吉大材料科学基础概念

材料科学基础概念补充

晶界偏析：一般来说，晶界结构比晶内松散，具有一定的表面效应，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶质原子有自发向晶界偏聚的的趋势，这就会发生晶界偏析。是系统能量降低。。。。

螺型位错：螺型位错;螺旋位错;screw dislocation;Burgers dislocation又称螺旋位错。一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。围绕位错线原子的位移矢量称为滑移矢量或伯格斯(Burgers)矢量，对于螺型位错，位错线平行于伯格斯矢量。

刃型位错：在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面又如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称为刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错，半原子面在下面的称负刃型位错。

晶胚：是人尚未成形时在子宫的生命形式。科学家过去研究干细胞，都必须在晶胚上大动手脚，但是这样做牺牲了晶胚，间接牺牲了一个未来的小生命，所以惹来了很多伦理上的反对和斥责。

热过冷:对纯金属而言,当界面液相一侧形成负的温度梯度时,才能在界面前方熔 体内获得超过动力学过冷度的过冷,这种仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态 称为热过

成分过冷：当界面前沿液体内实际温度是正梯度时就可以形成圆缺型的过冷区，这种与液体内溶质浓度相关的过冷称为成分过冷，其过冷度称为“成分过冷度”。产生“成分过冷”，必须具备两个条件：第一是固——液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固——液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。

凝固 ：定义1、物质从液态转化为固态的相变过程。

定义2：物质从液态转变为固态的相变现象。 定义3：金属或合金由液态转变为固态的过程。

结晶：液态金属转变为固态金属形成晶体的过程。

再结晶：指经冷塑性变形的金属，超过一定温度加热时，通过形核长大形成等轴无畸变新晶粒的过程

点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。

扩散的真正驱动力：是化学势差异，而不是浓度差异。 均匀成核：介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。 不均匀成核：在体系内的某些局部小区首先形成新相的核，称为不均匀成核作用。 共晶：是指凝固时由一个液相同时生成两个不同的固相。

伪共晶：在不平衡的结晶条件下，成分在共晶点附近的合金全部转变成共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织称为伪共晶。

离异共晶：有共晶反应的合金中，如果成分离共晶点较远，由于初晶相数量较多，共晶相数量很少，共晶中与初晶相同的那一相会依附初晶长大，另外一个相单独分布于晶界处，使得共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。

晶粒：结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒。

结合力：晶体中粒子之间存在着相互作用力，这种力称为“结合力”。这种力使粒子规则地聚集在一起形成空间点阵，使晶体具有弹性、具有确定的熔点和熔解热，决定晶体的热膨胀系数等等。因此结合力是决定晶体性质的一个主要因素。可从四种典型的结合力（离子键、共价键、范德瓦耳斯键和金属键）的本质和有关结合力的规律来进一步探讨。 结合能：两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量.自由原子结合为分子时放出的能量叫做化学结合能,分散的核子组成原子核时放出的能量叫做原子核结合能.

几个粒子从自由状态结合成为一个复合粒子时所放出的能量.如自由原子结合为分子时所放出的能量,该能量叫化学结合能.结合能数值越大,分子就越稳定.

因为几个粒子单独的质量和要比他们结合成复合粒子的质量要大，亏损的那一部分质量转化成能量，那部分能量就叫结合能，大小为亏损的质量乘光速的平方。

原子能结合为晶体的根本原因，在于原子结合起来后整个系统具有更低的能量。设想把分散的原子（离子或分子）结合成为晶体，在这个过程中，将有一定的能量W释放出来，称为结合能。如果以分散的原子作为计量内能的标准，则-W就是结合成晶体后系统的内能。

偶极子概述 指相距很近的符号相反的一对电荷或“磁荷”。如由正负电荷组成的电偶极子，其场力线分布如图。地球磁场可以近似地看作磁偶极子场。在物探中，研究偶极子场是很重要的，因为理论计算表明，均匀一次场中球形矿体的激发极化二次场与一个电流偶极子的电流场等效，某些磁异常也可以用磁偶极子场来研究。用等效的偶极子场来代替相应电、磁场的研究，可以简单清楚地得到场的空间分布形态和基本的数量概念，也便于作模型实验。

电偶极子两个相距很近的等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极距P＝lq描述，其中 l是两点电荷之间的距离，l和P的方向规定由－q指向＋q。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极矩就是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩，故简称电矩。如果外电场不均匀，除受力矩外，电偶极子还要受到平移作用。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之和。

有一类电介质分子的正、负电荷中心不重合，形成电偶极子，称为有极分子；另一类电介质分子的正、负电荷中心重合，称为无极分子，但在外电场作用下会相对位移，也形成电偶极子。在电介质理论和原子物理学中，电偶极子是很重要的模型。应用有偶极子天线

磁偶极子： 定义 ：一个载流的小闭合圆环称为磁偶极子，即一个小电流环。 当场点到载流小线圈的距离远大于它的尺寸时，这个载流小线圈就是一个磁偶极子。磁荷观点认为，磁场是由磁荷产生的，磁针的N极带正磁荷，S极带负磁荷，磁荷的多少用磁极强度qm来表示。相距l、磁极强度为±qm的一对点磁荷，当l远小于场点到它们的距离时，±qm构成的系统叫磁偶极子。

与电偶极子的比较，在远离偶极子处，磁偶极子和电偶极子的场分布是相同的，但在偶极子附近，二者场分布不同。

引申：磁力线是闭合的，电力线是间断的。

电子构型：又称电子组态。是原子、离子或分子的电子状态的一种标志。按照量子力学的轨道近似法，原子、离子或分子中的每一个电子被认为各处于某自旋和轨道的状态。体系中全体电子所处的自旋和轨道的总体，构成了整个体系的电子构型。

电位：又称电势，是指单位电荷在静电场中的某一点所具有的电势能[1]。 基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。这是电子的稳定状态。

泡利不相容原理：（Pauli’s exclusion principle）指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。又称泡利原理、不相容原理引。一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子。如氦原子的两个电子，都在第一层（K层），电子云形状是球形对称、只有一种完全相同伸展的方向，自旋方向必然相反。每一轨道中只能客纳自旋相反的两个电子，每个电子层中可能容纳轨道数是n2个、每层最多容纳电子数是2n个。

价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子。 单晶体：是指样品中所含分子(原子或离子)在三维空间中呈规则、周期排列的一种固体状态。

单晶体是原子排列规律相同，晶格位相一致的晶体。例如：单晶硅。

多晶体是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组成的则称为多晶体。例如：常用的金属。 单晶体具有晶体的三个特征。

多晶体具有前两项特征，但具有各向同性的特点。

各向同性：材料在各个方向上的力学性能和物理性能指标都相同的特性。 各向同性 ：亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。例如，金属和岩石虽然没有规则的几何外形，各方向的物理性质也都相同，但因为它们是由许多晶粒构成的，实质上它们是晶体，也具有一定的熔点。由于晶粒在空间方位上排列是无规则的，所以金属的整体表现出各向同性。

各向异性：晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、断裂抗力、屈服强度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。常用密勒指数来标志晶体的不同取向。 密勒指数(Miller indices)

以晶胞基矢定义的互质整数，用以表示晶面的方向。

1）确定某平面在直角坐标系 3个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距。

2）取截距的倒数，然后约简为 3 个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比。

3）将此结果以 “（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。 举一个例子:图中一个（623）,晶面 ACC′A′在坐标轴上的截距为 1，1，∞ ，其倒数为 1，1，0，此平面用密勒指数表示为（110），此晶面的晶向即为［110］；晶面 ABB′A′用密勒指数表示为（100）；晶面 D′AC 用密勒指数表示为（111）。某一确定 的 晶 面 常 用 密 勒 指 数 表 示 为（hkl），（hkl）则代表在 x轴上截距为负的平面，［hkl］则代表一晶体的方向，如［100］ 方向定义为垂直于（100）平面的方向。

晶格常数是晶体物质的基本结构参数，它与原子间的结合能有直接的关系，晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。晶格常数亦称为点阵常数。

在材料科学研究中，为了便于分析晶体中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的基本单元（通常是最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，成为晶胞；晶格常数指的就是晶胞的边长，也就是每一个立方格子的边长。

网状聚合物：由线型高分子链间通过化学键合所构成三维结构的聚合物。 线型结构的整个分子犹如一条长链。这种结构通常卷曲成不规则的团状，受拉伸时则可成直线状。线型结构的高聚合物具有良好的弹性和塑性，在适当的溶剂中可以溶解，加热可软化或熔化。因此线型结构的高聚合物易于加工成型，并可重复使用。

交联聚合物，又称交联高分子。是三维网状结构的聚合物。不溶解，不熔融。交联聚合物中常存在网络缺陷，如未反应的官能团或链末端的闭合环、套环等。 合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。 强化的途径

金属材料的强化途径不外两个，一是提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体，如晶须。已知铁的晶须的强度接近理论值，可以认为这是因为晶须中没有位错，或者只包含少量在形变过程中不能增殖的位错。可惜当晶须的直径较大时(如大于5μm)，强度会急剧下降。有人解释为大直径晶须在生长过程中引入了可动位错，一旦有可动位错存在，强度就急剧下降了。从自前来看，只有少数几种晶须作为结构材料得到了应用。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细化晶粒强化、择优取向强化、复相强化、纤维强化和相变强化等,这些方法往往是共存的。材料经过辐照后,也会产生强化效应，但一般不把它作为强化手段。 (1)结晶强化

结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括：

1） 细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。

2） 提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态 金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化

金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后

位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化

通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化

合金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化，称为相变强化． 相变强化可以分为两类：

1) 沉淀强化(或称弥散强化)。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。

在低合金钢(低合金结构钢和低合金热强钢)中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3，NbC等，二是六方晶系，如M02、W2C、WC等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。

2) 马氏体强化。金属材料经过淬火和随后回火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化

晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻

碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身；但在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩散速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化晶界对提高钢的热强性是很有效的。

硼对晶界的强化作用，是由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的晶格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；硼还减缓了合金元素沿晶界的扩散过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化

在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，

以充分发挥强化能力。例如：

1）固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。

2）结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。

3）马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳载荷的构件，常在调质处理后再进行喷

丸或滚压处理。

4）固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。

有时还采用硼的强化晶界作用，进一步提高材料的高温强度。 应力受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。

应变（Strain）当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变（Strain）。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力．把分布内力在一点的集度称为应力（Stress），应力与微面积的乘积即微内力．或物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。

弹性变形材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。 屈服强度是指塑性形变开始发生时的应力。

真应力σT定义为形变发生时，载荷F与瞬间横截面积Ai的比值，或者σT = F/Ai。

真应变εT的定义为εT=ln(li/l0)，其中l0是样品加载前的初始长度，li是瞬间长度。

韧性是指材料在断裂前所能吸收能量的量度． 弹性是指材料在弹性形变中吸收能量的能力。

塑性形变当材料的形变超出弹性形变发生的范围，其应力将不再与应变成正比，永久的、不可回复的形变发生，即为塑性形变。 硬度是材料抵抗局部塑性形变的量度。

工程应力σ的定义为σ = F/A0，这里F是加载在垂直样品横截面的瞬间载荷，单位为牛顿，A0是加载前样品的初始横截面积（单位m2），工程应力单位为MPa。

工程应变ε由方程ε = (li-l0)/l0 = Δl/l0定义，这里l0是样品加载前的初始长度，li是加载瞬间的长度，有时li-l0也用Δl来表示，即代表与初始长度相比较，某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。工程应变是没有单位的。

弹性形变应力与应变成正比关系的形变称为弹性形变。弹性形变是非永久性的，即撤去加载后，样品可恢复初始的形状。

滞弹性应力施加后，大多数工程材料弹性形变都会持续，并且撤去加载，样品的完全回复也需要一定的时间。这种与时间相关的弹性行为称为滞弹性。

冷变形、冷加工：以下进行的塑性变形。 位错密度体积内的位错线的总长度，或者在一个随机切面上的单位面积内切断的位错根数。

晶粒长大多晶体材料中晶粒尺寸的增大，对大多数材料来说，晶粒长大只在升高温度加热的时候发生。

回复冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热处理的方法。 再结晶在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。 再结晶温度对于某种合金，在大约一小时的时间里，完成再结晶所需的最低温度. 滑移位错移动导致的塑性变形或两个相邻原子面的剪切位移。

滑移系滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移（如位错的移动）可以沿该系统发生。

固溶强化由于合金化形成固溶体而导致的材料硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。

无成分变化转变相同成分的不同相之间的转变。

过共析合金可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度大于共析成分。 亚共析合金可得到共析反应的合金体系，此合金中溶质的浓度小于共析成分。 液相线在二元相图中，液相和液+固相之间的分界线。合金而言，此线上的液态温度是在平衡冷却条件下开始产生固相的温度。 包晶反应随着冷却过程，一固相和一液相等温可逆转变为具有不同组成的固相的反应。

Phase: 相体系具有相同的物理和化学性质的均匀部分 固相线在相图中，连接平衡冷却条件下完成凝固或者平衡加热条件下开始熔化之点的轨迹线。

贝氏体钢和铸铁中发生的奥氏体的转变产物。珠光体和马氏体转变发生的温度区间产生贝氏体。贝氏体的显微结构由?-铁素体和精细分散的渗碳体组成。 马氏体过饱和碳的亚稳铁相，是奥氏体的无扩散转变产物。 受主态当具有3个价电子的杂质原子取代掺杂到硅晶体中后，这些原子中的一个共价键会缺失一个电子，这种缺陷可以认为是一个空穴微弱的束缚在杂质原子上，每个这种类型的缺陷都会在带隙内部引入一个能级，它十分接近价带的顶端，也被称为受主态。

施主态当具有5个价电子的杂质原子取代掺杂到硅晶体中，这个杂质原子只有4个价电子参与成键，而额外那个价电子只是松散的束缚在杂质原子的周围。对于每一个这样松散成键的电子来说，其在禁带的内部相邻导带的位置将形成一个能级或者能态，也被称为施主态。

金属是指良导体，通常具有107 (Ω-m)-1量级的电导率。

欧姆定律陈述了电流I（或者单位时间流经的电量）与所加电压的关系：V=IR，这里R是电流通过的材料的电阻。

半导体是指具有中等程度导电性的材料，其电导率一般在10-6至104(Ω-m)-1之间。

黄铜：富铜的铜-锌合金。青铜：富铜的铜-锡合金。也可以是铝青铜、硅青铜、镍青铜

伯格斯矢量（Burgers vector）又称布格向量。由于晶体内产生位错，在晶体的额外半原子面物质消失区，出现闭合路线，线路中存在的闭合差称为伯格斯矢量。矢量的方向表示了位错的性质和位错线的取向；其“模”则反映了晶体点阵畸变的强度。来自同一位错源的位错，具有相同的伯格斯矢量。[1]

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