材料的宏观表现和微观结构
材料的组成结构性能与应用之间的关系
材料的组成结构性能与应用之间的关系一、前言材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。
是人类赖以生存和发展的物质基础。
20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。
由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。
二、材料的分类与组成2.1从物理化学属性来分材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。
金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。
是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。
无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。
在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。
具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。
这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
材料力学性能总结
材料力学性能总结1、内因：a）金属本性及晶格类型：金属本性及晶格类型不同，位错运动所受的阻力不同。
b）晶粒大小和亚结构：减小晶粒尺寸将使屈服强度提高。
c）溶质元素：固溶强化。
d）第二相2、外因：温度（-）；应变速率（+）;应力状态。
第二相强化（沉淀强化+弥散强化）：通过第二相阻碍位错运动实现的强化。
强化效果：在第二相体积比相同的情况下，第二相质点尺寸越小，强度越高，强化效果越好；在第二相体积比相同的情况下，长形质点的强化效果比球形质点的强化效果好；第二相数量越多，强化效果越好。
细晶强化：通过减小晶粒尺寸增加位错运动障碍的数目（阻力大），减小晶粒内位错塞积群的长度（应力小），从而使屈服强度提高的方法。
同时提高塑性及韧性的机理：晶粒越细，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀，且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，即表现出较高的塑性。
细晶粒金属中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不易传播（晶界曲折多），因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
固溶强化：在纯金属中加入溶质原子形成固溶合金，将显著提高屈服强度。
原因：溶质原子与位错的弹性相互作用，使溶质原子扩散到位错周围，形成柯氏气团；柯氏气团钉扎位错，提高位错运动阻力。
强化效果：间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体；溶质和溶剂原子尺寸差越大，强化效果越好；溶质浓度越大，强化效果越好。
应变硬化（形变强化）：金属材料塑性变形过程中所需要的外力不断增大，表明金属材料有一种阻止继续塑性变形的能力。
原因：塑性变形过程中，位错不断增殖，运动受阻所致。
断裂韧度：临界或失稳状态下的应力场强度因子的大小。
塑性变形：作用在物体上的外力取消后，物体的变形不完全恢复而产生的永久变形。
1、单晶体：滑移+李生；2、多晶体：各个晶粒塑性变形的综合结果。
特点：各晶粒变形的不同时性；不均匀性；相互协调性。
弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形。
材料的宏观与微观特征
木材的微观和宏观特征对材料的设计和造型的影响木材的微观特征观察：（一）横切面：与树木生长方向成垂直锯截所得到的切面称横切面。
横切面上导管、管胞、木薄壁细胞和木纤维等都是横切面，可看到细胞直径和横切面形状，木射线细胞为纵剖面，呈辐射状条形，显示它们的长度和宽度。
（二）径切面：与年轮相垂直的纵切面称为径切面。
径切面上导管、管胞、木薄壁细胞和木纤维等都是纵切面，可以看出细胞长度、宽度和细胞两端的形状，木射线细胞为纵剖面。
（三）弦切面：顺着树干方向纵向锯解的切面称弦切面。
弦切面板材面上年轮呈“V”字型花纹，较美观，但易翘曲变形。
弦切面上导管、管胞、木薄壁细胞和木纤维等都是纵切面，可以看出细胞长度、宽度和细胞两端的形状。
木射线细胞是横切面，显示它们的高度、宽度、细胞的列数和两端细胞的形状。
木材的宏观特征观察：木材的宏观构造是指在肉眼或借助10倍放大镜所能见到的木材构造特征又称为粗视特征。
木材的宏观特征，分为主要宏观特征和辅助宏观特征两部分。
木材的主要宏观特征是木材的结构特征，它们比较稳定，包括心材和边材、生长轮和年轮、早材和晚材、管孔、轴向薄壁组织、木射线、胞间道等。
木材的辅助宏观特征又称次要特征，它们通常变化较大，只能在宏观识别木材中作为参考，如髓斑、色斑、乳汁迹、内含韧皮部、油细胞和粘液细胞等。
木材的颜色、光泽、纹理、花纹、结构、材表、气味、滋味、轻重和软硬等一些物理特征，作为木材识别的辅助依据，也列入木材宏观构造的范畴。
（一）横切面与木材纹理（树轴）垂直的切面，即树干的端面。
轴向分子两端的特征和射线的宽度可在此面观察。
生长轮在此面呈同心圆状；木射线呈辐射状。
（二）径切面（顺纹方向）通过髓心与木射线平行的切面，或与年轮垂直的切面。
此面可观察轴向分子的长度和宽度及木射线的高度和长度。
生长轮在此面呈相互平行的带状。
木射线也呈宽带状，可观察木射线的宽度与高度。
（三）弦切面（顺纹方向）不通过髓与年轮相切的切面。
材料组织结构对其性能的影响
材料组织结构对其性能的影响材料是指可以制成各种器件或构件的原材料，如金属、陶瓷、塑料等。
而材料性能则是指材料在各种条件下表现出来的物理、化学特性。
而材料组织结构是指材料微观和宏观结构的形态、大小和排列等。
这种材料组织结构对材料性能的影响是不容忽视的。
材料组织结构对其力学性能的影响一种材料的组织结构是由其晶体结构和微观组织构成的。
材料的晶体结构决定了其原子排列方式，而微观组织则是由晶粒、晶界、位错等组成的。
这些因素对材料的力学性能有着直接的影响。
首先，材料的晶体结构会影响其强度和塑性。
晶粒的尺寸和排列方式会直接影响材料的强度和韧性。
当晶粒尺寸减小时，晶粒边界的数目也会增加，使得材料的断裂韧性变得更高。
而当晶粒尺寸变大时，晶粒间的结合力也会增强，提高了材料的强度。
此外，晶界也是影响材料强度和韧性的关键因素，晶界能使晶体之间的位移发生，从而对其应变和变形起到调节作用。
而位错是晶体中产生塑性变形的主要途径之一，位错的数量和类型也会直接影响材料的变形能力。
其次，材料的组织结构对材料蠕变和疲劳寿命也有重要影响。
当材料长时间处于高温或高应力状态下时，就会发生蠕变现象。
晶粒的尺寸和晶粒间的结构会直接影响材料的蠕变行为。
若晶粒尺寸较大，晶界面积较小，则蠕变速率较慢；而若晶粒尺寸较小，晶界面积较大，则蠕变速率较快。
疲劳寿命是指材料在重复应力循环下失效的时间。
材料组织结构对疲劳寿命也有显著影响。
当材料的微观组织中存在缺陷时，这些缺陷在重复应力循环下会逐渐扩展，导致材料的裂纹和疲劳断裂。
因此，若想提高材料的疲劳寿命，就必须充分控制材料组织结构中存在的缺陷。
材料组织结构对其物理性能的影响材料的组织结构对其物理性能也有着重要影响。
例如，导电性、热导率、磁性和光学性质等。
首先，材料的微观组织对其导电性能有着重要的影响。
当电流通过材料时，电子会与材料中的原子和分子相互作用。
这些作用使得电子在材料中发生散射，并影响电子的运动。
因此，材料组织结构对电子的散射和传输会影响材料的导电性能。
1-1 晶体的宏观_微观特征_2012
同一品种的晶体，不论其外形如何，其内部结 构总是相同的。这种内部结构的共同性就表现为晶 面夹角的守恒性。
因此，晶面夹角的守恒性是反映晶体品种的特 征因素。
第一节 晶体的宏/微观特征
一、晶体的微观特征
晶体微观结构的周期性: 组成晶体的粒子在空间呈现出周期性的无限排列
（长程、有序）。
Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构
二、晶体宏观特征
1、晶体具有锐熔性，即：晶体具有一定的熔点。
• 在熔化过程中，晶体的长程 有序解体时对应着一定的熔点。
• 非晶体，在凝结过程中不经 过有序化的阶段，分子间的结 合是无规则的，故没有固定的 熔点。
2、晶体具有各向异性特征 * 力学
如：解理性、弹性模量等
石墨，石墨烯，诺贝尔奖
2、晶体具有各向异性特征
* 热学
如：热膨胀系数、导热系数等
2、晶体具有各向异性特征 * 电学
如：电导率、压电性质
压电晶体，切向
2、晶体具有各向异性特征 * 光学
如：折射率
YIG磁光开关
3、单晶体的外形具有一定的规则性
第一章 晶体结构
（单）晶体：长程有序 多晶体：长程多序 非晶体：短程多序
单晶Si太阳能电池 多晶Si太阳能电池 非晶Si太阳能电池
第一章 晶体结构
晶体：长程有序
1-1 晶体的宏观/微观特征 周期性 1-2 晶体的微观结构
对称性
1-3 常见晶体的结构 1-4 晶体的对称型
1-5 晶面与晶向
1-6 倒格子与布里渊区
发育良好的天然单晶 体在外形上往往非常 地规则，呈凸多面体。
描述晶体规则外形的常见术语：
第九章宏微观计算材料力学_材料的宏微观力学性能
第九章宏微观计算材料力学_材料的宏微观力学性能材料的宏微观力学性能是指材料在宏观和微观尺度下的力学行为和性能。
宏观力学性能是指材料在整体上对外加力的响应和表现，包括弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。
微观力学性能是指材料在微观尺度下的组织结构和缺陷对力学性能的影响，包括位错运动、晶格缺陷、相变等。
在宏观尺度下，材料的弹性模量是一个重要的力学性能。
弹性模量反映了材料受力时的变形能力，是材料的刚度系数。
常见的材料如金属、聚合物、陶瓷等具有不同的弹性模量，弹性模量越大，材料的刚度越大，抵抗变形的能力越强。
屈服强度是材料受力后开始发生塑性变形的临界点，它反映了材料抵抗外力引起塑性变形的能力。
断裂韧性反映了材料抵抗断裂的能力，即破坏前材料吸收的能量。
不同材料的断裂韧性也不同，金属通常具有较高的断裂韧性，而陶瓷则通常具有较低的断裂韧性。
在微观尺度下，材料的力学性能与材料内部的位错运动和晶格缺陷密切相关。
位错是材料中的晶格缺陷，它可以通过滑移、螺旋滑移等方式运动，从而引起材料的塑性变形。
位错的数量和运动性质对材料的塑性变形行为有着重要的影响，不同类型的位错运动可导致不同的塑性变形和强化行为。
晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等，它们对材料的力学性能和缺陷扩展行为有着重要影响。
例如，点缺陷可以降低材料的强度和韧性，而面缺陷可以作为裂纹的起始点，并影响裂纹的扩展行为。
此外，材料的相变行为也是材料力学性能的重要组成部分。
相变是指材料在温度、应力或组分等条件发生变化时，形态和结构也发生变化的过程。
相变可以引起材料的塑性变形、蠕变和强度等力学性能的变化。
例如，材料的固溶体化相变可以改变材料的晶体结构、晶界运动和晶粒尺寸等，从而对材料的力学性能产生影响。
总之，材料的宏微观力学性能是多个因素共同作用的结果，包括材料的组织结构、晶格缺陷和相变行为等。
深入理解和研究材料的宏微观力学性能对于改善材料的性能和开发新型材料具有重要意义。
物质的宏观性质与微观结构
物质的宏观性质与微观结构在我们的日常生活中，我们所接触到的物质具有各种各样的性质，比如金属的导电性、水的流动性、冰的硬度等等。
这些宏观性质是我们能够直接观察和感受到的。
然而，你是否想过，这些宏观性质的背后究竟隐藏着怎样的微观奥秘呢？其实，物质的宏观性质与其微观结构之间存在着密切的联系。
物质是由原子、分子或离子等微观粒子组成的。
这些微观粒子的排列方式、相互作用以及运动状态决定了物质的宏观性质。
以金属为例，金属具有良好的导电性和导热性。
从微观结构来看，金属原子的外层电子比较容易脱离原子核的束缚，成为自由电子。
这些自由电子在金属内部可以自由移动，当施加电场时，自由电子就会定向移动形成电流，从而表现出良好的导电性。
同时，自由电子的运动也能够传递热能，使得金属具有良好的导热性。
再来看水，水在常温下是液态，具有流动性。
这是因为水分子之间存在着一定的氢键作用。
氢键使得水分子之间有一定的吸引力，但又不至于让它们紧密地固定在一起。
水分子可以相对自由地移动和滑动，从而表现出流动性。
当温度降低到 0 摄氏度以下时，水分子的运动减缓，氢键的作用增强，水分子排列更加规则，形成了具有一定形状和硬度的冰。
晶体是一类具有规则几何外形和固定熔点的物质。
比如食盐（氯化钠）就是一种晶体。
从微观结构上看，氯化钠晶体中钠离子和氯离子按照一定的规律整齐地排列。
这种有序的排列使得晶体在各个方向上的物理性质具有一致性，并且在达到一定温度时，晶体的结构被破坏，从而发生熔化，表现出固定的熔点。
而对于气体来说，其宏观性质如可压缩性和扩散性，可以从微观角度得到很好的解释。
气体分子之间的距离较大，相互作用力较弱。
这使得气体分子能够自由地运动和扩散，并且容易被压缩。
物质的微观结构还会影响其化学性质。
例如，碳元素可以形成金刚石和石墨两种不同的物质。
金刚石中碳原子之间通过牢固的共价键形成四面体结构，使得金刚石非常坚硬；而石墨中的碳原子则呈层状排列，层与层之间的结合力较弱，所以石墨质地较软，并且具有良好的导电性。
材料制备与表征复习资料
2009级《材料制备与表征》复习范围一．铁电材料1、感应式极化：离子晶体中最主要的极化形式是电子位移极化和离子位移极化，这两种极化都属于感应式极化，极化强度大小依赖于外施电场。
线性关系，E=0，P=0。
2、自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。
非线性关系，E=0，P≠0。
3、铁电体(ferroelectric)：具有自发极化，且自发极化方向能随外场改变的晶体。
它们最显著的特征，或者说宏观的表现就是具有电滞回线。
4、电滞回线(hysteresis curve)：铁电体在铁电态下极化对电场关系的典型回线。
5、电畴（domain）：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
6、畴壁（domain wall）：畴的间界。
7、铁电相变：铁电相与顺电相之间的转变。
当温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变为顺电体。
8、居里温度（Curie temperature or Curie point）：铁电相变的温度。
9、铁电体的分类：1）按结晶化学；2）按力学性质；3）按相转变的微观机构；4）按极化轴多少。
10、铁电陶瓷：在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化能为外电场所转向的陶瓷称为铁电陶瓷。
典型的铁电材料BaTiO3什么是电畴？电畴是如何形成的，180°畴和90°畴有何异同？答：在铁电体中，固有电偶极矩在一定的子区域内取向相同的这些区域就称为电畴或畴。
电畴的形成过程：新畴成核、畴的纵向长大、畴的横向扩张和畴的合并四个阶段。
180°畴自发极化方向相反，反平行，在晶体中不产生应力；180°畴前移速度比侧向移动速度快几个数量级。
畴壁薄。
90°畴的自发极化方向相互正交，有应力产生。
新畴的发展主要依靠外电场推动90°畴壁的侧向运动。
畴壁较厚。
自发极化与铁电体的概念？答：自发极化：铁电体所表现的自发极化，却是不依赖于外电场，并能随外电场反向而发生反转。
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金属材料的宏观表现为金属材料的性能，而它的微观结构则是材料的细微的排列顺序,它们两者之间,由材料的宏观表现，我们可以推断出该金属材料的微观结构组成;反之由金属材料的微观结构眼我们可以大概的判断它的性能既材料的宏观表现。
因此金属材料的晶粒越细小，金属的强度、金属的塑性、金属的韧性等性能越好。
1.表面细晶粒区
表面细晶粒区的组织特点是：晶粒越小，区域厚度越小，组织致密，成分均匀，力学性能较好。
2、柱状晶粒区：表层细晶区形成后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难于形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。
由于散热方向垂直于模壁，因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。
柱状晶由于方向性过于明显，而且晶粒之间往往结合较弱，轧制是容易在柱状晶处开裂，因此要尽量减少或避免形成明显的柱状晶区。
根据柱状晶区的形成与温度梯度的方向性有直接的关系的特点，要减少柱状晶区，需从破坏稳定的温度梯度及柱状晶的稳定生长入手，如降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加液体流动或震动以及变质处理等手段。
3、中心等轴晶区：当柱状晶长大到一定程度，由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出，使结晶前沿的温度梯度消失，导致柱状晶的长大停止。
当心部液体全部冷至实际结晶温度以下时。
等轴晶粒区的组织特点是：晶粒粗大，组织疏松，力学能力较差。