材料的组织与性能

2.3　材料的组织与性能

在金相显微镜下看到的材料各相数量、大小、分布、形态的微观形貌称为显微组织（简称组织），材料的组织取决于其成分及工艺过程。

2.3.1　金属材料的组织与性能

图2－39　含碳量对力学性能的影响

金属材料的组织与力学性能之间存在着紧密的联系。对于Fe－C相图中的平衡组织，其为不同形态的较软韧的铁素体和硬而脆的Fe₃C两相组成，其碳含量对力学性能的影响如图2－39所示。

从相图可知，随着碳含量的增加，其硬脆相Fe₃C的数量一直呈直线增加，铁素体数量减少，导致硬度也呈直线增加，说明硬度指标对组织形态不敏感，同时，塑性及韧度明显下降；其中的珠光体的数量也先是随着碳含量的增加而增加，到w_C＝0.77%时全部变为珠光体，之后因碳的增加而析出网状的Fe₃C_Ⅱ，这样，就导致了强度先增加再降低的现象。显然，网状的Fe₃C_Ⅱ对强度指标影响很大。当碳含量超过2.11%时，则形成以Fe₃C为基体的莱氏体L_e，性能硬而脆。

对存在粗大网状Fe₃C_Ⅱ的钢采取正火加球化退火后，使Fe₃C呈球状分布，对基体的割裂作用大为降低，应力集中程度减小，则钢的韧度大为增加，且利于切削加工。如硬脆相呈细小弥散分布于韧性基体中，则产生所谓弥散强化。

纯铁经变形度为80%的冷拔变形后，晶粒被拉长变形，位错密度等晶体缺陷增多，其顺纤维方向的抗拉强度从180MPa提高到500MPa，产生加工硬化，并形成所谓纤维组织，并使导电性、耐蚀性降低，产生各向异性。

合金在固态下由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。由于多相组织间性能的协调性和互补性，多相组织合金较单相组织合金有更高的综合力学性能。

由前所述，晶粒或组织的细化可增加晶界，使常温下的强硬度增加；同时，因细晶粒的应力集中小，变形更均匀，使塑性更好，这就是所谓细晶强化。

此外，材料呈非晶态的组织、过冷的组织、及过饱和的组织状态时，性能会有较大的差异。

但是，像非晶态的组织、过冷的组织、过饱和的组织、加工硬化组织及细化组织状态因高能量而使高温下不稳定，热强度下降。

显然，合金的成分相同而组织不同，则其性能相差会很大。

由于化学成分的不同，导致显微组织的改变并使力学性能发生明显的变化，这就说明成分－组织－性能三者之间存在着互相依赖、互相影响的因果关系。

2.3.2　陶瓷和高分子材料的组织与性能

1.陶瓷材料的组织与性能

如前所述，陶瓷材料的许多性能既取决于它的化学矿物组成，也与它的显微组织密切有关，其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。陶瓷材料中除了晶体相外，还有非晶体的玻璃相和气相，它们对陶瓷材料的性能均起重要的作用。

陶瓷材料通常由多种晶体组成，有主晶相、次晶相及第三晶相等。主晶相的性能往往标志着陶瓷的物理化学性能。如刚玉陶瓷具有机械强度高、电绝缘性能优良、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能，其原因在于主晶相为A₂B₃型（刚玉型）的Al₂O₃，其晶体结构紧密，离子键结合强度高。

玻璃相对陶瓷的性能也有不利的影响:由于其组成不均匀，会使材料的物理、化学性能不均匀；玻璃相的机械强度比晶相低一些，热稳定性也差一些，在较低温度下便开始软化。鉴于上述原因，在对陶瓷材料的力学、化学及电性能要求较高的情况下，应尽可能减少玻璃相的数量或改变玻璃相的组成，以改善性能。

陶瓷材料的性能与气孔的含量、形状、分布有着密切的关系。气孔使陶瓷材料的强度、密度、热导率、抗电击穿强度下降，介电损耗增大。

2.高分子材料的组织与性能

聚合物的性能与其聚集态有密切的联系。晶态聚合物，由于分子链规则排列而紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难，故其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好，但透明度降低；非晶态聚合物，由于分子链无规则排列，分子链的活动范围大，故其弹性、伸长率、韧度及透明等性能好；部分结晶聚合物性能介于上述二者之间:随着结晶度增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性、抗熔性及化学稳定性均提高，而弹性、伸长率、韧度、透明性则降低。

线型（含支链型）高聚物一般是可溶可熔的，有较高弹性及热塑性，可反复使用。而体型高聚物则具有较好耐热性、难溶性，较高的硬度和热固性（不溶不熔），但弹性、塑性低，易老化，不可反复使用，且随交联密度的增加，弹性下降，而硬度增加（如硫化橡胶）。