性能的分析方法与分类
➢性能的分析方法 ➢性能的分类
材料显微结构的分析与表征
➢显微结构的分析原理 ➢显微结构的表征 ➢材料性能与表征技术展望
材料的化学组成和显微结构是决定材 料性能及应用效果的本质因素，研究 材料的显微结构特征及其演变过程以 及它们与性能之间的关系，是现代材 料科学研究的中心内容之一。
➢ 晶粒的形状及大小对材料的性能影响很大。例如。 Si3N4陶瓷的晶粒呈针状，而Si3N4陶瓷晶粒呈粒状或 短 柱 状 ， 前 者 的 抗 折 强 度 (650 MPa) 要 比 后 者 (374MPa)几乎大一倍。象陶瓷这类材料，初始裂纹 尺寸与晶粒大小相当，所以晶粒越小，初始裂纹尺 寸就越小，这有利于强度的提高。
a. 行为：有多少行为，有多少性能 如用表征材料在外力作用下拉伸行为的应力—
应变曲线，采用屈服、缩颈、断裂等行为，便分别 有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。 b. 外界条件
在不同的外界条件下，相同的材料也会有不同 的性能，一般要指定条件。 c. 参量：性能必须量化，就是说定量表达其行为
➢ 晶界结构对材料性能影响也非常大。如陶瓷材料的 破坏大多是沿晶界断裂的。
➢ 外来杂质有向晶界富集的倾向。常利用这种现象， 有意地加入一些杂质，使其集中分布在晶界处以改 善材料性能。如在刚玉瓷生产中可掺人少量MgO， 使之在A1203晶粒之间的界面上形成镁铝尖品石薄层， 将A1203晶粒包围，防止其长大以制成细粒结构的制 品，改善制品性能。
“制造”---材料具有较好的“工艺性能”
材料的性能可分为使用性能和工艺性能。 各种材料在使用中会受到各种外力、温度、化学介
质等因素的作用，从而导致变形或破坏。为了保证 由材料制成的产品（或器件）能正常使用而应具备 的性能，称为材料的使用性能。 它包括材料的物理性能、化学性能和力学性能。
所谓材料的工艺性能是指材料在投入生产的过程 中，能承受各种加工制造工艺而不产生瑕疵或废 品所应具备的性能。
材料本身是一个系统，其性能是系统的功能， 即为材料系统的输出，影响材料性能的外界条件是系 统的输入，分析系统输入和输出的方法主要有三种： • 黑箱法——不考虑结构 • 相关法——建立结构、性能关系 • 过程法——从性能的过程去控制性能
制造有用器件的——性能判据
“有用”---材料具有较好为人类服务的“使用性 能”
✓ 工程技术界多用“性能”，隐含着“能力”之意，即 “能”够干什么；
✓ 自然科学界多用“性质”，似有“本质”之意； ✓ 自然界物体的（性能）并不意味这些物体本身所特有
的，而常常与这些物体以外的其他物体（包括我们感
这个定义对性能分析方法有三点启示： ✓ 性能必须定量化； ✓ 从行为的过程去深入理解性能； ✓ 重视环境对于性能的影响。
一般是制造缺陷或由于工艺过程不完善所产生的 缺陷(如陶瓷烧结和烧成中的残留气孔)。 ➢在服役条件下，工件也可能出现气孔，它是发 生断裂的“先兆”。 ➢某些材料则会大量引入气孔。
➢ 夹杂物是指那些由熔炼过程带来的各种杂质。 ➢ 弥散相则是指在某些基材中有意加人的细小固
体物相，例如在镍基合金基体中加入Y203粉末 以提高其高温强度；在塑料中加入胶颗粒以提 高韧性。
电子显微镜分辨率可提高到0.01μm，即 l0nm，观测的结构称为“超微结构”或 “亚显微结构”。
用高分辨率透射电镜则可观察到物质的分子、 原子，直接研究品格点阵，这种结构被称为 “微观结构”。
“显微结构”：在光学/电子显微镜下分辨出的试样 中所合相的种类及各相的数量，颗粒的形状、大小、 分布取向和它们相互之间的关系，称为显微结构。
晶中晶粒的大小、形状和取向。 对陶瓷材料和高分子材料还包括晶相及非晶相(玻璃
相)的分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、 添加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布； 对金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。
1．晶粒及晶界
晶粒是多晶材料中晶相的存在形式和组成单元。 ➢通常，多晶是由随机取向的晶粒构成，晶粒之间由 晶界隔开。晶界具有无规多面体的截面图像。 ➢多晶材料中晶粒有时具有明显的择优取向，常常成 为织构。如金属材料在轧制过程中常会产生织构。 ➢单晶体就是一个大晶粒，所以其显微结构是均一的。
这里所称显微结构包括了亚显微结构，但不含宏观结 构和微观结构的内容。所以，通常所讲的显微结构， 实际上包含了亚显微结构。
显微结构的定义和尺度界定应以现代仪器的分辨力的 提高而延伸。
一级
二级
三级
四级
钢的晶粒度级别图
显微组织的组成类型及性状 显微组织是决定材料各种性能最本质的因素之—。 材料显微组织主要包括多晶材料中晶界的特征及多
➢ 析出相是一些弥散分布的小质点(球状、椭球状、片状、 针状等)。它们并非是在制造过程中有意加入的而是在 热处理过程中由材料本身析出的。钢中的碳化物，铸 铁中的石墨等。 除了上述微观结构组成类型外，还有各种不同的相 组织、 位错等结构类型
影响显微结构的主要因素
•原料 •制备/加工工艺 思考题：材料结构-性能-制备工艺之间的关系
一、显微结构的概念及组成类型
显微结构原始定义：显微镜下观察到的结构。
两个限定： 1. 所能分辨的尺度 2. 所能观察到的结构内容
材料的显微结构?
肉眼或借助放大镜和实体显微镜只能分辨大于 0.1mm，即大于100μm的物体，所观测到的结 构称为“宏观结构”或“大结构”。
光学显微镜的最大分辨率可达0.2μm左右，观测 到的结构称为“显微结构”。
材料的使用性能是人们判断材料优劣、并正确选 择和合理使用材料的重要依据，对探研新材料、 新性能和新的制备工艺也有着十分重要的意义。
材料： 可为人类社会接受而又能经济地制造有用器材
的物质。 材料属物质，不是所有的物质都是材料。
“材料”的判据： a. 可为人类社会接受地—资源、环保等判据 b. 经济地——经济判据 c. 制造有用器件的——性能判据
性能的内涵： 材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外
界条件下的行为。
✓ “性能”一词，译自英文“property”，也译为“性 质”；