晶向族「111晶向族」

材料科学基础概念（上海交大版）

第一章 原子结构

在原子结构中，结合键是构建物质的关键。结合键分为两类：化学键和物理键。其中，化学键包括金属键、离子键和共价键，它们代表着晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。而物理键，也就是范德华力，则是通过临近原子的相互作用，使原子或分子稳定结合。

进一步深入化学键，我们了解到金属键是由金属中的自由电子与金属正离子相互作用形成。离子键则是阴阳离子之间通过静电作用产生的化学键。共价键则是由电负性相差不大的原子间通过共用电子对形成。氢键是一个特殊的存在，它是由氢与电负性大的原子（如氟、氧、氮等）共价结合形成。

近程结构和远程结构在高分子化学中占据重要地位。近程结构是高分子的化学和立体结构，是最基本、最底层的结构，也称为高分子的一级结构。而远程结构则是由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状。

第二章 固体结构

固体结构中的晶体和非晶体有着明显的区别。晶体是原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质，具有固定的熔点和各向异性。而非晶体的原子排列则无规则，熔化时没有固定的熔点，存在软化温度范围，且为各向同性。

进一步晶体结构，我们发现晶体中的原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。为了描述这种点阵排列的规律，我们取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。

24、多晶型的固态金属，在不同的温度和压力条件下，展现出不同的晶体结构，即具有多种晶型形态，这种转变的产物被称作同素异形体。

25、合金，它是由两种或两种以上的金属或是金属与非金属经过熔炼、烧结或其他方法组合而成的物质，它拥有独特的金属特性。

26、合金中的相，是指具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质的均匀组成部分，这些部分以界面相互隔开。

27、固溶体是一种特殊的固态溶体，它以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中融入了其他组元的原子，保持着溶剂的晶体结构类型。

28、在两组元A和B组成的合金中，除了形成以A或B为基的固溶体（端际固溶体）外，还可能形成具有全新晶体结构的新相，它们在二元相图上的位置居于中间，因此被称为中间相。

29、当溶质原子融入溶剂中形成固溶体时，如果溶质原子占据溶剂点阵的阵点，置换了一部分溶剂原子，这种固溶体被称为置换固溶体。

30、间隙固溶体则是溶质原子分布在溶剂晶格的间隙中形成的。

31、金属元素之间形成的固溶体，如果是有限的溶解，称为有限固溶体；如果是无限的溶解，则称为无限固溶体。

32、无序固溶体中的溶质原子分布在溶剂晶格的结点上，没有固定的次序或规律；而有序固溶体则在高温时形成无序结构，但在缓慢冷却或低温退火时，溶质原子会按照一定比例和顺序重新排列，形成有序结构。

33、正常价化合物是金属与电负性较强的IVA、VA、VIA族元素按照化学上的原子价规律形成的化合物。

34、电子化合物则是由第一族或过渡族元素与第二至第四族元素构成的，它们不遵循常规的化合价规律，但满足特定的电子浓度。虽然可以用化学式表示，但实际成分可以在一定范围内变动，并且可以溶解一定量的固溶体。

35、至于间隙相，则是原子半径较小的非金属元素如C、H、N、B等与金属元素（主要是过渡族金属）形成的具有简单晶体结构的相。当非金属X和金属M的原子半径比小于0.59时，形成间隙相。

36、当非金属元素与金属元素的原子半径比大于0.59时，它们会形成具有复杂晶体结构的相，被称为间隙化合物。

第三章 晶体缺陷

点缺陷是最简单的晶体缺陷，它在结点上或邻近的微观区域内偏离了晶体结构的正常排列。由于其在三个维度上的尺寸都非常小，通常只有一个或几个原子的大小，因此也被称为零维缺陷。这包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。

线缺陷在两个方向上尺寸较小，而在一个方向上延伸较长，也被称为一维缺陷。各类位错就是线缺陷的典型例子。

当某个原子振动能量饱满，振幅扩大到一个极致状态时，它可能会挣脱周围原子的束缚，跃离原本的位置，从而在晶体点阵中开辟一个空缺节点。这个跃出的原子不再是间隙原子安静地待在原来的位置，而是跳入了点阵的空隙之中。

有一种位错形式就像晶体中的刀刃，被称作刃型位错，它拥有一个多余的多面体原子结构。与此不同，螺型位错会让原本平坦的晶体面转变为螺旋状。混合位错则更为复杂，其滑移矢量与位错线相交，形成任意的角度。

我们称柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错为“全位错”。而那些柏氏矢量不等于点阵矢量的，则被称为不全位错。在实际晶体中，从任何一个原子出发，绕位错作右旋闭合回路，就形成了所谓的柏氏回路。这个回路中的相移矢量被定义为该位错的柏氏矢量。

柏氏矢量揭示了位错的能量和强度。在同一晶体中，柏氏矢量越大，位错的强度也就越大，对应的点阵畸变越严重，能量也越高。这个矢量还有一个特性：无论回路大小、形状、位置如何变化，只要不与其它位错线相交，对于给定的位错所确定的柏氏矢量是恒定的。

在外部应力的作用下，位错会发生滑移。原子会沿着柏氏矢量的方向在滑移面上进行微小的位移。当螺型位错在原滑移面上遇到阻碍时，它会转向与之相交的另一滑移面，这个过程被称为交滑移。

刃型位错还有一个特殊的运动方式攀移，即在垂直于滑移面的方向上移动，让多余的多面体原子面向上或向下运动。而位错在运动过程中，与其他位错发生相互作用的现象被称为位错的交割。

割阶是垂直于滑移面的曲折滑移曲线，而扭折则发生在滑移面上的曲折。位错密度描述了单位体积晶体中所包含的位错线的总长度。

在受力过程中，晶体中的位错会发生运动，数量增加，这个过程被称为位错增殖。当一个全位错被分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个组构被称为扩展位错。层错会破坏晶体的完整结构和周期性，引发电子的反常衍射效应，增加晶体的能量。扩展位错的交滑移是一个复杂的过程，涉及全螺型位错的滑移和转变。

晶界是两个属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面。亚晶界则是相邻亚晶粒之间的界面。当形成单位面积界面时，系统的自由能变化被称为晶界能。孪晶界是两个晶体沿一个公共晶面构成晶面对称关系的地方，这个公共晶面就是孪晶面。相界是两个具有不同结构的相之间的分界线，按照结构特点可以分为共格相界、半共格相界和非共格相界三种类型。第四章固体中原子及分子的运动

在固体物质中，每一组分的质量浓度指的是单位体积混合物中该组分的质量。质量浓度是理解物质混合状态的关键参数。当物质从高浓度区域向低浓度区域转移，直至达到均匀分布时，我们称之为扩散现象。扩散不仅仅是物质分子的简单移动，还涉及到原子在固体中的特殊移动方式。

原子可以在晶格的间隙位置之间移动，这种移动方式被称为间隙扩散。而另一种扩散方式则是通过空位进行跳动，称为空位扩散。无论是从高浓度向低浓度的下坡扩散，还是从低浓度向高浓度的上坡扩散，都是扩散的常态表现。当质量浓度不随时间变化时，我们称之为稳态扩散；反之，若质量浓度随时间变化，则称为非稳态扩散。扩散的难易程度由扩散系数来描述，这是一个重要的物理参数。

扩散通量则代表了单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量。还有一种特殊的扩散形式发生在样品的自由表面，被称为表面扩散。

第五章 材料的形变和再结晶

在材料的形变过程中，我们首先接触到弹性变形，这是外力去除后可以完全恢复的那部分变形，其物质本性可以从原子间结合力的角度来理解。材料的弹性模量是在加载或卸载时，弹性形变范围内的应力与应变之比。

材料还表现出包申格效应，即经过预先加载产生少量塑性变形后，再加载时应力会升高，而反向加载时应力会下降。一些实际晶体在加载或卸载时，应变不是瞬间达到平衡，而是通过一种驰豫过程来完成其变化，这种现象被称为弹后效应或弹滞性。

当应力超过弹性极限时，材料会发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。孪生是塑性变形的另一种形式，它常在滑移不易进行的情况下发生。孪晶面、孪生方向以及孪晶变形都是与孪生相关的概念。在孪生过程中，如果阻力很大，继续增大压力会导致晶体产生局部弯曲，这种变形方式称为扭折。

固溶强化是指由于溶质原子的存在及其固溶度的增加，使基体金属的变形抗力提高。而加工硬化则是金属材料经过冷加工变形后，强度和硬度显著提高，而塑性则迅速下降的现象。当第二相以细小且弥散的微粒均匀分布于基体当中时，会产生显著的强化作用，这就是弥散强化。

在塑性变形的旅程中，形变织构展现了一种奇妙的物理现象。随着形变程度的逐渐增加，原本互不相同的晶粒开始调整自己的滑移面和滑移方向，向着主形变方向转动。这一过程仿佛是一场有序的舞蹈，各个晶粒在空间取向上逐渐呈现出一种内在的规律，人们称之为择优取向。在这种转变之下，形成了一种特殊的组织状态，即形变织构。

回复，这一过程仿佛是一种形核与长大之协奏曲的序曲。在全新的无畸变晶粒出现之前，亚结构和性能的变化正在悄然进行。

再结晶则是一场革命性的变革，无畸变的等轴新晶粒逐步取代了已经变形的晶粒。这个过程如同重生，赋予了材料全新的生命。

而晶粒长大则是在这场变革之后的延续，再结晶结束后，晶粒继续生长壮大。

在金属加工领域，有一种神奇的加工方式叫做冷加工，它在不加热的情况下对金属进行塑形处理，处理温度低于再结晶温度。而另一种处理方式则是热加工，当处理温度超过再结晶温度时，变形伴随着再结晶过程，这就是动态再结晶热加工的魅力所在。

再结晶温度是冷变形金属开始复苏的最低温度，就像是给疲惫的金属注入了一剂活力。而临界变形量则是在特定温度下触发再结晶的最小变形量，低于这个量，金属可能无法触发再结晶过程。

再结晶织构是新晶粒在经历再结晶后依然保持着择优取向的特点。它们就像是经过历练的战士，在战场上形成了新的战斗队形。

接下来我们走进纯晶体的凝固世界。结晶是一场原子从无序到有序的转变盛宴。在这个过程中，液态结构中的原子排列从长程无序逐渐过渡到短程有序。这种结构起伏让每一个原子集团都充满了活力与变化。与此能量起伏让每个微小体积的实际能量都在瞬间涨落，仿佛是一场能量的舞蹈。

过冷度是熔点与实际凝固温度之间的差值，它代表着凝固过程中的一种差异与挑战。而均匀形核与非均匀形核则是新相形成的两种方式，前者在母相中均匀产生，后者则依附于异质处形成。晶胚是液相中的短程有序原子集团，它们时而聚集时而散开。晶核则是体系自由能降低的稳定单元，它们像是一颗颗璀璨的星辰，在亚稳相中熠熠生辉。临界晶粒、临界形核功、温度梯度等概念都在描述着这个过程的复杂与奇妙。

在正常的温度梯度下，晶体生长如同波浪般向前推进，呈现平面状。然而有时，液-固界面并不保持平面状，会形成许多伸向液体的分枝，这就是树枝状液的独特形态。

而在二元系相图中，相律揭示了组分数、相数和自由度数之间的内在联系。平衡凝固与非平衡凝固则描述了物质在液态到固态转变过程中的两种状态。这个过程仿佛是一场奇妙的旅程，充满了未知与的乐趣。共晶组织与共晶体：当共晶合金在共晶温度下凝固时，所结晶出的两种相混合物被称为共晶组织，又称为共晶体。这一术语描绘了一种特殊的材料结构，其中两种或多种成分在特定温度下以一种特定的方式结合。

伪晶体：对于成分位于共晶点附近的亚共晶合金或过共晶合金，在非平衡条件下获得的共晶组织被称为伪晶体。这种组织结构与共晶体相似，但在特定条件下形成，表现出不同于典型共晶体的特性。

离异共晶：在某些情况下，当先共晶相的数量较多而共晶组织较少时，共晶组织中的某一相可能会依附于先共晶相生长，而另一相则单独存在于晶界处。这种情况下，共晶组织的典型特征消失，被称为离异共晶。这是一种特殊的两相分离现象。

稳定化合物：具有固定熔点，并且在熔点以下能够保持自身固有结构的化合物被称为稳定化合物。这类化合物在温度变化时保持其结构的稳定性。

铁素体、奥氏体、渗碳体及其他：铁素体是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体，具有体心立方晶格。奥氏体则是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。渗碳体是铁与碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。而珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，莱氏体则由奥氏体和渗碳体构成。

正常凝固与区域熔炼：固溶体合金整体熔化后进行的定向凝固被称为正常凝固。而局部熔化后进行的定向凝固则称为区域熔炼。这两种方法都是金属加工中常用的技术，用于改变材料的微观结构。

成分过冷：在纯金属凝固过程中，当液态金属的实际温度低于理论凝固温度时，出现的过冷现象被称为成分过冷。这种现象对金属的性能和微观结构有重要影响。

三元相图：三元相图是描述三元系合金相平衡状态的图。其中包括等边成分三角形、水平截面和垂直截面等概念，用于表示不同成分和温度下的相变关系。

材料的亚稳态及其他：材料可以存在于平衡态和亚稳态两种状态。平衡态是材料体系自由能最低的状态，而亚稳态则是以高于平衡态时的自由能状态存在，处于非平衡状态。还包括准晶、非晶、固态相变、扩散型相变和无扩散型相变等概念。这些术语描绘了材料的多种不同状态和性质。

对于“名词解释一百单八将”中的晶体描述，可以理解为：晶体中的原子按照一定的规律在三维空间内周期性地排列，这些晶体具有固定的熔点，并且在不同的方向上呈现出不同的物理性质，即各向异性。这种结构赋予晶体独特的性能和特性。

当金属A和B组合形成合金时，除了形成基于A或B的固溶体外，还可能诞生全新的相，其晶体结构与A、B都不同。这些相位于二元相图的中间地带，因此被称为中间相，仿佛是合金世界中的新大陆。

亚稳相，如同一位短暂的舞者，它在快速冷却或加热的过程中暂时停留，虽然热力学上它不能稳定存在，但它凭借着强大的生命力暂时稳定下来。配位数则是晶体结构中原子周围最近且等距离的原子数量，它们共同构建了一个有序的宇宙。

再结晶过程则像是金属的一次重生。冷变形后的金属在适当的温度下重新焕发生机，产生无畸变的等轴新晶粒，让金属的性能恢复甚至超越变形前的状态。伪共晶，则是在非平衡凝固条件下，某些合金也能得到全部的共晶组织，仿佛是魔术般的转变。

交滑移发生时，螺型位错就像一位舞者转换舞台，从一个滑移面跳跃到另一个。过时效现象是铝合金在固溶处理后的硬度强度先上升后下降的过程，仿佛是材料的“疲劳”。形变强化则是金属经过冷塑性变形后强度和硬度上升、塑性和韧性下降的现象，展示了金属的可塑性。

固溶强化、弥散强化等现象都是合金元素加入后，金属强度得到提升的表现。不全位错、扩展位错等概念则揭示了位错的复杂性和多样性。螺型位错中的原子排列如同优雅的螺旋舞。包晶转变、共晶转变等则是晶体生长中的奇妙过程。

上坡扩散、间隙扩散等描述了原子的移动机制。成分过冷则是液体在凝固时产生的温度差异现象。一级相变和二级相变是相变中的不同等级，如同自然界的万物生长。共格相界则是两相界面上的原子完全匹配的关系。调幅分解、回火索氏体等现象则是材料科学中的精细变化。

非均匀形核是新相在母相中的异质处优先形成的过程。马氏体相变和贝氏体相变是钢在特定温度下的特殊转变过程。铝合金的时效现象是强度、硬度随时间提高的过程。热弹性马氏体则是马氏体相变与弹性变形的和谐共存。柯肯达尔效应揭示了置换原子的扩散机制，如同物质内部的秘密舞蹈。

36. 非晶体，它的原子排列没有长远的规律，就像一首无序的诗歌，没有固定的旋律，也没有固定的熔点，它的各向同性就像一幅自由的画作，无拘无束。

37. 致密度晶体，它的内部结构紧密相连，原子体积占总体积的百分数，就像一座坚固的城堡，每一块石头都紧密相连，无空隙。

38. 当外力在多滑移系的分切应力上施加压力，并达到临界值时，就会产生滑移现象，这就像舞蹈中的舞步，当力量达到一定程度时，舞者开始流畅地舞动。

39. 过冷度是相变过程中的一种现象，当冷却到相变点以下某个温度时，就会发生转变。平衡相变温度与实际转变温度之差就是过冷度，这就像煮开水，当水温降到一定程度时，水就会沸腾。

40. 间隙相是一种具有简单晶体结构的相，当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM小于0.59时形成。这就像拼图游戏，某些小块可以完美地填入大块的空隙中。

41. 全位错是柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错，就像一个完整的舞蹈动作，流畅且和谐。

42. 滑移系是晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合。这就像舞蹈中的舞步和方向的组合，构成了独特的舞蹈风格。

43. 离异共晶是共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中的另一相β推到凝固的晶界处，使共晶体的两相分离。这就像一幅画中的两个部分，虽然同在一幅画中，但却各自独立。

44. 均匀形核是新相晶核在母相中均匀地生长，就像种子在土壤中均匀发芽，不受外界杂质的影响。

46. 细晶强化现象表明，晶粒越细小，晶界总长度越长，对位错滑移的阻碍越大，材料的屈服强度越高。这就像一座坚固的城墙，城墙的缝隙越少，敌人就越难攻破。

接下来的概念也如同这样生动形象地描述，将科学的严谨与文学的生动相结合，既保留了原文的意涵，又增加了文章的阅读魅力。这样的文本不仅让读者了解了这些物理和冶金学的概念，而且享受了阅读的乐趣。材料世界的奥秘：晶界、玻璃、水泥与耐火材料的

深入材料的微观世界，我们发现了晶界的奇妙之处。不论是晶界还是表面，它们都承载着材料内部的能量差异与结构转变的奥秘。今天，让我们一起走进这个五彩斑斓的材料世界，其中的每一个细节。

一、晶界之秘

晶界，是材料科学中的一个重要概念。无论是小角度晶界还是大角度晶界，它们都代表了晶体之间的交接处。这里的原子由于种种原因，或多或少地偏离了平衡位置，使得晶界处于一种高能状态。这种能量差异，被称为晶界能或晶界自由能。而相邻晶粒之间的位相差，形成了大小不同的晶界，它们对材料的性能有着深远的影响。

二、玻璃的诞生

当我们谈论玻璃时，不得不提的是它是由熔体过冷所形成的非晶态材料。玻璃态的物质在结构上既具有液体的流动性，又拥有固体的坚硬特性。这种奇妙的结合，使得玻璃成为了日常生活中不可或缺的材料。

三、水泥的力量

水泥是一种神奇的细粉状水硬性材料。当加入适量的水后，它变得具有塑性，既能在空气中硬化，也能在水中硬化。这种强大的胶结能力，使得砂、石等材料被牢固地结合在一起，构建了我们身边的一座座高楼大厦。

四、耐火材料的坚韧

耐火材料是另一种不可或缺的材料，它的耐火度高达1580摄氏度以上。无论是硅质、镁质还是熔铸的耐火材料，它们都具有极高的耐高温性能。在高温环境下，这些材料依然能够保持其性能，为各种工业应用提供了坚