材料科学的基本理论框架.

第五章 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 科学的基本理论框架FrameworkofprincipaltheoriesinMaterialsScience第一节材料电子结构和材料内部原子间相互作用第二节材料的原子排列特征第三节材料中的结构缺陷第四节材料中的原子扩散第五节材料的相图与相变第六节材料的强化与韧化材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩的不同层次结构的物质。各个层次上的结构都影响着材料的行为与性能。不同结构层次上材料的特征与行为，组成材料科学的基本理论。介绍其主要理论框架：材料的电子结构和材料内部的原子间相互作用；材料的原子排列特征；材料的结构缺陷；材料中的原子扩散；材料的相图与相变；材料的强化与韧化等。第一节材料电子结构和材料内部的原子间相互作用一、原子结构和微观粒子的量子化描述1．原子运动状态的特征物质（材料）是由一种或多种元素的原子结合而成，带负电的电子通过静电吸引被束缚在原子核周围。对材料构成和物质起重要作用的是外层价电子。粒子的运动规律与宏观物体是很不相同的，微观粒子具有波粒二象性。一方面具有尺寸大小、动量、能量或位置的改变，（粒子性）；另一方面微观粒子在运动中又象波一样在空间各处按一定的几率分布，它们可以产生衍射效应，其轨道具有不确定性（波动性）。２．电子组态、周期 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 及材料应用周期表(元素性质周期性的变化的图示)，是按元素的电子组态建立起来的。元素的电子结构由若干壳层构成，外层电子数（s、p能级）是最重要的。应用：同族（外层电子数一样）元素的合金化的效应相似，可相互替代。硫（ⅥB族）提高钢的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一目的的不锈钢和非铁合金；钨（ⅥA族）提高钢的高温抗软化性，同族的钼及铬（效果稍差）可替代之。由于周期表与电子结构的关联和其科学性，常用于材料发展、研究中。二、原子间相互作用靠相互吸引作用（构成结合健），原子结合成分子或凝聚态物质（液体或固态）。较远距离时，引力占优势；近距离时斥力占优势，存在一个平衡距离。从而原子结合成分子，或多原子（或分子之间）结合成材料。三、工程材料的键性１．原子间结合键类型与性质键型：一次键（强键）：离子键、共价键、金属键；二次键（弱键）：范德瓦尔斯键、氢键；各类键特征表5-1范德瓦尔键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分子键。特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。金属原子间的键合特点离子键共价键金属键结构特点方向性不明显，配位数大方向性明显，配位数小，密度小无方向性，配位数大，密度大力学性能强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性热力性质熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽电学性质绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为非导体导电体（自由电子）光学性质与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的折射率大，同气体的吸收光谱很不同不透明，有金属光泽2.工程材料的键性金属材料：主要为金属键（Na、Cu、Ag等），也有共价键（灰锡）和离子键（Mg3Sb2）；过渡金属为不饱和共价键（故结合力强、熔点高、弹性模量大，而导电性远不如简单金属）。具有较好强韧性。陶瓷材料：离子键和共价键（如金刚石、硅、碳化硅），多以离子键为主；故硬而脆，导电性差。高分子材料：共价键和分子键，大分子链内为强结合的共价键（如碳与氢、碳与碳），大分子链间为弱结合的分子链。故而熔点低、强度低、刚性差。复合材料：多种物质的多种键的组合；可具有特殊性能。四.材料的导电性和超导性导电现象：金属外层价电子结合时构成未填满的能带，电场下可自由流动（导电）；非金属外层为空能带，内层为满带，两带之间大的能量间隔（能隙），外场不能激发，故为绝缘体；半导体具有小能隙（～1ev），稍高温度能被热激发而导电。超导电性：低温下电阻为零和排斥磁力线（完全抗磁性）的特殊现象。超导体：在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料。原因：电子构成“库柏对”（再构成整体，见第十四章）超导应用：超导输电、磁悬浮列车、超导发电机、超导储能、磁力体发电机、超导计算机（运算速度快10多倍，2050年实用化）以及推动航天飞机（加速到接近光速，做星际旅行）第二节　材料的原子排列特征原子排列对固体材料的微观结构和行为起着重要的作用金属、陶瓷、聚合物的原子排列很不同→性能亦很不同。一、聚集态与原子排列１．原子排列的秩序：无序、短程有序和长程有序。图5-1２．晶体与非晶体（固体材料）①非晶体：仅短程有序，亦称无定形、玻璃态，如普通玻璃，部分高聚物材料。②晶体：长程有序材料，如金属、半导体、大部分陶瓷及某些高聚物（如等规聚丙烯、尼龙），雪花；可以有 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 外形（如六角形的雪花，大颗粒结晶状食盐），也可以没有规则的外形，但内部原子仍规则排列（如盐末、沙粒、鹅卵石、金属或非晶态合金）。同一成分的物质在不同条件下可形成晶体或非晶体，如SiO2→水晶（晶体）或石英（玻璃）；金属（晶体）或非晶态合金。材料的结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。*元素单质化合物材料*元素及其性质*一、晶体结构的基本概念1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；2、晶格与晶胞⑴晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵晶格与晶胞晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵二.工程材料中的原子排列晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类型）。1.金属材料的典型晶体结构　图5-2重复排列的最小单元即晶胞，晶胞在三维空间的重复堆砌就构成了晶体。用原子半径、配位数（最临近原子数）、堆积因子（致密度）描述原子尺度及原子排列的紧密程度。用晶向指数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性（各向异性）三种典型而简单的晶体结构类型：图5-3面心立方：Cu、Al、Ni、Au等　配位数12　致密度0.74体心立方：Fe、Cr、Mo等　　　配位数8　致密度0.68　密排六方：Zn、Mg等　　　　　配位数12　致密度0.74返回17演示bccfcchcp二.工程材料中的原子排列晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类型）。1.金属材料的典型晶体结构　图5-2重复排列的最小单元即晶胞，晶胞在三维空间的重复堆砌就构成了晶体。用原子半径、配位数（最临近原子数）、堆积因子（致密度）描述原子尺度及原子排列的紧密程度。用晶向指数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性（各向异性）三种典型而简单的晶体结构类型：图5-3面心立方：Cu、Al、Ni、Au等　配位数12　致密度0.74体心立方：Fe、Cr、Mo等　　　配位数8　致密度0.68　密排六方：Zn、Mg等　　　　　配位数12　致密度0.74Chapter2StructureofMaterials*(1)bcc（1）（体心立方）bccbody-centeredcubicstructure碱金属、α-Fe、难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等Chapter2StructureofMaterials体心立方晶格常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)Chapter2StructureofMaterials(2)fcc（2）(面心立方）fccface-centeredcubicstructureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属以及奥氏体不锈钢等,塑性好，无冷脆性Chapter2StructureofMaterialsChapter2StructureofMaterials*(3)hcp（3）密排六方hcphexagonalclose-packedstructureα-Ti，α-Co，α-Zr，Zn，Mg等Chapter2StructureofMaterials２．陶瓷材料由于键性的影响（共价键的方向性、离子键的正、负离子配位），陶瓷的晶体结构远比金属复杂，构成离子晶体（如MgO、Al2O3等）或共价晶体（如Si3N4、SiC等）。陶瓷化合物（离子晶体）中非金属原子大、构成骨架，金属原子小，嵌藏在非金属原子的间隙之中，组成四面体或八面体（图5-4）。配位四、八面体在空间按一定规则排列（连接），构成各种较复杂结构－如金刚石型结构、氯化钠（岩盐型）等。图5-5图5-6硅-氧四面体（SiO2）的随机排列（可加入各种添加剂，以改善流动性、折射系数、色散等），就构成了各种工业玻璃（非晶态），表5-2硅酸盐结构SilicateStructure基本结构单元：硅氧四面体[SiO4]四面体连接方式：共顶连接Chapter2StructureofMaterials*非桥氧nonbridgingoxygen桥氧bridgingoxygenChapter2StructureofMaterials*Chapter2StructureofMaterials*Silicatestructure硅酸盐结构类型Chapter2StructureofMaterials*Chapter2StructureofMaterials*硅酸盐结构示意图Chapter2StructureofMaterials3.有机聚合物的原子排列高聚物的大分子链多为扭曲的线性状，可为线型、支链型（带侧链）和体型（交联），图5-7多条链的聚集态结构，一定条件下可以规则排列，形成晶区（≦80%），否则就是非晶态，晶区可提高高聚物强度、刚度。结晶性结晶——指聚合物大分子既是近程有序，又是远程有序地排列现象。塑料结晶型塑料非结晶型塑料（无定型塑料）第三节材料中的结构缺陷实际晶体的原子排列并不完整（规则）无缺（金无足赤），包含各种缺陷（局部范围内与理想结构的偏离）。按其尺度（在空间延伸的线度、范围）分点、线、面缺陷以及热无序。一.热振动导致的无序材料中原子只有0K(绝对温度0度)时才能基本静止（尚有微小的零点振动），随温度的升高，热运动明显，原子围绕平衡位置往复运动（热运动），频率为～1012/s。瞬时原子位置图像：原子并非规则排列，产生微小的位移，偏离其理想（即平衡）位置，称热无序。热振动引起系列热现象、热性质、热容、热传导、热膨胀、红外吸收以及温度升高电阻加大和电介质击穿等。二.点缺陷（空位、间隙原子和杂质原子）点缺陷：三维尺寸很小（～0.1nm量级），图5-8。空位由于热运动，部分高能量原子脱离原来晶格位置，造成空缺。凝固过程、塑性变形以及高能粒子辐射也促进空位的形成。间隙原子是外来小原子（如铁中H、C、N和O）占据了晶格间隙位置；较大原子（可以是杂质原子，也可以是有意加入的合金化原子）与晶格原子换位，占据结点位置。点缺陷浓度很低，但影响材料强度和导电等物性，提供原子扩散的方式（空位扩散、间隙扩散）。应用：半导体材料锗（四价）中掺杂五价砷（或三价的镓），造成杂质导电或空穴导电，极大改变半导体的导电特征。①点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子点缺陷种类空位（vacancy）——正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点。间隙原子（interstitialatom）——原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置。置换式杂质原子（substitutionalimpurityatom）——外来原子进入晶格，取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置间隙式杂质原子（interstitialimpurityatom）——外来原子进入点阵中的间隙位置，成为杂质原子。Chapter2StructureofMaterials*热缺陷杂质缺陷Chapter2StructureofMaterials三、线缺陷（位错）位错：在空间一个方向延伸的原子排列不规则性，结晶和塑性变形时很容易产生位错。类型：刃型位错、螺型位错。图5-9图5-10无论何种位错，沿位错线产生一定程度的点阵畸变。位错对晶体力学性质影响很大，外力下位错运动就造成材料塑性变形；给位错运动设置障碍就提高材料强度。(动画)位错通过对材料的相变、扩散、再结晶、蠕变和断裂等起重要作用。TEM观察的晶体中的位错*Chapter2StructureofMaterials*含有刃型位错的晶体结构模型Chapter2StructureofMaterials刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。正刃型位错（左）和负刃型位错（右）Chapter2StructureofMaterials*Chapter2StructureofMaterials*Chapter2StructureofMaterials*螺旋位错示意图Chapter2StructureofMaterials*刃位错的滑移螺位错的滑移混合位错的滑移Chapter2StructureofMaterials*Chapter2StructureofMaterials电子显微镜下的位错四、面缺陷(各种界面)面缺陷：在空间两个方向延伸的原子排列不规则性，实际材料普遍存在，尤其多晶体。类型：各种界面，如多晶体的晶粒边界（晶界）、不同相的界面（相界）等，图5-11面缺陷处于较高能量状态，对材料行为、性质影响极大。细化材料晶粒将提高其强韧化；促进相变与扩散；细晶粒是透明陶瓷获得高度透光性的重要条件。*Chapter2StructureofMaterials*2.4.1.3PlanardefectPlanarDefect（面缺陷的形成）Chapter2StructureofMaterials面缺陷面缺陷第四节材料中的原子扩散一.扩散现象扩散：原子（离子、分子）因热运动而发生的迁移（物质的传输过程）。由于对流、混合等的帮助，液体尤其气体中的扩散非常快，如烹调时味道的传播、墨水在水中扩散以及熟知的糖水、盐水等。固体中由于较强的原子键以及原子规则排列的约束作用，原子的扩散要比气体中慢数百～几十亿倍。固体中原子的确可以扩散迁移，尤其存在浓度差，会发生促均匀化的定向迁移。例：两块磨光铜块、锌块紧密接触，220℃12小时后形成0.3mm厚互扩散层。材料的许多行为与加工处理均以原子扩散为依据，如凝固、相变、氧化、烧结、热处理；晶体管和太阳能电池的制造。二.扩散方式（机制）空位机制：原子与空位互换位置，反向移动。间隙机制：间隙原子在晶格间隙之间跳动迁移。三.扩散的工程应用　例1：半导体掺杂。镓在1100℃扩散3小时，在纯硅片上3.17um深度处达1022原子/m3。例2：汽车变速齿轮等零件（ 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 外硬、耐磨、内韧、耐冲击）的渗碳。　例3：扩散焊。钛合金甚至异种材料（包括陶瓷）的连接。第五节　材料的相图与相变一．物质和材料的状态：千姿百态宇宙万物千姿百态、变化多端；古代神话“呼风唤雨”、“撒豆成冰”以及“点石成金”之传说，均涉及到物质（材料）的变化。没有炼金术士对“炼金术”的狂热与实践，就没有冶金学和现代材料制备。材料科学观点：任一物质，不同条件下（Ｔ、Ｐ和外场等），呈现不同物态（称“相”），条件改变，便发生物态变化-----------------（“相变”）　材料可以以几种物态即几种相存在，材料内每个均匀的部分便称为一个“相”。如冰浮在水面上，为三相共存；花岗石为石英、长石、云母三个相构成。通常讲，物质有三态（另外还有等离子态）。固体材料内部同样可有多个相存在，只要它们的结构类型不同。合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组元组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分合金相结构固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体相合金相结构固溶体合金相结构合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。间隙固溶体置换固溶体⑵金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。二、材料状态的汇总图示：相图相图（状态图、平衡图），描述材料处于平衡状态下的成分、相和外界条件的关系。水（H2O）的相图图5-12材料相图的坐标为温度、成分（固定压力为大气压），基本的相图类型为匀晶相图（Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni等）、共晶相图、共析相图、包晶相图等，图5-13，复杂相图是它们的组合。工程上十分重要的铁-碳相图图5-14LC→AE+Fe3C共晶反应，生成莱氏体（白口铸铁），硬而脆。AS→FP+Fe3C共析反应，生成珠光体（钢材主要组成），较强韧。工程铁-碳合金分类（从左→右）：工业纯铁、钢、铸铁。二元合金相图的建立相图的测绘方法相图的应用（如对钢铁、金属材料）：确定铸造合金熔化温度、浇注温度；确定锻造合理加热温度和始锻、终锻温度（锻造必须在γ相区）决定合金热处理的可能性和制定合理的热处理工艺等（退火、正火、淬火、回火等）。三.材料状态的转变：相变1.相变现象与相变过程相变：一定条件下材料从某一相转变为另一相的过程，如物质的三态的转变。固态下同样可能有多相：冰有7种、硫9种结晶态（相）、铁有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe三种相态。固态下转变类型：同素异构转变（一种晶相→另一种晶相，如α-Fe→γFe）；过饱和固溶体分解（由一固相析出另一固相）；共析转变（一固相→另二固相），如钢中奥氏体→珠光体（F+Fe3C）等。相变条件：一要过冷（热），即稍低于或稍高于其平衡温度，如要结冰必须低于0℃；二要有晶核（小晶核）存在。纯金属的结晶凝固结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。金属结晶的现象冷却曲线结晶潜热结晶温度结晶过程宏观现象---冷却曲线过冷结晶潜热过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织树枝状结晶典故1：过冷现象由温度计发明者、法国吹玻璃瓶工人法伦海特（Fahrenheit）发现：洗干净的玻璃瓶装满水在寒冬置室外一夜，仍是清水（周围房子已冰垂屋檐）；但当他打开瓶塞（想弄清楚原因）时，刹时瓶中水全部结成冰针。典故２：一英国人甚至把过冷的水杨酸苯酯液体放置放置十八年之久而未结晶。但遗憾的是，当他将这一珍品出示给学生时，在讲台上仅一点轻微振动，便全部结成晶体。相变过程：形核和长大，一般为非自发形核（如人工降雨，冬天窗花自边缘产生）。　典故１之原因：清纯水里缺少结晶中心，开盖后尘埃等异物进入，起籽晶作用。　典故２之原因：过冷液体极不稳定，稍一振动，失去原有平衡，发生相变。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２．相变效应种种。相变前后的结构不同、性能可不大一样。如高温高压下，可由石墨（层状结构）制备金刚石（六方的金刚石型结构）。金刚石：最硬，切削工具；绝缘体。石墨：特软，润滑材料；可导电。相变效应传奇：例１：几十年前，某国一军用列车上急需锡锭经过严寒原野后，白色的金属锡→无用的粉末；某军需仓库军大衣的锡制纽扣在一个寒冬全部变成灰色粉末，即发生“锡瘟”或“锡疫”。例２：1912年南极探险队的液体燃料全部从燃料箱的焊锡处渗漏，最终全队覆灭。材料科学解释：一是锡在低温下结构转变时，具有较大体积变化（金属白锡ρ为7.3g·cm-3，而灰锡仅5.8g·cm-3，产生很大转变应力；二是低温下的灰锡极脆（其共价键本质），故在转变应力下被破碎为粉末。同素异构转变构转变。同素异构转变属于相变之一——固态相变。铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异铁-碳相图动画相变之应用：例１：铁和金属的同素异构转变是金属材料热处理的主要基础。例２：钢厂出厂钢材多为退火状态，高塑性和较低强度→便于加工、成型，成品之前需淬火、回火处理（快冷获硬的马氏体）→重要零件。例３：加热到950℃~1050℃的奥氏体（塑性好）→可大变形（热锻）。加热到熔点以上（固→液相变）→再冷却成型→铸造或熔化焊。第六节　材料的强化与韧化一.材料的强度、塑性与韧性强度：材料抵抗变形和断裂的能力。如屈服强度σs、抗拉强度σb、疲劳强度σ-1等。超高强度钢、芳纶纤维等属高强度材料；普通塑料、混凝土属低强度材料。塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力，如延伸率（δ%）、断面收缩率(ψ%)。陶瓷玻璃、石头及普通灰铸铁属脆性材料（δ<5%）；大多数金属及聚合物属塑性材料（δ>>5%）。脆性：材料断裂时所需要的能量的度量。如Ak、KIC等，可用应力-应变曲线下的面积来衡量。韧性可视为强度与塑性的综合，高强度下高塑性（或具有一定塑性）或高塑性下具有一定强度的材料，才是韧性好的材料。二.结构材料的强化结构材料的主要功能：承担力和负荷、传递运动等，力学性能是其最主要的性能要求。最大限度挖掘其强度、塑性和韧性的潜力→即强韧化。1.金属材料的强韧化途径⑴金属材料的强化途径冷变形强化（加工硬化）：随变形程度增加材料强度升高的现象。反复弯一根铁丝，越来越硬、越费劲即可理解。铁强烈变形强度可达3000MPa；不锈钢冷轧或爆炸成型，σb、σs可提高1倍。工程实例：钢板冷轧、钢丝冷拔；表面滚压、喷丸（提高工件疲劳强度）。固溶强化：合金元素溶于金属基体使强度、硬度升高的现象。合金的强度（如铜中加锌）高于纯金属即是事实。间隙固溶的效应最为显著，如铁中加碳便成了工程上强硬的钢材（α-Fe中每加1%at的C、N,强度提高450MPa）细晶强化：晶粒越细（晶界越多）、强度越高的现象，且不降低（甚至提高）材料的韧性。工程上早已广泛采用（通过种种措施）。第二相粒子强化：靠基体中加入细小弥散粒子而强化。效果显著，但降低材料的塑、韧性。　方法：过饱和固溶体析出或粉末冶金（人为加入）方法。复合强化与马氏体强化：四种强化方法共同作用，效果更好。　例：低碳低合金钢的控制轧制（第二相、细晶等）；　　　钢的淬火（马氏体）强化（固溶、位错等缺陷增多、沉淀细小碳化物粒子等）。　例：钢铁的强化效果（表5-3）（２）金属材料的韧化途径细化晶粒：细晶粒材料变形时，不会应力集中，能经受较大变形，故不仅强度高且韧性好（非常可贵）。细化措施：铸铁、有色金属合金的孕育或变质处理（晶核数量多等）；加入强烈阻碍晶粒长大的质点；凝固时增大过冷度，以及振动、搅拌等方法。调整化学成分：降低钢中碳、氮（他们使强度升高的同时，严重损害其韧性）和硫、磷、氢、氧等有害杂质的含量；钢中加Ni或少量Mn可提高韧性。形变热处理：加热+变形+淬、回火，即塑性变形与相变强化相结合。可显著提高材料强度，且不损害韧性（十分难得）。低碳马氏体强化：降碳、以置换型元素（Ni、M0等）代替C、N，获得高强度的同时还会得到高韧性。如极低碳的马氏体时效钢（0.03%C，18%Ni及8%Co和4%M0等，σs达1720MPa、缺口σb2420MPa,ψ～53%及δ～10.5%)2.提高陶瓷材料强度及降低脆性（增韧）的途径制造微晶、高密度、高纯度的陶瓷，避免气孔、微裂纹等缺陷的危害。　例：陶瓷材料晶粒的超细化和纳米化可有效减少陶瓷烧结体的气孔、裂纹和不均匀性，韧性大大提高。　例：热压烧结制成的Si3N4气孔率极低，其强度接近理论值。清除表面缺陷。方法：表面氧化技术（对非氧化物陶瓷）、表面退火、离子注入表面改性等。陶瓷表面引入压应力，部分抵消拉应力，阻止表面裂纹的产生、扩展。　例：钢化玻璃（加热→流动空气激冷外表面→中心可塑→中心冷却、在已冷却的硬表面层产生压应力）。复合增韧——构成陶瓷基复合材料。增强纤维（碳纤维，SiC纤维）即可承担载荷，又阻止裂纹扩展。相变增韧——利用其固态相变来提高韧性。　例：ZrO2部分稳定的陶瓷材料。ZrO2相变→体积膨胀→消耗大量功和能→且松弛陶瓷内微裂纹处的应力→并使基体压缩、闭合裂纹→三个效应均提高材料韧性。３．高分子的强化途径增加链长。大分子的分子量越大、强度越高。改变原子团在分子链上的位置　　　　　　例聚丙烯中原子团（Ｒ）为CH3，链两侧任意分布，则是强度极低的蜡状产品（740C软化）；若CH3规则分布（两侧交替或分布在一侧），则强度明显提高。分叉和交联。长链分叉且相互搭接成网络结构，阻止大分子链移动，使强度、热稳定性明显提高。结晶化与力学取向。增加晶区域或大分子链沿一定方向（外力牵伸）排列，均使强度提高。　例尼龙的强度为70～80MPa，拉伸工艺后，其纤维的强度为470～570MPa。常见的聚丙烯绑扎绳也如此。合金化（共聚、共混）。思路同金属材料，即两种以上单体一起聚合（共聚、单相状态），或两种以上相、组织混合在一齐（共聚、多相状态）。例ABS塑料：在苯乙烯—丙烯腈共聚物中加入丁二烯（橡胶微粒），使较高强度的同时，明显改善聚合物的冲击强度（韧性）。发展聚合物基复合材料　例１：丁苯橡胶＋碳黑（颗粒），σb由3.5GPa提高到20～25GPa。　例２：玻璃钢——玻纤＋树脂高聚物增韧：工业上成功的主要是以各类橡胶类弹性体作为增韧剂（以上丁二烯是其例）。形成均匀共混合物达到增韧改性的目的。　例：高抗冲聚苯乙烯（HIPS）、ABS塑料、超韧尼龙、超韧聚丙稀等。目前的进展为高分子合金，如聚苯乙烯／ABS　等。高分子理论和聚合方法上的突破接枝共聚（graft）ABS树脂交替共聚（alternating）表5-1不同结合键能及其材料的特性Return结合键种类键能（KJ/mol）熔点硬度导电性键的方向性离子键587~1047高高固态不导电无金属键113~350有高有低有高有低良好无共价键63~712高高不导电有范德瓦尔斯键<42低低不导电有表5-2普通工业玻璃的类型Return类型主要组元的质量百分数备注SiO2Na2OCaOAl2O3B2O3MgO窗72141012长寿命板（建筑）7313131长寿命容器7415514易加工，耐化学作用灯泡7416512易加工纤维（电）541614104低碱耐热玻璃814212低的热膨胀，低离子交换石英玻璃99极低的热膨胀表5-3钢铁的强度（MPa）Return材料屈服强度最大剪切强度占G的分数多晶铁的切变模量Fe的理论强度Fe晶须[111]Fe晶须[100]冷拔钢丝形变热处理钢马氏体钢调质钢高强钢（热轧）低碳钢纯Fe106001200060003000250020001000500200408000053006000300015001250100050025010020G～G／15～G／15～G／30～G／60～G／70～G／80～G／160～G／300～G／800～G／4000Return图5-4四面体间隙（a）八面体间隙（b）图5-5（a）四面体（b）金刚石型立方晶胞图5-6几种典型氧化物的结构Return(a)线型(b)支链型(c)体型图5-7高分子链结构Return图5-8点缺陷（a）空位；（b）间隙原子；（c）小的置换原子；（d）大的置换原子Return图5-10螺型位错图5-9刃型位错ReturnReturn图5-11多晶体结构取向与晶界图5-12H2O的相图ReturnP图5-13二元系状态图的基本类型Return图5-14铁-碳双重相图Return图5-1材料中原子排列的秩序　（a）原子的无规则排列(如惰性气体)；（b）和（c）原子排列的短程有序(如水蒸气和玻璃)；（d）晶体的原子有序排列(如金属)Return