

F晶體局部滑移造成的刃型位錯ττ位錯運動示意螺型位錯CBAD(b)（a）立體模型；（b）平面圖

螺型位錯示意圖ABCD(a)螺型位錯示意圖螺型位錯示意圖柏氏向量

柏氏向量是描述位錯幾何特性最重要的參數之一。柏氏向量由柏氏回路確定。bllb柏氏向量的物理意義：

柏氏向量代表晶體的滑移方向。面缺陷

晶體中的面缺陷是指在兩個方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面狀分佈的缺陷。這類缺陷主要是晶粒邊界和亞晶界。晶界晶界是兩相鄰晶粒間的過渡介面。由於相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內不同，它們因同時受到相鄰兩側晶粒不同位向的綜合影響，而做無規則排列或近似於兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。晶界是晶體中的一種重要的缺陷。由於晶界上的原子排列不規則，脫離平衡位置，所以晶界具有較高的能量，使其具有一系列不同於晶粒內部的特徵。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點較低；原子沿晶界擴散速度快；在常溫下晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用。因此，金屬材料晶粒愈細小，則晶粒愈多，其室溫強度愈高。亞晶界實驗表明，在實際金屬的一個晶粒內部晶格位向也並非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2°），如圖1－27所示。這些小晶塊稱為亞結構，。亞結構之間的介面稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列的位錯所組成。亞晶界上原子排列也不規則，具有較高的能量，與晶界類似的特徵，故細化亞結構，可顯著提高金屬的強度。

晶界示意圖

亞晶界示意圖固溶體固溶體是指固態下以某一合金組元為溶劑，在其晶格中溶入其他組元原子（溶質）後形成的一種合金相，其特點是固溶體具有溶劑組元的晶格類型。置換固溶體

溶劑原子溶質原子置換固溶體示意圖固溶體中溶質原子引起的晶格畸變示意圖（a）正畸變（b）負畸變(a)(b)間隙固溶體當溶質與溶劑原子半徑的比值rb/ra＜0.59時，形成間隙固溶體。溶質原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固溶體，如圖所示。形成間隙固溶體的溶質原子通常都是一些原子半徑小的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶劑則大多數是過渡族元素。溶劑原子溶質原子間隙固溶體示意圖金屬間化合物在合金中，溶質原子濃度超過固溶體的固溶極限時，將會形成一種晶格結構，特性完全不同任一組元的新相，因其具有金屬性質，稱之為金屬間化合物。由於它們常處在相圖的中間位置，所以又被稱為中間相。中間相分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三種。正常價化合物正常價化合物就是符合原子價規律的，受電負性控制的一種金屬化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常價化合物的熔點，硬度及脆性均較高。電子化合物電子化合物通常是IB族或過渡族元素與ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所組成，它們不遵守化合價規律而是按照一定電子濃度比值形成金屬間化合物。電子濃度不同，晶體結構類型也不同。間隙相間隙相具有比較簡單的晶體結構，如面心立方、密排六方和簡單六方等。金屬佔據晶格中的正常結點位置，而非金屬位於晶格的間隙之中。間隙化合物間隙化合物主要是過渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金鋼中常見的主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。間隙化合物的晶體結構都很複雜，部分金屬元素往往會被另外一種或幾種元素所置換，而形成更為複雜的化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子

(a) (b)間隙相和間隙化合物的晶體結構（a）間隙相VC（b）間隙化合物第四節高分子材料的結構特點

PolymerStructures一、高分子材料概述高分子的含義高分子化合物是經常用到和見到的各種塑膠、橡膠、纖維等非金屬材料的總稱。所謂高分子是是指分子量特別大的有機化合物，是由一種或者多種單體，通過聚合反應形成的相對分子品質很大的化合物，它是相對於低分子而言。一般地說，低分子化合物沒有什麼強度和彈性，而高分子化合物則具有一定的強度和彈性。高分子的組成由一種或幾種簡單的低分子有機化合物結以重複的方式連接而成，就像一根鏈條由眾多鏈環連接在一起一樣。大分子鏈中的重複結構單元稱之為“鏈節”。組成大分子鏈時，鏈節的數目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下關係：M=m×n

M----高分子的分子量

n----高分子的聚合度

m----鏈節的分子量高分子的基本特點高分子具有和低分子截然不同的結構特徵：（1）大分子的可分割性：低分子物質的分子不能用一般的機械方法把它分開。如果把它分開，它就改變性質（即分解）成另外的物質。高分子則不然，因為它分子很大。一個分子量很大的分子用外力把它拉斷或切開，變成兩個分子後，高分子化合物的性質一般沒有明顯的改變。高分子結構的這種特徵稱為可分割性。（2）具有彈性：高分子化合物在外力作用下容易發生變形，當外力解除，這種變形就可以恢復到原狀。（3）具有可塑性：高分子化合物受熱以後先是經過一個較長的軟化過程，而後才能變為可流動的液體。因為高分子化合物是由很長的大分子鏈所構成，當鏈的某一部分受熱時，這一部分鏈的運動能量增加，但由於大分子鏈不易傳熱，因此，除了這一部分受熱外，鏈的其他部分則受熱不多，這些部分的運動能量就不大。只有經過一個較長的時間和溫度間隔，分子鏈受熱部分不斷擴大，整個大分子鏈才會變軟。總之，高分子化合物不可能一下子達到由固體狀態變為液體狀態。這是高分子化合物具有可塑性的原因。（4）具有絕緣性：高分子化合物對電、熱、聲具有良好的絕緣性能。從結構上看這是因為高分子化合物大都是有機化合物，分子中的化學鍵都是共價鍵，不能電離，因此不能傳遞電子，又因為大分子呈蜷曲狀態，互相糾纏在一起，在受熱，受聲作用之後，分子不易振動起來，因而它對熱、聲也具有絕緣性。二、大分子鏈的分子量及其分佈高聚物分子量的多分散性高聚物的分子量有兩個特點，一是分子量很大，二是分子量多分散性。對於低分子化合物而言，每種分子都有確定的分子量，分子大小一樣，所以都有固定的分子量。而絕大多數高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所說分子量10萬的聚乙烯，可能是由分子量2萬－20萬大小不同的聚乙烯分子組成的，這種現象稱為分子量的多分散性。高聚物材料是數量眾多的大分子鏈的聚集體，由於大分子鏈長短不同，每根大分子鏈的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量”表示，高聚物分子量不是一個確定值，而是一個數值範圍。根據統計平均方法不同，其分子量的表示也不同。如果按高聚物中各級分的分子數平均叫“數均分子量”，以表示；如果按高聚物中各級分的重量平均，得到的是“重均分子量”，用表示。此外還有粘均分子量和Z均分子量等。

常用統計平均分子量的表示數均分子量按分子數的統計平均，定義為：

式中：Mi：第i組分子的單分子品質；Ni：第i組分子的分子數。重均分子量按重量的統計平均，定義為：式中：Wi：第i組分子的總品質。分子量的分佈若要確切地描繪高聚物試樣的分子量，除了給出分子量的統計平均值外，還應給出試樣的分子量分佈，最理想的是能知道該試樣的分子量分佈曲線。如圖所示為高聚物的分子量分佈，它表示該高聚物中具有各種分子量的大分子鏈的重量是不同的。

高聚物重量W

分子量M高聚物分子量分佈及重均分子量三、大分子鏈的組成和構造組成大分子鏈的元素（1）碳鏈聚合物

主鏈由碳原子一種元素組成。其主鏈結構如下：—C—C—C—C—C—C—乙烯基聚合物就是屬於碳鏈聚合物的一種。其鏈節結構如下：

其中，R叫做官能團或側基，官能團不同，得到的聚合物也不同。如R換為Cl，得到氯乙烯；R換為OH（羥基），得到乙烯醇；R換為CH3，得到丙烯。

HHCCHR（2）雜鏈聚合物

主鏈除碳外，還有其他元素。如：

—C—C—O—C——C—C—H—C——C—C—S—C—聚酯就是一種典型的雜鏈聚合物，其特徵是在碳主鏈中嵌入一個酯鍵：

O—C—O—（3）元素有機聚合物

主鏈由氧和其他元素組成，如：—O—Si—O—Si—O—

在大分子鏈中常見的C、H、O、N等元素都是原子量較小的輕元素。這就決定了高聚物材料比重較小（一般只有0.9～2.0），只有鋼鐵的1/4～1/7。高分子鏈結構單元的鍵接方式和構型

大分子鏈形成後，由共價鍵固定的鏈內原子和原子團的幾何排列即固定不變。任何大分子鏈都是由鏈節按一定的方式連接而成的。

鍵接方式：結構單元在鏈中的連接方式和順序決定於單體及合成反應的性質。空間構型：高分子中結構單元由化學鍵所固定的原子在空間的幾何排列稱為分子鏈的構型。即使分子鏈組成相同，但由於取代基的位置不同，也可有不同的立體構型。如乙烯類高分子鏈一般有以下三種立體構型：1）全同立構取代基R全部處於主鏈的同一側。2）間同立構取代基R相間地分佈在主鏈的兩側。3）無規立構取代基R在主鏈的兩側作不規則的分佈。高分子鏈的構象及柔順性

（1）高分子鏈的構象單鍵內旋轉

由於單鍵內旋轉所引起的原子在空間佔據不同位置所構成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構象。（2）高分子鏈的柔順性由構象變化獲得不同捲曲程度的特性，稱為高分子鏈的柔順性。高分子鏈的柔順性與單鍵內旋轉難易程度有關。

C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳鏈C—C鍵的內旋轉示意圖伸展鏈無規線團鏈折疊鏈螺旋鏈

單個大分子鏈的幾種構象示意圖高分子鏈的幾何形狀由於聚合反應的複雜性，在合成聚合物的過程中，可以發生各種各樣的反應形式，所以高分子鏈也會呈現出各種不同的形態。一般說來，高分子鏈的幾何形狀有以下三種：（1）線型高分子：由許多鏈節組成的長鏈，通常是捲曲成線團狀。這類高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。此類材料加熱後軟化，冷卻後又硬化成型，隨溫度變化可以反復進行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯類聚合物都屬於典型的熱塑性高聚物。（2）支鏈型高分子在主鏈上帶有支鏈。這類高聚物的性能和加工都接近於線型高分子，也屬於熱塑性高聚物。（3）體型(網狀)高分子分子鏈之間有許多鏈節互相交聯，呈三維網狀結構。這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性高聚物。此類材料受熱發生化學變化而固化成型，成型後再受熱也不會軟化變形，如酚醛樹脂、環氧樹脂等。

三、高分子材料的聚集態結構組成物質的分子聚集在一起的狀態稱為物質的聚集態。一般物質的聚集態可分為氣體、液體和固體。高分子的聚集態結構，是指高分子材料內部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構，也稱為超分子結構，它是在高分子材料加工成型過程中形成的。高分子鏈之間以範德瓦爾斯鍵或氫鍵結合，鍵雖弱，但因分子鏈很長，故鏈間總作用力為各鏈節作用力與聚合度之積，因而大大超過鏈內共價鍵。顯然，高分子的聚集態結構與高分子材料的性能有著直接關係。

第五節無機非金屬材料的結構特點

StructuresofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)陶瓷是由金屬和非金屬的無機化合物所構成的多晶多相固體物質，它實際上是各種無機非金屬材料的統稱。傳統上“陶瓷”是陶器與瓷器的總稱。後來，發展到泛指整個矽酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。

一、陶瓷材料的結構特點

陶瓷材料在熱和化學環境中比它們的組元更穩定，通常比相應的金屬或聚合物更硬。陶瓷和金屬類似，具有晶體構造，但與金屬不同的是其結構中並沒有大量的自由電子。這是因為陶瓷是以離子鍵或共價鍵為主的離子晶體(如MgO、Al2O3等)或共價晶體(如SiC、Si3N4等)。在室溫下，陶瓷材料的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣相組成。二、陶瓷晶體相晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定著陶瓷的力學、物理、化學性能。例如由離子鍵結合的氧化鋁晶體組成的剛玉陶瓷，具有機械強度高、耐高溫及抗腐蝕等優良性能。氧化物結構和矽酸鹽結構是陶瓷晶體中最重要的兩類結構。它們的共同特點是：①結合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價鍵；②有確定的成分，可以用準確的分子式表示。

氧化物結構

氧化物結構的特點是較大的氧離子緊密排列成晶體結構，較小的正離子填充在它們的空隙內。根據正離子所占空隙的位置和數量的不同，形成各種不同結構的氧化物，如下表所示。

結構類型晶體結構

陶瓷中主要化合物

AX型面心立方鹼土金屬氧化物MgO、BaO等，鹼金屬鹵化物，鹼土金屬硫化物AX2型面心立方CaF2(螢石)、ThO2、VO2等簡單四方TiO2(金紅石)、SiO2(高溫方石英)等A2X3型菱形晶體α-Al2O3(剛玉)ABX3型簡單立方CaTiO3(鈣鈦礦)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(鈦鐵礦)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多種矽酸鹽結構

矽酸鹽材料在自然界中大量存在，約占已知礦物的三分之一。許多陶瓷材料都包含矽酸鹽，一方面是因為矽酸鹽豐富和便宜，另一方面則是因為它們具有在工程上有用的某些獨特性能。普通水泥是人們最熟悉的矽酸鹽，它最明顯的優勢是能將岩石骨料結合成整塊材料。

（1）矽酸鹽四面體單元

O2－Si4+矽氧四面體結構（2）矽酸鹽結構分類

矽氧四面體的四個頂點均分布有O2-，所以它能與周圍其他陽離子或另一個矽氧四面體連接起來。當整個矽氧四面體連接時由於O2-的排斥作用，使得各頂點只能以共有的形式相連接。但一個頂點最多只能兩個四面體共有，連接方式不同，矽酸鹽化合物的形式也就不同。矽酸鹽具有下列結構特點：①

結構中Si4+間沒有直接的鍵，而它們是通過O2–連接起來的。②

結構是以矽氧四面體為基礎的。③

每一個O2–只能連接2個矽氧四面體。

④矽氧四面體間只能共頂連接，而不能共棱和共面連接。陶瓷晶體相中的缺陷

陶瓷材料是多晶體，同金屬一樣，有晶粒、晶界，有亞晶粒、亞晶界。在一個晶粒內，也有線缺陷（位錯）和點缺陷（空位和間隙原子），這些晶體缺陷的作用亦類同金屬晶體中的缺陷。如果陶瓷的晶粒細小，晶界總面積大，則陶瓷材料的強度大；空位和間隙原子可加速陶瓷工藝過程中燒結時的擴散，並且也影響物理性能。但是，陶瓷晶體中的位錯，卻不像金屬中的位錯對變形和強化起著那樣重要的作用，因為陶瓷晶體的晶格常數比合金的晶格常數大得多，而且結構複雜，位錯運動極為困難，同時還很難產生新的位錯。所以陶瓷在常溫下幾乎沒有塑性變形能力，即脆性大。

三、玻璃相

陶瓷製品，在燒結過程中，有些物質，如作為主要原料的SiO2已處在熔化狀態。但在熔點附近，SiO2的粘度很高，原子遷移困難，所以當液態SiO2冷卻到熔點以下時，原子不能排列成長為有序（晶體）狀態，而形成過冷液體。當過冷液體繼續冷卻到玻璃化轉變溫度Tg時，則凝固為非晶態的玻璃相。因此，玻璃相就是陶瓷高溫燒結時各組成物和雜質產生一系列物理、化學反應後形成的一種非晶態物質。它的結構是由離子多面體（如矽氧四面體）構成短程有序排列的空間網路。

玻璃相在陶瓷組織中的作用是：粘結分散的晶體相，降低燒結溫度，抑制晶粒長大和填充氣孔使陶瓷緻密等。

玻璃相的熔點低、熱穩定性差，使陶瓷在高溫下容易產生蠕變，從而降低高溫下的強度。此外，由於玻璃相結構疏鬆，空隙中常有金屬離子填充，因而降低了陶瓷的電絕緣性，增加介電損耗。所以工業陶瓷必須控制玻璃相的含量，一般為20％～40％，特殊情況下可達60％。

四、氣相氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，是在陶瓷生產過程中形成，並被保留下來的。陶瓷中的氣孔有開放氣孔和封閉氣孔兩種。氣孔對陶瓷性能有顯著影響。如果是表面開口的，會使陶瓷品質下降。如果存在於陶瓷內部（閉孔），不易被發現，這常常是產生裂紋的原因，使陶瓷性能大幅下降，如組織緻密性下降，應力集中，脆性增加，介電損耗增大，電擊穿強度下降，絕緣性降低等等。因此生產上要控制氣孔數量、大小及分佈。陶瓷材料的氣孔量用氣孔的相對體積（氣孔率）來表示，它是衡量陶瓷材料品質的重要標誌。開放氣孔和封閉氣孔在材料中的總相對體積稱為真氣孔率；開放氣孔的相對體積稱為顯氣孔率。普通陶瓷的氣孔率為5％～10％，特種陶瓷在5％以下，金屬陶瓷要求在0.5％以下。若要求陶瓷材料密度下，絕緣性好時，則希望有一定量氣相存在。

材料的變形

MaterialDeformation大多數工件在工作或加工過程中都要承受外力或負載的作用。在外力作用下，材料會產生彈性變形，塑性變形，甚至斷裂。一般來說，金屬材料具有良好的強度和塑性，但耐腐蝕性較差；高分子材料具有重量輕、抗腐蝕等優點，但它們強度不高，還會發生老化現象；陶瓷材料有很高的硬度，高的耐磨性和抗腐蝕性，但脆性大不易加工成形。在力學性能上，不同的材料有不同的優勢和劣勢，在使用和加工過程中只有充分瞭解其變形的特點和機理，才能有效利用其優點，改善其不足。第一節金屬的變形

MetalDeformation一、單晶體的塑性變形

滑移

將一個表面拋光的單晶體金屬試樣經適當的塑性變形後，在金相顯微鏡下可以觀察到，在拋光的表面上有許多平行的細線，稱為滑移帶。滑移帶滑移線滑移帶形成的示意圖滑移系在塑性變形中，單晶體表面的滑移線並不是任意排列的，它們彼此之間或者相互平行，或者互成一定角度，表明金屬中的滑移只能沿一定的晶面和一定的晶向進行，這些晶向和晶面稱為金屬的滑移方向和滑移面。一般而言，一個滑移系由一個密排面和該面上的一個密排方向組成。如，Fcc滑移系由{111}晶面族與該面上的<110>晶向族組成。

Bcc滑移系由｛110｝晶面族與該面上的<111>晶向族組成。

（111）[110][011][101]（110）[111][111]滑移的臨界分切應力在金屬晶體受外力作用時，不論外力的大小、方向與作用方向如何,都可以將其分解為垂直與某一滑移面的正應力與沿此晶面的切應力。而滑移是在切應力作用下發生的，只有在滑移面上沿滑移方向的分切應力達到某一臨界值時，滑移才能發生。公式：

τ0

＝σscosλcosφ晶體在滑移時的轉動晶體的塑性變形是由於滑移面沿著滑移方向運動產生的，在滑移的同時，晶體也會發生轉變，從而使晶體的空間取向發生了變化。如果晶體受拉伸產生滑移時，如果兩端不受限制，在滑移過程中，為使滑移面和滑移方向保持不變，晶體軸線就會發生偏移。但是，拉伸時，在夾頭的作用下，晶體軸線不能自由偏斜，這就迫使滑移面發生轉動，使位向發生了改變。FFFF滑移方向S滑移方向S多滑移與交滑移由於金屬晶體在滑移時會轉動，晶體的取向將發生改變，這就會使起始滑移時取向最有利的滑移系逐漸轉到不太有利的取向，而原來取向不太有利的滑移系則逐漸轉向比較有利的取向，因此滑移可能會在兩個或多個滑移系中同時或交替地進行，這種滑移稱為多滑移。發生多滑移時會出現的滑移帶呈交叉狀。在晶體中，兩個或兩個以上滑移面沿著某個共同的滑移方向同時或交替滑移，這種現象稱為交滑移。交滑移的滑移帶呈波紋或曲折狀。交滑移是在沿著某個晶面滑移受阻時產生的。沿新滑移面進行滑移再次受阻時，又會重新更換滑移面，沿著與初始滑移面平行的平面滑移。只有純螺型位錯才能產生交滑移，因為其柏氏向量與位錯線平行，滑移面不受限制。交滑移對晶體的塑性變形也有很大貢獻。孿生在金屬的塑性變形中，另一種較常見的形變方式為孿生，它常作為滑移不易進行時的補充。一些具有密排六方結構的金屬，如鎘、鋅、鎂、鈹等，塑性變形常常部分的以孿生的方式進行；而鉍、銻金屬的塑性變形幾乎完全以孿生的方式進行。對於有體心立方及面心立方結構的金屬，當變形溫度很低，形變速度極快，或由於其他原因使滑移過程難以進行時，也會通過孿生的方式進行塑性變形。孿生就是在切應力作用下晶體的一部分相對於另一部分沿一定的晶面與晶向產生的一種均勻切變過程。在孿生變形中，已發生均勻切變的那部分晶體稱為孿晶；均勻切變區與未切變區的分界面稱為孿晶界；發生均勻切變的那個晶面稱為孿生面；孿生面切動的方向則為孿生方向。

孿生面孿生方向(111)[112]孿生區域ACEGA′C′E′BDFH面心立方晶體（110）晶面的孿生變形過程示意圖和滑移相比，孿生有具如下特點：（1）一部分晶體沿孿晶面相對於另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離不是孿生方向原子間距的整數倍。（2）孿晶面兩邊晶體的位向不同，呈鏡面對稱形式。（3）由於孿生改變了晶體的取向，因此孿晶經拋光和浸蝕後仍不能去除。（4）孿晶變形是一種均勻的切變，即在切變區內與孿晶面平行的每一層原子面均相對於其相鄰的晶面沿孿生方向產生了一定位移。（5）孿生比滑移的臨界分切應力高得多，因此孿生常萌發於滑移受阻引起的局部應力集中區。同時，孿生對塑性變形的直接貢獻比滑移小得多，但孿生改變了晶體位向，使原來取向不利於滑動的滑移系逐漸轉到有利的取向而產生滑移，這種機制對密排六方金屬的變形非常重要。滑移的位錯機制

(1)位錯的運動與晶體的滑移位錯的相消ττττ(a)正刃型位錯(b)負刃型位錯刃型位錯的滑移(2)位錯的增殖通過位錯線的移動可以知道，晶體每滑移一個柏氏向量，就應該有一個位錯消失。這樣看來，金屬塑性變形後位錯密度應該減小。然而通過實驗可知，金屬塑性變形後位錯線反而大大的增加了。這就是說金屬塑性變形過程中位錯發生了增殖。目前被普遍接受的位錯增殖機制是弗蘭克和瑞德提出的機制。這裏只介紹它們提出的F-R位錯源。BDAC滑移面(a)BDAC滑移面(b)BDAC滑移面(c)BDAC(d)BDAC(e)BDAC(f)F-R位錯源二、多晶體的塑性變形與強化

實際工業生產中使用的金屬材料很多都是多晶體。多晶體由許多位向不同的單晶組成，因此其塑性變形過程也更為複雜。多晶體塑性變形的特點晶粒之間變形的協調性，要求滑移系多，FCC和BCC滑移系多，變形容易協調，所以塑性好，HCP晶體滑移系少，協調性差，塑性差晶粒大小對塑性變形的影響實際表明，多晶體金屬的晶粒愈細小，其屈服強度愈高，並且滑移線與孿晶帶大多終止於晶界處而極少穿越。這些表明在多晶體中晶界對變形過程有著明顯的阻礙作用。金屬的屈服強度σS與晶粒直徑d有如下關係

此式即為霍耳-佩奇（Hall-Petch）公式。式中σ0為一常數，大體相當於單晶體金屬的屈服強度；K為表徵晶界對強度影響程度的常數，與晶界結構有關。霍耳-佩奇公式是一個非常重要的公式，材料的屈服強度與其亞晶粒之間，塑性材料的流變應力與晶粒大小之間，脆性材料的脆性應力與晶粒大小之間都滿足上述關係式。三、塑性變形對材料組織性能的影響顯微組織的變化晶粒拉長，纖維狀組織形變織構在金屬塑性變形時，隨著變形程度的增加，各個晶粒從原來互不相同的取向逐漸向主變形方向轉動。當變形量很大時，各個晶粒在空間取向上將呈現出一定程度的一致性，這一現象稱為晶粒的擇優取向，形變金屬中的這種組織狀態稱為形變織構。

由形變織構所造成的“制耳”塑性變形對金屬力學性能的影響（加工硬化）

隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度顯著提高，而塑性、韌性則顯著下降，這種現象稱為加工硬化或冷作強化。

這種現象是因為隨著塑性變形的進行，位錯的密度不斷增加，位錯運動時的相互交割加劇，產生位錯塞積、交割等障礙，阻礙了位錯的進一步運動，引起變形抗力增加，提高了金屬的強度。

利：提高強度、使變形均勻弊：耗費能源、使繼續變形困難、需要增加中間退火殘餘應力金屬在塑性變形時，外力所做的功除大部分轉化為熱之外，由於金屬內部的轉變不均勻以及存在點陣畸變，這使得有一小部分能量以畸變能的形式儲存在形變金屬內，稱為儲存能，表現為材料的殘餘應力。材料的殘餘應力可分為三種，即（1）第一類內應力（宏觀內應力）因不同部位之間變形不協調而形成，占形變儲能的1％以下，但破壞性很強。（2）第二類內應力（微觀內應力）因不同晶粒間變形不協調形成，占形變儲能的10～20％，有一定破壞性。（3）第三類內應力（晶格畸變）因晶體缺陷增殖而形成，占形變儲能的80～90％，是加工硬化的主要原因。第二節金屬及合金的回復與再結晶金屬經冷塑性變形後，組織和性能都發生了明顯變化。金屬晶體中缺陷密度增大，自由焓升高，並且變形金屬中儲存能的存在，使得金屬處於一種熱力學亞穩定狀態，其組織和結構具有恢復到穩定狀態的傾向。在常溫下，由於原子的活力很小，原子的擴散速度很慢，這種變化很小。如果溫度升高，使金屬原子獲得足夠的活力，則冷變形金屬就會由亞穩狀態向穩態轉變，併發生一系列組織和性能的變化。這種轉變可分為三個過程，即回復、再結晶和晶粒長大。0T1T2T30t1t2t3

回復再結晶晶粒長大溫度時間冷變形金屬組織隨加熱溫度及時間的變化示意圖一、回復回復是指經冷塑性變形的金屬在加熱時，在光學顯微組織發生改變前，即在再結晶晶核形成前，所產生的某些亞結構和性能變化的過程。在回復過程中，由於溫度的升高，在內應力的作用下將發生局部塑性變形，金屬的屈服強度下降，殘餘應力將得到部分消除，所以，冷變形金屬進行回復過程的退火稱為去應力退火，它具有即降低金屬殘餘應力又保持加工硬化性能的作用。回復的組織與結構變化三個階段：低溫回復過程金屬中的點缺陷密度明顯降低。中溫回復過程位錯相消；形成亞晶界，位錯胞也由此轉化為規整的亞晶粒，這一過程稱為亞晶規整化過程。

高溫回復階段位錯垂直於滑移面的方向排列成小角度亞晶界，小角度晶界的兩側為無畸變的亞晶，多邊化。

二、再結晶冷變形金屬加熱至較高溫度時，將形成一些位向與變形晶粒不同的內部缺陷較少的無畸變等軸小晶粒，這些小晶粒不斷向周圍的變形金屬中擴展長大，至到金屬的冷變形組織完全被等軸的新晶粒所取代，這一過程就是金屬的再結晶。再結晶溫度記為T再，經驗公式：T再＝0.4T熔。再結晶後的晶粒尺寸和影響再結晶過程的主要因素冷變形金屬再結晶後的晶粒大小，取決於再結晶的形核率和長大速度。形核率高，長大速度越慢，獲得的再結晶晶粒越細小；反之，再結晶晶粒就越粗大。

（1）變形量（2）退火溫度和時間

（3）原始晶粒尺寸

（4）微量溶質原子（5）第二相粒子

臨界變形度預先變形程度形變量對再結晶晶粒尺寸的影響晶粒大小三、晶粒的長大

晶粒的正常長大再結晶完成以後，晶粒的長大是一個自發的過程，晶粒的長大的驅動力是晶體介面能的降低。而其長大的主要方式則是通過晶界的遷移實現的，晶界總有由曲變直的趨勢，因為這樣會使其能量降低，小晶粒不斷被大晶粒吞併，大晶粒的晶界逐漸趨於平直化，三晶界的交角趨於120°。晶粒的異常長大（二次再結晶）將再結晶完成後的金屬繼續加熱到某一溫度或是保溫更長的時間，會有少數晶粒會突然長大，迅速吞併相鄰晶粒，直徑可達幾釐米，最後使金屬的晶粒變得非常粗大，這一現象稱為晶粒的異常長大或二次再結晶。四、金屬的熱加工

在工業生產中，鋼材和許多零件的毛坯都是在加熱至高溫後經壓力加工而製成的。冷塑性變形引起的加工硬化，可以通過加熱發生再結晶來加以消除。如果鋼在再結晶溫度以上進行加工，塑性變形引起的加工硬化便可以立即被再結晶過程所消除。因此，在再結晶溫度以上的加工稱為熱加工。反之，在再結晶溫度以下的加工稱為冷加工。金屬在高溫下強度降低而塑性提高，所以熱加工的主要優點是容易變形，且變形量大，能量消耗少，即使是脆性材料也較容易加工。但由於金屬在表面要發生氧化，所以熱加工比冷加工產品表面的粗糙度和尺寸精度都要差。一般的，冷加工適合於厚度較小，而且尺寸精度和粗糙度要求較高的場合。厚度較大和變形量較大的工件則需要進行熱加工。在熱加工工程中，金屬內部同時發生著加工硬化和再結晶軟化，這種再結晶過程和加工硬化同時進行的過程稱為動態再結晶。

金屬熱加工後的組織纖維組織（熱加工流線）

在熱加工過程中，鋼錠中的粗大枝晶和各種夾雜物都要沿變形方向伸長，這樣就使鑄錠中枝晶間富集的雜質和非金屬夾雜的走向逐漸與變形方向一致，使它們變成條帶狀、線狀（脆性夾雜變成鏈狀）或片層狀，在宏觀試樣上沿著變形方向呈現一條一條的細線，這就是熱加工鋼中的流線，由一條條流線勾畫出來的熱加工鋼中的這種組織就是纖維組織。纖維組織的出現將使鋼的機械性能呈現各向異性，在沿著纖維伸展的方向上具有較高的機械性能，而在垂直於纖維伸展的方向性能則較差。在制定工件的加工工藝時，必須合理的控制流線的分佈情況，儘量使纖維與應力方向一致。

（a）（b）曲軸中的流線分佈（a）鍛造變形；（b）切削加工。帶狀組織

低碳鋼經過熱軋後，組織中的鐵素體和珠光體常沿變形方向呈帶狀或層狀分佈，形成帶狀組織。帶狀組織會使金屬材料產生明顯的各向異性。低碳鋼鋼板如果只具有帶狀組織而不存在較多拉長的非金屬夾雜物時，對鋼的橫向機械性能影響不大。但如果出現帶狀組織的同時有較多拉長的非金屬夾雜物，則會使鋼板橫向的塑性和韌性明顯下降。帶狀組織可以用正火、高溫擴散退火等方法加以去除。

25μ低碳鋼中的帶狀組織五、金屬強化機制固溶強化在固溶強化理論中，最主要的是位錯的釘紮機制，這種機制包括位錯與溶質原子的彈性交互作用、電學交互作用和化學交互作用。溶質原子常常聚集到位錯周圍，形成比較穩定的分佈。溶質原子聚集構成的原子團，被稱為柯垂耳(Cottrell)氣團位錯脫離柯垂耳氣團需要額外做功，因而柯垂耳氣團可以釘紮位錯使位錯滑動收到阻礙，金屬由此收到強化。利用位錯與溶質原子的彈性交互作用，可以解釋低碳鋼等金屬的上下屈服點現象和應變失效現象。例如在低碳鋼中，由於微量的碳、氮原子聚集形成形成的柯垂耳氣團，對位錯有釘紮作用，所以當外力增大到上屈服點時，位錯才掙脫氣團開始運動。可是一旦掙脫氣團以後，位錯受到的阻力立即減小，因此外力下降到下屈服點時也可以使金屬變形，並最終進入加工硬化階段。第二相強化又叫彌散強化，第二相粒子阻礙位錯運動，造成強化。加工硬化變形時晶體缺陷不斷增殖，造成位錯運動困難，引起強化。細晶強化因晶粒細化，造成晶介面積增加，阻礙了位錯的運動造成強化。第三節高分子材料的變形

HighPolymers

Deformation

聚合物材料具有已知材料中可變範圍最寬的變形性質，包括從液體、軟橡膠到剛性固體。而且，與金屬材料相比，聚合物的變形強烈地依賴與溫度和時間，表現為粘彈性，即介於彈性材料和粘性流體之間。聚合物的變形行為與其結構特點有關。聚合物由大分子鏈構成，這種大分子鏈一般都具有柔性，但柔性鏈易引起粘性流動，可採用適當交聯保證彈性，除了整個分子的相對運動外，還可實現分子不同鏈段之間的相對運動。這種分子的運動依賴與溫度和時間，具有明顯的鬆弛特性，引起了聚合物變形的一系列特點。一、聚合物的力學狀態及其轉變非晶態聚合物在不同的溫度下，可以呈現三種不同的力學狀態，即玻璃態、高彈態和粘流態，這三種力學狀態是聚合物分子微觀運動特徵的宏觀表現。玻璃態聚合物分子運動的能量很低，不足以克服分子內內旋轉勢壘，大分子鏈段（約由40～50個鏈節組成）和整個分子鏈的運動是凍結的，或者說鬆弛時間無限大，只有小的運動單元可以運動。此時，聚合物的力學性質和玻璃相似，因此稱為玻璃態。在外力的作用下，變形很小，且形變與外力的大小成正比，外力除去後，形變能立即回復，符合虎克定律。高彈態大分子已具有足夠的能量，雖然整個大分子尚不能運動，但鏈段已開始運動。這時，聚合物在外力作用下，大分子鏈可以通過鏈段的運動改變構象以適應外力的作用。分子在受外力拉伸時，可以從捲曲的線團狀態變為伸展的狀態。表現出很大的形變,約1000％。當外力去除後，大分子鏈又可以通過鏈段的運動回復到捲曲的線團狀態。在外力作用下這種大的且逐漸回復特徵的形變，稱為高彈性。高分子材料具有高彈態是它區別於低分子材料的重要標誌。粘流態分子具有很高的能量，這時不僅鏈段能夠運動，而且整個大分子鏈都能運動。或者說，不僅鏈段運動的鬆弛時間縮短，而且整個大分子鏈運動的鬆弛時間也縮短。聚合物在外力作用下將呈現粘性流動，分子間發生相對滑動。這種形變和低分子液體的粘性流動相似，是不可逆的。當外力撤除時，形變不能回復。聚合物由於存在著多重運動單元，在不同溫度下，呈現不同的力學狀態。玻璃態聚合物在升高到一定溫度時可以轉變為高彈態，這一轉變溫度稱為玻璃化轉變溫度，或簡稱玻璃化溫度，常以Tg表示。高彈態到粘流態的轉變溫度稱為粘流溫度，常以Tg表示。二、熱固性塑膠的變形熱固性塑膠因為是剛硬的三維網路結構，分子不易運動，所以在通常拉伸試驗時，它們表現出象脆性金屬一樣的變形特性。但是，在壓應力下它們仍能發生大量的塑性變形。圖5-12為環氧樹脂在室溫下單向拉伸和壓縮時的應力—應變曲線。環氧樹脂的玻璃化溫度Tg為100℃，這種交聯作用很強的聚合物，在室溫下因呈剛硬的玻璃態，拉伸時好象典型的脆性材料，而壓縮時則容易剪切屈服，並有大量的變形。值得注意的是，在屈服之後有“應變軟化”現象，即在屈服之後真應力下降。然而，這並不意味著產生了頸縮，因為在壓應力作用下是不發生頸縮的。因此，這種在壓縮時的“應變軟化”現象是材料本身固有的軟化特性。

拉伸壓縮應力σMPa01020應變ε/（%）環氧樹脂在室溫下拉伸和壓縮時的應力—應變曲線10050第四節陶瓷材料的變形

CeramicsDeformation一、陶瓷材料的彈性變形

材料在靜拉伸載荷下，一般都要經過彈性變形、塑性變形及斷裂三個階段。然而陶瓷材料在室溫靜拉伸（或靜彎曲）載荷下，不出現塑性變形階段，即彈性變形階段結束後，立即發生脆性斷裂。描述彈性變形階段材料力學行為的重要性能指標為σ—ε曲線中直線部分的斜率，即彈性模量E。

與金屬材料相比，陶瓷材料的彈性模量有如下特點：陶瓷材料的彈性模量比金屬大得多，常相差數倍，這是因為陶瓷材料具有強固的離子鍵和共價鍵的緣故。表5-2是部分陶瓷材料與金屬材料的彈性模量的比較。與金屬材料不同，陶瓷材料的彈性模量，不僅與結合鍵有關，而且還與構成陶瓷材料的種類、分佈比例及氣孔率有關。金屬材料的彈性模量是一個極為穩定的力學性能指標，合金化、熱處理、冷熱加工等均難以改變其數值。但是陶瓷的工藝過程卻對陶瓷材料的彈性模量有著重大影響。例如氣孔率P較小時，彈性模量隨氣孔率的增加而線性降低，可用下麵的經驗公式表示：

E/E0=1－KP

式中E0是無氣孔時的彈性模量，K為常數。陶瓷材料壓縮狀態的彈性模量（E壓）一般大於拉伸狀態的彈性模量。一般說來，在彈性範圍內，金屬的σ—ε曲線，無論是拉還是壓，其彈性模量相等，即拉伸與壓縮兩部分的σ—ε曲線為一條直線。而陶瓷材料壓縮時的彈性模量一般大於拉伸時的彈性模量，這與陶瓷材料顯微結構的複雜性和不均勻性有關。

二、陶瓷材料的塑性變形

由於陶瓷材料脆性大，在常溫下基本不出現或極少出現塑性變形。金屬材料容易滑移而產生塑性變形，原因是金屬鍵沒有方向性。而陶瓷材料的結合鍵是共價鍵和離子鍵，具有明顯的方向性，造成陶瓷材料滑移系很少，因而其塑性極差。如上所述，陶瓷材料在室溫下一般不發生或很少發生塑性變形而脆性斷裂，但是隨著溫度的升高和時間的延長，陶瓷材料將表現出一定的塑性。此時，陶瓷材料的塑性變形主要是以蠕變的形式發生。

材料的凝固

MaterialConcretion

材料由液態轉變為固態的過程稱為凝固，由於材料通常在固態下使用，所以凝固常常作為材料製備的基本手段。如果凝固後得到晶體，這種凝固過程就稱為結晶。第一節金屬的結晶過程

MetalCrystallization

所謂金屬的結晶是指金屬凝固後為晶體結構過程。一、結晶過程的宏觀現象

過冷現象結晶潛熱

金屬結晶時從液相轉變為固

相放出的熱量稱為結晶潛熱。

時間溫度ΔTTmTn純金屬結晶時的冷卻曲線示意圖金屬結晶的微觀過程兩個過程：形核與長大液體金屬結晶過程示意圖晶核第二節金屬的結晶理論

MetalCrystallographyTheory一、金屬結晶的熱力學條件

TT0溫度T

自由能

GΔG=ΔGS-ΔGL<0GS液相和固相自由能隨溫度變化示意圖GL二、金屬結晶的結構條件液態金屬的結構長程無序，短程有序，結構起伏短程有序的原子集團是形核的結構條件。三、晶核的形成

均勻形核

ΔG=ΔGVV+σA

介面自由能體積自由能ΔG晶胚晶核rKr0rΔGK

晶核半徑與ΔG的關係ΔGK稱為臨界形核功，rK稱為臨界形核半徑。當r<rK時，晶胚的長大使ΔG增大，由於自發過程向吉布斯自由能減小的方向進行，故此時晶胚不能長大，而被重熔。當r≥rK時，晶胚的長大使ΔG減小，所以能自發進行，晶胚能長大成為晶核。非均勻形核先來研究一下非均勻形核的機理：假設一晶核Ｓ以球冠形狀形成於基底Ｃ平面表面上，如圖所示：σLS、σLC、Σcs分別為L—S，L—C，C—S之間的單位介面能；θ為潤濕角；A1為半徑為rsinθ的圓面積，A2為球冠的表面積，V為球冠的體積；由表面張力平衡關係知：σLScosθ+σsc=σLCA1=π（rsinθ）2

θσLασLβσαβ液體L晶核α基底βS1S2r非均勻形核示意圖形核前的介面能為：σLCA1形核後的介面能為：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為形核的介面能變化值;

體積相變吉布斯自由能:

由非均勻形核的總的吉布斯自由能變化為相變吉布斯自由能與表面吉布斯自由能變化之和。

當θ=0叫完全潤濕，ΔG非=0即不需要形核功，基底本身可看作現成晶核,可以直接長大。當0<θ<π時，ΔG非<ΔG均，且θ愈小，形核愈容易。當θ=π時，ΔG非=ΔG均，此時為均勻形核。四、長大

晶核的長大需要兩個條件：首先要求液相能不斷地向晶體表面擴散供應原子，使晶面向液相擴展，這要求液相原子具有較大的擴散能力，溫度足夠高。另外，晶體表面能不斷的牢固的接納這些原子，這就意味著體積自由能變化應大於表面自由能的增加，即在一定的過冷度下進行。因此，晶核的長大方式和速度與晶核的介面結構、介面附近的溫度梯度等條件有關。

五、晶粒大小的控制

晶體中晶粒的大小，對金屬性能有很大的影響。晶體越細，金屬的強度、硬度、韌性等機械性能越好。由凝固理論可知，單位體積晶粒數決定於形核率N和長大速度Vg兩個因素。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）增加過冷度；

（2）變質處理；

（3）振動、攪拌

第三節金屬的同素異構轉變

AllotropyTransformationonMetal

有些金屬在固態時僅有一種晶體結構，如鋁、銅、銀、金等等，可是有些金屬則不然，在固態時有兩種或多種晶體結構，如鐵、錳、鈷等。固態金屬在不同溫度或壓強下具有不同晶體結構的現象，稱為金屬的同素異構現象，也叫做金屬的多晶型性。具有多晶型性的金屬，當溫度或壓強改變一定值時其結構會發生變化，從一種晶格轉變為另一種晶格，（即原子排列方式發生變化）這叫同素異構轉變，也叫多晶型性轉變。如純鐵，δFe→γFe→αFe第四節鑄態組織與缺陷

Structuer&LacunaonFoundry一、鑄態三晶區的形成

表層細晶區柱狀晶區中心等軸晶區柱狀晶帶生長方向鑄型等軸晶柱狀晶區的生長示意圖1鑄錠的三個晶區示意圖1－細晶區2－柱狀晶區3－中心等軸晶區3三、鑄造缺陷鑄造中常見的缺陷有縮孔、氣孔和偏析。偏析縮孔

氣孔

夾雜

幾種縮孔形式b)a)d)c)e)a)縮管b)縮穴c)單相收縮d)一般疏鬆e)中心疏鬆

常用非金属材料

Usual

NonmetallicMaterials

非金屬材料包括除金屬材料以外幾乎所有的材料，主要有各類高分子材料（塑膠、橡膠、合成纖維、部分膠粘劑等）、陶瓷材料（各種陶器、瓷器、耐火材料、玻璃、水泥及近代無機非金屬材料等）和各種複合材料等。本章主要介紹高分子材料、陶瓷和複合材料。工程材料仍然以金屬材料為主，這大概在相當長的時間內不會改變。但近年來高分子材料、陶瓷等非金屬材料的急劇發展，在材料的生產和使用方面均有重大的進展，正在越來越多地應用於各類工程中。非金屬材料已經不是金屬材料的代用品，而是一類獨立使用的材料，有時甚至是一種不可取代的材料。第一節高分子材料

Polymers高分子材料又稱為高聚物，通常，高聚物根據機械性能和使用狀態可分為橡膠、塑膠、合成纖維、膠粘劑和塗料等五類。各類高聚物之間並無嚴格的界限，同一高聚物，採用不同的合成方法和成型工藝，可以製成塑膠，也可製成纖維，比如尼龍就是如此。而象聚氨酯一類的高聚物，在室溫下既有玻璃態性質，又有很好的彈性，所以很難說它是橡膠還是塑膠。一、塑膠按照應用範圍，塑膠分為三種。通用塑膠通用塑膠主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑膠等六大品種。這一類塑膠的特點是產量大、用途廣、價格低，它們占塑膠總產量的3/4以上，大多數用於日常生活用品。其中，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯這四大品種用途最廣泛。（1）聚乙烯（PE）生產聚乙烯的原料均來自於石油或天然氣，它是塑膠工業產量最大的品種。聚乙烯的相對密度小（0.91～0.97），耐低溫，電絕緣性能好，耐蝕性好。（2）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯是最早工業生產的塑膠產品之一，產量僅次於聚乙烯，廣泛用於工業、農業和日用製品。聚氯乙烯耐化學腐蝕、不燃燒、成本低、加工容易；但它耐熱性差衝擊強度較低，還有一定的毒性。聚氯乙烯要用於製作食品和藥品的包裝，必須採用共聚和混合的方法改進，製成無毒聚氯乙烯產品。

（3）聚苯乙烯（PS）聚苯乙烯是三十年代的老產